卫星遥感在贵州喀斯特地域研究中的应用
——以兴义万峰林为例

杨 娟，宋善海，刘 芸

(贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵州 贵阳 550002)

1 引言

万峰林位于贵州省兴义市境内，是中国西南三大喀斯特地貌之一[1]。景区长200多km，宽30～50 km，从海拔2000多m的七捧高原边缘延伸，与万峰湖北岸、黄泥河东岸成扇形展开，连绵至安龙、贞丰等地[2]。万峰林景区内峰峦叠嶂，峰林中错落分布着田园小河、布依小寨，人与自然和谐共融。万峰林的神奇与秀美，形成一道天下罕见的峰林画廊，被不少专家和游人誉为“天下奇观”[3]。

2 研究区域概况

万峰林夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛，日照长，属于低纬度高海拔地带，具有亚热带季风气候特征。1月份平均气温4.5 ℃，7月份平均气温26.8 ℃，年平均气温14～19 ℃，降雨量1300～1600 mm，无霜期300 d左右。

图1 万峰林风貌

万峰林景区山峰密集奇特，气势宏大壮阔，整体造型完美，北部为峰林盆地，中南部为峰林洼地和峰丛山地[4]。从地质学的角度看，万峰林峰林、峰丛大多呈锥形，部分为钟状、平顶状和马鞍状，堪称一座“中国锥状喀斯特博物馆”[1]。万峰林景区内含有1个乡、2个街道办事处、5个镇(表1)，研究区将景区范围进行适当扩展，纳入研究区的面积为717.18 km2(图2)。

图2 万峰林景区及研究区范围

表1 研究区域范围及面积 km2

3 研究思路

3.1 数据来源

本研究所采用的数据为高分二号1 m空间分辨率的多光谱遥感影像数据和资源三号立体像对提取的栅格分辨率为10 m数字高程模型(图3、表2)，利用ArcGIS软件，采用空间数据分析、邻域分析等分析方法，完成了基于规则格网DEM的山峰顶点的快速提取方法研究，并分析了各影像因素之间的相互关系，完成了研究区内山峰个数的计算和分析评估。

表2 采用的遥感影像数据情况

图3 研究区高分二号1 m分辨率遥感影像

3.2 技术方法

DEM数据包含了大量的地形信息，通过DEM数据可以完成对地形特征的提取，对数字地形分析具有重要作用。通过GIS高程图分析，“峰林”是基部低矮，相互独立的成群山体，而“峰丛”是基座相连的延续山峰，当盆地被“峰林与峰丛”环绕时，就形成了喀斯特盆地。而位于喀斯特中心部位是丛谷，在该中心部位，当“峰林与峰丛”狭长排列，就形成喀斯特谷地；当“峰林与峰丛”环绕封闭时，就形成喀斯特洼地[5]。通过对万峰林内地域性特征的分析，将峰头作为山顶点来判断。山顶点是指在特定邻域分析范围内，该点都比周围点高的区域；凹陷点是指特定邻域分析范围内，该点都比周围点低的区域。本研究选用ArcGIS10.4软件作为数据分析平台，通过基于规则格网DEM典型地形特征山峰顶点的快速提取算法，即通过等高线、山顶点、凹陷点的计算和提取，利用等高线提取、邻域分析和窗口计算等工具完成栅格数据的表面分析，再利用空间分析模块中的等高线提取功能，完成等高距15 m和75 m的等高线图绘制，并以此作为山顶点空间分布图的背景图，利用邻域分析和栅格计算器工具完成山顶点提取，实现对万峰林景区内峰头个数的统计。

利用格网DEM数据提取山顶点时，不同的分析尺度可获得不同层次的山顶点。首先，对分析窗口内各变量赋值对原始 DEM 单元矩阵进行扫描，设定一个邻域分析的阈值，再对该分析区域进行重分类，满足条件的则判定为分析区域内的山顶点，但是在实际验证过程中发现提取的山顶点存在伪噪音点[7]，因此，需要对山顶点进行处理。封闭等高线可以作为辅助判别的山顶点的有效工具，因此采用一种基于形态分析的山顶点提取方法，可以快速从DEM数据中提取山顶点，从而对这些数据的可靠性进行客观的评定，提高其准确性。可将等高线的间距作为判定山顶点的高差阈值。从DEM数据中提取等高线，并将等高线图转化为面状图，将提取到的面状区域与之前提取到的山顶点进行叠加取交集，得到去除伪噪音点的山顶点图(图4)。

图4 研究路线

3.3 提取步骤及结果

山顶点提取按照焦点统计→栅格计算→重分类→矢量转换→提取山顶点高程的步骤完成。首先打开ArcGIS10.4软件并加载DEM数据，可以将DEM数据进行裁剪，加快计算速度([ArcToolbox]→[Spatial Analysis Tools]→[Extraction]→[Extract by Mask])；焦点统计是指提取分析窗口中栅格的最大值，并将其赋给焦点(待计算栅格中心)，选择[Spatial Analyst Tools]→[Neighborhood]→[Focal Statistics]，提取大小为50×50的分析窗口中栅格的最大值；进行栅格计算，提取山顶点，选择[Spatial Analyst Tools]→[Map Algebra]→[Raster Calculator]，输入公式，提取山顶点；对计算结果进行重分类，选择[Spatial Analyst Tools]→[Reclass]→[Reclassify]；将重分类结果转换为矢量点，选择[Conversion Tools]→[From Raster]→[Raster to Point]；求出所有山顶点的高程，选择[Spatial Analyst Tools]→[Extraction]→[extract values to points]，输入参数文件得到结果。

通过邻域分析结合等高线面状图提取得到山顶点的分布图，为了将伪噪音点去除，提取高差阈值为15 m和75 m的等高线面状分布图进行叠置分析，最后得到实际峰头分布图(图5、6)。

图5 不同高差阈值的等高线面状分布

基于以上原则，将研究区内万峰林峰头个数进行计算、统计、分析，得到峰头个数为8972个，其中景区峰头个数为3309个(图7)。

图6 山顶点分布

图7 研究区峰头个数分析、统计与评估

4 结论与讨论

基于规则格网的DEM在地貌分析中比较方便而且容易与遥感影像数据结合分析。本文依据山顶点的地貌学定义及其在DEM中的形态特征，采用ArcGIS山顶点提取算法，运用山顶点高差阈值提取的等高线转换为面状图进行了叠置分析，从而快速提取了山顶点个数。通过分析与评估提取万峰林峰头个数为8972个，其中景区峰头个数为3309个。该研究结果丰富了DEM的分析内容，对贵州喀斯特地域的研究有参考作用。但本研究还有待进一步加深，如：可深入研究分辨率及分析窗口大小对不同地貌的山顶点提取的影响。