基于DEM的湖南崀山丹霞地貌地形因子分析

肖清华+张慧峰+晏涵

摘要：崀山丹霞地貌区，位于湖南新宁县县城之南，是中国丹霞地貌成员之一。通过构建崀山地区的数字高程模型（DEM），对比可见，TIN模型比GRD模型拥有更好的拓扑结构，能更好的显示山脉的细节。数据显示，崀山地区300-400m高程区间占30.70%，在研究区有绝对优势。选择两个微观地形因子进行数据提取，制作坡度图和坡向图，分别统计了研究区的优势坡度区间与优势坡向区间。

关键词：DEM；Nd4；地形因子；丹霞地貌

0引言

地貌学是研究地表形态特征及其成因、演化、内部结构和分布规律的科学。20世纪50年代以来，国外地貌学的发展与数学、力学、物理学和化学等结合愈来愈多，并逐步向定量和预测方向发展。近年来，地理信息系统、遥感技术等新方法、新技术的应用，大大提高了地貌学的研究精度和质量，而数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM，就是其中的一个亮点。

数字高程模型是对地球表面地形地貌的数字表达、模拟，它以数字的形式按一定的结构组织在一起，提供了一套地表三维坐标数据，用数字函数式表达为：Z=f（x，y），x、y为地面点坐标，z为与之相对应的高程。可以看出，这套数据，实际上是用来表述地表特征的离散点。这样一来，地貌特征定量化研究就有了原始的数据源。以此为基础，首先，DEM可以生成逼真的三维地貌，给人一种直观的感受，能较真实的把握地貌整体形态；其次，精确的高程数据为基本地貌类型分类提供了直接的信息，诸如划分平原、丘陵、山地等，张永民等就进行了区域基本地貌形态类型计算机自动分类方法的尝试：最后，利用原始的高程数据，通过一定的算法变换可以延伸出其它的数据信息。

在地貌学中，地形因子就属于高程信息的一种衍生数据。地形因子从不同侧面反映地貌特征，呈现出更丰富的地貌信息，大大增强了DEM在地貌学中的应用。常用的地形因子划分为微观地形因子与宏观地形因子两种基本类型。微观地形因子包括坡度、坡向、坡度变率、坡向变率、平面曲率、剖面曲率、坡长等，宏观地形因子分为坡形因子、坡形粗糙度、地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度等。本文试图用地形因子来研究崀山丹霞地貌。

丹霞地貌是一种具有典型特征的红色碎屑岩地貌。从冯景兰院士1928年命名“丹霞层”，并科学描述丹霞山地形特征。1939年陈国达院士首次提出“丹霞地形”这一地貌名词以来，学者们多关注其岩石特征、地质构造、地貌形态等方面的研究。直至1961年黄进才首次提出丹霞地貌的定义：丹霞地貌是由水平或变动很轻微的厚层红色砂岩、砾岩所构成，因岩层呈块状结构和富有易于透水的垂直节理，经流水向下侵蚀及重力崩塌作用形成陡峭的峰林或方山地形。

2010年8月，第34屆世界遗产大会审议通过了将中国湖南崀山、广东丹霞山、福建泰宁、贵州赤水、江西龙虎山和浙江江郎山联合申报的“中国丹霞地貌”列入“世界自然遗产目录”。崀山丹霞地貌区，位于湖南新宁县县城之南。处于北纬26°15'18"～26°25'07"，东经110°43'42"～110°50'07"。该区长达18.1公里，宽0.7～8.8公里，平均宽6.0公里，总面积约108平方公里。

1数字高程模型（DEM）

高程常常用来描述地形表面的起伏形态。传统的高程模型是等高线，而数字高程模型是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟或者说是地形表面形态的数字化表示。

数字高程模型（DEM）数据获得有很多途径，如地形图等高线数字化、由矢量数据转换的规则网模型、基于航空影像的摄影测量数据以及基于立体卫星影像的数字摄影测量手段（SPOT，立体航空图像）等。近年来，DEM数据主要基于遥感影像获得，如通过激光高度测量、合成孔径雷达（SAR）获取数据等。

现今，数字高程模型（DEM）理论及相关分析技术得到地学工作者的广泛关注，国际上已将其作为一种常规的地形地貌研究手段和工具。在与地学相关的科学研究中，数字高程模型可以为各种地学模型提供地形参数并辅助地学模型的建立。应用中，数字高程模型使人们可以直观地观察地形地貌，为研究地貌开辟了新的途径，使原有的地质地貌研究由定性进入半定量和定量化阶段。

1.1高程数据来源及分布特征

数字高程数据ASTER-GDEM，是“世界上迄今为止可为用户提供的最完整的全球数字高程数据”（截至2009年6月30日），是由美国国家航空与航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）共同推出的最新的地球电子地形数据，该数据根据NASA的新一代对地观测卫星TERRA的详尽观测结果制作而成。ASTER-GDEM数据中95%地区的水平精度为30m，垂直精度为20m。

为了解我国ASTER GDEM数据高程精度，张朝忙等选取我国东部辽宁、山东、浙江和海南4个地区的平原、丘陵、山地等作为典型研究区，并以1：5万DEM为假定真值、以1：25万DEM为参照。结果表明：中国东部地区ASTER GDEM数据高程精度整体上要高于SRTM DEM和1：25万DEM，但低于1：10万DEMt2J。

本文使用的数据为ASTER GDEM V2。研究区内，范围大致为：东经，110°40'～110°55'，公里网格19466731～19491704，长约25km，设置833个网格，每个网格约30m：北纬，26°15'～26°30'，公里网格2904586～2932298，长约28km，设置925个网格，每个网格30m。网格总数925*833=770525。

目前，数字高程模型主要有两种数据模型，规则格网DEM和不规则三角网。两个模型各有特点，如表1所示。具体采用何种模型，则要考虑地形曲面特点、特征点线等因素。

现用GLOBAL MAPPER软件打开ASTER GDEM V2数据，选择好研究区域，导入Arcview软件中成图（见图1，图2）。从两幅图可以看出，图2的不规则三角网DEM（TIN模型）对比图l的规则格网DEM（GRD模型），在起伏较大的丘陵以及山脉地区，TIN模型具备更好的分辨率，能很好的显示山脉的细节，根源在于TIN拥有良好的拓扑结构。不过，规则格网DEM（GRD模型）有较为简单的数据存储结构，有良好的表面分析功能。endprint

利用Arcview软件，在Surface菜单下选择InterpolateGrid，弹出Out Grid Specification对话框，栅格格网设置为30m分辨率，栅格文件有925行，833列，共770525个高程数据，数据最小值为260m，最大值为1818m，平均值为583m。

进一步统计，百分比居于前三位的三个高程区间（见表2），300-400m区间格网数为236537个，占30.70%；400-500m区间格网数为119999个，占15.57%：500-600m区间格网数为89447个，占11.61%。此后区间的格网数均小于70000，且依次递减。统计显示，崀山地区300-400m高程区间占有绝对优势。

1.2高程数据三维显示

基于MapGIS6.7提取离散高程数据，利用“图像处理”模块中的“电子沙盘”，装入GRD高程文件，全景显示实体模型，添加“光照效果”可以得到高程三维图（图3）。用Surfer软件也能够绘制三维图，其步骤如下：点击网格菜单，进入网格化数据对话框，网格化方法选择地学上常用的克里格法，网格间距设置为30m，生成*.grd文件：点选Surface三维曲面图命令按钮，打开创建的格网文件，即可生成一个模拟的三维曲面图（图4）。从图上可以清晰地观察到良山地区地形地貌全态，迅速的把握山地、丘陵以及平原的大致分布。另外，三维图显示，本区盆地内部山地在区域断裂的控制下多沿北东向展布，往北延伸逐步转变为近南北向分布。

2地形因子分析

在数字地形分析的研究中，地形因子分析是其中最为基础的内容。地形因子是为有效地研究与表达地貌形态特征所设定的具有一定意义的参数或指标，它是实现地貌定量化研究的有效手段。

按照地形因子所描述的空间区域范围，可以将地形因子划分为微观地形因子与宏观地形因子两种基本类型。常用的微观地形因子主要有：坡度、坡向、坡长、平面曲率、剖面曲率等。它们所描述的是一个微分点单元的信息，其量值的大小一般只受所在点高程以及微小领域范围内高程信息的影响。常用的宏观地形因子主要有：地形粗糙度、地形起伏度、高程变异系数、地表切割深度等。宏观地形因子描述的一般是一个区域，或者说把一个分析窗口直接看作一个整体。它的量值不仅仅只受所在点高程的影响，并且还与分析窗口内的所有高程点信息密切相关。考虑到地形因子的应用，本文选择坡度和坡向两个微观地形因子进行提取。

2.1坡度

坡度指过该点的切平面与水平面的夹角，表征地表面在该点的倾斜程度。地面坡度不但是地貌研究的重要部分，也是自然地理特征及生产力布局的重要基础数据，具有重要的理论意义和应用价值。

坡度图的制作涉及到坡度分级方法，有三种常用的分级法：一般主观分级法、临界坡度分级法、模式分级法。一般主观分级法是指用户根据应用目的，主观设定坡度级别的分级方法。其优点是较为简单、灵活，但分析效果在很大程度上依赖于制图者的水平与经验，带有一定的主观性及随意性。

临界坡度分级法是指根据研究或应用目标的差异性在整个坡度范围上所表现的阶段性的特点，找出重要的临界坡度值，并以此为依据进行坡度分级的方法。

模式分级法是以坡度数据的统计分布特征为基础进行的分级方法。根据统计模式的不同又可分为等间距分级、分位数分级、等面积分级、标准差分级及自然裂点法分级等方法。

国际地理联合会地貌调查与地貌制图专业委员会提议用六级坡度分类法（如表3），各级坡度的实际意义如下：

0-2°，平缓坡。地貌为冲积平原、盆地、宽谷、高原、台地、山前侵蚀剥蚀平原、夷平面。农业和林业可全面采用机械化作业：是良好的城镇建设基础：优良的交通运输条件，坡面侵蚀微弱。

2-5°，平缓微倾斜坡。地貌为冲积洪积扇、山麓洪积平原、高原、侵蚀平原及山前地带。农业和林业机械化作业有一定困难，仍是城镇、农民、工矿及交通的良好条件。土壤存在片蚀和线蚀。农业区需要进行基础土壤保护措施。

5-15°，斜坡。这种坡一般分布在中山的谷地两侧及中山山前侵蚀平原。10°为机械化农业和林业上限，15°是卡车运行的上限，也是居民点、工矿及城鎮建设的界限，农业耕作应是沿等高线从事梯田化作业。坡面已开始出现滑坡及土壤层的蠕动，线状侵蚀作用加强。

15-35°，陡坡。十分强烈的地面侵蚀，土层受严重破坏，滑坡分布广泛。不能进行耕作和建筑，为耕作和交通的上限。这种坡地为林区和牧场。

35-55°，急陡坡，基岩裸露，侵蚀很强烈，重力过程明显。这是林业利用的极限，停止一切经济活动。应封山育林，保持水土。

以上的六级坡度分类法是从地貌学的角度出发提出来的，实际上是一种临界坡度分级法。本文提取坡度图主要用于地貌特征的研究。因此，坡度分级采用此分类方法。

上文已在Arcview软件中生成了数字高程模型，基于此，点击Surface菜单的Drive Slope即可得到良山地区坡度图（图5）。

据进一步数据统计：0-2°坡度区间格网数为180646，占总面积的23.44%：2-5°坡度区间格网数为9026，占总面积的1.17%：5-15°坡度区间格网数为187248，占总面积的24.30%：15-35。坡度区间格网数为357519，占总面积的46.40%：35-55°坡度区间格网数为35385，占总面积的4.59%：55-90°坡度区间格网数为701，占总面积的0.09%。由此可知，坡度区间15-35°的陡坡、峻坡占有绝对优势，其次5-15°坡度区间（缓倾坡与斜坡）与0-2°坡度区间（平缓坡）也相对比较常见，平均坡度约15°。

2.2坡向

坡向反映了斜坡所面对的方向。通过制作湖南崀山地区丹霞地貌坡向图（图6）以及坡向直方图（图7）可知，北方（0 22.5，337.5-360）与东北方（22.5-67.5）分布略低，格网数在40000上下：西北方（292.5-337.5）略有优势，其他方位分布比较均匀。

在崀山地区坡向图基础上，将注意力转移到形成丹霞地貌的白垩系陆相红层，从表4可以看出，崀山丹霞地貌白垩系区域内，东方（67.5-112.5）与西方（247.5-292.5），东南方（112.5-157.5）与西北方（292.5-337.5）具有比较优势。资料显示，肖自心、邹文发认为崀山的大节理主要有两组，一组340度，近南北向（容易形成坡向为东方与西方的斜坡）：另一组大致235-260度（容易形成坡向为东南与西北的斜坡）。两组节理交叉分布，形成方格状网络，控制着沟谷和陡崖的方向。endprint