基于DEM与DLG的福建省地貌形态自动分类

第15卷第1期2013年2月

地球信息科学学报

JOURNALOFGEOINFORMATIONSCIENCE  - 

Vol.15,No.1

,2013Feb.

基于DEM与DLG的福建省地貌形态自动分类

陈加兵,李 慧,陈文惠,郑达贤

()福建师范大学地理研究所,福州350007

,,摘要:以福建省1数字线划图)和D数字高程模型)∶10万的DLG(DiitalLineGrahicEM(DiitalElevationModel    gpg为基础,在A依据坡度和面积组合指标,将福建省地貌形态单元分为平缓地和山丘地;提取地形rcGIS软件支持下,构建了福建省地方相对基准面,并以流域水文分析方法提取了山丘地地貌形态实图中水系与等高线的高程点交集,

,体单元;把平缓地和山丘地貌形态实体单元分别与地方侵蚀基准面叠加,参照“中国1将福∶100万地貌制图规范”台地、低丘、高丘、低山、中山。研究结果表明:该方法符合福建传统地貌分类体系,能建省地貌形态类型分为平地、

够较好快速实现平缓地与山丘地、平地(平原)与台(阶)地的自动划分,有效地提取山丘地貌形态实体单元的界线。关键词:地貌形态类型;福建省DLG;DEM;:/DOI10.3724SP.J.1047.2013.00075

1 引言

地貌是陆域表面各自然地理要素相互作用相互影响最为活跃的界面之一。在很大程度上控制着其他自然地理要素的发生、发展与变化,在一定区域尺度内,地貌与其他自然地理要素,如气候、水

1]

。文、植被、土壤等相互关系中,其起着重要作用[

形统计单元进行计算以减少在计算小起伏地形时的误差。此后Draut在上述基础上进一步修正与g发展,从D坡度分级、剖面曲率、平EM中提取海拔、面曲率等地形因子,采用图像分割方法来完成分

9]

。此后,类[国内外许多专家学者在规则统计单元]1020-

,的地貌自动分类方面进行了深入研究[这些研

地貌的长期、系统和深入研究,积累了大量的珍贵资料,在农业生产、生态环境建设与保护和国防建设等方面都发挥着巨大的作用量的人力、物力、财力和时间。

当前,随着计算机、遥感和GIS等技术的飞速

5]

,发展,地貌制图工作可在室内完成[加之野外调能在较短的时间内推陈出新。因此,人们查辅助,

开始尝试研究各种地貌类型数字制图的新思路和方法。

1964年Hammond最早提出地貌类型的自动

划分方法,指出可通过统计区域单元内的坡度、相

5]

,对起伏度进行判定[这种思路由Dikau等于19916]

,年实现[之后这种方法得到Brabn、Moran等的yg]78-

。D不断尝试、修正和发展[ikau等利用正方形格

[]14-

究的共同点在于利用规则单元统计区域内各类地形因子(如地形起伏度、地表粗糙度、高程变异系坡度变化率、平均高程、剖面曲率、平面曲率数、

,等)实现了地貌类型的快速分类。其缺点是采用提取的地貌类型界线往往与传统规则的统计单元,

人工勾绘的地貌界线相差较大,在地形起伏较大的山区尤为明显。传统地貌制图大多强调地貌实体

21]

为此,肖飞等[提出以D单元的完整性,EM进行

。但该方法

工作量大,进行大范围地貌信息提取,需要花费大

完整地貌实体的尝试划分研究:首先,提取平原、山然后,针对山地地貌类型按照约定的规则地2类,

进一步划分。但上述分类标准与方法主要是针对整个中国大陆区域提出的,故其并不完全适用于福建传统的地貌分类体系。为此,本研究以福建省为例,提出一种以D数字线划图)为基EM与DLG(结合约定的地貌形态划分标准,进行以地理实础,

体为单元的地貌形态类型自动划分。

网作为统计单元进行划分,而Brabn则利用了圆y

;修回日期:收稿日期:2012092020121210.----

;;基金项目:国家自然科学基金项目(福建省教育厅A类项目(福建省自然科学基金项目41001064)JA10084)

()。2012J05051

,:作者简介:陈加兵(男,博士,副研究员,研究方向为资源与环境信息系统应用。E-m1977ailcbfnu63.com-)@1jj

76

地球信息科学学报                   2013年

[2]

均较大。经1中获得的∶10万DLG生成的DEM2

2 研究区地理背景

福建省位于中国东南部,东海之滨。陆域介于东西最大宽115°50′20°43′E,23°32′8°19′N,~1~2

南北最大长度约5度约540km,50km。西南与广东省接壤、西邻江西省,北靠浙江省,东南隔台湾海峡

。全省陆域总面积1与台湾省相望,2.14万km

高程和坡度数据统计分析:福建省大部分县(市、区)海拔最高点与最低点的相对高差在1000m以陆域坡度≤2的平地和微坡面仅占1坡上;°3.1%,

度≤1区域面积占4而>1的陡坡、峻坡5°1.1%,5°其中,的峻坡和峭坡和峭坡的面积占58.9%,5°≥2面积占24.3%。

福建地势西北高、东南低,与海岸大体平行的两列大山带呈NN西部一列ESSW走向斜贯全境,-为武夷山脉,东部一列为鹫峰山-戴云山-博平岭山。在两列山脉之间,脉(闽中大山带)是一条由纵横交错的丘陵山地和大大小小的盆谷地镶嵌组成的地势逐渐山地盆谷带。闽中大山带向东直至海岸,下降,构成福建东部由低山、丘陵、台地、平原和半主要也是丘陵台地)与海湾交错组成的岛岛屿(

闽中、闽西地区NESW走向的沿海地带。闽东北、-

以中山、低山和丘陵为主,分布众多串珠状河谷盆东南沿海地区地势低缓,以平原、台地和丘陵为地;

主;海岸线漫长曲折,拥有众多港湾和半岛,岛屿星)

。图1罗棋布(

3 福建省地貌形态的分析及划分

3.1 地貌形态分类标准及定义3.1.1 基本地貌面单元

在进行福建省地貌形态分类前,需对地貌相关称地概念进行定义。属于以下三类地貌面之一者,貌形态分析的基本地貌面单元:

水域:包括河(溪)流、湖泊、水库、水塘等。平缓面:大于一定面积且坡度≤2的地面及其°相邻的坡度≤5的区域。°

锥形面:具有一个山峰点(高地点)且为一条封闭的汇水线包围的一个区域。

单斜面:不属于上述二类,而位于上述二类划或与水域之间的区域,包括峰点位出的区域之间、于边界线上的区域。3.1.2 地方相对基准面

区内所有溪河水系线(水系与等高线的交点的)高程所构成的一个虚拟地形面,用于计算地貌单元的相对高度。福建现代地貌发育的外营力主目前,已达到一个相对稳定阶要以流水侵蚀为主,

段,因而本地方相对基准面近似于侵蚀基准面。3.1.3 地貌形态分类及其标准

地貌形态分类可以是一个基本地貌面单元,或是由几个相邻的基本地貌面单元合并组成的分类评价单元,也可由一个基本地貌面单元根据一定原则分割而成的新的分类评价单元。本文参照“中国

[23]

,结合福建省地貌类型1∶100万地貌制图规范”

特点,按其形态分为:平地、台地、低丘、高丘、低山、

图1 福建省地势图

Fi.1 ThehsometricmaofFuianProvince    gyppj 

中山6个类型。具体划分标准及定义如下:()平缓地:坡度≤2的区域和其相邻的坡度≤1°

周边的台阶地前坡面所构成的区域。5°

平地(河谷平地、山间平地,包括堆积①平原、

:,平地和剥蚀平地)平缓地中坡度≤2且与地方侵°蚀基准面的高差≤5m的区域。

阶)地:平缓地中地面与地方侵蚀基准面②台(

福建山高坡陡,最高峰为武夷山脉的黄岗山,海拔2地形破碎,地貌形态类型多样,并以山158m;地丘陵为主,占全省土地总面积的85%以上。由于中低山构成全省的主体,因而各地的地面相对高差

1期陈加兵等:基于DEM与DLG的福建省地貌形态自动分类

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高差5~5以及与其相邻、海拔低于该区0m的地面,域的单斜面合并组成的区域。

()山丘地:平缓地和水域以外的其他区域。2

相对高度<200m的山丘地。①丘陵:

高丘:相对高度100~200m。

低丘:相对高度<100m。

相对高度≥200m的山丘地。②山地:低山:相对高度≥2最高峰海拔<100m,000m的山丘地。

中山:相对高度≥2最高峰海拔≥100m,000m的山丘地。

3.2 基于DEM与DLG的地貌形态分类实验3.2.1 基础数据及软件基本数据:地图投影和1∶10万的福建省DLG(北京1坐标系统采用Gaussruer投影,954坐标-Kg系,单位为m)和由此生成的栅格DEM。

所采用的软件:美国ESRI公司开发的ArcGIS)桌面版(及工作版(ArcGISArcInfoArcInfoWork  -)。station

福建省栅格D采用三角化不规则网EM建立:(方法,将矢量线划图转换成TTIN)IN数据结构,进行空间插值;对TIN数据结构转换成格网结构;,并格网数据进行采样形成栅格DEM(GRID格式)用福建省边界进行裁切,生成福建30m×30m的

[2]

。DEM2

图2 福建省地方相对基准面

Fi.2 TherelativereferencesurfaceofFuianProvince      gj

缓面基本地貌单元和面状水域后的其余区域的地形倒置,形成负地形。可将其D就可EM乘以-1,把山坡把所有山峰变成一个个锥形漏斗的最低点,间的汇水线变成锥形漏斗的边交界线。②从每一在A个锥底点出发,rcGIS流域水文分析模块支持

下,按划分流域的方法划出流域区,即提取山丘地

[2]的沟谷线。本文采用D提取山脊线的方8算法2法进行流域划分,即通过填洼、消峰、流向分析、汇

3.2.2 实验与结果分析

())坡度图生成:利用S函数命令从1LOPE(DEM提取坡度图。()地方相对基准面构建:从1利2∶10万DLG,用A共获得rcGIS软件寻找水系与等高线的交点,交点3采用三角化不规18082个。利用这些交点, 则网(方法进行空间插值,形成地方相对基准TIN))。面(图2

()提取面状水域:从13∶10万DLG中提取面状水域,并栅格(化。30m×30m)

()提取平缓地基本地貌单元:4CGIS①在AR支持下,从坡度图中去除水面水域,后提取坡度≤

,(面积≥0.最小制图单元)的区域,这种平2°1km

缓地只能出现在河谷、山间盆地和平原上,不会在

流分析和流域识别等流程,形成流域单元区(面积

,在0.以上)也是每一个漏斗的边缘交界线、1km

边缘线所包围的区域,即为山丘地锥形面基本地貌单元。

()提取单斜面基本地貌单元:提取过平缓面、6

面状水系和锥形面之后的其余区域为单斜面基本地貌单元。

()平原、平地、台阶地的划分和归并:7①在把平缓面与地方侵蚀基准面作差ArcGIS支持下,

值运算,确定平缓面的相对高度,将相对高度≤5m的区域提取出来,即为平原或平地;②把平缓面的其余区域及其相邻的海拔比它低的单斜面归并一起,即为台阶地。

()山地和丘陵地的判别和划分:利用Z8ON-

))函数和Z函数分别计ALRANGE(ONALMAX(

算各锥形面的相对高度和山峰点海拔高度。判别方法为:相对高度≤100m为低丘;100~200m为高

山丘地上。②把上述所提取的区域与其周边坡度的区域合并,形成平缓地基本形态地貌单元。°≤5

)(提取锥形面基本地貌单元:5①将提取过

78

地球信息科学学报                   2013年

表1 福建省地貌各形态类型面积和所占比例roortioneomorholoicalTab.1 Theareaandof     ppgpg

tesofFuianProvince   ypj

地貌类型

水域

平原、平地

台地

丘陵低丘

高丘

山地低山

中山

丘;相对高度>2其中,海拔≤100m为山地,000m为低山,000m为中山。>1

())生成数字地貌图:通过ME函数或9RGE(

把具有相同投影和坐标系统GRIDINSERT命令,

并转成矢量图,且消除细的各类型地貌单元合并,

小碎多边形,可形成福建省以完整地貌实体为单元。经统计分析,的地貌形态类型图(图3)福建省地貌各形态类型面积和所占比例如表1。从表1可以看出,福建省地貌形态类型中丘陵面积占34.1%,山地面积占5两都合计占8平原、平1.8%,5.9%,地和台地合计只占13.1%。本文研究方法与传统

24]

(的手工制图方法制作的福建省地貌类型图[1∶

2)面积(万k0.11233799159533m 1. 0. 0. 3. 4. 1.

百比例(%)0.90.1025.90.81.0 1 3. 8. 2 4 1

合计

0.90.10 1 3. 

34.1 

51.8

4 结论与讨论

经实验认为:

)(综合利用坡度和面积两个指标,计算坡度1

小于一定阈值的连通栅格的面积,能够较好快速实现平缓地与山丘地的自动划分;通过构建福建地方并与平缓地地貌单元叠加,可实现平地(平基准面,

原)与台(阶)地的快速划分;以D8算法为基础的流域水文分析方法能够有效地通过山丘地负地形提取福建省山丘地地貌形态实体单元的界线。该方法从中国地貌基本形态分类的相关定义出发,所提取统计单元能够保证地貌实体的完整性,并较好符合于福建传统地貌分类体系,分类结果从中观或宏观上反映出福建省各级地貌体的空间分异。()通过专家知识修正,一定程度上可提高地2

为更大尺度范围地貌信貌基本形态类型分类精度,

息的快速、准确提取与集成研究奠定基础。但以文DEM的地貌实体单元提取尚有许多不足之处:中构建的地方侵蚀基准面并不是真正地貌意义上的侵蚀基准面;因D特EM的精度和划分指标问题,别是地貌类型急剧变化区域,山地与丘陵间的划分等方面还存在不足,需在不同地貌区域进行人工调整。鉴此,在以后的研究中拟增加其他指标(如山,丘地锥形面判别指标等)以推进中国传统地貌分类体系下的地貌形态类型的快速分类与制图研究。随着空间对地观测技术的不断发展,DEM的精度将不断提高,本文研究方法不仅适用于宏观和中观省域尺度,甚至于更大尺度的区域,应用前景广阔。

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不文研究方法获得的地貌实体单元边界更加精细,受制图人员的认识水平及技术的影响,实现了以地貌实体为单元的省域地貌形态类型快速自动划分。从分类结果看:平原、平地和台地分类结果在两种图上的范围基本一致,而且本方法与基于规则单元

14]

所获得的地貌图[相比,能更好地识别出分出河谷

(山间)平地和台(阶)地,而这恰恰是福建的特色所在,即大山带和山区间夹杂着许多大小不一的串珠状河谷、盆地。但丘陵、山地之间的分类与传统分类相比还存在一定的误判,使丘陵范围和面积有所增加,还需增加判别指标进一步加以区分

图3 福建省地貌形态类型图

Fi.3 GeomorholoicaltesofFuianProvince    gpgypj

1期陈加兵等:基于DEM与DLG的福建省地貌形态自动分类

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DEMforFuianProvince   j

,,CHENJiabinLIHuiCHEN WenHuiandZHENGDaxian     g

(InstituteoGeorahFuian NormalUniversitFuzhou350007,China)  f gpy,jy,

:AbstractBaseonDiitalLineGrahic(DLG)at1∶100,000scaleandDiitalElevationModel(DEM:         gpg

),,30×30mresolutionfirstltheeomorholoicaltesofFuianProvincecanbedividedintotwobasic           ygpgypj:accordintothetwomaincombinationalindicatorssloeandareashallowsloereionandhilltes         -   -gppgyp 

),mountain(steesloereion.SecondltheelevationalointsthatcontourstheriverssteminDLGare-          ppgypy,bArcGISsoftware.OnthisbasistherelativereferencesurfaceofFuianProvinceisconstrucextracted            -yj 

80

地球信息科学学报                   2013年

,tedthrouhsacialinterolationmethod.Thirdleomorholoicalentitiesinsteesloereionaredi       -   -gppygpgppg

,videdintotaerunitswiththemethodofwatershedhdroloicalmodel.Finallaccordintothe1:1,            pygyg ,000,000GeomorholoicalMainSecificationforChinacombininthecharacteriseomorholoical     -pgppgpggpg  

,ticsofFuianProvinceandoverlaintheaboveentionedentitiesandrelativerefereomorholoical     -m     -jyggpg ,encesurfaceofFuianProvinceresectiveltheeomorholoicalentitiesofFuianProvincecanbedivid             -jpyjgpg,,,,,edintosixtesi.e.lowreliefhillhihreliefhilllowreliefmountainandintermedilainlatform,           -ypgpp:,atereliefmountain.TheresultshowsamoneomorholoicaltesofFuianProvincehillaccounts         ggpgypj 

for34.1%,mountainaccountsfor51.8%,bothtoetheraccountfor85.9%,andlain,flatandlatform           gpptoetheraccountforonl13.1%.Theresultisbasicallidenticaltothatbtraditionalmanualmain.           gyyyppg   Themethodsdeveloedinthisarticlearecorresondintotraditionalclassificationsstemofeomorhol            -ppgygp 

,oforFuian,andcanautomaticallclassiftheeomorholoicalentitiesfastandwellsuchasthe          gyjyygpg   ,shallowsloereionandhillountainreionlainandlatform,whicharefeasibleaccordintoreci-   -m       -pggppgp 

,,m,sionandefficiencsavinmanoweraterialresourcesandfinancialresourcesreatlandofferina        ygpgyg  newthinkinandmethodolofordomesticandinternationalsimilarresearches.       ggy  :;KewordseomorholoicaltesDLG;DEM;FuianProvince  gpgypjy 


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