基于dem的山地相对高程定量化分类研究

基于dem的山地相对高程定量化分类研究

1山地研究的应用高山分为高山、高山、中山和低山，但长期以来，对山地资源和环境的深度认识不足。山地是我国政府目前全面推进“构建和谐社会”得以顺利实施的难点和重点所在,可见山地研究的重要性。山地科学研究的基础是山地的准确分类。本文在GIS技术支持下,基于水文分析模型,通过DEM数据,结合山地综合分类模型,探讨出一种对山地进行定量化分类的方法。经过实验分析,笔者发现该方法是可行的,它以具有客观性、精确性、细致性、多因子和量化性区别于传统的分类方法,该方法能为山地研究、山区发展和数字山地战略提供基础和支撑,更重要的是用定量的方法对山地进行分类,使分类结果精度更高,用洼地贡献区域的范围作为山地相对高度的起算面完全脱离了人为因素的影响,解决了一直以来难以确定山地相对高度起算范围的难题,用山地的表面积来代替投影面积计算山地率,结果更切合实际。2山地相对高程的起算面范围本研究对山地分类进行定量化研究的基本原理是受到负地形(见3.3节)和水文分析(见3.4节)中的洼地的启发,山地在负地形中就成了洼地,山顶点就是洼地点,提取出了洼地点就是提取出了山顶点。山顶点的绝对高程,也称海拔高程可以直接从DEM数据中获取,但是获取山顶点的相对高度(见3.5节)就有一定的难度了,难在山地相对高程的起算面范围的有效界定。国际地理学会联合会地貌调查与制图委员会提出的局部高差指的是16km2(4km×4km)内的最高点与最低点之差;中国地貌制图研究认为,山地的相对高程主要不是切割的结果,而主要同成因(内力作用)有关,没有明确说明应该是多大范围内的高差;中国1∶1000000的DEM数据计算地形高差的范围约为21km;江晓波在中国山地范围界定的初步意见中采用的是50×50个栅格单元的范围(18.49km2)作为计算山地相对高程的范围;莫申国在基于DEM的秦岭数字地貌格局研究中采用4km2的作为地形起伏度统计单元。国际、国内、个人对山地相对高度的计算中,可以发现没有公认的较为合理的计算范围。本研究利用负地形洼地的贡献区域作为山地相对高程计算的起算范围。计算出山地的绝对高度和相对高度后,代入山地综合评价模型(见3.8节),对山地进行快速定量化分类。计算山地表面积,得到山地率(见3.7节)。山地定量化分类的流程如图1所示。3基本总结3.1dem数据组织模型国内外关于山地的定义众多,Messerli和Ives在《MountainoftheWorld:AGlobalPriority》一书中粗略的界定了山地的两个特征,即陡坡和高度的组合。UNEP-WCMC认为,海拔>2500m的区域通常被认为是山地。南京大学等单位主编的《地理学辞典》认为,山地是许多山的总称,由山岭和山谷组合而成。肖克非在《中国山区经济学》一书中采取完全量化的手段定义山地,即起伏高度>200m的地段均归入山地。其中起伏高度是指山地脊部或顶部与其顺坡向到最近的大河(流域面积>500km2)或最近的较宽的平原或台地(宽度>5km)交接点的高差。徐樵利、谭传凤在《山地地理系统综论》中确定广义的山地为相对高度>200m的区域,在山地内部划分丘陵、低山、中山、高山、极高山和盆地。程鸿在《我国山地资源的开发》一文中定义山地是由一定绝对高度和相对高度组合的地域。赵松乔在《我国山地环境的自然特点及开发利用》一文中,将山地确定为下面两种情形:(1)具有较大的海拔,一般>500m,如超过3000m则不论坡地或平地均可成为高山及“山原”;(2)有一定的相对高度,相对高度超过500m的成为山地,不到500m的,专称丘陵。目前对于山地的定义包含定性、定量以及介于二者之间3种方式,即便是定量的定义,也存在一些难以量化操作的实际问题,尤其是在对山地进一步分类时完全缺乏一种模型化的定量方法。DEM是将地形曲面划分成一系列的规则格网单元,每个格网单元对应一个地形特征值。格网单元的值通过分布在格网周围的地形采样点用内插方法得到或直接由规则格网的采样数据得到。规则格网有多种布置形式,或矩形、正三角形、正六边形等,但以正方形格网单元最为简单,同时也比较适合于计算机处理和存储。规则格网的另一特点是容易于航空、航天等遥感影像数据结合,事实上,规则格网模型已成为一种通用的DEM数据组织标准,许多国家的DEM数据,如美国USGSDEM、我国1∶50000比例尺以下的DEM都是以规则格网高程矩形形式提供的。规则格网DEM结构模型一般可用以下数学表达式表述:式中Z为栅格结点(i,j)上的高程。其内容还包括描述格网单元的基本参数,如格网分辨率、格网原点坐标值、格网方向、高程数据放大系数、区域最低高程、无效区域的赋值等。3.3利用dem计算高程负地形是和真实的地表高度起伏变化完全相反的虚拟地形,它可以通过公式(2):把原来高点变低、低点变高,式中H的取值可以给定一个大于此区域最高高程的任意整数,DEM是此区域的高程值。3.4对空间形态的预测和预测水文分析用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况,或者划定受污染源影响区,以及预测当改变某一地区的地貌时对整个地区将造成的后果等等。城市和区域规划、农业及森林等许多领域,对地球表面形状的理解具有十分重要的意义。这些流域需要知道水流怎样流经某一地区,以及这个地区地貌的改变会以什么样的方式影响水的流动。水文分析主要包括集水流域、水流网络及排水系统的分析。3.5相对高程的定义相对高程,亦称相对高差、地势起伏度或地形起伏度。相对高程是山地范围确定中最为困难的工作,这是因为相对高程定义的模糊性造成的。相对高程被理解为“一定范围内海拔的变化”,而恰恰是这“一定范围”很难确定。相对高程的计算公式如(3)式:其中LERi表示第i个格网的相对高差;Ei表示第i个格网单元的高程值;EMin表示第i个格网单元所在的区域范围内的高程最低值。山地绝对高程,又叫山地海拔高程,我国是以黄海平均海平面为起算的高度。3.6积之比与坡度地面粗糙率是指在一个特定的区域内,地球表面积与其投影面积之比,它是反映地表形态的一个宏观指标。计算公式为:式中M为地面粗糙率,SAB为栅格单元的表面积,SAC为栅格单元的投影面积,a为坡度。由(4)式变换可得:3.7山地面积的确定山地率就是研究区的山地面积与研究区面积的比值×100%,其中研究区山地面积可以是山地的投影面积或山地的表面积,一般情况下用山地表面积更切合实际。3.8价值熔喷料h山地综合评价模型的计算公式如下:式中φ是山地综合评价值,h是山地相对高度。H是山地绝对高度。φ≥0.99是为极高山、0.92≤φ<0.99时为高山、0.66≤φ<0.92时为中山、φ<0.66时为低山。4山地定量化分类4.1栅格计算功能对山地进行定量化研究首先要计算负地形。本文利用ArcGIS9.2Desktop的栅格计算功能来计算负地形。研究区部分DEM如图2所示,根据负地形计算模型,减去3000就可以达到要求。计算的负地形DEM数据如图3所示。4.2山地相对高程的计算山地相对高程是在一定范围内的高程差,这“一定范围内”是一个非常模糊的概念,怎样来科学、合理地确定“一定范围内”?从山地的定义发现目前都是人为定义这“一定范围内”。人为确定这“一定范围内”有诸多缺点,比如在确定的范围内有多座山峰,计算的山地相对高程就是最高山峰的高程,事实上应该是每一座山的高程,因此要想得到每一座山的高程就要不断地缩小确定的范围,缩小到那个范围,不好确定。本文采用洼地贡献区域作为这“一定范围”。本文利用ArcGIS9.2Desktop水文分析模块在计算的负地形上提取水流方向、洼地点、洼地的贡献区域;利用ArcGIS9.2Desktop分类区统计计算洼地贡献区范围内洼地的深度,计算得出的这个洼地深度就是山地相对高程,研究区部分山地相对高程如图4所示。本研究利用ArcGIS9.2Desktop分类区功能计算正地形洼地贡献区范围内的最高点,最高点的值及为山地的绝对高程,研究区部分山地的绝对高度如图5所示。4.3山地综合评价值利用ArcGIS9.2Desktop的栅格计算功能,把3.2节计算的山地绝对高程和相对高程(栅格数据),按照(6)式进行计算,得到山地综合评价值,如图6所示。为了能对计算结果作进一步的研究,把计算结果首先按照φ≥0.99、0.92≤φ<0.99、0.66≤φ<0.92、φ<0.66进行重分类,然后进行矢栅转换得到山地综合评价矢量数据。4.4坡度计算及计算区域从(5)式可知,只要得到栅格的面积和该栅格的坡度,就可以得到该栅格的表面积。本研究的1∶50000DEM数据的分辨率为25m,可得面积为0.000625km2,坡度直接利用ArcGIS9.2Desktop的角度坡度计算功能得到。最后利用ArcGIS9.2Desktop的栅格计算功能,按照(5)式,计算得出栅格的表面积。为了得到每一座山的的表面积,利用ArcGIS9.2Desktop的分类区功能,计算得到的每一座山地范围进行汇总统计得到每一个山地的表面积。结果如图7所示。4.5山地面积、山地率重庆万州区总面积为:投影面积:31102.301km2,表面积:35561.700km2;万州区山地面积为:投影面积:21988.639km2,表面积:25700.290km2,其中中山的面积为:投影面积:2644.671km2,表面积:3412.790km2;低山的面积为:投影面积:19343.968km2,表面积:22287.500km2;中山山地率为:8.50%(投影面积之比),9.60%(表面积之比);低山山地率为:62.19%(投影面积之比),62.67%(表面积之比);低山占山地总面积的87.97%(投影面积),86.72%(表面积),中山占山地总面积的12.03%(投影面积),13.28%(表面积)。从以上分析数据可以发现:重庆万州区地貌以低山为主,表面积计算的山地率要高于投影面积计算的山地率,中山比低山更突出。5基于多因子综合评价的山地定量化分类研究在GIS技术支持下,基于水文分析,通过DEM数据,结合山地综合分类模型,以重庆市万州区为例,对山地分类进行定量化研究,主要成果如下:(1)把负地形引入山地研究中,采用水文分析方法对山地进行分类研究,对山地科学的深入发展起到了推动作用;(2)利用多因子综合评价分类模型对山地进行定量化分类研究;(3)以负地形洼地贡献区域作为山地相对高程起算面,完全摆脱了人为因素的影响,解决了一直以来难以确定山地相对高程起算范围的难题;(4)以负地形洼地深度作为山地相对高程是正确可行的,且能快速获取山地的相对高程;(5)该方法是科学合理