基于1∶1万DEM澜沧江上游地貌形态特征分析——以兰坪县为例

陈应跃，沈金祥，张 洪，沈映政

(云南国土资源职业学院 国土管理学院，云南 昆明 650000)

0 引言

地形地貌特征是地理空间信息的基础，通过提取海拔、坡度、坡向、相对高度、山体走向等特征组合构成形态与分布多样的地表景观，对区域生态环境与资源的地域优势种类分布、利用方式和利用程度等具有主导作用[1]。经过几十年的发展，地形地貌特征研究已经从定性描述方法逐渐向定量化发展，定性研究主要通过语言描述分析解决问题，缺乏数据支撑，定量分析则为实验数据提供有力支撑，为更深入、更准确的区域综合开发利用规划提供更为可靠的基础数据，但是地形地貌的定量分析数据庞大、计算繁琐，如果采用传统的技术方法很难快速得到成果，随着计算机科学以及3S集成等技术的高速发展，为空间数据的采集存储、分析处理提供了有力的技术支撑。

数字高程模型(DEM)数据是通过栅格形式记录地面高程信息的数据模型，记录地面三维坐标信息，并基于此模型进行各种地貌因子的提取[2]。ArcGIS是美国环境研究所研发的GIS软件平台，原于其强大的数据采集管理、空间分析功能，目前已成为地理信息行业运用最为广泛的平台。

1 区域概况与数据收集

澜沧江是一条著名的国际河流，发源于中国青藏高原唐古拉山北麓，流经中国、缅甸、老挝、泰国、柬埔寨和越南6个国家，素有“东方多瑙河”的美誉，干流全长4880 km，居世界第六，亚洲第四，流域汇水面积达810000 km2。流经中国境内部分称为澜沧江，干流长2161 km，集水面积167487 km2，云南段流经36个县，干流长1216 km，集水面积88665 km2。其中怒江州兰坪县境内干流长130 km,流经中排、石登、营盘、兔峨4个乡(镇)，海拔在1360～2500 m之间，相对高差达1000～2000 m，山高坡陡、谷深狭长，由于高差较大，形成“V”型峡谷，区域内属于典型的干热河谷气候，植被主要为旱生硬叶灌丛，气候、景观垂直分布明显[3]。

为开展本研究，收集了兰坪县2015年第二次全国土地调查变更数据库数据，比例尺为1∶1万，数据格式为ArcGIS平台的MDB格式，坐标系统为1980西安坐标系。

2 地貌特征因子处理

2.1 数字高程模型(DEM)

数字高程模型(DEM)是通过有限的高程数据采用空间插值的方法实现对地表地形数字化模拟的实体地面模型。它记录了地面空间位置和高程信息，是进行地貌形态特征信息提取的基础数据，地面坡度、坡向、地表起伏度等信息可以通过空间分析方法直接由DEM生成。为了对研究区进行地貌特征分析，基于1∶1万比例尺地形数据创建了10 m空间分辨率的DEM(图1)。

2.2 海拔专题图

海拔即高程，是地面点到大地水准面的相对高度，按照分类标准：极高山(>5000 m)、高山(3500～5000 m)、中山(1000～3500 m)、低山(500～1000 m)、丘陵(200～500 m)、平原(<200 m),使用ArcGIS栅格数据分析工具对DEM数据进行重分类处理，可以得到区域海拔专题图，同时使用Excel软件对海拔数据进行汇总统计，绘制海拔变化曲线(图2)。

图2 海拔专题图

2.3 坡度专题图

坡度值指水平面与地表之间的夹角或者正切值，表征局部地区地表高度变化的比率，地表单元陡缓的程度。坡度是重要的地形因子之一，坡度的大小直接影响流域地表的物质流和能量再分配，影响流域土壤发育、植被分布，制约着流域生态环境格局与土地资源开发利用可能的方式与类型[1]。研究区坡度状况对于阐明流域地貌成因、山坡稳定性和地貌发育过程具有重要的意义。利用ArcGIS的3D分析模块通过对DEM处理生成坡度栅格图(图3)。并按照行业规范进行坡度数据重分类处理，分别为：平坡(0～5°)、缓坡(5～15°)、斜坡(15～25°)、缓陡坡(25～35°)、急坡(35～45°)、险坡(>45°),得到6个分类结果，并对各个等级进行面积分类汇总。

2.4 坡向专题图

坡向是指局部地表坡面在水平面上投影与正北方的夹角,坡向是重要的地貌因子。它影响地表日照时数和太阳辐射强度，支配着区域光热资源的再分配，影响区域降水与地表径流流向。使用ArcGIS的3D分析模块对DEM数据进行处理得到坡向数据，结果按照坡向分类标准进行类别划分，分别为：北坡(337.5～22.5°)、东北坡(22.5～67.5°)、东坡(67.5～112.5°)、东南坡(112.5～157.5°)、南坡(157.5～202.5°)、西南坡(202.5～247.5°)、西坡(247.5～292.5°)、西北坡(292.5～337.5°)、平坡(0°)，获得坡向专题图(图4)。并使用Excel汇总统计各个高差面积数据。

图3 坡度专题图

图4 坡向专题图

2.5 地形起伏度专题图

地形起伏度是指在一个特定的区域内，最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值[4]。它是描述区域地形特征的一个宏观性指标。求出一定范围内海拔高度的最大值和最小值，对其求差值即可得到地形起伏度。公式如下：

R=Hmax-Hmin

其中，R表示地表起伏度；Hmax表示单元内最大高程值，Hmin表示单元内最小高程值。地面起伏度对区域内洪涝灾害、水土流失防治等具有重要意义。使用ArcGIS中的领域分析工具对DEM数据进行处理，选用20×20的领域算子进行单元高程最大值和最小值计算，再通过栅格计算器进行差值求算，即可得到地面起伏度数据，使用Excel汇总统计各个高差面积数据，制作地面起伏度专题图(图5)。

图5 地表起伏度专题图

2.6 地貌晕渲专题图

地貌晕渲图可以模拟不同太阳高度角与地面实体相互作用下的地貌，辅助观察者直观认识地表结构及地表覆盖，地貌晕渲图受控于坡度、坡向、太阳高度角和太阳方位角。使用ArcGIS表面分析模块中的Hill-Shade工具实现。参数使用默认的方位角以及太阳高度角，获得区域地貌晕渲图(图6)。

图6 地貌晕渲图

3 结果与分析

3.1 海拔统计与分析

对GIS软件处理得到像元大小为10 m的DEM，基于不同海拔值所对应的像元进行面积汇总统计，绘制曲线图(图7)。从图7可以看出：研究区域内海拔最小值为1360 m，最高海拔4420 m，最大高差2731 m。区域内海拔总体呈正态分布，面积峰值出现在2771～2850 m范围内，面积达27394.98 hm2，在最低海拔1360～1519 m范围内面积为3113.12 hm2，在最高海拔4091～4420 m范围内面积为1768.66 hm2。

图7 不同海拔的面积分布图

根据我国山地和丘陵的等级划分系统，对研究区海拔高度专题图进行分类处理，汇总统计(表1)。通过表1可知，在整个兰坪县境内只有中山和高山2种地貌类型，没有低山、丘陵、平原地貌。结合图2分析可得，中山主要分布在澜沧江、沘江、通甸河河谷两岸，高山主要分布于河流两岸山顶。

表1 海拔与地貌类型统计表

3.2 坡度统计与分析

对处理得到的兰坪县像元大小10 m的坡度数据，基于像元的统计得到不同坡度对应的面积分布，绘制曲线图(图8)。从图8可以看出：坡度在0～80°均有分布，主要集中在0～59°，其他面积较少。结合兰坪县境内地形地貌可以得知0～1°区域主要为河流水面。

另外，依据地貌坡度的6级分类指标体系，对处理得到的坡度数据进行重分类，进行基于像元的面积统计，如表2所示。

结合区域实地调研结果对表格数量结构进行分析，表格数据结构符合实地情况，兰坪县处于澜沧江流域上游，区域内海拔高差较大，山体主要为中山和高山，地势陡峭，坡度主要集中在15～45°，面积占比达总面积的83.1%，主要分布在山体中部，平坡、缓坡、险坡占比较少，合计仅占16.9%。

图8 不同坡度的面积分布图

表2 坡度类型统计表

3.3 坡向统计与分析

利用由DEM生成的坡向数据，基于像元面积统计绘制变化曲线(图9)。

图9 不同坡向海拔面积分布图

另外，按照划分标准对坡向数据进行重分类，划分为9个方向类别，同时对各个类别进行面积汇总统计，如表3所示。

结合区域实地调研结果对表格数量结构进行分析，表格数据结构符合实地情况兰坪县境内坡向为0～7°的区域有个峰值，主要分布于河流水面以及坝区，但是面积相对较少，仅为22243.36 hm2，占总面积的5%。其他区域分布相对均匀，因此，流域各方位的地面光热资源与地表径流分配也随之呈现相对均衡状态。

3.4 地面起伏度分析

利用ArcGIS领域统计分析工具，以20×20的算子进行最大高程、最小高程及两者差值运算得到地表起伏度数据，对该数据进行基于像元的地表起伏度统计，得到地表起伏度曲线图(图10)。通过分析曲线图可以看出，当选取在兰坪县境内地面起伏度最大值为229 m，最小值为0时，地面起伏度峰值出现在30～37 m范围内，起伏度大于105 m区域并零星分布于区域内。

表3 坡向类型统计表

图10 地面起伏度面积分布图

4 结语

地形地貌定量分析是区域深度开发利用的基础，本研究通过对澜沧江中上游区域坡度、坡向、地面起伏度等地貌特征的分析，为区域土地资源综合利用提供了基础数据支持，并具有一定的指导意义。

此前关于澜沧江流域地形地貌特征的研究已有先例，研究者选用了1∶25万比例尺DEM数据作为数据基础，而本研究选用大比例尺1∶1万DEM数据进行精细化研究，在空间尺度上更精准可靠，地貌特征定量也更准确。由于数据采集过程中有关地形数据等高距、比例尺精度、插值模拟等方面存在着制图综合取舍与空间信息损失，因此有可能导致一些特征数据处理结果与实际状况存在较大偏差，甚至失去实际应用意义。因此，结合实际调查状况，对相应地貌特征处理结果进行客观分析是十分必要的，特别是在地貌起伏剧烈的云南山区峡谷流域。随着遥感技术、三维激光扫描、倾斜摄影测量、无人机航测技术的飞速发展，为区域精细地貌特征提取提供了高效、快速的技术支撑。

[1] 甘淑,袁希平.澜沧江流域地理信息处理与地貌形态特征分析[J].云南地理环境研究,2005,17(4):1-5.

[2] 和健全.澜沧江流域(兰坪段)生态修复存在问题与对策[J].现代园艺,2015(6):118-119.

[3] 王雷,朱杰勇,周燕.基于1:25万DEM昆明地区地貌形态特征分析[J].昆明理工大学学报：理工版,2007,32(1):6-9.

[4] 涂汉明,刘振东.中国地势起伏度最佳统计单元的求证[J].湖北大学学报：自然科学版,1990(3):266-271.