基于不同DEM分辨率下的黄冈市数字地形分析

黎武　王汝兰　徐珍

摘要：为了解湖北省黄冈市地形地貌特征，以黄冈市空间分辨率为30 m×30 m的DEM为基础数据源，在ArcGIS10.1中，利用空间分析模块下的重采样工具，将30 m的数据采样成60 m、90 m、120 m的DEM数据。分析了4种分辨率下研究区域坡度、粗糙度、沟壑密度以及水文特征，以期为该区域水土流失治理工作提供科学指导。

关键词：黄冈市；DEM；重采样；水土流失

中圖分类号：P208

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）8020904

1引言

数字高程模型（DEM）通过离散高程点对连续变化的地表高程进行定量表达，是最为重要的空间信息类型之一[1]。数字地形分析是在数字高程模型DEM上进行地形属性计算和特征提取的数字地形信息处理技术[2]。地形分析是地形环境认知的一种重要手段，地形分析可分为两大类：基本地形因子如坡度、坡向、粗糙度的计算，复杂的地形分析包括地形特征如鞍部和径流节点的提取、水系特征提取、水文分析等[3]。随着数字高程模型（DEM）获取与生产技术的成熟，DEM广泛应用于坡度坡向提取[4～6]、地形特征提取[7， 8]、水系特征分析[9， 10]。DEM分辨率对地形特征的提取有不确定性作用。一定分辨率的 DEM 所表达信息量应该最大限度地接近原始数据的信息量，因而选择合适的DEM分辨率是数字地形分析的关键[11]。DEM分辨率不同，其对地形特征信息概括的程度也不同。因此研究DEM分辨率对数字地形分析有重要意义。

以30 m×30 m的ASTER|GDEM为基础数据源，将其采样成60 m、90 m、120 m，运用这四种不同分辨率的DEM，进行数字地形分析。探讨不同分辨率下的坡度、粗糙度、水文特征与沟壑密度，分析地形因子与水土流失的关系，为区域数字地形分析与水土流失的定量研究提供可靠的理论支持。

2研究区概况

黄冈市位于湖北省东部，地理位置为114°25′～116°8′E，29°45′～31°35′N。属于亚热带湿润季风气候区，四季光热界线分明。北部和东部为大别山低山丘陵，中部为丘陵区，南部为狭长的平原湖区，地势高低起伏。地势由北向南倾斜、东北部是著名的大别山山脉。水系湖泊众多，自然资源丰富，面积17453 km2，下辖七县两市一区。以中低山和丘陵为主，山丘区占总面积的80%以上，是水土流失较为严重的地区。

3数据来源与研究方法

采用ASTER|GDEM数据，来源于地理空间数据云网站，空间分辨率为30 m×30 m，ASTER数据覆盖范围为N83°～83°之间所有陆地区域。将获取的DEM数据在ArcGIS10.1中进行拼接，用黄冈市矢量边界去裁剪拼接后的DEM数据，获得黄冈市的DEM原始数据。

在ArcGI10.1的支持下，对30 m分辨率的DEM数据进行重采样，得到60 m、90 m、120 m的基础数据。基于这4种分辨率的DEM数据，进行区域数字地形分析。

4不同分辨率下的数字地形分析

4.1不同分辨率下坡度分析

坡度是指过地表任意一点的切平面与水平地面的夹角[12]。坡度反映地表的倾斜程度，是数字地形分析的基本参数[6]。坡度值反映不同的土壤侵蚀程度，揭示水土流失保护状况。对坡度合理分级具有重大的意义，分级可以有效的反映地区地形地貌特征，有利于区域水土流失的研究与区域水土流失措施的制定。

应用ArcGIS10.1软件，分别提取分辨率为30 m、60 m、90 m、120 m的坡度，并按照《土壤侵蚀分类分级标准》中地面坡度分级标准[13]，将坡度分为0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、> 35°共6 个等级。

由表1可知，随着分辨率的降低，提取坡度的最大值、最小值、标准差都处于下降趋势。DEM分辨率降低，区域高程会进行的一定程度的过滤和平滑，使得地表起伏降低，DEM对地表地形的模拟能力减弱，坡度的损失信息量较大。坡度的提取对DEM分辨率的依赖性较强，进行坡度信息量的提取时，应选择合适的DEM网格大小，使DEM更加真实的模拟地形。

由表2可以看出，随着分辨率的降低，坡度在0～5°的区域越来越大，其他分级的区域面积却在不断减少。分辨率的降低，DEM对地形的模拟能力减弱，使得地表高程起伏变缓，原来起伏大的区域被平滑，坡度小的平缓区域增加。这种变化反映了DEM分辨率对高程的影响。

由图1可知，4种分辨率下黄冈市坡度空间分布规律都是北部和东部坡度大，东北部坡度最大，南部和中部坡度较小。坡度的空间分异反映了地势地形的差异，黄冈市北部和东部为大别山低山丘陵，东北部是大别山山脉，该区域整个地势由北向南倾斜。南部与中部是平原丘陵，地形起伏相对小，坡度较小。但是整个黄冈市地形起伏较大，坡度整体还是较大。

4.2不同分辨率下粗糙度分析

地表粗糙度是地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积的比值，可以反映地面的起伏变化和侵蚀程度大小，粗糙度是定量研究水土流失一个重要的参数[12]。本文利用ArcGIS10.1空间分析模块下的的栅格计算器提取粗糙度。

由表3可知，随着分辨率的降低，粗糙度的最大值、平均值及标准差越来越小。说明粗糙度可以反映地形起伏变化，分辨率越小，DEM表达的地物信息越完整，粗糙度越大，地表起伏也越剧烈。

4.3不同分辨率下河网水系分析

将黄冈市空间分辨率为30 m的DEM数据加载到ArcGIS10.1中，用水文分析模块来提取黄冈市河网水系，整个处理过程都是在水文分析模块中实现的。对原始的DEM 进行填洼，计算水流方向、汇流累积量，阈值依次为1000，1200，1400，…，7400，起始阈值为1000，结束阈值为7400，间距为200，得黄冈市河网水系的提取结果。经计算阈值为7000时，沟壑密度为0.3，并趋于稳定。表明7000为最佳汇流阈值，为便于研究，将阈值为7000作为分辨率60 m、90 m、120 m的最佳汇流阈值，提取黄冈市的水系（图2）。

由图2和表4可知，随着分辨率的降低，提取的黄冈市水系越来越稀疏，河网的总长度也在变小，平均长度、最小长度、最大长度及标准差却在不断增大。由此可知，分辨率越高提取出的水系也越复杂；分辨率越低提取出的水系也越简单，只保留河网水系的主干道，相应的河流最大長度也越长。不同分辨率DEM在同一汇流阈值下提取的水系差别很大，河网水系提取对DEM分辨率依赖性很强。DEM分辨率与汇流阈值都影响河网水系的提取，在实际河网水系提取时，应该确定合适的DEM分辨率及最佳汇流阈值，以获得最佳水系形态。

4.4DEM分辨率流域划分

在水文分析模块中，提取分水岭，再利用栅格转面工具将其转换成流域矢量面并进行统计。

由表5可知，当阈值都设置为7000时，DEM分辨率越低，流域的数量与流域的总面积反而越大，划分的流域也越精细；分辨率越高，流域划分越破碎，使得流域平均面积、最小面积、最大面积标准差都增大。

4.5不同分辨率下的沟壑密度分析

沟壑密度是指单位面积内沟壑的总长度，以Km/Km2为单位，数学表达式为[14]：Ds=∑L/A。Ds是沟壑密度，∑L是区域内沟壑总长度，A区域总面积。

沟壑密度反映了地表破碎程度，沟壑密度越大，地表越破碎，地形起伏度更大，地表径流与土壤冲刷越强烈，土壤侵蚀也越剧烈，沟谷发育越快，水土流失也越严重。沟壑密度可以揭示区域地形地貌发育，也可以宏观认识区域水土流失状况。

由表6可知，当阈值为7000时，分辨率为30 m、60 m、90 m、120 m下的沟壑密度依次为0.30、0.15、0.10、0.08。分辨率越小，沟壑密度越大，反之则越小。沟壑密度的大小是由沟谷的发育程度决定的，分辨率越小，提取的沟谷数量也越多，发育也越完善。

5结论与讨论

（1）基于不同DEM分辨率对黄冈市地形特征与水系特征进行提取分析，4种分辨率下提取的地形因子参数结果差异明显，说明DEM分辨率对区域地形特征的提取有很大的影响。

（2）DEM分辨率对坡度和地表粗糙度的提取结果都产生很大的影响，提取的坡度和粗糙度最大值、最小值、标准差都在下降；DEM分辨率越低，其对地形的模拟程度越高，地形的起伏也平缓，使得坡度和粗糙度降低。

（3）通过ArcGIS的水文分析工具提取黄冈市不同DEM分辨率下的河网水系。同一阈值不同分辨率下提取的水系形态差异很大。DEM分辨率越小，对地形表达也越精细，提取的水系与流域越复杂。选取最佳汇流阈值是水文分析的关键，不同的阈值提取的河网水系差异很大。河网水系提取时应选择合适的汇流阈值使得提取的河网水系最接近于真实水系。

（4）运用DEM提取坡度、粗糙度、沟壑密度及水文特征等地形因子指标，从不同的角度揭示了不同分辨率下的黄冈市坡面形态与河网水系特征，有利于对区域地貌地形特征的认识。

（5）DEM在对数字地形分析具有重要的意义，以DEM为基础数据源分析区域地形因子与水文特征，可以认识区域地貌地形特征、河网水系特点、地貌发育阶段以及土壤侵蚀规律。地形因子可以定量反映区域水土流失，因此分析地形因子有助于区域水土流失认识与治理。

参考文献：

[1]

秦承志， 呼雪梅. 栅格数字地形分析中的尺度问题研究方法 [J]. 地理研究， 2014， 33（02）： 270～283.

[2]晁玉忠. 基于DEM的数字地形分析 [D].武汉：武汉理工大学， 2008.

[3]戴一鸣. 数字地形分析 [D]. 长沙：中南大学， 2005.

[4]刘敏， 汤国安， 王春， 等. DEM提取坡度信息的不确定性分析 [J]. 地球信息科学， 2007， 9（2）：65～69.