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1、 第 6期 矿 山 测 量 2 0 1 5年 1 2月 2材料 与方 法 2 1数 据 源及 预 处 理 本研究采用 1 2幅 1 5 0 0 0 0天水地形 分幅图 数 据来 源 于 X X 地 形 图 数 据 采 用 了高 斯 一克 吕格 地 图投影 使用 了西安 8 0坐标 系和 国家 1 9 8 5高程基 准 等高距 为 2 0 m 格式为 T I F F栅格 首先对分 幅 地形图进行配准和矢量化 得到等高线矢量数据 对 等高线矢量数据进行属性及拓扑检查 确保数据 的 准确 性和 完 整性 对研 究 区各 图 幅进 行 数 据 接 边 和 融合处理 并结合天水市麦积区行政 区划 提取该
2、范 围内的等高线 2 2 H c D E M 的建 立 T I N D E M 的构建不能准确表达地形与地表径 流汇集过程的关 系 因而不能完全满足水文过程与 土壤侵蚀等评估和定量模拟 的需要 H u t c h i n s o n提 出 了水 文 地 貌 关 系正 确 的 Hc D E M 的概 念 基 于 H c D E M的地形参数的提取不仅能够正确地表达 地形 的连 续 和 突 变特 征 而 且 能 正确 地 反 映水 文 要 素 如水流方向 水流路径 水系 网络等 与地貌特征 发 生和位 置关 系 保 证 提取 河流 网络 的互 相 连 通 因 而其准确性和精度更 高 本研究地形因子
3、 的提取是 基于 Hc D E M 生成 了 2 0 i n分辨 率 的 D E M 数 据 图 2 图 2颍川河流域 2 0 m分辨率的 D E M数据 2 3流域 边界提 取 颖 川河 流域 范 围的提 取采 用 水 系 图与 遥感 影 像 叠加 提取 法 通 过对 地形 图 的配 准 提取 水 系 图 将 水 系图加载到遥感影像 中 利用 G I S技术支持 经过图 像处理 坐标变换 流域分水岭的解疑等过程得到流 域边界 并综合考虑行政界线 的范围 为确保数据的 完整 性 最终 流域 范 围略大 于实 际 的流 域范 围 2 4流域地 形 因子提 取原 理与 算 法构建 2 4 1 地形
4、坡度 坡向与坡位 坡度是基本 的地形指标 反 映地表单元 的陡缓 程度 利用 A r c G I S软件 中的 表面分析 功能中的 坡度分析 工具 输人原始的 D E M数据提取研究区 坡度 设置分析参数 即可获得 D E M范 围的坡度 图 计算得到的坡度图以度或百分数 的形式存放在像素 属性 中 范 围为 0 9 0 同时将 结 果平 均 划 分 成若 干等份 便于后期的统计分析 坡 向是坡 面法 线方 向在 平 面上 的投影 所 指 的方 向 运用 A r c G I S软件中的 表面分析 功能中的 坡 向分析 工具 输入原始的 D E M数据 设置分析参数 即可 获得 D E M 范
5、围 的坡 向 图 由于 坡 向是 平 面 上 的投 影所 指 的方 向 通过 D E M 获得 的坡 向 图范 围为 0 3 6 0 其 中 0 代表正北方 向 9 0 代 表正东 方 向 1 8 0 代表正南方 向 2 7 0 代表正西方 向 按 照方 位 角度进 行划 分 可 以将 坡 向 图的结 果 划分 成 不 同朝 向 有 一 个 是 平 地 八 个 方 位 区域 把 3 6 0 平 分 为 8 份 每份 4 5 坡位是对坡面不同的部位进行划分 的研究 按 照 坡面 上 沿 剖 面 自上 而 下 的 分 布 序 列 分 为 5类 坡 位 即山脊 坡 肩 背 坡 坡 脚 沟谷 这 些
6、坡 位 除 了 相对 位 置 的差 异 外 在 基 本形 态 特 征上 还 反 映 为 沿 剖面曲率 的由凸变直 再变为凹的波动变化趋势 该 坡位的划分反映地貌部位 的涵义 定量 的坡位计算 主要采 用栅 格 D E M 数 据进 行提取 把坡 位作 为模 糊 对 象进 行模糊 表 达 2 4 2 地形起伏度与地表曲率 地形起伏度反映研究 区内最高点与最低点海拔 的 差 值 它 是 描 述 一 个 区域 地 形 特 征 的 宏 观 性 指 标 地形起伏度的提取 可通过原始 D E M求取一 定 区域范围内海拔高度最高点和最低点 然后对其 计算差值即可得到 在 A r c G I S软件 中运用
7、 邻域分 析 功能中的 焦点分析 求得最大值和最小值 邻 域 的大 小 根 据研 究 区 D E M 的范 围 及 地形 情 况 采 用 矩形框 1 k m 1 k m 的分析窗 口 然后再通过 地 图 代数 中的 栅格计算器 计算邻域范 围内的最大值 与最小值的差值 即地形起伏度 地表曲率反映地表在各个截面方向上 的形状以 及凹凸变化 可分为剖面 曲率和平面 曲率 剖 面曲 率是对地面坡度的沿最大坡降方 向地面高程变化率 的度 量 数 学表 达式 为 第6 期 廛 堡盛釜 叁 垦 塑 塑 垫垫 旦 盟 堡垒皇量 坌堑 旦 一 一 旦 翌 垡 p q 1 p q 平面曲率指在地形表面任何一点
8、用过该 点的 水平面沿水平方向切地形表面所得 的曲线在该点 的 曲率值 其数学表达式为 K 一 一 垡 二兰 翌 P q 1 p q 式 中 P O H 为 方 向高程变化率j q O H 为 Y方 向高程变化率 r 对高程值在 方 向上 的变化 率进行 同方 向求 算 变 化 率 即 方 向 高程 变 化 率 的 变化率 s 对高程值在 方 向上的变化率进行 a x o y Y方向上求算变化率 即 方向高程变化率在 Y方 向 的 变化 率 笔 对高程 值在Y 方向 上的变 化率同 d 方向上求 算变 化率 即 Y方 向高程变 化率 的变化 率 在 A r c G I S软 件平 台下 输 入
9、 D E M 数 据 通过 S p a t i a l A n a l y s is 模块功能下 表面分析 中的 曲率 工具 设置相关分析参数 得到综合 曲率 剖 面曲率 及平面曲率计算结果 2 4 3 水 文河 网 与沟壑 密度 水 文 河 网 的 提 取 采 用 地 表 径 流 漫 流 模 型 在 A r c G I S软件中 S p a t i a l A n a l y s i s 模块功能下 利用 水 文分析 中的 汇 工具计算研究区原始 D E M数据是 否存在洼地 然后利用 水文分析 中的 填洼 工具 得 到 D E M 的 无 洼地 数 据 通 过无 洼 地 D E M 数 据
10、 在 水文分析 中的 流向 工具计算研究 区的水流方 向数 据 再 通 过 水 流 方 向数 据 计 算 得 到 流 量 的 蓄 积 量 同时考虑研究 区内的降雨 土壤 土地利用现状 以及植被覆盖率等径流影响因子设置权值 打开 地 图代数 中的 栅格计算器 就可以得到栅格河网 再 运用 水文分析 中的 栅格河 网矢量化 工具将栅 格河 网生成的矢量的河网数据 以便于后期 的统计 分 析 沟 壑 密度 是 单 位 面 积 内 沟 壑 的 总 长度 以 k m k m 为单 位 数学 表达 式为 式 中 D 为沟壑密度 L为研究 区域 内的沟壑总 长度 单位 k m A为特定研究 区域 的面积 单
11、位 k m 3结果 与分 析 3 1 海拔 高程 分析 根据格网 D E M 统计 颖川河流域研 究区总面 积为 6 5 2 3 7 3 9 k m 最低海拔高度 1 0 4 8 m 最高海拔 高度 2 2 3 4 m 平均海拔高度 1 4 2 4 m 大部分地区海 拔 高程 在 1 3 0 0 m 以上 颖川 河 流域 海 拔高 程 统计 见 表 1 表 1 颖川河流域海拔高程统计表 3 2坡度 坡 向与坡 位分 析 根 据坡 度分 级 统计 研 究 区坡 度 在 2 以下 的平 地和微 坡 面积 为 7 1 7 3 5 5 k m 占 1 0 9 9 坡 度在 1 5 以内的区域面积 2
12、5 4 5 3 3 3 k m 占 3 9 0 2 而 大于 1 5 的 陡 坡 峻 坡 和 峭 坡 的 面 积 达 3 9 7 8 3 4 2 k m 占 6 0 9 8 其中大于 2 5 的峻坡和峭坡面积 2 3 3 7 8 3 6 k m 占 3 5 8 4 颖 川 河 流 域 坡度 分级 统计 见表 2 表 2颖川河流域坡度分级统计表 91 第 6期 矿 山 测 量 2 0 1 5年 1 2月 坡 向划分在九个 区域 中 研究区整体坡 向所 占 所示 其 中平 面面积为 4 2 7 9 k m 仅 占总面积 的 比例较为均衡 各坡 向分类 面积及所 占比例如表 3 6 5 6 同时也反
13、映出该研究区的地形特征情况 表 3颖川河流域坡 向分级统计表 坡位划分为山脊 坡肩 背坡 坡脚 沟谷 通 过 对 D E M 栅 格 数据 的提 取 研究 区 山脊 面积 为 4 2 7 9 k m 仅 占总面积 的 6 5 6 同时也反 映出该研究 区 的地形 特征情 况 3 3 地形起伏与地表曲率分析 通过提取的研 究区地形起伏 度图 发现颖川河 流域地形起伏与地势及坡度具有明显 的相关 在颖 川河与东柯河两河谷交界处 地势起伏较较 小 河 谷两侧 的山脊起伏度 明显增大 而南 面的靠近麦 积 山山脉地区起伏度最 大 同时与坡 度的分布也呈 明 显的相关 研究区大部分地区起伏度在 1 0
14、0 4 0 0 m 之 间 通过 A r c G I S数 据分析提取 出剖 面曲率和平 面 曲率计算结果图 在 G R I D模块经分层处理 进行数 据统计 研究区的剖面曲率分布主要集中在 一1 0 1 0 其 中 曲 率 0时 剖面曲率和平面曲率 的地 形都较为陡峭 流域 4 0 以上 区域剖面曲率为 0 而 0而 1 0 河网密度大 其 中自石村 以南的流域上游区域沟壑 密度 达到 0 8 5 6 k m k m 最 长 的 支 流 为颖 川 河 中段 的谢 家河 沟壑 水流 长度 达 1 8 3 k m 2 颖川河流域南高 北低 北面部分为黄土沟 壑地貌 北部 的山地 坪地 梁 峁多为
15、黄绵土和黑垆 土 土层深厚 侵蚀强烈 天然植被稀少 水土流失 比 较严重 南部为秦岭余脉山谷地貌 土壤为褐色土和 山地棕壤土 植被覆盖 良好 3 在 A r e G I S软 件平台环境下 利用 G I S空 间 分 析技术 基 于 D E M 的地 形 特 征 指 标 的 提 取 和分 析 可为研究 区内水土流失 土地利 用 土地资 源评 价 城市 区域规划等研究提供基础数据和技术支撑 2 3 参考文献 汤国安 刘 学军 闾 国年 数 字 高程模 型及地 学分 析的 原理 与方法 M 北京 科 学 出版社 2 0 0 5 汤国安 李发 源 刘 学年 数 字高程模 型 M 北京 科 学 出版社
16、 2 0 1 0 3 8 刘新华 杨 勤科 汤 国安 中国地形起 伏度提 取及在 水 土流 失 定 量 评 价 中 的 应 用 J 水 土 保 持 通 报 2 0 0 1 2 1 1 5 8 5 9 4 李发 源 汤 国安 晏 实江 等 数 字 高程模 型 实验 教程 M 北京 科 学 出版社 2 0 1 3 3 8 3 9 5 汤 国安 杨 昕 地 理信 息 系统 空 间分析 实验教程 M 北京 科 学出版社 2 0 1 2 4 8 7 4 9 0 6 罗玉恒 周健 王具 元 基 于 G I S技 术 区域水 土流 失数 字模型 的构建 J 甘肃科技 2 0 1 3 2 9 2 5 2 5 6 7 杨勤科 郭伟玲 张宏鸣 等 基于 D E M 的流域坡度坡 长 因子计算方 法研 究初 报 J 水土保 持通 报 2 0 1 0 3 0 2 2 0 3 2 1 1 8 方磊 刘文兆 李 怀有 基 于 G I S的黄 土 高塬 沟壑 区砚 瓦川流域地 形 特征 提取 与 分析 J 水 土保 持 研 究 2 0 1 0 1 7 3 7 1 2 9 郭超颖 毕华兴 陈涛 等 基 于 D E M
