周文龍，趙衛(wèi)權(quán)，楊家芳，李 威，李一兵，張 凡，蘇維詞

（貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽550001）

1 引言

數(shù)字高程模型 （Digital Elevation Model，簡 稱DEM）已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到諸如地形特征提取、流域水系分析等眾多數(shù)字地形分析領(lǐng)域［1～5］。以DEM為基礎(chǔ)可提取多種地形特征，如坡度、坡向、坡面形態(tài)、流域邊界、水流路徑、溝壑密度［6～9］等，這些特征在地理信息系統(tǒng)的支持下均可用圖形和屬性數(shù)據(jù)來表示。但低精度的DEM將導(dǎo)致水文地形等信息受損，這將嚴(yán)重影響流域水文模型參數(shù)的確立及水文過程模擬分析的精度［10］。因此目前針對(duì)DEM的誤差來源［11］、誤差檢測(cè)［12］、誤差可視化 以及誤差校正［13］、DEM 及數(shù)字地形分析中的尺度問題［14～16］等方面有大量的研究成果。

水文水系數(shù)據(jù)是地理科學(xué)數(shù)據(jù)的核心之一，作為地學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的一個(gè)重要組成部分，是支撐相關(guān)地學(xué)研究的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。而基于DEM的溝谷網(wǎng)絡(luò)提取由于受DEM精度、地形復(fù)雜度、溝谷網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征及模擬方法的制約［17］，存在很大的隨意性和主觀性［18］。Martz和 Garbrecht認(rèn)為［19］，集水面積閾值具有一定的地貌局限性，錯(cuò)誤地使用其它地貌類型適用的閾值，將會(huì)得到大量的偽水道，直接影響到生成的水系、溝壑的詳細(xì)程度以及子流域的劃分?jǐn)?shù)目［20］。Tribe指出解決這一問題的方法是考慮地貌參數(shù)的空間變化［21］，不同類型的區(qū)域設(shè)置不同的閾值，或者考慮反映地貌空間差異性的其它參數(shù)。

喀斯特地貌具有獨(dú)特的地貌空間分異特征，集中體現(xiàn)在其內(nèi)部地貌形態(tài)的有序組合。根據(jù)對(duì)喀斯特地區(qū)水系結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)其地表、地下水系結(jié)構(gòu)均符合Horton流水網(wǎng)結(jié)構(gòu)［22～25］，這說明喀斯特地區(qū)兩套水系也和世界上大多數(shù)水系一樣存在自相似性。喀斯特區(qū)地表水系的分維不僅是反映水系形態(tài)特征的參數(shù)，也是表征流域內(nèi)喀斯特發(fā)育程度的量化指標(biāo)［26］。同時(shí)有研究表明：在流域地貌演化的不同階段，切割深度與溝壑密度的關(guān)系不同。故溝壑是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的地貌指標(biāo)，既能反映地面破碎程度與土壤侵蝕強(qiáng)度，又能反映地貌的演化階段［27］。因此，本文擬結(jié)合貴州喀斯特高原不同地貌類型區(qū)，研究集水面積閾值隨喀斯特地貌復(fù)雜度變化而變化的規(guī)律，并研究匯流閾值與溝谷網(wǎng)絡(luò)總長度的量化關(guān)系，嘗試?yán)肈EM提取溝壑特征來分析貴州水系、地貌的空間分異規(guī)律，協(xié)助推斷貴州喀斯特流域地貌的整體演化階段。研究結(jié)果將對(duì)于完善喀斯特高原溝谷網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)提取的理論與方法，對(duì)于深化人們對(duì)喀斯特高原溝谷網(wǎng)絡(luò)空間分異的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)水文過程分析、土壤侵蝕計(jì)算以及土地利用規(guī)劃都有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與軟件平臺(tái)

貴州省DEM數(shù)據(jù)采用美國地質(zhì)調(diào)查局（The U.S.Geological Survey，簡稱 USGS）發(fā)布的7.5′分帶1∶24萬數(shù)字高程模型（地面分辨率90m），借助ArcGIS 9.3軟件平臺(tái)中的水文分析工具（Hydrology）對(duì)貴州省境內(nèi)溝壑信息進(jìn)行智能提取，并基于貴州省八大流域邊界及行政區(qū)劃界線運(yùn)用疊加分析對(duì)溝壑信息進(jìn)行分區(qū)計(jì)算。同時(shí)參照貴州省1∶25萬基礎(chǔ)地理信息資料中的水文數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，并結(jié)合2005年貴州省石漠化空間分布數(shù)據(jù)來研究喀斯特不同地貌類型與水系發(fā)育之間的關(guān)系。為便于疊加分析，將上述三套數(shù)據(jù)投影方式均統(tǒng)一為：Albers等積圓錐投影，中央經(jīng)線為105°E，雙標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為25°N和47°N，采用Krasovsky橢球體。

2.2 計(jì)算方法與流程

常規(guī)溝壑密度的制作流程主要包括水流方向的確定、洼地填平、匯流累積矩陣的生成以及溝谷網(wǎng)絡(luò)的生成，最后計(jì)算溝谷密度［28］，具體操作及計(jì)算結(jié)果如下（圖1）。

（1）在ArcMap中加載原始DEM數(shù)據(jù)。

（2）啟動(dòng) ArcToolbox，展開 Spatial Analyst Tools工具箱，打開Hydrology工具集。

（3）洼地填充：雙擊 Hydrology工具集中的Fill工具，進(jìn)行原始DEM的洼地填充。

（4）無洼地的水流方向的計(jì)算：雙擊Hydrology工具集中的Flow Direction工具，對(duì)步驟（3）中的填充過的無洼地DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行水流方向計(jì)算。

（5）匯流累積量的計(jì)算：雙擊Hydrology工具集中的Flow Accumulation工具，選擇輸入步驟（4）中水流方向計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行匯流量的計(jì)算。

（6）柵格河網(wǎng)的生成。在柵格河網(wǎng)的生成中，需設(shè)置一個(gè)匯流累計(jì)閾值（本研究分別用500和1000提?。?。雙擊Spatial Analyst Tools→Map Algebra→Multi Output Map工具。在文本框中鍵入如：F：＼溝壑密度＼Gansu＼str1000＝con（F：＼溝壑密度＼Gansu＼flowacc＞1000，1），得到柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)str1000。

（7）柵格河網(wǎng)矢量化：雙擊Hydrology工具集中的Stream To Feature工具。選擇步驟（6）中的str1000作為河網(wǎng)輸入數(shù)據(jù)，將步驟（4）中計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)作為水流方向輸入數(shù)據(jù)。

（8）溝壑密度計(jì)算。在步驟（7）中所得的矢量化數(shù)據(jù)表中添加字段LENGTH，右鍵此字段選擇Calculate Geometry進(jìn)行溝壑長度計(jì)算，任務(wù)完成后再右鍵此字段選擇Statistics進(jìn)行溝壑長度統(tǒng)計(jì)求和。這樣樣區(qū)的溝壑密度就是：Ds＝ ∑L/A。

3 結(jié)果與討論

3.1 貴州省石漠化空間分布與河網(wǎng)水系的關(guān)系分析

喀斯特地區(qū)獨(dú)特的地表地下空間二元結(jié)構(gòu)導(dǎo)致“地表水貴如油，地下水滾滾流”的工程性缺水現(xiàn)象明顯，而貴州省喀斯特石漠化發(fā)育，是喀斯特地貌類型演化的直接表征，地表水資源的科學(xué)配置成為石漠化綜合治理的關(guān)鍵。因此，對(duì)貴州省的石漠化分布與河網(wǎng)水系之間的關(guān)系研究顯得尤為重要（圖2）。本研究結(jié)合貴州省2005年石漠化空間分布數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcMap進(jìn)行空間疊置分析，分別統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)石漠化面積中的河網(wǎng)長度數(shù)據(jù)（表1），再進(jìn)行相關(guān)分析得出：貴州省不同等級(jí)石漠化面積與貴州省1∶25萬河網(wǎng)水系長度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，關(guān)系式為y＝0.5487x－2634.9（R2＝0.9223，n＝6）。由此可以看出喀斯特石漠化程度是影響喀斯特地區(qū)地表水系發(fā)育的重要因子，石漠化嚴(yán)重地區(qū)喀斯特漏斗、地下河等發(fā)育，地表河流大部分轉(zhuǎn)由地下流走，導(dǎo)致地表河網(wǎng)密度低。因此，要真實(shí)反映喀斯特地區(qū)的地表起伏切割狀況，除了考慮地表顯現(xiàn)的河流，還必須要考慮溝壑狀況，即采用溝壑密度更為合理。

表1 貴州省不同等級(jí)石漠化面積與河網(wǎng)長度統(tǒng)計(jì)

3.2 貴州省八大流域河網(wǎng)密度及溝壑密度的一般統(tǒng)計(jì)特征

無論是河網(wǎng)密度還是溝壑密度均與流域劃分有關(guān)，即反映的均是集雨面的匯流狀況。本研究首先采用貴州省劃分的八大流域?yàn)榻缇€，分析自然環(huán)境分區(qū)下不同二級(jí)流域河網(wǎng)密度與溝壑密度之間的關(guān)系。采用ArcMap中的空間疊置分析工具分別對(duì)河網(wǎng)水系及溝壑分布數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)計(jì)算出的河網(wǎng)密度和溝壑密度（閾值500和閾值1000）進(jìn)行相關(guān)分析（圖3）。

經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，采用二級(jí)流域?yàn)閱卧馁F州省1∶25萬水系圖中的河網(wǎng)密度與USGS數(shù)據(jù)智能提取的溝壑密度不存在相關(guān)性，閾值500與閾值1 000分別提取的溝壑密度值之間呈顯著相關(guān)，相關(guān)關(guān)系為y＝0.9685x＋0.1899（R2＝0.8445，n＝8）（表2）。智能提取的溝壑特征為均勻分布，干溝信息也能較為充分體現(xiàn)出來。通過對(duì)數(shù)據(jù)的比對(duì)，當(dāng)閾值設(shè)定為1 000時(shí)，溝壑密度與河網(wǎng)密度值相當(dāng)，但并不能很好地體現(xiàn)溝壑情況；當(dāng)閾值設(shè)定為500時(shí)，可基本反映地表溝壑情況（圖4）。

表2 基于貴州省八大流域分區(qū)的河網(wǎng)密度和溝壑密度特征統(tǒng)計(jì)

3.3 貴州省行政區(qū)劃河網(wǎng)密度及溝壑密度的一般統(tǒng)計(jì)特征

同上，以貴州省各地、州、市等行政界線為劃分單元，分析不同行政單元河網(wǎng)密度與溝壑密度之間的關(guān)系。經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，采用行政單元的貴州省1∶25萬水系圖中的河網(wǎng)密度與USGS數(shù)據(jù)智能提取的溝壑密度同樣不存在相關(guān)性，閾值500與閾值1 000分別提取的溝壑密度值之間呈顯著相關(guān)，相關(guān)關(guān)系為y＝1.0658x＋0.1494（R2＝0.9005，n＝9）（表3）。

表3 基于貴州省行政區(qū)劃的河網(wǎng)密度和溝壑密度特征統(tǒng)計(jì)

3.4 貴州省不同分區(qū)河網(wǎng)密度和溝壑密度綜合比較分析

通過綜合分析上述兩種分區(qū)劃分結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：貴州省1∶25萬水系圖中的河網(wǎng)密度與USGS數(shù)據(jù)智能提取的溝壑密度不存在相關(guān)性，閾值500與閾值1 000分別提取的溝壑密度值之間呈顯著相關(guān)，相關(guān)關(guān)系為y＝1.0787x＋0.892（R2＝0.892，n＝17）。貴州省1∶25萬水系圖能很好地表達(dá)地表河流情況，即與貴州的水系順應(yīng)地形大勢(shì)由西、中部呈帚狀向北、東、南三面分流，八大水系侵蝕切割著高原主體，區(qū)域地貌及地貌類型組合也隨之不同，表現(xiàn)出有規(guī)律分布的省情相符。但河網(wǎng)密度未能很好地表現(xiàn)干溝以及喀斯特地區(qū)地下河信息，溝壑密度則能在一定程度上彌補(bǔ)這一缺陷，溝壑密度可以作為單因子來刻畫地表起伏狀況。實(shí)際水系圖中因喀斯特地貌因素表現(xiàn)出中、強(qiáng)度石漠化區(qū)地表河流稀疏，非喀斯特區(qū)則和溝壑密度有較高的耦合度。如南盤江和紅水河水系所屬的黔西南州，是石漠化發(fā)育最嚴(yán)重的地區(qū)之一；沅江和柳江水系值明顯較高，正是黔東南州所在的非喀斯特區(qū)，河網(wǎng)密度高（圖5）。

4 結(jié)論

（1）貴州省不同等級(jí)石漠化空間分布與貴州省1∶25萬河網(wǎng)水系分布呈顯著正相關(guān)關(guān)系，喀斯特石漠化程度是影響貴州省地表河網(wǎng)水系發(fā)育的重要因子，因此，地表水資源的科學(xué)配置成為石漠化綜合治理的關(guān)鍵。

（2）貴州省1∶25萬水系圖中的河網(wǎng)密度與USGS數(shù)據(jù)智能提取的溝壑密度不存在相關(guān)性，因喀斯特地區(qū)獨(dú)特的地表地下二元空間結(jié)構(gòu)以及石漠化廣布，實(shí)際水系圖中表現(xiàn)出中、強(qiáng)度石漠化區(qū)地表河流稀疏，而溝壑密度較高的不對(duì)稱現(xiàn)象；非喀斯特區(qū)則和溝壑密度存在較高的耦合度。

（3）溝壑密度能在一定程度上彌補(bǔ)河網(wǎng)密度未能體現(xiàn)干溝信息等的缺陷，它可以作為單因子來刻畫地表起伏狀況。

（4）在計(jì)算研究貴州省溝壑密度匯流閾值與溝谷網(wǎng)絡(luò)總長度的量化關(guān)系時(shí)，分別設(shè)定閾值為1 000和500，通過數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)閾值設(shè)定為1 000時(shí)，溝壑密度與貴州省1∶25萬河網(wǎng)密度值相當(dāng)，但并不能很好地體現(xiàn)溝壑情況；當(dāng)閾值設(shè)定為500時(shí)，可基本反映地表溝壑情況。但最佳閾值還有待進(jìn)一步研究確定。

（5）可進(jìn)一步細(xì)化研究單元，可從縣域或小流域尺度來定量研究河網(wǎng)密度與溝壑密度之間的關(guān)系，并提高DEM數(shù)據(jù)精度，從不同比例尺數(shù)據(jù)來對(duì)比驗(yàn)證最佳匯流閾值。另外，喀斯特石漠化綜合治理采取以小流域?yàn)橹卫韱卧?，可利用更高精度?shù)據(jù)對(duì)貴州省小流域進(jìn)行劃分，為石漠化綜合治理小流域確定提供科學(xué)依據(jù)。

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