基于DEM钱塘江流域上游地貌形态特征分析——以开化县为例

郭明春，汤超华

(中国冶金地质总局浙江地质勘查院，浙江 衢州 324000)

地形地貌特征是地理空间信息的基础，通过提取海拔、坡度、坡向、相对高度、山体走向等特征组合构成形态与分布多样的地表景观，对区域生态环境与资源的地域优势种类分布、利用方式和利用程度等具有主导作用(甘淑等，2005)。经过几十年的发展，地形地貌特征研究已经从定性描述逐渐走向定量分析。定性研究主要通过语言描述分析解决问题，缺乏数据支撑；定量分析则为实验数据提供有力支撑，为区域综合开发利用和规划提供更为可靠的基础数据。然而，地形地貌的定量分析数据庞大、计算烦琐，如果采用传统的技术方法很难快速完成。

数字高程模型(DEM)是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(DTM)的一个分支，使用Z值表示地表对应的高程值(甘淑等，2005；周云轩等，2002)。各种地貌因子如坡度、坡向及坡度变化率、地形起伏度等地貌特性可在DEM的基础上派生。

ArcGIS是美国环境研究所研发的GIS软件平台，源于其强大的数据采集管理、空间分析功能，目前已成为地理信息行业运用最为广泛的平台。ArcGIS软件中的交互式制图、空间处理和分析工具、二维和三维动画等模块，可实现对数据的处理和分析、地图发布、三维数字情景展示等功能(张凯选等，2007；毕华兴等，2005；程三友等，2010)。

前人对钱塘江流域地貌形态相关研究甚少，且所利用的DEM数据大多为美国航天局(NASA)全球数字发布的高程模型(ASTER GDEM)，其空间分辨率较低。本文收集利用浙江省测绘与地理信息局提供的地形数据，在此基础上生成钱塘江上游(开化县)DEM，并利用数据对开化县境内地貌形态进行了定位表达和定量统计分析，为开化县开发利用国土空间提供了支持。

1 研究区域概况

钱塘江流域跨浙、皖、赣、闽四省，浙江省境内的钱塘江流域范围在东经117°24′02″—121°12′05″、北纬28°5′06″—30°24′07″之间，其源头有南北两源。以北源新安江起算，止于海盐澉浦-余姚西山闸连线，浙江境内河长347.64 km；以南源衢江上游马金溪起算，止于海盐澉浦-余姚西山闸连线，浙江境内河长497.45 km。浙江省内部分流域面积44 014.50 km2(浙江省测绘与地理信息局，2010)。

开化县位于浙江省西北部，钱塘江源头，与江西、安徽两省接壤，总面积为2 231.1 km2。县域下辖15个乡(镇、办事处)。县内主要河流属钱塘江流域，有马金溪、池淮溪、龙山溪、马尪溪，流域面积达2 092.11 km2，其中开化境内面积占1 947.16 km2。四溪均在华埠镇汇合，流入常山境。另外，属于长江鄱阳湖水系的苏庄溪和下庄溪注入江西省乐安江，流域面积261.85 km2。属于新安江水系的东坑溪，溪长8.5 km，流域面积9.65 km2。

开化县属浙西中山丘陵，山脉属南岭天目山系，它的三个分支分布在全县，东部为千里岗山脉，西南部为怀玉山脉，北部为白际山山脉。全县共有海拔1 000 m以上的山峰46座，最高的山峰是白石尖，海拔为1 453.7 m，最低是开化县与常山县交界处的华埠镇下界首，海拔90 m，相对高差1 363.7 m。

2 数据准备与处理分析

2.1 数据准备

为了生成开化县的DEM，收集了浙江省开化县矿产资源“十三五”规划(2016—2020年)数据库，具体利用的数据为开化县行政区划及地形图(比例尺为1∶25万)。为了便于对数据进行管理及数据分析，利用ArcGIS建立基础地理数据库GDB文件，坐标系统采用CGCS2000坐标系。

2.2 数字高程模型

为了提取开化县域的地貌因子，利用地形图和开化县行政区划创建了县域分辨率为30 m的DEM(图1)。ArcGIS中利用地形图生成DEM主要是采用3D Analyst工具下的创建TIN工具，创建TIN，然后根据TIN转栅格工具生成DEM。

图1 开化县数字高程模型Fig.1 Digital elevation model of Kaihua county

对全县域不同海拔区间的面积进行汇总统计(表1)。由表1、图1可知，面积峰值出现在200～300 m，面积达503.56 km2,占全域面积的22.57%，境内主要海拔为100～500 m,占全域面积的75.54%，海拔大于1 000 m所占面积极少，只占全域面积的0.71%。

表1 开化县不同海拔区间面积统计表Table 1 Statistical of area of different elevations in Kaihua county

2.3 起伏度(切割深度)分析

地形起伏度作为反映地表起伏程度的一个指标，在地貌制图、资源环境评价等领域有广泛应用，是地貌类型提取和划分的重要指标，也是区域地貌对比研究的客观依据(汤国安等，2003；刘淑琼等，2013)。其表达式如下：

RA=Hmax-Hmin

式中，RA表示地形起伏度(切割深度)，Hmax是单位面积内最大高程值，Hmin代表单位面积内的最小高程值。利用均值变点分析法确定最佳邻域窗口为5×5，面积为62 500 m2。然后利用ArcGIS邻域分析的焦点统计功能分别计算出窗口内的最大高程值和最小高程值，最后利用栅格计算器将二者相减即可求得地形起伏度。根据《中国1∶100万数字地貌制图规范中的分级标准》(中国科学院地理研究所，1987)，利用ArcGIS重分类功能对最佳尺度下的地形起伏度进行分级，生成地形起伏度(切割深度)分级图(图2)。

图2 开化县地形起伏度分级图和基本地貌类型图Fig.2 Topographic relief classification map and basic landform type map of Kaihua county

利用ArcGIS栅格转区功能把已分级的栅格数据转为区，然后导出属性表到Excel，之后对起伏度进行分级统计(表2)。

表2 开化县起伏度统计表Table 2 Statistical of relief of Kaihua county

由研究区内地形起伏度可知：

(1) 从各个级别的地形起伏度(切割深度)所占比例结构来看(表2)，平坦地形面积占比为25.66%，微起伏地形为69.58%，小起伏山地为4.75%，中起伏山地所占比例极少，仅为0.01%。由此说明研究区内以平原、低丘陵为主。

(2) 由图2可知，起伏度小于30 m的区域主要分布马金溪、池淮溪、龙山溪、马尪溪两岸，为冲积平原，地势平坦；起伏度30～100 m区域为丘陵地貌。

2.4 地貌形态分析

中国科学院地理研究所(1987)主持制定的《中国1∶100万数字地貌制图规范》采用起伏度和海拔高度对平原、丘陵和山地及其子类型地貌进行了定量化描述(表3)。

表3 地貌分级标准Table 3 Classification standards of geomorphology

在ArcGIS中地貌分类主要利用海拔高度和起伏度栅格数据进行叠加分析，然后利用ArcGIS重分类功能对分析结果进行分类并统计(表4)，生成基本地貌类型图。研究区内地貌类型主要有平原、低丘陵、高丘陵、和小起伏低山四种地貌类型。

表4 开化县地貌分级统计结果Table 4 Statistical results of landform classification in Kaihua county

从表4统计结果来看，研究区主要地貌类型为平原和低丘陵，占全域面积的95.24%，高丘陵和小起伏低山分布极少，只占不到5%，其中低丘陵地貌所占面积百分比高达69%，这与开化县实际相符。

从空间分布格局来看(图2)，高丘陵和小起伏低山地貌主要分布于开化县四周，低丘陵地貌由四周向中部过渡，平原地貌主要分布马金溪、池淮溪、龙山溪、马尪溪沿溪两岸，为溪流冲积而成。

2.5 坡度分析

坡度和坡向作为描述地形特征信息的两个重要指标，不但能够表示地形的起伏形态和结构，而且是水文模型、滑坡监测与分析、地表物质运动、土壤侵蚀、土地利用规划、防治水土流失等地学分析的基础(李伯祥等，2019；刘学军等，2004)。根据土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)中提出的分级方案(中华人民共和国水利部, 2008)，在ArcGIS中，根据DEM数据，利用栅格表面下的坡度功能直接求出坡度，然后利用ArcGIS重分类功能对坡度重分类并统计(表5)，生成坡度分级图(图3)。

图3 开化县地形坡度分级图Fig.3 Slope classification map of Kaihua county

将研究区坡度分为6级，结合表5分析发现研究区各级坡度分布较均匀，除极陡坡(>35°)外，其他占比各占20%左右。其中平缓坡(<5°)占比24.41%，可用于农用，宜采取横坡耕作和覆盖耕作相结合的方式，一般可以机械化耕种；斜坡(8°～15°)面积为320.26 km2，占比14.35%，适宜农用，需修坡式梯田，实行等高垄作以防止水土流失；陡坡(15°～25°)的面积为778.99 km2，所占比例最大，为34.91%，适宜于林业种植；急坡(25°～35°)面积为468.48 km2，占比21%，易产生滑坡等地质灾害，不宜农用；险坡(坡度>35°)的地区仅有零星分布，其面积只有118.78 km2，占研究区面积的5.32%，极易发生滑坡、崩塌等地质灾害。

表5 开化县坡度分级统计表Table 5 Slope classification of Kaihua county

从空间分布格局来看(图3)，结合基本地貌类型图(图2)可知：平缓坡和中等坡(<8°)区域主要分布马金溪、池淮溪、龙山溪、马尪溪沿溪两岸，为平原地貌；斜坡、陡坡 、急坡(8°～35°)主要分布面积较广，主要为低丘陵地貌；险坡(>35°)主要分布于小起伏低山地貌。

2.6 坡向分析

地形坡向对光照、热量和水分有重要影响，如北半球南坡比北坡能接收较多的太阳辐射能，因而南坡土壤水分迅速蒸发，小气候较为温热干燥，形成南坡植被比北坡稀疏，土壤层较薄、较瘠薄、含水也较少等，坡向在一定程度影响土地利用空间格局(闫小培等，2006)。

根据查轩等(2010)提出的坡向分级方法，将坡向分为平坡、阳坡、半阳坡和阴坡、半阴坡五级。在ArcGIS中，根据DEM数据利用栅格表面下的坡向功能直接求出坡向，然后利用ArcGIS重分类功能对坡向重分类并统计(表6)，生成坡度分级图(图4)。

表6 开化县坡向分级统计表Table 6 Slope aspect classification of Kaihua county

图4 开化县坡向分级图Fig.4 Slope aspect classification map of Kaihua county

由表6、图4可知，平坡面积占比最少，为16.38%，主要分布马金溪、池淮溪、龙山溪、马尪溪沿溪两岸，冲积平原区；其余坡向分布较均匀，半阳坡所占面积最大，占22.98%，这从一定程度上与坡度分布规律相一致。通过确定适当的坡度和坡向分级标准并建立坡度、坡向分级图，可为土地利用规划、土地整理及其他研究提供参考依据(林爱文等，2008)。

3 结论

(1)研究区地貌类型划分为平原、低丘陵、高丘陵、和小起伏低山四种地貌类型，通过统计研究发现研究区内地形起伏度相对集中在30～100 m之间，占比69.58%，0～30 m区间占比25.66%,说明研究区主要以丘陵为主,平原次之。

(2)研究区地貌形态主要为丘陵和平原，全县地势四周高、中间低。坡度相对集中在0～25°，尤其以15°～25°坡地分布广泛，占研究区面积的34.91%；<5°坡度分布范围次之，占研究区面积21.58%，是农耕地和城镇的主要分布区域。各坡向分布较均匀。