基于DEM的都坝河流域地貌类型识别

刘慧丽,董廷旭,陈 浩,王 飞,廖传露

(绵阳师范学院资源环境工程学院,四川绵阳 621000)

0 引言

地貌作为地球圈层间相互作用的重要产物,控制着自然地理环境的分异[1-2],因此地貌研究具有十分重要的意义.地貌划分更是一项具有实际应用价值的研究,它不仅有助于水土保持及水土流失防治、还能为地质灾害防治等提供决策依据[3-4].随着3S技术和数据共享平台的快速发展,在突破传统地貌研究方法的基础上,通过数字地形模型(Digital Elevation Model,DEM)进行地貌定量分析,可快速、精准、全面地提取地貌信息,并结合研究区气候气象、土壤、植被、居民点等其他数据进行综合分析,为气候气象灾害预防、地质灾害防治、水土保持及水土流失防治等提供指导方针.我国地貌形态分类方案呈现多样化,不过通常都会提到台地、平原、山地、丘陵、高原等类型[5].2008年,李炳元在前人的基础上对中国陆地基本地貌类型划分作了进一步探讨,在传统的平原、台地、丘陵和山地分类的基础上,按地形起伏度细分为7种形态,并按海拔高度划分为5个等级[6].目前,以DEM作为基础数据的数字地形分析技术成为地貌研究的主要方式,地貌类型划分方法逐渐由单一地形因子(如地形起伏度、海拔高度)分析向多个地貌形态因子综合分析转变,研究范围也逐渐由大区域尺度向中区域尺度及中小区域尺度拓展[7-10],而对于小区域尺度的研究还较少,特别是小流域.都坝河流域位于北川县东北部,距离北川新县城约20 km,属“5·12”特大地震震中地区,也是地震灾害极重灾区[11-12],因此对都坝河流域地貌类型研究很有必要.本文以1∶50 000地形图为基础数据,通过均值变点法、相关系数矩阵及主成分分析法确定宏观地形因子的最佳统计窗口及提取最佳地形因子组合,在此基础上对都坝河流域地貌类型进行识别划分,其结果对都坝河流域水土保持、地质灾害防治与生态环境治理等方面具有重要的现实意义.

1 研究区域及数据

1.1 研究区域

都坝河流域位于北川县东北部(图1),属于湔江流域,隶属于涪江水系,是北川县较为重要的一条河流,地处东经104°24′56″～104°38′34″,北纬31°52′6″～32°6′55″,流域面积约为305 km2.属于亚热带湿润季风气候区,全年气候湿润温和,光照充足且雨量充沛.以山地地形为主,整个流域西北高东南低,海拔600～2 238 m.流域内多由千枚岩、板岩、灰岩、砂页岩等构成.因地处龙门山断裂带-地震高频区,地质灾害频发,以泥石流、滑坡和崩塌为主.

图1 都坝河流域简图Fig.1 Duba River Basin

1.2 数据来源与处理

本文以1∶50 000地形图为基本资料提取等高线建立DEM,对原数据进行一阶多项式仿射地理配准、投影变换及重采样,格网大小为30 m×30 m,空间参考为WGS_1984_UTM_Zone_48N.利用ArcGIS水文分析,基于DEM数据经过流向计算(D8算法)、洼地计算及填充、流量计算、水流长度计算、河网提取(Strahler方法)等,掩膜裁剪提取流域区域,得到都坝河流域的DEM数据.

2 研究方法

2.1 最佳地形因子组合

地形因子是地形特征信息的重要载体,宏观地形因子主要从宏观角度、大区域范围反映研究区的整体起伏变化情况,即表达地形总体形态特征;微观地形因子则用于表达地貌地形细节特征[13-14].每个地形因子都有自己独特的地学意义,因此能否准确选取地形因子必然会对地貌识别划分产生一定的影响[15].本文分别从微观和宏观两个方面提取地形因子,有利于对都坝河流域地貌进行深入研究.结合研究区域实际情况,通过定性分析初步选取高程、坡度、坡向变率、平面曲率、地形粗糙度、地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度等10个地形因子作为初选地形因子.在实际地貌分类过程中,通过相关系数矩阵与主成分分析法选取几个具有代表性且彼此间相关性弱的最佳地形因子组合参与地貌类型划分[16].

2.2 最佳统计窗口确定

最佳统计窗口是提取宏观地形因子的关键.本文通过矩形移动窗口法[17]计算不同窗口(2×2,3×3,……,49×49)像元大小所对应的宏观地形因子,其平均值随窗口面积的变化呈对数曲线特征,并采用均值变点法确定宏观地形因子的最佳统计窗口[18].其计算步骤如下:

(1)

(2)

2.3 主成分分析法

主成分分析法是通过降维思想将多个具有一定相关性的初选变量重新组合成一组新的变量来代替,具有少数、彼此无关且能最大程度地反映原变量信息的特点[19].其计算步骤为:(1)原始数据标准化处理;(2)相关系数矩阵构建;(3)特征根、方差解释率、累积解释率计算;(4)主成分载荷计算;(5)主成分确定.在实际应用中,根据特征根及方差累积解释率确定主成分个数,其选取的主成分累积解释率大于75%且特征根大于1.本文通过断棍模型来选择主成分个数[20].

3 结果与分析

3.1 最佳地形因子组合

最佳地形因子组合主要是通过相关性分析筛选出少数且能够充分描述地貌形态特征的代表性因子,在最大程度上减少地形因子信息重叠和数据冗余,提高运算效率与数据精度.通过定性分析对于初步选取都坝河流域的10个地形因子(H-高程,S-坡度,A-坡向,SOS-坡度变率,SOA-坡向变率;plane C-平面曲率,profile C-剖面曲率,C-总曲率,R-地形粗糙度,RF-地形起伏度,V-高程变异系数,D-地表切割深度),如图2所示.基于R软件进行相关性分析,因避免分类时因子权重不同的影响,先对这10个初选因子进行标准化处理.由表1可知,坡度和地形粗糙度、地形起伏度、地表切割深度,地形粗糙度和地形起伏度,地形起伏度和高程变异系数、地表切割深度,这些因子间的相关系数均大于0.6,相关性较强且达到极显著.高程坡向变率和地表切割深度的相关性达到显著水平,其余因子相关性未达到显著性水平.通过断棍模型,选取特征根总和大于所对应断棍长度总和前四轴,即提取前4个主成分.其结果(表2)显示前4个主成分的累积解释率达到80%,特征根大于1,且主成分1最大为3.76.这说明通过断棍模型选择主成分是有效的,其结果与直接根据特征根及方差解释率确定主成分相一致.

表1 初选因子间的相关系数及显著性Tab.1 Correlation coefficient and significance of primary factors

图2 都坝河流域DEM提取的地形因子Fig.2 Topographic factors extracted from DEM in the Duba River Basin

主成分1中地形起伏度和坡度的载荷量最大,由于二者正相关强且极显著(表1),选择地形起伏度作为备选地形因子;主成分2中高程和剖面曲率的载荷量最大,二者呈极显著正相关,选择高程作为备选地形因子;主成分3中坡度变率和坡向变率的载荷量最大,且二者呈极显著正相关,故选择坡度变率作为备选地形因子;主成分4中高程和平面曲率的载荷量最大,且二者呈极显著正相关,尽管高程载荷量相对较高,但高程已作为主成分2中的备选地形因子,因此选择平面曲率作为备选地形因子.

综合以上,本文最终筛选出地形起伏度、高程、坡度变率、平面曲率4个地形因子进行地貌特征类型划分.

3.2 最佳统计窗口确定

宏观地形因子表征地表形态特征时,不同分析窗口提取的统计值各不相同,窗口的大小决定区域地表的实际反映情况.因此在提取宏观地形因子时,最佳统计窗口大小的确定是关键.以地形起伏度为例,利用ArcGIS空间分析中的邻域统计工具计算DEM数据区域范围内的地势起伏度,按1个格网单元进行移动,提取2×2,3×3,……,49×49的网格大小下的地形起伏度(表3),得到不同网格大小下的面积、最大地形起伏度(Max_RF)和平均地形起伏度(Mean_RF).可以发现最大地形起伏度和平均地形起伏度随着网格大小的增大而逐渐增大,当网格单元对应的面积达到一定大小时,平均地形起伏度的变化程度则趋于平稳.根据矩形移动窗口法计算不同窗口下的地形起伏度,通过线性拟合,其平均值随窗口大小的变化呈对数曲线特征,拟合方程为y=97.384lnx-4.516,相关系数为R2=0.953.当拟合曲线从增速到减慢时会存在一个转折点,该转折点所对应的网格大小即为最佳统计窗口.通过均值变点法计算拟合曲线上由陡变缓的阈值对应的点,以i(i=2,3,4,……,N;N为总样本个数)为分界点将样本分成两段,计算得到总的离差平方和S=35.91,变点的存在会使S和Si之间的差值增大,当S-Si的差值为最大值时,由陡变缓的点即为变点,对应的最佳统计窗口为18×18的网格大小,面积为0.291 6 km2.故地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度的最佳统计窗口选取18×18的网格大小.

3.3 都坝河流域地形因子特征

由图3可知,都坝河流域的地形起伏度以小起伏山地为主,占总面积的86.52%;其次是小起伏丘陵,所占比例为10.57%,主要零散分布于东南部;河谷、平坝和中起伏山地所占面积最少,且沿河流轨迹分布.流域海拔整体偏高,85.02%的区域为中海拔地区,低海拔区出现于水系周边,沿陈家坝镇、桂溪镇、都贯乡一带,占总面积的13.27%;亚高海拔区面积仅占1.71%,位于陈家坝镇西北部,分布在樱桃沟村、平沟村、龙坪村附近.流域的坡度变率主要介于25°以下,面积占比99.20%,各级面积分布呈坡度变率的增加而减少,其次坡度变率>25°的面积占比最小.平面曲率<2占整个流域的99.26%,说明研究区地形表面趋于平坦凸坡变化;平面曲率在2～4之间及>4的面积占比不足1%,呈细条带状分布.从假彩色合成的的地形特征影像图来看,流域内沟谷偏多,山脊线和山谷线突出显示.

图3 最佳地形因子空间特征与假彩色合成Fig.3 Spatial characteristics of optimal topographic factors and false color synthesis

3.4 都坝河流域地貌特征类型

将最佳地形因子组合进行叠加分析得到都坝河流域8种地貌类型(图4).可以看出都坝河流域分布较广的地貌类型主要为小起伏中山(22.97%)、小起伏亚高山(20.26%)、小起伏低山(18.92%)和中起伏低山(14.18%).小起伏中山和小起伏亚高山分布比较分散,几乎整个流域都有分布,且西北地区分布居多;小起伏低山主要分布在流域西北部,特别是都贯乡-皇帝庙村一带;中起伏低山大致以带状分布,分布最明显在都贯乡与陈家坝镇的交界处附近;丘陵主要沿着河流水系周围分布,占研究区总面积的9.81%;中起伏中山分布于西北角边界、龙坪-勇敢村靠西北方及陈家坝镇东南角边界较为集中,占研究区总面积的7.80%;河谷、平坝和中起伏亚高山面积所占比例较少.

图4 都坝河流域地貌类型空间分布Fig.4 Spatial distribution of geomorphic types in the Duba River Basin

4 结论

(1)采用均值变点法确定宏观地形因子(地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度)的最佳统计窗口为18×18,统计面积为0.291 6 km2,实证了均值变点法提取地形因子最佳统计窗口的可行性.

(2)都坝河流域的最佳地形因子组合为地形起伏度、高程、坡度变率、平面曲率,其累积解释率达到80%,可以综合全面地反映都坝河流域的地貌特征.

(3)基于最佳地形因子组合划分为8类地貌类型,即沟谷平坝、丘陵、小起伏低山、小起伏中山、小起伏亚高山、中起伏低山、中起伏高山、中起伏亚高山.都坝河流域内以小起伏中山、小起伏亚高山、小起伏低山和中起伏低山地貌类型居多,占整个流域面积的76.33%,地貌类型复杂,且以小起伏山地为主,其面积占到一半以上.