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基于SRTM-DEM的南阳市地貌特征分析与类型划分.rar

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    基于 SRTM DEM 南阳市 地貌 特征 分析 类型 划分
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    第 1 页(共 14 页)基于 SRTM-DEM的南阳市地貌特征分析与类型划分作 者:杜婵娟指导老师:范红艳摘要:基于美国SRTM-DEM数据,在GIS平台下,通过对SRTM-DEM数据预处理,利用彩色晕染、密度分割与GIS空间统计分析等技术,并结合相关地质资料,通过地形高程、地表坡度及地形剖面等分析手段,对南阳市的地貌特征进行初步分析,并制作了南阳市数字高程模型。基于数字高程模型,提取了南阳市地貌的坡度、坡向、地形起伏度等重要特征要素信息,并对南阳市地貌形态进行统计分析以获取定量的认识。基于最新的中国基本地貌类型划分标准及数据分析,将南阳市按地貌划分为低海拔平原、低海拔台地、低海拔丘陵、小起伏山地、中起伏山地、大起伏山地六类。最后,基于南阳市辖两个市辖区、一个县级市、十个县进行不同地貌类型划分。关键词:SRTM-DEM;南阳市;地貌特征;地貌类型;地理信息系统;数字高程模型;航天飞机雷达地形测量地貌是自然地理环境的重要组成部分,其形态和特征影响着其他生态与环境因子的分布与变化,决定着自然资源的利用方式和利用程度 [1]。地貌也是地球表层系统中直接影响人类活动的一个基本要素,与经济建设、社会发展、防灾减灾等方面关系密切 [2]。地貌学经历了一个从定性描述到定量分析研究的发展阶段。早期地貌特征分析方法常以定性为主 [3],主要是通过纸质地形图或野外调查获取数据资料进行简单的现象描述和简单的归纳总结,这种方法具有数据庞大、计算繁琐、成果精度低、主观性强等缺点,使得地貌学第 2 页(共 14 页)的定量研究发展缓慢。20世纪50年代末至60年代中的地貌学定量革命带来了地貌发育理论的百花齐放,人们通过实地观测和模拟实验,掌握了大量的资料和统计分析资料,从而对地形发育提出了许多新设想。这一时期地貌学中引进大量相邻动力学的先进理论和技术;采用新的研究方法和手段,如物理探测、遥感、年代测定、微体古生物及孢粉等;室内外模拟实验发展迅速。20 世纪90年代以来,随着计算机技术、空间技术、3S(GIS,RS,GPS)技术的发展和成熟,“数字地貌”概念的提出及应用,为地貌定量研究提供了技术支持。地貌的定量研究主要是以数字高程模型(DEM)作为区域地面高程的数字表示,它记录了精确的空间三维定位信息,从而进行地形要素的提取与分析,是一种地表信息的有效手段。在GIS中,基本地形要素包括坡度、坡向和地形起伏度。其中坡度和坡向在一般的教材中都有详细的阐述,含义比较明确,而地形起伏度在微观上是指地面曲率。利用DEM作为基础数据进行地貌学的定量研究对于DEM地形要素的充分挖掘、地貌知识的科学普及、人们的生产生活及国家政府部门的决策等都具有重要的理论意义与应用价值。基于这些,本文以南阳市作为研究区,基于SRTM-DEM数据对南阳市地貌特征进行分析,采用最新的中国基本地貌类型划分标准 [4]对南阳市地貌进行类型划分,以期为南阳市地质灾害防治、资源勘查、工程工业应用、规划管理、水文建模、产业化和社会化服务等诸多方面研究提供定量化的基础数据。第 3 页(共 14 页)1 研究区地理位置及地形地貌概述南阳市位于河南省西南部,豫鄂陕三省交界处。东临我省的驻马店市和信阳市,南接湖北省的襄樊市和十堰市,西与陕西省的商洛市相连,北与我省的三门峡市、洛阳市和平顶山三市毗邻。地理坐标介于东经110°58′~113°49′,北纬32°17′~33°48′之间。东西长263公里,南北宽168公里,土地总面积2.66万平方公里,约占河南省面积的16%。南阳市东、西、北三面环山,海拔高度在72.2~2212.5m之间。地势呈阶梯状逐渐向中部和南部倾斜,构成向南开口与江汉平原相连接的马蹄形盆地,是一个相对独立而又完整的地理单元 [5]。2 SRTM-DEM的获取和预处理SRTM即航天飞机雷达地形测绘任务(Shuttle Radar Topography Mission)。该任务是由美国国防部国家图像测绘局(NIMA)和美国航空航天总署(NASA)联合主持实施的一项测量计划,德国航空航天中心和意大利太空局参与了该项计划的实施 [6]。该计划是在2000年2月11日上午11时44分,美国“奋进”号航天飞机在弗罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发射升空,通过机载的C波段航天图像雷达和X波段合成孔径雷达,进行了222小时23分钟的数据采集工作,获取了北纬60°至南纬56°之间,面积超过1.19亿平方公里的9.8万亿字节的全球中低纬度地区地表的高分辨率雷达影像数据。获取的数据经过两年多的处理,制成了数字高程模型(DEM),该测量数据第 4 页(共 14 页)覆盖中国全境。SRTM-DEM数据每经纬度方格都提供一个文件,其分辨率有两种:1″×1″(SRTM1),相当于30m栅格分辨率;3″×3″(SRTM3),相当于90m 栅格分辨率。SRTM1的文件里面包括3601*3601个采样点的高度数据,只解密了美国本土部分;而SRTM3的文件里面包括1201*1201个采样点的高度数据,对全球免费开放。因此,本次研究采用了SRTM3高程数据,其平面基准为WGS84,高程基准为EGM96,这些原始数据经过处理后,获取平面精度20m,高程精度16m [7]。数据预处理工作如下:首先将覆盖南阳市的多幅SRTM-DEM图像拼接,再进行投影转换。投影方式选择等面积圆锥投影(Albers),将DEM栅格单元重采样为90m。完成上述投影变换后,用定义的南阳市边界矢量图裁切出南阳市对应的SRTM-DEM数据。3 地貌专题图的分析3.1 高程分析DEM是各种地学分析、工程设计和辅助决策的重要基础性数据,有着广泛的应用领域。DEM所提供的原始数据就是高程数据,是DEM最基本的信息。在建立不规则三角网(TIN)模型后,可以利用TIN的内插求解出该研究区域内任意一点的高程。研究区南阳市高程空间分布特点为:该研究区的地势呈阶梯状逐渐向中部和南部倾斜,构成向南开口与江汉平原相连接的马蹄形盆地,是一个相对独立而又完整的地理单元。三面环山,北为伏牛第 5 页(共 14 页)山地,东为桐柏山地,西为丹江和唐白河间的分水岭(肖山与尖山)。盆地边缘分布有波状起伏的岗地,岗地海拔140~200m,岗顶平缓宽阔,岗地间隔以浅而平缓的河谷凹地,呈和缓波状起伏,常形成“走岗不见岗,走凹不见凹”。盆地中部为海拔80~120m的冲积洪积和冲积湖积平原。将研究区南阳市高程分为:2000m五个级别(图1)。图1 南阳市高程专题图3.2 坡度分析坡度是描述地表特征的重要变量之一。坡度是地面特定区域高度变化比率的量度。从数学上讲,坡度矢量的模等于地表曲面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切。对不规则三角网(TIN)模型而言,坡度是各个三角面中最大的高程变化率;对栅格图像而言,第 6 页(共 14 页)坡度是每个栅格单元与其相邻的八个栅格单元中最大的高程变化率。坡度可以表示为度数和百分数两种形式,度数是垂直距离与水平距离比率的反正切,坡度百分数为垂直距离与水平距离比率的100倍。坡度值越小,地形越平坦;坡度值越大,地形越陡峭。将研究区南阳市内坡度分为:平原至微倾斜坡( 45°)七个等级(图2)。图2 南阳市坡度专题图3.3 坡向分析坡向也是描述地表特征的重要变量之一。坡向是斜坡方向的量度。从数学上讲,坡向等于在该切平面上沿最大倾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向。坡向对于山地生态有较大的作用,原因是由于光照、温度、雨量、风速、土壤质地等因子的综合作用,坡向能够对植物发生影响,从而引起植物和环境的生态关系发生变化。第 7 页(共 14 页)坡向是规则格网(Grid)模型或不规则三角网(TIN)模型中每个像素面的朝向,以度为单位,按顺时针方向从0°(正北方向)到360°(重新回到正北方)。坡向的计算同样要针对不规则三角网(TIN)模型表面的每一个三角面或栅格图形的每一个像元。用户经常在用坡向作数字分析之前,对坡向进行转换。常用方法是:将坡向分为四个基本方向(北、南、西、东)或者八个基本方向(北、东北、东、东南、南、西南、西、西北),并把坡向处理为类别数据;另一种方法是转换坡向值以获取基本方向,例如,可把北设为0°,南设为180°,西和东均为90°,以获取南-北的基本方向。将研究区南阳市内坡向分为:北、东北、东、东南、南、西南、西、西北共八个类别。3.4 地形起伏度分析地形起伏度又称为地势或相对高程,是指在 一 个 特 定 的 区 域 内 ,最 高 点 海 拔 高 度 与 最 低 点 海 拔 高 度 的 差 值 ,其实质是描 述 一 个 区域 地 形 特 征 的 一 个 宏 观 性 的 指 标 , 坡度在宏观区域的一个延伸,在宏观的区域内反映了地面的起伏特征。从 地 形 起 伏 度 的 定 义 可 以看 出 , 求 地 形 起 伏 度 的 值 , 首 先 要 求 出 一 定 范 围 内 海 拔 高 度 的 最大 值 和 最 小 值 , 然 后 , 对 其 求 差 值 即 可 。 地 形 起 伏 度 最 早 源 于 前苏 联 科 学 院 地 理 所 提 出 的 地 形 切 割 深 度 , 地 形 起 伏 度 现 在 成 为 划分 地 貌 类 型 的 一 个 重 要 指 标 。将研究区南阳市内地形起伏度分为:平原(<20m)、台地(20~75m)、丘陵(75~200m)、小起伏山地(200~500m)、中第 8 页(共 14 页)起伏山地(500~1000m)、大起伏山地(1000~2500m)六种类型(图3)。图3 南阳市地形起伏度专题图4 地貌类型划分及统计4.1 南阳市地貌类型面积统计考虑到南阳市地形复杂,本文参考李炳元、藩保田、韩嘉福的《中国陆地基本地貌类型及其划分指标探讨》,按照高程起伏度与海拔高度两个指标组合来进行南阳市地貌类型划分。依据3.4节中高程起伏度划分标准与3.1节中海拔高度分级标准组合成的基本地貌类型分类系统,在南阳市共有七种基本地貌类型,分别为低海拔平原、低海拔台地、低海拔丘陵、小起伏山地、中起伏山地、大起伏山地六类。根据地貌类型划分结果(表1),南阳市总面积约26600K㎡ [8], 低海拔丘陵面积约8059.002K㎡,占南阳市总面积的30.297%;小起伏山地面积约6275.738K㎡,占南阳市总面积的23.593%;中起伏山第 9 页(共 14 页)地面积约3899.028K㎡,占南阳市总面积的14.658%;低海拔台地面积约3586.212K㎡,占南阳市总面积的13.482%;低海拔平原面积约3428.208K㎡,占南阳市总面积的12.888%;最少的是大起伏山地,面积约1351.812K㎡,占南阳市总面积的5.082%。表1 南阳市各地貌类型面积统计结果地貌类型 所占面积(Km 2) 占南阳市总面积(%)低海拔平原低海拔台地低海拔丘陵小起伏山地中起伏山地大起伏山地3428.2083586.2128059.0026275.7383899.0281351.81212.88813.48230.29723.59314.6585.0824.2 市辖区、县级市及各个县地貌类型划分按照地貌进行统计,可将南阳市下属的两个市辖区、一个县级市及十个县分为以下几类(表2):⑴ 市辖区(卧龙区和宛城区)地貌类型以低山、丘陵为主,西部和西北部为波状起伏的缓丘岗地,海拔120~176m,北部独山海拔367.9m,整个缓丘岗地自西北向东南缓慢倾斜;东部和中南部为白河冲积平原,地势平坦,海拔117~120m。⑵ 邓州市属山前垄岗状倾斜平原向平缓平原过渡地形,整个地势自西北向东南倾斜。西北到西南边缘地带有少部分低山、丘陵,海拔180m以上,最高点为朱连山峰顶,海拔高469.7m;其次为平岗坡地,海拔高140~180m;平原分布在中部和东部,最低海拔86m。⑶ 方城县为浅山岗丘县,以低山为主,有少部分中山,全县北高南低,山脉走向自西北而东南,海拔300m以上的山头有304个,最高峰第 10 页(共 14 页)海拔760.3m。⑷ 桐柏县境内山岭起伏,河流纵横,沟谷交错,地貌多样。桐柏山主峰太白顶海拔1140m,屹立于县境最南侧,其余山脉延伸至中部和东北部,全县东南两侧渐低,地形以浅山丘陵为主,山岗和谷地相间分布,形成山、丘、岗、平犬牙交错,整个地形似“蚕状”。⑸ 西峡县以中山、低山为主,北部伏牛山主峰老界岭由西向东走向,侧脉由北向南延伸,整个地势由西北向东南倾斜,最高海拔2212.5m,最低海拔181m。⑹ 淅川县群山环抱,形成了西北突起向东南展开的马蹄形地势。该县以中山、低山为主,县北部和西北部属秦岭东延部分伏牛山南侧,大致是东西走向,海拔在900m左右的山峰从北向南连绵不断;县西和西南部有秦岭,大巴山纵贯,与湖北交界的走马岭东西两峰,分别海拔1033m和1086m,为全县最高峰。丹江水库位于县南部,库东属南阳盆地西南边缘,呈平垄岗状。⑺ 镇平县地处伏牛山南麓,地势北高南低,海拔从1665m逐渐降至125m,山、丘、平三种地形俱全。北部为山地,中部为丘陵,南部为平原。⑻ 唐河县境内为低山、岗丘和平原,东南部为桐柏山余脉延伸至境内的低山区;东部和县西部为两部分垄岗区;西南部为唐河下游冲积平原,地势平坦较低。全县呈东高西低的趋势,最高点是东南部的老熊庵山顶,海拔667m,最低点在西南部,海拔78m。⑼ 南召县西北高,东南低,略呈“簸箕形”。沿北部边界向东延伸
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