基于DEM分辨率的侵蝕學(xué)坡長尺度效應(yīng)研究

樊宇　郭偉玲　吳江　土祥　趙令

摘要：將DEM分辨率對流域分布式侵蝕學(xué)坡長提取的影響分為數(shù)據(jù)平滑和采樣間距兩種組分作用形式，選取陜西省安塞縣縣南溝流域為研究區(qū)，探究兩種分辨率組分對侵蝕學(xué)坡長提取的影響程度以及水平分辨率對侵蝕學(xué)坡長空間格局的影響。研究發(fā)現(xiàn)，DEM從2.5 m至100 m這一降分辨率過程中，坡長平均值呈現(xiàn)對數(shù)遞增的趨勢。對2.5 m至100 m分辨率DEM提取坡長進(jìn)行不同分辨率組分作用研究發(fā)現(xiàn)，用不同分辨率DEM提取侵蝕學(xué)坡長時采樣間距對坡長的影響作用均大于數(shù)據(jù)平滑的。對10 m至100m水平分辨率DEM提取的坡長通過半變異函數(shù)分析其空間格局變化情況，結(jié)果表明：坡長變異函數(shù)采用球狀模型擬合效果最佳，并且隨著分辨率降低，坡長的空間結(jié)構(gòu)總體變異和隨機(jī)變異減小，空間相關(guān)性范圍增大。

關(guān)鍵詞：侵蝕學(xué)坡長;數(shù)據(jù)平滑;采樣間距;空間格局;半變異函數(shù);安塞縣縣南溝流域

中圖分類號：S157.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000-1379.2019. 04.017

地形是土壤侵蝕的主要影響因子[1]，而坡度和坡長是影響土壤侵蝕的主要地形指標(biāo)[2]。在宏觀尺度上的土壤侵蝕預(yù)報和分析中，坡度與坡長通?；谥械头直媛蕯?shù)字高程模型（ DEM）提取[3]。本文所采用的坡長概念不同于地貌學(xué)坡長和水文學(xué)坡長，而是指地表徑流原點(diǎn)沿流水線到坡度減小至有沉積出現(xiàn)的地方，或者到一個明顯溝渠之間的水平距離[1].即土壤侵蝕學(xué)坡長。國內(nèi)外一些研究者對坡長的尺度效應(yīng)問題進(jìn)行了研究：C.D.Stefano等[4]研究表明，坡長中值對DEM柵格尺寸有一定的依賴性：N.R.Prodhan等[5]研究認(rèn)為在進(jìn)行降雨徑流模擬時，計算低分辨率DEM上的坡長時需要考慮DEM分辨率帶來的坡長尺度效應(yīng)問題：張宏鳴等[6]研究表明，坡長提取精度隨分辨率降低而降低，計算誤差明顯增大：郭偉玲等[7]對坡長尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨DEM分辨率降低，坡面中下部的坡長發(fā)生擴(kuò)張，因此DEM對地表細(xì)部特征的表達(dá)能力將逐漸減弱，也不能為區(qū)域尺度水文和土壤侵蝕等模擬計算提供有效的數(shù)據(jù)支持[8-9]。目前對于坡度與DEM分辨率關(guān)系的研究較多[9-10]，而DEM分辨率對分布式土壤侵蝕學(xué)坡長（簡稱分布式坡長）影響的研究相對較少[11]。

D.M.Wolock等[12]研究認(rèn)為，DEM采樣間距（即柵格尺寸）和數(shù)據(jù)平滑作用對坡度提取的影響是不同的。因此，研究DEM分辨率對地形因子的影響，可以從采樣間距和DEM建立或處理過程中的數(shù)據(jù)平滑作用兩方面來認(rèn)識。為此，筆者以陜西省安塞縣縣南溝流域為研究區(qū)，對分布式坡長均值隨DEM分辨率的變化規(guī)律及其空間格局變化進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究不同分辨率組分對分布式坡長提取的影響程度。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

選取溝谷發(fā)育充分、地表形態(tài)復(fù)雜且水土流失嚴(yán)重的黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域陜西省安塞縣縣南溝流域作為研究區(qū)域。研究區(qū)位于東經(jīng)lO9°12′-109°21′、北緯36°4°-36°45′，海拔990-1 440 m.平均坡角25°，平均坡長115 m。

1.2 研究方法

為了表現(xiàn)分辨率的兩種不同組分對坡長提取的影響，采用具有統(tǒng)一定位基礎(chǔ)的縣南溝1：10 000比例尺的數(shù)字線畫圖（DLG）數(shù)據(jù)，通過ANUDEM軟件插值生成兩組水文地貌關(guān)系正確的DEM數(shù)據(jù)集（HC -DEM） [13-14]，通過LS—TOOL工具，坡度截斷因子設(shè)置為0.7和0.5.溝道截斷河網(wǎng)閾值設(shè)置為50 000 m2。采用基于坡度的多流向算法來提取多流向的流域分布式坡長【6]。

數(shù)據(jù)集1：基于縣南溝1：10 000比例尺的DLG數(shù)據(jù)，通過ANUDEM軟件多次插值生成2.5 m柵格大小、5-100 m分辨率、間隔Sm的DEM數(shù)據(jù)用于提取坡長，視為不同柵格尺寸且不同平滑程度的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行DEM分辨率對坡長提取的總體效應(yīng)研究，提取的坡長命名為len2_5～lenl00。

數(shù)據(jù)集2：將數(shù)據(jù)集1的DEM統(tǒng)一通過雙線性重采樣方法生成2.5 m柵格大小的DEM.即為相同柵格尺寸不同分辨率的DEM，用于分析數(shù)據(jù)平滑作用對坡長的影響，提取的坡長命名為len2_5r - lenlOOr。

數(shù)據(jù)集1用于探討分辨率總效應(yīng)對坡長的影響，數(shù)據(jù)集2用于分析數(shù)據(jù)平滑對坡長的影響，將數(shù)據(jù)集2與數(shù)據(jù)集1中對應(yīng)的相同平滑程度的DEM提取的坡長進(jìn)行對比分析，可以探討采樣間距對坡長提取的影響。

1.3 分辨率組分作用研究

將DEM分辨率對坡長提取的影響分為數(shù)據(jù)平滑效應(yīng)和采樣間距效應(yīng)，探討不同分辨率DEM提取的坡長之間的衰變程度。對數(shù)據(jù)集1和數(shù)據(jù)集2的平均坡長進(jìn)行統(tǒng)計和運(yùn)算的公式為

1.4 半變異函數(shù)

數(shù)字地形分析中，根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)可以對各種地形參數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差等進(jìn)行統(tǒng)計來獲得地形地貌分布特征，但只能概括性地描述地貌大致特征，對一些局部特征不能有效地反映[15]。地統(tǒng)計學(xué)注重變量因子的空間過程及其空間自相關(guān)性分布，是分析地形因子空間特征及其變異規(guī)律的有效方法[16]。當(dāng)空間點(diǎn)X變化時，區(qū)域變化量Z（X）在X軸方向上的變異函數(shù)記為y（x，h）：

y（x，h）=11 2Var [Z（x）-Z（x+h）]2 （2）式中：x為空間坐標(biāo)。

變異函數(shù)基臺值模型分為純塊金效應(yīng)模型、球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型4種[17].通過對10 m分辨率坡長數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)球狀模型的殘差平方和（RSS）最小，決定系數(shù)（R2）最大，所以選用球狀模型作為坡長變異函數(shù)的擬合模型，其一般表達(dá)式為

2 結(jié)果分析

2.1 DEM分辨率與平均坡長的關(guān)系

從分析數(shù)據(jù)集1中2.5 m柵格大小、5-100 m分辨率、間隔Sm的DEM上提取的坡長平均值來看（圖1），坡長均值隨分辨率的降低呈對數(shù)遞增趨勢，其對數(shù)相關(guān)關(guān)系為：y= 31. 367lnx+119. 05（ R=0. 991 8）。從流域分布式坡長的截斷方式[18]來看，其原因可能是2.5 - 100 m分辨率DEM的溝道衰減大于坡度衰減，溝道細(xì)節(jié)的消失導(dǎo)致原先兩個匯水面融合成一個大的匯水面，使得坡長均值增大。

2.2 DEM數(shù)據(jù)平滑和采樣間距與平均坡長的關(guān)系

為了定量分析分辨率的兩種組分作用對平均坡長的影響，以研究區(qū)最佳分辨率2.5 m DEM[13]提取的坡長為真值，利用式（1）計算樣區(qū)數(shù)據(jù)集1和數(shù)據(jù)集2的平均坡長，結(jié)果見表1和圖2。

通過表1和圖2中各個分辨率與最佳分辨率提取的坡長均值的差值以及變率來探討分辨率總效應(yīng)、數(shù)據(jù)平滑效應(yīng)和采樣間距作用下平均坡長的變化情況，發(fā)現(xiàn)隨著分辨率的降低，各分辨率組分的坡長均值的絕對差值（r、sm、sa）都逐漸增大，采樣間距作用的坡長絕對差值比平滑作用的增幅大，說明采樣間距對坡長提取的影響大于地形平滑作用。二者變化趨勢相同，都隨著分辨率的降低而增大，且增幅逐漸趨于平緩。

通過對比各分辨率組分的坡長均值變率，發(fā)現(xiàn)隨著分辨率降低，各個組分對坡長影響的相對差值（ r_r、sm一r、sa_r）逐漸變小并趨于平穩(wěn)，即分辨率對坡長衰減的影響程度逐漸變小。從數(shù)據(jù)平滑變率和采樣間距變率的比值來看，隨著分辨率的降低，采樣間距作用對坡長的影響逐漸變大，而數(shù)據(jù)平滑則相反。二者比值均小于1，說明在各分辨率條件下采樣間距作用對坡長的影響均大于數(shù)據(jù)平滑作用的。

2.3 分布式坡長空間變異結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 10 m分辨率坡長變異函數(shù)分析

考慮數(shù)據(jù)精度和計算處理效率等因素，以相對較為精細(xì)的10 m分辨率坡長數(shù)據(jù)為例，對其進(jìn)行半變異函數(shù)計算，結(jié)果顯示球狀模型的殘差平方和最?。?.036 9），決定系數(shù)最大（0.967），所以10 m分辨率坡長的最佳理論模型為球狀模型。根據(jù)圖3球狀模型（10 m分辨率坡長）可知，變程為80 m（即10 m分辨率）坡長的最大空間相關(guān)距離為80 m，塊金系數(shù)為0.064，表明相鄰的兩個坡長之間具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。

2.3.2 不同分辨率坡長變異函數(shù)分析

半變異函數(shù)包含的參數(shù)有塊金值C0、基臺值C0+C、變程A、決定系數(shù)R、殘差平方和RSS、塊金系數(shù)CO/（ CO+C），不同分辨率的坡長半變異函數(shù)的參數(shù)見表2。

不同分辨率的塊金系數(shù)均在0.060左右，且隨分辨率降低有減小的趨勢，說明不同分辨率的坡長結(jié)構(gòu)都具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性?；_值代表空間總變異，塊金值代表隨機(jī)變異，它們都隨著分辨率的降低而迅速減小，而變程則呈現(xiàn)增大趨勢，說明坡長結(jié)構(gòu)的空間變異程度和變異范圍受分辨率影響較大，且影響力隨著分辨率增大而逐漸穩(wěn)定。

不同分辨率的半變異函數(shù)值隨空間相關(guān)距離的變化曲線見圖4，可以看出，距離和半變異函數(shù)值均隨分辨率的降低而減小。由表2可以看出，塊金值和基臺值也有相同的變化規(guī)律，說明低分辨率坡長結(jié)構(gòu)的空間總變異和隨機(jī)變異較小，高分辨率坡長結(jié)構(gòu)性好，對坡長結(jié)構(gòu)的描述能力比低分辨率要細(xì)膩（見圖5），原因是分辨率降低導(dǎo)致DEM對地形的制圖綜合作用增強(qiáng)，使得溝道等細(xì)節(jié)表達(dá)被概括，其上提取的坡長結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致半變異函數(shù)值減小，反映坡長結(jié)構(gòu)的能力也隨之降低。坡長變程隨分辨率降低而增大，表明空間相關(guān)性的范圍隨分辨率降低而增大。

3 結(jié)論

（1）分析從2.5 - 100 m分辨率DEM上提取的坡長均值隨分辨率變化情況發(fā)現(xiàn)，坡長平均值呈現(xiàn)對數(shù)遞增的趨勢，其相關(guān)關(guān)系為y= 31. 367lnx+119. 05（R2 =0.991 8），隨著DEM分辨率的降低，由于侵蝕學(xué)坡長是以坡度和溝道作為截斷因子，而不同分辨率對坡度和溝道提取的影響不同，因此產(chǎn)生坡長截斷因子的尺度效應(yīng)問題，從而導(dǎo)致坡長隨分辨率發(fā)生變化。

（2）將DEM分辨率劃分為數(shù)據(jù)平滑效應(yīng)和采樣間距效應(yīng)兩種組分，分析其對2.5 - 100 m分辨率DEM上提取坡長的影響。研究發(fā)現(xiàn)，兩種組分對坡長影響趨勢相同，坡長均隨分辨率的降低而增大，且增幅逐漸趨于穩(wěn)定，但采樣間距對不同分辨率DEM提取的坡長影響大于數(shù)據(jù)平滑作用。

（3）對10 -100 m不同分辨率坡長空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行半變異函數(shù)擬合分析，結(jié)果表明坡長值的變異函數(shù)采用球狀模型時的模擬效果最佳且空間相關(guān)性較強(qiáng)。隨著分辨率降低，坡長變異函數(shù)模型的基臺值和塊金值相應(yīng)快速減小并達(dá)到穩(wěn)定，說明坡長的空間結(jié)構(gòu)變異和隨機(jī)變異逐漸減小，分辨率對空間整體變異和空間相關(guān)性作用范圍的影響力隨著分辨率的降低而減弱并趨于穩(wěn)定。

在DEM分辨率對坡長提取的影響研究中，平均坡長值隨分辨率降低呈現(xiàn)出對數(shù)遞增的趨勢，其原因是否由分布式坡長的兩種截斷方式隨分辨率變化對坡長截斷計算的影響程度不同導(dǎo)致的，還有待進(jìn)一步論證。本文關(guān)于DEM分辨率和不同分辨率組分對坡長提取影響的研究，只選擇典型的黃土丘陵溝壑區(qū)縣南溝流域作為研究區(qū)，而在其他地形地貌條件下的變化表現(xiàn)以及如何量化，還需進(jìn)一步研究。

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【責(zé)任編輯張華興】