基于DEM的湖北省蕲春县地形起伏度分析

黎　武,王汝兰,慕　凯,余林艳,贺春明,徐　珍

(西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637009)



基于DEM的湖北省蕲春县地形起伏度分析

黎武,王汝兰,慕凯,余林艳,贺春明,徐珍

(西华师范大学 国土资源学院，四川 南充 637009)

基于大别山区的湖北省蕲春县ASTER GDEM(空间分辨率30m×30m)数据，运用ArcGIS 10.2的窗口分析法依次计算3×3、5×5、7×7、…、65×65窗口下的地形起伏度，最后用均值变点分析法确定最佳分析窗口，利用最佳分析窗口制作蕲春县地形起伏度分级图。研究结果表明：蕲春县最佳分析窗口为21×21，最佳统计面积为106.20×104m2，地形起伏度可分为5级，其中丘陵分布最广占总面积的33.75%，平原占16.61%，台地占32.96%，小起伏山地占16.67%，中起伏山地分布最少占0.02%；地形的起伏是造成水土流失的重要因素，蕲春县地形起伏度较小，地势低平，地形条件对水土流失影响较轻；地形起伏导致土壤侵蚀退化，土壤肥力下降，制约农业的发展。针对起伏度分级的不同地貌类型区域，因地制宜的进行农业生产活动。台地和丘陵地区坡改梯，防治坡耕地水土流失，中起伏和小起伏山地列入保护用地，适当发展经济林，防止潜在的水土流失。

蕲春县；DEM；地形起伏度；均值变点分析法；水土流失

地形起伏度 (Relief Amplitude)是指某一确定面积内最高点和最低点之高差[1]。它反映区域内地面的起伏特征，是定量描述地貌形态、划分地貌类型的重要指标[2]。地形起伏度是重要的地形因子，它不仅反映了地表切割剥蚀程度，也是导致水土流失最直接的因素[2]。近年来，随着3S技术的发展，用数字高程模型(DEM)研究区域地形起伏度逐渐兴起[3-5]，地形起伏度已经应用于人口分布(人口分布与经济发展)[5-8]土地利用时空变化[9]，水土流失定量评价[10]，地质灾害评价(滑坡)[11-12]，生态环境(人居环境)[13-14]等方面。

目前对地形起伏度的研究大多集中在较大范围[4，15-17]。对局部小范围的研究相对较少，如陈珂[18]以华蓥市DEM、丁贤法[19]以云南省富宁县DEM为数据源，分析地形起伏度。局部小范围特别是县域范围下的研究也有重要的意义。本文以ASTER GDEM数据为基础数据源，湖北省蕲春县为研究区，采用GIS空间分析(Spatial Analyst)中的窗口分析法提取蕲春县地形起伏度，最后利用均值变点分析法确定最佳分析窗口，依据数字地貌制图规范，制作地形起伏度分级图，据分级图对该县地形起伏度进行初步分析。通过分析蕲春县地形起伏度的空间分布规律，不仅可以认识该地区宏观地形特征与水土流失情况，也能够为土地资源的合理利用和水土流失的防范治理提供重要的理论依据。

1　研究区概况

蕲春县在115°12′～115°55′E、29°59′～30°41′N之间。位于湖北省东南部，大别山南麓，东临安徽省，长江中游北岸，隶属黄冈市(如图1所示)。地势北高南低，地貌复杂。北部为山区，中部为丘陵地带，南部为平原。属于亚热带季风气候，四季分明，气候温和，光照充足，雨量充沛，四季分明。历年平均无霜期249.1天，日照时数2 025.8小时，年平均气温16.8 ℃，年降水量1 341.7 mm[20]。蕲春版图面积2 398平方千米，下辖15个乡镇办、2个省级园区(开发区)和1个国家级湿地公园，人口约101.1万(2014年统计)。

图1　研究区地理位置

2　数据来源与研究方法

2.1数据来源与处理

本文采用ASTER GDEM数据，该数据来自于地理空间数据云平台网站(http：//www.gscloud.cn/)，该数据是在2009年6月由日本经济产业省(METI)和美国国家航空航天局(NASA)共同发布。空间分辨率为30 m×30 m，数据覆盖范围为83°S到83°N之间的所有陆地区域，达到了地球陆地表面覆盖率的99%，其平面基准为WGS84，置信度为95%[21]。在ArcGIS10.2空间分析中，对获取的蕲春县DEM数据进行拼接处理，然后在裁剪工具(Clip)中，用从国家基础地理信息中心下载1∶400万的蕲春县矢量边界图去裁剪拼接好的DEM数据，得到蕲春县县域范围内的DEM数据。

2.2研究方法

2.2.1窗口分析法提取地形起伏度

在ArcGIS 10.2的空间分析(Spatial Analyst)中，使用窗口递增分析法提取蕲春县地形的起伏度。窗口类型为矩形，窗口依次为3×3、5×5、7×7…，移动步距为2，终止窗口为65×65。用栅格计算器(Raster Calculator)计算每个分析窗口内最大高程与最小高程之差，每个矩形窗口内的高差作为起伏度，窗口下平均值即是平均地形起伏度，由此计算出每个分析窗口的起伏度。每个窗口内的最大高程图层与最小高程图层的差值所得出的新图层为该窗口内的地形起伏度图层。计算公式为[16]：

(1)

式中：ΔHi表示以第i个矩形窗口内的地形起伏度，Hmax、Hmin分别表示该窗口内的最大、最小高程值。

2.2.2均值变点分析法

基于DEM提取地形起伏度，关键在于确定最佳分析窗口[1]。本文使用数理统计上的均值变点分析法确定最佳分析窗口，该方法的原理是变点的存在会使原始样本的统计量S与样本分段后的统计量Si之间的差距增大。令i=2,3…,n，对每个i将样本分为两段：X1, X2,…,Xi-1和Xi,Xi+1,…,Xn，计算步骤大致如下[16，22]。

(a)计算每段样本的算术平均值Xi1、Xi2及统计量Si：

(2)

(b)计算统计量S：

(3)

(c)计算期望值E(S-Si)：

(4)

3　结果与分析

3.1不同窗口与平均起伏度的对应关系

利用GIS的窗口分析法计算蕲春县地形起伏度，依次计算3×3、5×5、7×7、…、65×65窗口下的地形起伏度，取每个分析窗口的地形起伏度的平均值。窗口大小、窗口面积、平均起伏度的关系(如表1所示)。

表1　分析窗口面积与平均起伏度对应关系图

对每个分析窗口下的平均地形起伏度与各分析窗口面积进行对数拟合(y=AlnX+B)，得出的拟合曲线(图2)拟合系数为0.95，拟合效果较好。由图2可以看出：随着窗口面积的增加，地形起伏度的值也会增加，最终会趋向稳定，由快到慢的变化过程中会存在一个最佳统计单元。图2中窗口面积在0～50×104m2平均地形起伏度迅速增大，之后增速减缓趋于平稳。拟合曲线由陡变缓的点对应的窗口面积就是所要寻找的最佳统计单元。

图2　分析窗口面积与平均起伏度拟合曲线

用窗口递增法得到的每个分析窗口的地形起伏度随分析窗口的变化曲线，可以从曲线的变化规律中确定最佳统计单元。先前的研究多采用目视判断，但是这样往往会受到主观因素的影响，影响结果的准确性。为了克服主观因素的影响，本文采用均值变点分析法确定最佳统计单元。

3.2均值变点分析法确定最佳统计单元

用均值变点法对窗口分析法得到的数据结果进行处理。处理步骤如下：

(a)首先用表1中的数据结果计算各分析窗口下单位面积的平均地形起伏度(即平均地势起伏度与窗口面积的比值)，记为Ti(i=1,3,5,7,9…65)。

(b)然后对T以ln为底取对数构建样本序列X(X={Xi,i=3,5,7…,63})。用均值变点法公式计算样本序列X的统计量S与Si值，S值为28.95，并计算样本序列的Si与S-Si，其Si、S-Si值见表2。

表2　均值变点分析统计结果

对S-Si值进行拟合，拟合曲线见图3。从图3可以看出，在第10个点时S-Si值达到最大，即为所求的变点(由陡变缓的点)。该点所对应的分析窗口大小为21×21，矩形窗口面积106.20×104m2，即蕲春县最佳统计面积为106.20×104m2。

图3　S与Si差值的变化曲线

3.3地形起伏度分析

以分析窗口为21×21，面积为106.20×104m2作为蕲春县起伏度的最佳分析窗口，用最佳分析窗口提取蕲春县地形起伏度为0～569 m(如图4所示)。

根据数字地貌制图规范，地形起伏度可划分为7级，即：平原(<30 m)、台地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)、中起伏山地(500～1000 m)、大起伏山地(1000～2 500 m)和极大起伏山地(>2 500 m)[16,23]。利用最佳窗口(21×21)提取的蕲春县地形起伏度0～569 m(图4)，依据此分类标准，可将蕲春县地貌划分为平原、台地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地5种类型。在ArcGIS 10.2的空间分析(Spatial Analyst)中，用重分类(Reclassify)工具对蕲春县地形起伏度进行分级，制作地形起伏度分级图见图5。

图4　用最佳窗口(21×21)提取的蕲春县地形起伏图

图5　蕲春县地势起伏度分级图

从空间分布上来看：蕲春县地处大别山区，整个地势东北高、西南低，由东北向西南渐次倾斜，地形起伏度也呈现东北向西南倾斜的空间分布规律。据图5可以看出，该县地形起伏度空间分布整体趋势为北部高于南部，东部高于西部。起伏度<70 m的主要分布西部，包括漕河镇、赤东镇、葛州镇、八里湖农场、横车镇、彭思镇、管窑镇、刘河镇北部、青石镇北部。这些区域海拔较低，起伏度较小，地形主要以平原为主，是蕲春县人口分布最多的区域。70 m<起伏度<1000 m主要分布在与英山县、武穴市、黄梅县和安徽省的交界处，包括谭林镇、大同镇、向桥乡、青石镇南部、刘河镇南部、株林镇、漕河镇东部。这些区域地处大别山区，地势较高，起伏度较大。大起伏度的山区地表起伏，地形破碎，沟壑纵横，土壤结构松散，抗冲性弱，蕲春县属于亚热带季风气候区，降水丰沛，加之人类活动的干扰，易对当地农业活动、工业生产、交通以及地质灾害防治、生态环境治理产生较大影响。由于蕲春县最佳分析窗口为21×21，起伏度为0～569 m，依据数字地貌制图规范的分类标准，所以该区域没有出现大起伏山地和极大起伏山地。

4　结论与讨论

(1)基于均值变点分析法提取蕲春县地形起伏度，最佳统计面积为106.20×104m2，地形起伏度可分为5级，地形起伏度30 m～70 m的区域占总面积的32.96%，起伏度70 m～200 m占33.75%。地形起伏度>200 m占全县面积的16.69%，起伏度大的区域较少，水土流失情况较轻。地形起伏度<70 m的集中在西部，小起伏与中起伏山地集中在东部，东部地形起伏度大于西部，北部大于南部。

(2)采用GIS的窗口分析方法提取蕲春县的地形起伏度，均值变点分析方法确定最佳统计单元，这种方法具有简单、准确、直观、快速的优点。用最佳统计单元提取的蕲春县(0～569 m)的起伏度图，ArcGIS软件的重分类工具制作的起伏度分级图能清晰的反映蕲春县地势起伏的空间变化和整体变化。

(3)小区域较高分辨率的DEM研究地形起伏度有待深入，本文在县域尺度下，选取空间分辨率为(30 m×30 m)的ASTER GDEM数据来提取蕲春县的地势起伏度。不仅能较好的认识蕲春县的地貌形态，也能为县域尺度下地形起伏度的进一步研究提供借鉴意义。

(4)地形是最重要的自然地理要素，地形起伏度可以定量描述地形地貌特征。地表起伏度的大小反映了地表的平整与破碎程度，分析地形起伏度空间分布对我们认识区域人口分布、经济活动、工农业活动、自然灾害的规律有着重要的意义。地形的起伏不仅是导致水土流失最直接的原因，而且也是我们认识区域地貌类型特征的重要评价因子。因此，地形起伏度因子的研究对区域水土流失宏观评价和地貌类型的认识有着重要意义。

(5)由于认识水平有限和数据的限制，本文主要选取区域宏观地形因子中的地形起伏度来分析蕲春县的地貌类型。在今后的研究中不仅要选取更多的区域宏观地形因子，如地表粗糙度、地表切割度等因子，而且也应当分析地形起伏度对地面相关事物的影响，以及其在社会经济发展中的意义。

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责任编辑王菊平

A DEM-based analysis of topographic relief in Qichun County of Hubei Province

LI Wu, WANG Ru-lan, MU Kai, YU Lin-yan, HE Chun-ming, XU Zhen

(School of Land and Resources, China West Normal University, Nanchong 637009，Sichuan，China)

Based on the ASTER GDEM (spatial resolution 30 m*30 m) data of the Dabie Mountain Area in Qichun County, Hubei Province, the window analysis method of ArcGIS 10.2 was used to calculate the 3×5, 3×5, 7×7, … 65×65 window of the terrain respectively, and then the method of mean change point analysis to determine the best analysis window which was used to make the Qichun County topographic relief map. The results showed that the best analysis window was 21*21 Qichun, best statistical area 106.20×104m2. Relief degree could be divided into 5 levels, including hills, the most widespread accounting for 33.75% of the total area; plain, accounting for 16.61%; platform, accounting for 32.96%; small rolling mountain, accounting for 16.67%; undulating mountain, the least distribution accounting for 0.02%. The ups and downs of terrain is one of the major factors causing soil and water loss. Qichun’s relief degree is quite low and thus its terrain condition has a minor impact on soil and water loss. Relief leads to degradation of soil erosion and soil fertility decline which restrict the development of agriculture. Agricultural production activities should be carried out differently according to the landscapes with different reliefs. Platforms and hills should be converted into terraces to prevent farmland soil and water loss. The ups and downs and small undulating hills should be protected. Economic forest should be developed properly to prevent potential soil erosion.

Qichun County; digital elevation model (DEM); relief; change point analysis; soil erosion

P942；TP79

A

1003-8078(2016)03-0088-07

2015-09-01

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.22

黎武，男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向为土壤侵蚀与水土保持。