基于DEM的横断山县域山区类型划分

张 颖，赵宇鸾,2*

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101)



基于DEM的横断山县域山区类型划分

张 颖1，赵宇鸾1,2*

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州 贵阳 550001；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101)

科学界定山地和山区类型可为山区因地制宜施策提供参考。运用均值变点法，确定最佳统计单元面积，利用ArcGIS的空间分析工具处理DEM数据，提取横断山各类山地面积，以县级行政单元对横断山山区类型进行划分。研究表明：使用均值变点法确定移动窗口面积14.98km2为横断山地地形起伏度最佳统计单元面积；横断山山地面积占比大，山地与非山地面积之比约为94∶6，山地省际空间分异明显，四川省的山地类型以次高山、高山为主，西藏自治区的山地类型以高山、极高山为主，云南省的山地类型以中山和次高山为主；横断山县级行政单元多数是山区县，其中有16个半山区县，6个准山区县，11个显山区县，65个整山区县，只有1个非山区县。整山区县的数量最多，主要分布于横断山地的中部及其以北地区。

山地；山区；DEM；地形起伏度；横断山地

山地是指具有一定海拔高度、起伏度和坡度有机组合的特殊地域类型，具有显著的自然属性和地域特征[1]。山区是山地达到一定的面积阈值才能被外延拓展形成，其强调区域自然属性和人文属性相耦合的地域综合体[2]，但山区的界定具有不确定性和模糊性[3]，凡是由山脉或者山系组成的空间区域，都可叫做山区[4]。山地类型的界定和山区类型的划分都以山为基础，二者既有共同点也有明显的差异[5]。在目前的研究中，国外学者Messsrli等在全球尺度上对平原、洼地、丘陵和高原进行定义[6]，Kapos等在全球森林资源空间分布的研究中对山地进行了定义和划分，联合国环境规划署(UNEP)采用了该定义的计算标准[7]。

我国是一个多山的国家，山地类型复杂多样。国内多位学者对我国山地范围和山区类型划分进行了研究。郭绍礼等[8]定性将我国山地划为东北山区、华北山区、秦巴—大别山区、川缘山区等10个山区；江晓波[9]采用国内外两种方案计算中国的山地范围，利用国内方案计算出我国山地面积占陆地面积的41.67%，国外方案计算出中国山地面积占中国陆地面积的46.11%；范建容等[5]利用均值变点法求取地形起伏度的最佳统计单元面积，划分出四川省山地和山区类型；江晓波等[2]对四川省山区范围进行划分时，将人口、土地利用、GDP和道路等社会经济因子纳入了计算标准中。国内外学者对山地和山区类型划分研究积累了经验，但县级行政单元在研究中未得到学者们的关注。县区是我国经济社会发展的重要行政单元，在山地类型界定的基础上，划分县级行政单元的山区类别，有利于准确认识不同山地类型山区县的自然条件、资源禀赋、山地结构、山地功能等，为山区制定差异化发展政策提供参考。横断山地位于青藏高原东南部，是我国唯一兼有太平洋和印度洋水系的地区，拥有复杂多样的自然条件和丰富多彩的自然资源[10-12]，在地理、地质、生物、水文等诸多科学领域具有重要意义。因此，在县级尺度上科学界定横断山的山地类型和山区类别很有必要。

1 研究区概况

横断山是指位于青藏高原东南部，四川、云南两省西部和西藏自治区东部一系列南北向平行山脉的总称[13](图1)。土地总面积约45万km2。横断山地势起伏大，地形复杂多变，具有明显的垂直自然带、垂直气候带、立体农业带等自然景观，素有“一山有四季，十里不同天”的气候特点。境内山高谷深、地势险峻的自然环境和多民族聚集、经济落后、交通不便的社会环境对区域经济产生了深刻影响。贫困人口多，农村贫困发生率高，是横断山区经济社会发展面临的重大难题。2014年全国农村贫困人口3 518万人，滇西边境农村贫困人口240万人、四川省藏区农村贫困人口103万人，西藏自治区农村贫困人口61万人，分别占全国贫困人口比例的6.8%、2.9%、1.7%。云南省、四川省、西藏自治区的横断山区是三省区农村贫困人口重要分布区。“靠山不能吃山，靠水不能吃水”的横断山深山区是贫困程度最深、经济发展水平最落后的地区。对横断山县域山区进行分类研究，以期为横断山因地制宜实施分类脱贫提供参考。

图1 横断山位置图Fig.1 Location of Hengduan Mountains

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

山地和山区类型的划分利用SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)数据为GRID格式、空间分辨率为90m的DEM(Digital Elevation Model)提取地形起伏度和坡度等信息。利用县级行政单元边界等基础地理信息数据对县域的山地面积和山区类型进行统计。DEM和县级行政单元边界等数据来自中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室。

2.2 研究方法

2.2.1 均值变点法

山地和山区类型研究，主要采用RS和GIS技术对DEM提取地形起伏度和坡度等地形因子信息[14-17]。根据联合国环境规划署(UNEP)山地分类体系[18]，结合中国学者对山地分类研究成果[19]，确定横断山地分类体系并提取山地面积和空间分布范围信息。

在提取山地范围过程中，地形起伏度和坡度是重要地形因子依据。地形起伏度是一定面积区域内最高点与最低点海拔之差，即相对高差，是进行区域地貌形态定量描述和地貌类型划分的重要指标[20]。采用GIS移动窗口分析法对DEM数据提取地形起伏度，以3×3、5×5、7×7、…、69×69栅格大小为移动窗口，共34个不同大小的移动窗口，分别对n×n格网区域计算其范围内高程的最大值(maxmum)和最小值(minmum)，再计算各n×n单元最大值与最小值的高程差。最后计算所有栅格高程差均值，得到n×n单元网格区域平均地形起伏度，共34个平均地形起伏度值。在地形起伏度的计算中，最佳统计单元大小即区域最佳统计面积的确定尤其重要。以n×n格网窗口面积为横坐标、平均起伏度为纵坐标绘制对数曲线。伴随移动窗口面积的增大，区域地形起伏度增加速度加快，但窗口增加至某一面积时，高差增加减慢，高差增加由大变小的转折点即拐点，该拐点对应的移动窗口面积为最佳统计单元。研究采用均值变点法确定移动窗口大小，具体步骤如下[5]：

1)以n×n格网窗口大小为横坐标、平均起伏度为纵坐标绘制对数曲线，该曲线要求拟合良好。

2)依次计算所有移动窗口下的平均地形起伏度和窗口面积的比值，得到各移动窗口单位面积地形起伏度Tt，取其对数为Xt。

Xt=lnTt

(1)

(1)式中，t为移动窗口个数，t∈[1，n]；n即窗口总个数34。计算数列{Xt}的算术平均值X和方差S：

(2)

(3)

3)令i=2，3，4，…，n,对每个i将数列{Xt}分为{X1,X2,…,Xi-1}、{Xi,Xi+1,…,Xn}两段，其算术平均值分别为Xi1、Xi2，统计量Si为：

(4)

(4)式中，Xi1和Xi2分别为第i项的第一、二段数列的算术平均值，Si为第i项两段数列之和。

4)计算Ti=S-Si,即数列{Xt}的方差S与第i项的两段数列和Si之差，当Ti达到最大值时其对应的窗口面积为最佳统计单元面积。

2.2.2 山地与山区类型界定标准

根据联合国环境规划署(UNEP)山地分类体系[18]，参考中国学者对我国山地分类的研究成果[19]，海拔1 000m以内的区域需要考虑地形起伏度才能确定山地类型，海拔1 000～2 500m的区域则需要结合坡度确定山地类型，其他海拔区域直接按照海拔高低划分山地类型。根据横断山实际海拔、坡度、地形起伏度等地形因子信息，将横断山地分为丘陵、低山、中低山、中山、次高山、高山和极高山7种山地类型(表1)。

表1 横断山山地类型界定指标

以各县域内山地面积占比的多少划分山区类型，按山地比例从小到大将横断山地划分为非山区县、纯丘陵县、半山区县、准山区县、显山区县和整山区县[19](表2)。丘陵面积比率即为某县域内丘陵面积占该县域总面积的百分比。

表2 横断山山区类型划分指标

3 结果与分析

3.1 最佳统计单元面积

将移动窗口面积与平均地形起伏度绘制散点图，拟合生成对数曲线，并进行理论验证(图2)。对数曲线y=195.1 lnx+621.5，拟合优度R2=0.987，R2接近于1，拟合效果良好，通过理论验证。首次使用均值变点法得出Ti的变化曲线呈现先急速上升后缓慢下降的趋势，Ti(即S-Si)的最大值为7.057 4，该值对应的移动窗口大小面积为3.57km2(图3)；剔除掉首次使用均值变点法计算的数据，即对移动窗口面积为3.57km2后的数据进行第二次均值变点得出Ti的变化曲线呈现先逐渐上升后缓慢下降的趋势，Ti(即S-Si)的最大值为0.959，该值对应的移动窗口面积为14.98km2(图4)。横断山地形起伏极大，第一次均值变点法计算的移动窗口面积无法全面反映横断山地的地势起伏情况，第二次使用均值变点法确定的移动窗口面积才符合横断山的宏观地势。因此，选取14.98km2为该区地形起伏度最佳统计单元面积。

图2 横断山平均地形起伏度变化曲线Fig.2 The variation curve of mean relief amplitude in Hengduan Mountains

图3 横断山首次均值变点Ti值散点图Fig.3 The scatter diagram of Ti by applying mean change point for the first time in Hengduan Mountains

图4 横断山二次均值变点Ti值散点图Fig.4 The scatter diagram of Ti by applying mean change point for the second time in Hengduan Mountains

3.2 山地类型提取结果

3.2.1 空间分布

根据山地类型界定标准(表1)，利用ArcGIS空间分析工具，划分横断山山地类型，并生成山地类型空间分布图(图5)。横断山非山地主要分布在横断山的南部，分别位于云贵高原的山岳河谷地带和四川部分的河谷平原地区。丘陵分布较少，零星分布在四川省；低山和中低山主要分布在横断山的南部和东部，云南省和四川省分布面积相当，差异较小，西藏自治区则没有分布；中山主要分布在横断山地南部，即云南省西部居多，四川省也有部分中山；次高山主要分布在横断山地中南部的高黎贡山、怒山、云岭和东北部的岷山，西藏自治区则有少量分布；高山主要分布在横断山北部，面积以四川省分布最广，主要在沙鲁里山和大雪山；极高山主要分布在横断山中部和西北部，以四川省分布最广，其次是西藏自治区，云南省也有少量极高山分布。各类型山地空间分布差异明显，地势大致由南向北随纬度升高逐渐增高。

四川省的山地类型主要以次高山、高山为主，二者占四川省横断山面积的71.11%；西藏自治区的山地类型主要以高山、极高山为主，占西藏自治区横断山面积的90.42%；而云南省的山地类型以中山和次高山为主，占云南省横断山面积的68.69%。整体来说，横断山区域内，西藏自治区地势最高，其次是四川省，云南省地势较四川省和西藏自治区域低。横断山地势高、规模大、分布广，省际空间差异明显。

3.2.2 规模

在山地类型划分的基础上，统计横断山各类山地面积和非山地面积。提取横断山山地面积422 139.96km2，占研究区的93.60%，非山地面积28 843.41km2，占6.40%。其中，丘陵为209.77km2，占0.05%；低山面积3 634.08km2，占0.81%；中低山面积10 995.36km2，占2.44%；中山面积90 390.23km2，占20.04%；次高山面积104 639.86km2，占23.20%；高山面积173 313.89km2，占38.43%，位居第一位；极高山面积38 956.78km2，占8.64%(表3)。横断山山地面积占比大，山地类型以高山和次高山为主。

图5 横断山山地类型空间分布Fig.5 The spatial distribution of mountain type in Hengduan Mountains

山地类型四川省面积/km2比例/%云南省面积/km2比例/%西藏自治区面积/km2比例/%横断山地面积/km2比例/%非山地629464226 22544721698 405001 2884341640丘陵2097700800000000000020977005低山26589409597513073000000363408081中低山6235512244759853580000001099536244中山36422531308537959940511717004390390232004次高山6358863228337425262818362598914104639862320高山134473754828121689391626671216724173313893843极高山2863606102811282108591925123183895678864小计278519831000013279809100003966545100004509833710000

3.3 山区类型划分结果

根据山区划分标准(表2)，划分横断山山区范围和类型。横断山县级行政单元多数是山区县，包括半山区县、准山区县、显山区县和整山区县，该区域没有纯丘陵县，只有1个非山区县(表4)。其中，1个非山区县，仅分布于云南省嵩明县；半山区县有16个，主要分布在云南省，四川省则有少量分布，分别是攀枝花市西区和攀枝花仁和区；准山区县有6个，主要位于云南省，四川省只有攀枝花市东区属于准山区县；显山区县有11个，分布于横断山南部的云南省和四川省；整山区县有65个，云南、四川和西藏自治区均有分布，四川省整山区县数量最多，云南省次之，西藏自治区的4个县级行政单元皆属整山区县(图6)。横断山主要以整山区县居多，主要分布于横断山中部及其以北地区。

4 结论与讨论

4.1 结论

利用ArcGIS对DEM数据进行处理，提取横断山各类山地类型空间分布范围和规模，界定山地类型，进行山区类型划分，提取横断山县域山区类型空间分布。研究显示：

1)第二次使用均值变点法确定对数曲线拐点，该拐点对应的移动窗口面积14.98km2为横断山地地形起伏度最佳统计单元面积，符合横断山地的宏观地势。

表4 横断山地县域山区类型统计表

图6 横断山山区类型空间分布Fig.6 The spatial distribution of mountainous areas type in Hengduan Mountains

2)横断山山地类型省际空间分异明显，四川省的山地类型以次高山、高山为主，云南省的山地类型以中山和次高山为主，西藏自治区的山地类型以高山、极高山为主。

3)横断山县级行政单元多数是山区县，只有1个非山区县。山区县中有16个半山区县、6个准山区县、11个显山区县、65个整山区县。整山区县数量最多，主要分布于横断山中部及其以北山区。

4.2 讨论

1)在地形起伏度的计算中，最佳统计单元面积的确定尤其重要。首次使用均值变点法计算的最佳统计单元大小为3.57km2，对于高差起伏巨大的横断山来说尺度过小，不能全面反映横断山的总体地势起伏情况。第二次使用均值变点法确定的移动窗口面积14.98km2为横断山地地形起伏度最佳统计单元面积，符合横断山的宏观地势。

2)山区类型的划分结果是在使用SRTM空间分辨率90m DEM的条件下获得。与以往四川省山区类型量化研究相比[5]，使用不同的DEM分辨率和山区类型划分指标，山区类型划分结果有一定差别。究竟使用何种分辨率的DEM和山区类型划分指标更能准确定义山区类型有待进一步研究。

3)横断山山地比例大，对生产生活产生的不利影响程度深，是该区域甚至国家脱贫攻坚的难点之一，应引起学界和政府更多的关注。

[1] 钟祥浩.山地学概论与中国山地研究[M].成都:四川科学技术出版社,2000:56-60.

[2] 江晓波,曾鸿程.量化中国山区范围:以四川省为例[J].山地学报,2009,27(1):24-32.

[3] 王明业,朱国金.中国的山地[M].成都:四川科学技术出版社,1988:98-103.

[4] 陈真亮,李明华.山区可持续发展立法与罗马尼亚山区法考察[J].山地学报，2009，27(2):157-165.

[5] 范建容,张子瑜,李立华.四川省山地类型界定与山区类型划分[J].地理研究,2015,34(1):65-73.

[6] MESSERLI B,VIVIROLI D,WEINGARTNER R.Commets:A New Typology for Mountains and Other Relief Classes: An Application to Global Continental Water Resources and Population Distribution[J].Mountain Research & Development,2009,21(Feb 2001):34-45.

[7] KAPOS V,RHIND J,EDWARDS M,PRICE M F.Developing a map of the world's mountain forest[R].Forest in Sustainable Mountain Development: A State of Knowledge Report for 2000.Common wealth Agricultural Bureau(CAB)International, Wallingford,UK,2000:4-9.

[8] 郭绍礼,张天曾.中国山地分区及其开发方向的初步意见[J].自然资源学报,1986,1(1):28-40.

[9] 江晓波.中国山地范围界定的初步意见[J].山地学报,2008,26(2):129-136.

[10]李炳元.横断山区地貌区划[J].山地学报,1989,1(1):13-20.

[11]杨勤业,沈康达.滇西北横断山地区的垂直自然带[J].地理学报,1984,39(2):141-147.

[11]文传甲.横断山区地形对水热条件的影响[J].山地学报,1989,7(1):65-73.

[13]苏文华,彭建生.从热带到温带横断山地森林的垂直景观[J].森林与人类,2014(5):84-91.

[14]WOOD J D.The Geomorphological Characterisation of Digital Elevation Models[J].Dissertations & Theses-Gradworks,1996,13(4):834-848.

[15]KARATSON D,TELBISZ T,SINGER B S.Late-stage volcano geomorphic evolution of the Pleistocene San Francisco Mountain,Arizona (USA),based on high-resolution DEM analysis and 40Ar/39Ar chronology[J].Bulletin of Volcanology,2010,72(7):833-846.

[16]顾留碗，王春，李鹏,等.利用DEM提取山顶点精度研究[J].武汉大学学报信息科学版,2016,41(1):131-135.

[17]CHENG W,WANG N,ZHAO M,et al.Relative tectonics and debris flow hazards in The Beijing mountain area from DEM-derived geomorphic indices and drainage analysis[J].Geomorphology,2016,257:134-142.

[18]SCHUER M,STUCKI E,ROQUE O,et al.Mountain Areas in Europe: Analysis of Mountain Areas in EU Member States,Acceding and Other European Countries[J].Energy Policy,2004,34(17):2848-2857.

[19]钟祥浩,刘淑珍.中国山地分类研究[J].山地学报,2014,32(3):129-140.

[20]涂汉明,刘振东.中国地势起伏度研究[J].测绘学报,1991,20(4):311-319.

Mountainous area divisions at county level in Hengduan Mountains based on DEM

ZHANG Ying1，ZHAO Yuluan1,2*

(1.School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang,Guizhou 550001,China;2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100101,China)

Scientifically demarcating mountain types and mountainous areas types can provide reference for mountainous regions according to local conditions. In this study, we use spatial analysis tools of ArcGIS to process DEM data, and extract various areas of mountain types in Hengduan Mountains. In addition, we also divide Hengduan Mountains into different mountainous areas types at county level. The results are as follows: Mean change point method for the second time is used to determine the best statistical window which is demonstrated to be 14.98km2of mean relief amplitude in Hengduan Mountains.Hengduan Mountains has high proportion of mountainous land, and the ratio of mountainous land to non-mountainous land is 94∶6.However, there is an obvious spatial distribution difference between Yunnan province, Sichuan province and Tibet. Sichuan province is mainly consisted of sub-high mountains and high mountains; Tibet is mainly consisted of high mountains and extremely high mountains; Yunnan province is mainly consisted of middle mountains and sub-high mountains. The counties are mostly mountainous counties in Hengduan Mountains, only including 1 non-mountainous county. There are 16 mid-mount counties, 6 quasi-mount counties, 11 apparent-mount counties and 65 whole-mount counties. The number of the whole-mount counties is the largest, which mainly distribute in the middle and north in Hengduan Mountains.

mountain type; mountainous areas; DEM; relief amplitude; Hengduan Mountains

1004—5570(2016)06-0008-07

2016-09-13

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB452706)；国家自然科学基金项目(41361021)

张 颖(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：土地利用变化，E-mail:ZYoly6@163.com.

*通讯作者：赵宇鸾(1985-)，男，博士，副教授，研究方向:土地利用与山区发展，E-mail:zhaoyl.09b@igsnrr.ac.cn.

K903

A