不同DEM分辨率下影响三台县水土流失的地形因子分析

摘 要：地形因子是认识地形地貌特征的重要的参数。该文以三台县为例，基于不同分辨率下的DEM数据，提取坡度、坡向、曲率、地表粗糙度，对结果进行统计分析。分析结果不仅可以认识三台县的地形地貌特征，还可以为区域水土保持工作提供一定的依据。

关键词：三台县；DEM；分辨率；地形因子；水土流失

中图分类号 S157 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）12-0091-03

Abstract：Terrain factor is an important parameter to understand the features of topography and geomorphology.Taking Santai County as an example，the spatial resolution，based on the DEM data of different resolutions，extracted the slope，aspect，curvature and surface roughness，and analyzed the statistical results.The analysis results can not only recognize the features of topography and geomorphology in Santai County，but also provide a basis for regional water and soil conservation work.

Key words：Santai County；DEM；Resolution；Topographic factors；Soil erosion

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得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，从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]。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[4]。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。数字高程模型是地形曲面的数字化表达。数字高程模型是对有限的地形高程表面数据实现地形表面情况的数字化模拟，可以说是对地形表面形态进行数字化[5]。DEM是地理信息系统地理数据库中很重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统。

本文以空间分辨率30m的GDEMDEM和空间分辨率90m的SRTMDE为基础数据源，其中将30m分辨率重采样成60m，运用这3种不同分辨率的DEM数据，进行数字地形分析。提取不同分辨率下的坡度、坡向、曲率、粗糙度的地形因子，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。

1 研究区概况

三台县（30°42′～31°24′N，104°42′～105°8′E），位于四川盆地东北部，属川中丘陵地区，地形以平坝、丘陵为主，地势倾斜为北高南低，|高西低，较平缓，境内海拔高度多在307.2～672m之间，坡耕地有5.25hm2，水土流失情况较严重。三台县为亚热带季风性气候，气候温和，四季分明，雨热同季，县域面积2659.38km2（图1）。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与预处理 本文选取GDEMDEM与SRTMDEMUTM数据，GDEMDEM空间分辨率为30m，SRTMDE空间分辨率为90m，将30m的DEM数据重采样60m的数据。在ArcGIS10.1中对这两种类型的数据进行拼接，用三台县矢量边界去裁剪拼接后的DEM数据，获得三台县DEM数据。

2.2 研究方法 利用ArcGIS10.1中的空间分析（Spatial Analyst）中的表面分析（Surface Analyst）对3种不同的分辨率的DEM数据进行分析。分别提取坡度、坡向、平面曲率、坡面曲率、地表粗糙度地形因子，再利用表格进行各个因子的统计分析。

3 结果与分析

3.1 不同分辨率下的坡度分析 坡度是指过地表任意一点的切平面与水平地面的夹角[6]。地面任意一点都是有坡度的，坡度的大小直接影响地表的物质流动与能量转换，所以坡度的大小对水土流失影响较大。为了对三台县水土保持有一个基本的认识，对坡度进行科学合理的研究，建立一个科学合理的坡度分级显得尤为重要。因研究目的不同，通常对地面坡度进行不同的分级，则得到不同的坡谱表达。常见的坡度分级方法有主观分级法，临界坡度分级法，模式分级法[7]。三台县多为丘陵地区，地势起伏较小，本文根据实际情况采取模式分级法对三台县区域分为6级（0°～3°、3°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、≥25°）通过对3种不同分辨率DEM坡度分析之后，再进行重分类。统计每个分类所占得栅格数的百分比见（表1）。从表1可以看出当分辨率为30m时，提取的坡度值多集中在0°～15°，占总比重的85.86%，特别是5°～15°占总值的50.41%，而15°以上才占总比重的14.13%。说明在30mDEM分辨率的情况下三台县整体地势较平缓，且无巨大的起伏，几乎无陡峭山地。60m时，提取的坡度值也多集中在0°～15°之间，占总比重的88.85%，5°～15°占总值的49.63%，15°以上才占总比重的11.15%。当分辨率为90m时，提取的坡度值也多集中在0°～15°，占总比重的88.6%，5°～15°占总值的51.72%，15°以上占总比重的11.4%。从整体来看，随着分辨率的下降较陡地区所占的比例不断下降，坡度越发的平缓。这主要原因是分辨率的粗略化，对地形的描述概括趋于简化。即随着分辨率的降低，对地形的描述越来越粗糙，概括性越来越高，地形整体趋于平坦。

由表2可知，提取坡度因子最大值与标准差随着分辨率的降低也下降。由于DEM分辨率降低，对地表的描述更加粗略，使得地表平滑。DEM分辨率对坡度的提取影响较大，为了对地形有更好的认识，更好的开展水土保持工作，应该选取合适的DEM对地表进行模拟。

从图2可以看出，三台县的坡度空间分布规律为：东北与东南坡度高，西部较低，河流沿西北东南向，坡度的空间差异反应了地势的变化。西北部地形起伏相对小，坡度较小，整个三台县地形起伏较小，坡度整体较小。

3.2 不同分辨率下的坡向分析 坡向是地表上一点的切平面的法线矢量n在水平面nxoy与过该点的正北方向的夹角[8]。在对坡向的分析过程中，对坡向的值进行了规定，通常以正北方向为0°，顺时针一周360°。在ArcGIS10.1中坡向从0°开始，所以对坡向分为了9类北坡[9]（0～22.5°、337.5°～360°）、东北坡（22.5°～67.5°）、东坡（67.5°）、东南坡（112.5°～157.5°）、南坡（157.5°～202.5°）、西南坡（202.5°～247.5°）、西坡（247.5°～292.5°）、西北坡（292.5°～337.5°）以及平缓坡（-1°），各方向占得比重见表3。从表3可以看出，坡向各个方向所占的栅格比例有所上升，分辨率的降低对地形的描述下降，使得各个方向的识别不清晰。表4是坡向的基本信息，分辨率下降标准差变小，平均值无特殊变化。

3.3 不同分辨率下的曲率分析 曲率是指地表一点扭曲变化的程度的定量化度量因子，它在垂直与水平的两个方向上的分量分别称为平面曲率和剖面曲率[10]。剖面曲率是对地面坡度的沿最大坡降方向地面高程变化率的度量，可以反应地面复杂程度[11]。试验区不同分辨率的曲率情况统计情况表5。从表5可以看出，剖面曲率的最小值随分辨率的降低值变大，其余的变化没多大的规律可循，不同分辨率对曲率的影响不大。

3.4 不同分辨率下的地表粗糙度分析 地表粗糙度是地表单元的表面面积与其在水平面上的投影面积的比值，可以表示地面的起伏变化和地表的侵蚀程度，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的空间分析（spatial analyst）模块下的的栅格计算器提取粗糙度。从表6可以看出，随着分辨率的降低，粗糙度的最小值没有变化，最大值、平均值与标准差都逐渐变小，这是因为随着DEM分辨率的降低，对地表的概括程度加大，地表信息越完整，地表显得越平滑。

4 结论与讨论

运用DEM提取坡度、坡向、曲率、粗糙度等地形因子指标，比较细致的揭示了不同分辨率下的三台县坡面形态的特征，有利于对区域地貌地形特征的认识。通过对3种不同分辨率的DEM数据地形因子提取，分析发现数据的结果有一定的差异，这表明不同分辨率的DEM对提取结果的影响是很大的。其中随着分辨率的下降，提取的坡度和粗糙度的最大值、最小值、标准差都在下降，数据变化比较一致，这是由于DEM分辨率越低，其对地形的概括程度越高，地形的起伏也平缓，使得坡度和粗糙度降低，说明DEM分辨率对坡度和地表粗糙度的提取结果的影响较大。其中随着分辨率的下降，提取的坡向在各个方向的比例变大、曲率变化不大，说明DEM分辨率对曲率的影响较小。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，可以认识区域地貌地形的特征特点、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，分析地形因子有助于区域水土流失的认识与治理。

参考文献

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