基于DEM的陕南地区地形地貌研究

高艺伟 白昊睿 高举红

摘 要：本文是基于陕南地区ASTER GDEM2的30m分辨率的DEM数据，在ArcGIS中提取多种窗口下的地形起伏度数据，采用均值变点法确定最佳邻域分析单元。对陕南地区的起伏度、坡度、坡向、海拔以及水土保持地形因子进行定性定量分析。该研究所提供的基础数据以期为该地区的农业生产、工业布局、规划建设以及环境保护提供理论依据。

关键词：DEM;均值变点;地形起伏度;地貌形态;水土保持地形因子;陕南地区

Abstract：This paper is based on THE 30M DEM data of ASTER GDEM2 in southern Shaanxi， topographic relief data under various Windows were extracted in ArcGIS， and the mean point variation method was adopted to determine the optimal neighborhood analysis unit. The topographic relief， slope， slope direction， altitude and soil and water conservation topographic factor in southern Shaanxi is analyzed qualitatively and quantitatively. The basic data provided by this study is expected to provide a theoretical basis for southern Shaanxi in agricultural production， industrial layout， city construction， and environmental protection.

Key words： DEM; Topographic form; Mean change point; Relief amplitude; Soil and water conservation topographic factor; Southern Shaanxi

地貌也被称作为地形，是指地球硬表面由内外动力共同作用塑造而成的多种外貌形态[1]。地貌是最基本的地理要素，由坡度、坡向、海拔、地形起伏度等影响因子构成。地貌形态直接或间接的影响人类生产生活方式，主要表现在农业、水利、交通等方面。数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），可以通过与空间分析手段的结合，对一个地区的地形地貌进行系统评估和分析。

基于DEM的分析方法已经被成功的用于表征地形地貌特征，李图南等利用DEM分析研究了陕北地区的地形地貌特征[2];杨晓等基于DEM的地形起伏度数据，研究了祁县的水土流失情况[3];苏立彬等研究了尼洋河流域的地形地貌特征，并分析了流域内易发生灾害的危险地区[4];叶宝莹利用Python ArcPy方法计算得到地形起伏度最佳统计单元，通过ArcPy的二次开发，用均值变点法确定了青藏高原的最佳邻域分析单元[5]。

陕南地区的地形复杂多变，但是对于该地区地貌的研究还属空白。因此，本文将陕南地区作为研究对象，利用DEM数据分析其地形地貌。

1 研究区域概况

陕南是指陕西南部地区，属关中平原以南，巴山以东，汉江自西向东穿流而过，地处北纬31°～34°，东经105°～111°。行政辖区主要包括汉中、安康、商洛等地市。陕南地区整体地形独具特色，呈现两山夹一川[6]，秦岭、巴山的东部为安康盆地，西部是汉中盆地。秦岭在陕西省境内海拔为1500～2000米，高出关中盆地和汉中盆地1000～3000米，自西向东长约400～500千米，南北宽约300千米。研究区域内海拔3000米以上的高峰主要位于陕南北部的秦岭主山脉，其主峰太白山海拔约为3772米。秦岭自西分为三支山脉，由北向南绵延至汉中盆地边缘，其山势逐渐走低。太白山山势向东呈递减趋势，商洛地区山势状况结构呈掌型自西向东划分，其中夹杂有呈红色的断陷盆地以及河谷盆地，河谷平地和盆地保有二到三阶梯地势。北陡南缓的山势使秦岭北部溪峪短而急，而南部水系源远流长，东西走向山岭被溪流切割划分形成众多峡谷[7]。川陕间的大巴山沿安康盆地南侧自西北向东南斜向分布，东西长约300余公里，海拔约为1500～2000米，高出汉中盆地1000～1500多米。

2 数据来源

本研究使用的是ASTER GDEM2的DEM数据（图1），来源于地理空间数据云，地理坐标系为D_WGS_1984，将陕西南部地区作为研究对象，对分幅数据进行拼接，并使用陕西的省界数据对DEM进行裁剪，得到匹配正确的地理信息DEM数据。

3 研究方法

在ArcGIS10.2中，利用Spatial Analyst模塊中的表面分析（坡度、坡向）、重分类、邻域统计（地形起伏度）等功能研究陕南地区的地形地貌。在重分类中划分等级时，参考适宜的分等定级规律，综合分析各地形因子的表达与统计数据，以期准确表征陕南地区的地貌地形特征。

4 利用Java的地形起伏度均值变点法研究

均值变点法是一种基于非线性拟合曲线确定速率变化拐点的数理统计方法[5]。在本研究中，利用Java程序对S-Sk和像元点数进行非线性拟合，通过拐点确定最佳邻域分析单元。首先通过计算每种像元个数下的平均地形起伏度与窗口面积的商得到单位起伏度Ti（i=3，4，5，…，29，30），再对Ti取对数得到数组Xi并计算其N倍的标准差得到S。

5 结果分析

5.1 最佳邻域分析单元与地形起伏度分析

地形起伏度是通过统计网格内像元的高程最大值与最小值的差（极差）进行计算的，起伏度的大小与统计网格的大小成显著正相关，增长速率先增加后趋于平缓。峰值拐点对应的统计面积即为最佳邻域分析单元。为了精准确定拐点位置，本文采用数学统计法通过研究S-Sk与统计像元的点数关系来确定最佳邻域分析单元[8]。从图2可以看出，当像元个数为12×12时，S-Sk为最大值，因此最佳邻域分析单元为12×12。

在12×12的像元大小下，研究区域的地形起伏度在0～1617m之间，根据《中国1∶100万地貌制图规范》，将研究区域划分为六级：平原（0～30m）、台地（30～70m）、丘陵（70～200m）、小起伏山地（200～500m）、中起伏山地（500～1000m）、高起伏山地（>1000m）[9，10]。

起伏度在70～200m的丘陵地在陕南地区占比最大，约占74508.81km2，占陕南地区的总面积58.10427%，其主要在秦岭以北与关中平原相交的地区以及汉中平原;小起伏山地次之，约占24832.42km2，占总面积的19.36509%;平原和台地占比相近，分别占13765.06km2和15123.78km2，占总面积10.73442%和11.79399%;中起伏山地占2.59km2，约占总面积0.00202%;占比面积最小的为高起伏山地，其面积为02817km2，约占陕南地区总面积的000022%，位于太白县太白山境内。

5.2 水土保持地形因子

地形起伏度的本质是表示地表起伏状况，地面的起伏状况是影响地表径流流向和变化的根本因素。因此选取地形起伏度作为研究水土流失地形因子的定量指标具有一定的科学性[12]，水土流失定量指标G与原始地形起伏度数据D对应关系如下：

通过ArcGIS的计算结果得出，陕南地区的水土保持地形因子范围为0～4.53，其平均值为2.346，高于无侵蚀地区的1.0，部分地区较容易发生水土流失。由图3得出，盆地处水土保持地形因子基本与无侵蚀地区相似或稍小于无侵蚀地区，秦岭北麓以及大巴山地区则水土保持地形因子较高，易发生水土流失，主要集中在太白县、周至县、眉县、镇巴县，以及西乡县和南郑县的南部山区。陕西商州、丹凤县、洛南县不易发生水土流失。该地区虽然山体连绵不断，但总体海拔以及起伏度并不是很大，故水土保持因子较低。

5.3 陕南地区海拔的等级划分

该研究区域以中低海拔为主，最高点处海拔3772m，最低点海拔为157m，平均海拔为1964.5m（图1）。中海拔地区分布最为广泛，面积为86491.8819km2，占全省总面积的6766%;超高海拔地区则为秦岭主峰太白山，大约占陕西省总面积的0.13%;低海拔地区主要分布在汉中、安康盆地，高海拔地区则主要在秦岭山区。陕南地区整体地形呈凹字形，秦岭山区海拔在1500m以上，由东向西海拔逐渐升高，最高点为主峰太白山，海拔高约3771.2m。地势由北向南逐渐走低，至汉中盆地变为平原。汉中、安康、城固、汉阴等地地处汉江沿岸，平均海拔500m左右，但是汉中盆地南部大巴山地势又逐渐升高至1500m以上（表1）。

5.4 坡度

陕南地区坡度范围为0～88.2035°，坡度均值为209336°，主要集中在6～35°，多为斜坡陡坡，其所占比例达71.22%;坡度在0～6°的缓坡占总面积的13.5%，主要分布在秦岭以南的汉中盆地，其平均坡度约4°，这部分地区多为平坦地形坡度较缓，其起伏度也不高;35°以上的急陡坡分布较为集中，大部分位于秦岭山脉的高海拔地区，山地起伏连绵，山峦耸立，地形起伏度较大，秦岭东部华山地区以及西部太白山地区最为明显（表1）。

5.5 坡向

研究区内平坦地区仅占0.46%，占比最多的坡向为南，但坡向分布均匀，对整体地形地貌影响不大。阴坡占比5006%，其中南占比13.70%、西南占比12.57%、东占比11.03%、东南占比12.97%;阳坡为49.4%，中西占比10.57%、西北占比12.65%、北占比13.23%、东北占比12.83%（表1）。

5.6 地貌形态

根据地形起伏度以及海拔的不同，在不同海拔（低海拔、中海拔、高海拔、超高海拔）下的地貌可以分为六类：平原、台地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地、高起伏山地，极高起伏山地，共计25种地貌[10，11]，其中陕南地区共计占有其中20种地形地貌（表2）。陕南地区以中海拔丘陵地为主，占总面积的43.5129%;高海拔丘陵和小起伏中山分别占比12.181093%与12.50857%，为研究区域内较为主要的地貌;陕南地区以中低海拔为主，除去最为主要的中海拔丘陵地，低海拔平原、台地、丘陵和中海拔平原、台地多集中在盆地地区，其占比大致相同，均为12%左右;占比最小的两种地貌为大起伏中山、高海拔平原，分别为0.00006%和0.00007%，均在太白山地區。

低海拔平原、台地、丘陵以及中海拔平原、台地等主要分布在秦岭以南，大巴山以东的汉中安康两盆地地区;中海拔丘陵以上的地貌类型沿秦岭分布，且为秦岭山区的主要地貌类型，由秦岭两侧不断升高，地貌海拔及地形不断改变，直至超高海拔地貌类型。超高海拔的地貌主要在秦岭主峰太白山顶部。中海拔山地分布亦较为零散，各个山区中均存在该类地形地貌。在汉中盆地下侧，南郑县、城固县地形变化最为多样，大巴山北麓出现五到六种地形变化，地势较为复杂。商周、丹凤、洛南地区的地形则较为单一，处于中低海拔且地形起伏情况并不复杂。

6 结论

在最佳邻域分析单元12×12下，陕南地区的地形地貌共分为20类，主要为中海拔丘陵，中高海拔地形主要分布在秦岭山区以及大巴山，其中超高海拔地貌是太白山的标志性地貌。

陕南地区地形因子范围在1.75～3.5之间，秦岭北麓太白山地区总体地形因子的值较高，更容易发生水土流失，而汉中、安康盆地以及商洛市范围内则值保持在正常水平。整个地区多为斜坡陡坡，占比达71.22%，坡向分布均匀，阴坡和阳坡所占比例均等。

本文系统准确地分析了陕南地区的地貌地形特征，以期为该地区的农业生产、工业布局、规划建设以及环境保护提供理论依据。

参考文献：

[1]伍光和，王乃昂，胡双熙，等.自然地理学（第四版）[M].高等教育出版社，2008.

[2]李圖南，罗丹.基于DEM的陕北黄土高原地貌形态特征研究[J].西部大开发（土地开发工程研究），2020，5（04）：13-17+23.

[3]杨晓，黎武，冉红，贺春明，徐珍，蒋婷.基于DEM数据的祁县地形起伏度分析[J].南方农业，2016，10（22）：28-31.

[4]苏立彬，郭永刚，吴悦，杨永涛.基于DEM的尼洋河流域地貌形态分析[J].中国水土保持科学，2020，18（03）：12-21.

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[11]周成虎，程维明，钱金凯，李炳元，张百平.中国陆地1∶100万数字地貌分类体系研究[J].地球信息科学学报，2009，11（06）：707-724.

[12]汤国安，李发源，刘学军.数字高程模型教程[M].科学出版社，2010.

基金项目：大学生创新创业（S202010704092S）

作者简介：高艺伟（1999— ），男，汉族，陕西渭南人，本科在读，专业为地理信息科学。