姜雨璇, 查小春

(陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119)

地貌區(qū)劃是在空間上按照地貌形態(tài)、成因等的相似性和差異性，將不同的地貌類型按照一定的原則和指標(biāo)，劃分為若干不同等級的地貌區(qū)域，它可以幫助人們從整體上了解一個區(qū)域的地形地貌特征，從宏觀上來把握各種地貌類型的組合規(guī)律，并理解其演化的過程。我國地貌區(qū)劃的研究工作開始于20世紀(jì)30年代，李四光[1]在其著作《中國地質(zhì)學(xué)》(英文版)中對中國地貌進行了精辟的論述，認(rèn)為構(gòu)造與地貌緊密相連，并將中國及其鄰域分為四大地貌階梯；然后沈玉昌等[2]對中國地貌分類、區(qū)劃與制圖進行回顧，總結(jié)了李四光、任美鍔、許逸超、周廷儒等在分區(qū)原則和命名等方面的差異。隨著地理信息技術(shù)、遙感技術(shù)等的飛速發(fā)展，獲取高精度的地貌信息為地貌區(qū)劃提供了便利的技術(shù)與方法，使得地貌區(qū)的研究更精確，分辨率也不斷提高[3]。對于地貌信息中基本形態(tài)的劃分，多采用宏觀地形因子如高程來掌握總體地貌輪廓[4]，但僅僅依據(jù)某一種地形因子不夠全面地表達地形地貌特征，因此多指標(biāo)組合分類法[5]在地貌分類、地貌區(qū)劃方面得到廣泛應(yīng)用，提取的地形因子[6-8]有地勢起伏度、地表粗糙度、高程變異系數(shù)、坡度、光照暈渲圖及平均高程等，并利用離散分析、相關(guān)性分析選取最佳因子組合，以對地貌進行定量化分析[9]。隨著地形地貌相關(guān)研究的日益深化，小比例尺、大范圍的制圖精度已經(jīng)不能滿足當(dāng)前科研工作的需求，學(xué)者也在嘗試采用各種方法探測空間分異性來實現(xiàn)精細(xì)化地形分類[10-12]。而且針對不同區(qū)域和不同需求，我國地貌學(xué)家提出多種地貌區(qū)劃方案，例如在全國尺度，李炳元等[13]提出二級區(qū)劃方案，將我國劃分為6個一級地貌大區(qū)、38個二級地貌區(qū)；陳志明等[14]完成了三級地貌區(qū)劃，分別為區(qū)域、區(qū)和亞區(qū)；程維明等[15]基于中國地貌提出了五級分區(qū)的原則和命名方法。

位于我國陜西、四川、湖北三省交界的巴山地區(qū)，地勢起伏大、地貌類型復(fù)雜，自古就有“蜀道之難，難于上青天”的說法。20世紀(jì)80年代，甘枝茂等[16]對秦巴山區(qū)地質(zhì)地貌類型做了初步劃分；此外，齊矗華等[17]對太白山及其鄰近地區(qū)冰川地貌的形成發(fā)育過程以及特征進行描述，劉俊杰等[18]根據(jù)地形起伏度和坡度進行秦巴山地山體效應(yīng)定量化研究，張珊等[19]基于地貌特征線提取技術(shù)分析了秦巴山區(qū)不同山勢地貌的割切密度系數(shù)，Liu等[20]基于地貌區(qū)劃對陜西省景觀生態(tài)風(fēng)險時空演變進行研究。但是目前系統(tǒng)地劃分巴山地區(qū)的地貌區(qū)劃還未見報道。因此，本文基于DEM數(shù)據(jù)，提取地形因子對巴山地區(qū)地貌進行分類，其研究結(jié)果不但可以深化該地區(qū)的地貌研究，提供定量化的地貌研究資料，還在巴山地區(qū)土地利用規(guī)劃、水土流失、地質(zhì)災(zāi)害等方面有重要意義。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

巴山地區(qū)位于東經(jīng)105°50′29″—112°11′26″，北緯30°45′1″—33°15′38″，北以漢江為界，與秦嶺相望，南連長江，西側(cè)毗鄰嘉陵江水系，東北、東南和西南分別與南陽盆地、江漢平原和成都平原相接。巴山地區(qū)山體多呈西北—東南走向，西段米倉山的主峰光霧山海拔為2 507 m，中段大巴山(狹義)境內(nèi)的化龍山海拔為2 917 m，東段大神農(nóng)架主峰神農(nóng)頂為華中第一峰，海拔為3 053 m，其分支武當(dāng)山位于湖北省西北角。在地質(zhì)上，巴山屬復(fù)背斜結(jié)構(gòu)，山脊多以堅硬的結(jié)晶石灰?guī)r構(gòu)成，經(jīng)上升剝蝕后渾厚雄偉，山脈多以石灰?guī)r、變質(zhì)巖、砂巖、白云巖為主，局部地區(qū)有花崗巖分布。在年平均降水量方面，米倉山東部在1 200 mm以下、神農(nóng)架林區(qū)為1 400 mm左右、其余地區(qū)為1 000～1 200 mm，萬源、巫溪一帶是巴山暴雨區(qū)的中心，河流切割強烈。巴山地區(qū)地貌類型以中低山為主，安康盆地發(fā)育有丘陵盆地地貌，全區(qū)地貌成因有流水作用、喀斯特作用，喀斯特地貌多以峰叢、溶洞為主。巴山還是我國北亞熱帶氣候和中亞熱帶氣候的分界線，其北面的漢中盆地為北亞熱帶氣候，南面的四川盆地為中亞熱帶氣候，它是四川盆地北部的天然屏障，削弱了冬半年北方冷空氣南侵，對四川冬暖春旱氣候的形成影響重大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

DEM作為地形表面的一種直觀數(shù)字表達，是進行地貌類型劃分的重要依據(jù)，同時也是地貌定量化研究所必不可少的資料。本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為ASTER GDEM V3(在V2的基礎(chǔ)上有所改進，主要減少了高程值空白區(qū)域、水域數(shù)值異常)，下載自NASA EARTH DATA(http:∥earthdata.nasa.gov/)，對數(shù)據(jù)進行鑲嵌融合、投影轉(zhuǎn)換和裁剪，得到巴山地區(qū)DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣的格網(wǎng)大小為30 m分辨率。

2 研究方法

2.1 地形因子的選取

地形因子是用來表達實際地形的各種特征，包括宏觀地形因子和微觀地形因子。宏觀地形因子主要表達地形總體的特征，所描述的空間區(qū)域范圍較大，從宏觀上反映地面的起伏特征或空間變異，如地勢起伏度、海拔高度、高程變異系數(shù)、地表切割深度等。而微觀地形因子表達地貌的細(xì)節(jié)特點，用各種地表形態(tài)描述參數(shù)來表達地表形態(tài)的一種或多種特征，如坡度、坡向、坡長、坡度變率等。本文依據(jù)巴山地區(qū)的地貌空間特征變化，選取坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、海拔高度、地勢起伏度、地表切割深度、地表粗糙度和高程變異系數(shù)9個地形因子，并依據(jù)巴山地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，分別予以提取。

2.2 最佳分析窗口的確定

最佳分析窗口是提取宏觀地形因子(如地勢起伏度、地表切割深度、高程變異系數(shù)等)的關(guān)鍵。隨著分析窗口大小的變化，網(wǎng)格面積與其對應(yīng)的地形因子二者之間，可以擬合成成一條符合對數(shù)變化規(guī)律的曲線，并在曲線上存在唯一的、由陡變緩的點，即變點，這一點就是最佳分析窗口。陳學(xué)兄等[21]對提取變點的方法進行對比分析，表明均值變點分析法以及累積和算法是相對有效的方法，而且均值變點法與實際更相符，因此本文選用均值變點法確定宏觀地形因子的最佳分析窗口，其計算步驟為[22-23]：

(1)以網(wǎng)格的面積為樣本數(shù)列{Xi}，其中i=2，3，4，…，N，以i為分界點，將樣本Xi分成兩段：X1,X2,…,Xi-1和Xi,Xi+ 1,…,XN

(1)

式中：Si為以i為分界點的兩段樣本的離差平方和之和；N為總的樣本個數(shù)。

(2)計算統(tǒng)計量：

(2)

(3)變點的存在會使得S和Si的差距增大，以序列號i為橫坐標(biāo)X軸，S-Si為縱坐標(biāo)Y軸，利用Excel將得到的數(shù)據(jù)用散點圖表示，其中圖上最上方一點即為變點，是二者差距最大的點。

3 結(jié)果與分析

3.1 巴山地區(qū)最佳地形因子的確定和提取

3.1.1 最佳地形因子的確定 最佳地形因子是通過較少的因子組合來充分表達地貌特征與分布規(guī)律，最大程度地減少冗余數(shù)據(jù)，以提高分類精度以及分析地貌類型的效率[24]。因此，對巴山地區(qū)提取的坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、海拔高度、地勢起伏度、地表切割深度、地表粗糙度和高程變異系數(shù)9個地形因子，通過ArcGIS空間分析工具得到地形因子間相關(guān)系數(shù)表(表1)。

表1 巴山地區(qū)各地形因子間相關(guān)系數(shù)

依據(jù)表1可知，坡向、平面曲率、剖面曲率與其他的地形因子相關(guān)性極弱，相關(guān)系數(shù)大多在0.02左右，表明這3個地形因子與其他地形因子相比，對巴山地區(qū)的地貌特征差異表達不明顯，應(yīng)予以剔除。同時表1表明，海拔高度與高程變異系數(shù)、地勢起伏度與地表切割深度、坡度與地表粗糙度三對地形因子的相關(guān)系數(shù)最大，分別為-0.99，0.93，0.91，表明它們之間的相關(guān)性較強，為減少數(shù)據(jù)冗余，需要從這三組地形因子中分別選擇一個地形因子來表達巴山地區(qū)的地貌特征與分布規(guī)律。

表2列出了地形因子的最小值、最大值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，其中平均值反映各個地形因子的集中趨勢，標(biāo)準(zhǔn)差衡量因子的離散程度。海拔高度與高程變異系數(shù)均用來表示地形的高低起伏變化，由表2可知，海拔高度的標(biāo)準(zhǔn)差為493.51，大于高程變異系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差480.76，表明海拔高度的離散性更強，說明海拔高度更能反映巴山地區(qū)地形的空間變化；地勢起伏度與地表切割深度都可以描述地表單元的切割剝蝕程度，表征區(qū)域構(gòu)造活動強度的差異，但是地勢起伏度與地表切割深度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為103.33，55.80，說明地勢起伏度的離散性更強，因此選用地勢起伏度更有代表性；地表粗糙度和坡度都可以反映地面凹凸不平的程度，地表粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)差為0.14，小于坡度的標(biāo)準(zhǔn)差，說明坡度更能表達研究區(qū)地形特點。為此，選取海拔高度、地勢起伏度和坡度來表達巴山地區(qū)的地貌特征與分布規(guī)律。

同時，從表1可知，坡度與地勢起伏度的相關(guān)系數(shù)較大，為0.56。從二者的概念來看，地勢起伏度指一個區(qū)域最高點與最低點海拔高度的差值，坡度是坡面鉛直高度和水平寬度的比值，二者都可以在一定程度上反映地形起伏[25]，說明這兩個地形因子表征的地形地貌信息會存在一定程度的重疊現(xiàn)象。由此，為了減少數(shù)據(jù)冗余，就需要從坡度、地勢起伏度中選取一個最能表達巴山地區(qū)地貌類型的地形因子。同時從表2可見，地勢起伏度的標(biāo)準(zhǔn)差為103.33，遠大于坡度的標(biāo)準(zhǔn)差11.75，說明地勢起伏度更能表達巴山地區(qū)的地形特點，因此選取地勢起伏度而剔除了坡度因子。由此，選取海拔高度與地勢起伏度作為最佳地形因子來反映巴山地區(qū)地貌類型的分布。

表2 巴山地區(qū)地形因子數(shù)據(jù)信息

3.1.2 海拔高度的提取與分級 海拔高度是指某地與海平面的高度差，反映地形的高低差異。海拔高度分類是基于高程數(shù)據(jù)來劃分，周成虎等[26]提出三等六級七層的地貌數(shù)值分類方法，將高程分為4類：低海拔(<1 000 m)，中海拔(1 000～3 500 m)，高海拔(3 500～5 000 m)，極高海拔(>5 000 m)。由于巴山地區(qū)的高程均在3 500 m以下，據(jù)此將巴山分為低海拔和中海拔兩個級別(圖1)。

圖1 巴山地區(qū)海拔空間分布

由圖1可知，巴山地區(qū)低海拔所占的面積百分比為57.54%，主要分布在研究區(qū)的東北部區(qū)域，此處的漢江、丹江流域地區(qū)的海拔高度小于1 000 m。中海拔主要分布在研究區(qū)西部的米倉山、南部狹義的大巴山區(qū)域，占研究區(qū)總面積的42.46%。

3.1.3 地勢起伏度的提取與分級 地勢起伏度指的是一個區(qū)域內(nèi)最大與最小高程之差，描述一個范圍內(nèi)地勢起伏的變化，常常用于地貌劃分。利用ArcGIS空間分析工具中的“鄰域分析”計算DEM數(shù)據(jù)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的地勢起伏度。通過改變網(wǎng)格大小得到2×2至49×49網(wǎng)格單元的地勢起伏度，將得到的數(shù)據(jù)在Excel表格中處理，得到網(wǎng)格單元與地勢起伏度的關(guān)系。

通過Excel表格生成網(wǎng)格單元與地勢起伏度散點圖，擬合出的對數(shù)曲線方程為y=76.224lnx+2.3288，R2=0.9481。R2越接近1，說明擬合的對數(shù)曲線效果越好，并通過了統(tǒng)計學(xué)檢驗。根據(jù)均值變點法，以i(i=2，3，4，…，N；N為總的樣本個數(shù))為分界點將樣本分成兩段，兩段樣本的離差平方和之和為Si，計算出總的離差平方和為S=36.75，變點的存在會使得S和Si的差距增大，S-Si的最大值對應(yīng)的點即為變點，由圖2可以看出，由陡變緩的點對應(yīng)18×18的窗口大小為0.29 km2，即為最佳窗口，據(jù)此利用該最佳分析窗口來提取巴山地區(qū)的地勢起伏度因子。

圖2 S和Si差值的變化曲線

在地貌分區(qū)的研究中，地勢起伏度等級的劃分具有重要意義。依據(jù)確定的18×18最佳分析窗口作為基于DEM的巴山地區(qū)地勢起伏度的最佳統(tǒng)計單元，據(jù)此得到巴山地區(qū)的地勢起伏度分布(圖3)。參照莫申國[27]數(shù)字地貌格局的劃分方法，依據(jù)地勢起伏度的提取結(jié)果，將巴山地區(qū)的地貌類型分為平原、臺地、丘陵、小起伏山地和中起伏山地。由圖3巴山地區(qū)的地勢起伏度地貌類型圖可知，小起伏山地在巴山地區(qū)地貌類型中占比最大，為58.41%，丘陵次之，占總面積的37.70%；光霧山、化龍山、滄浪山、武當(dāng)山、神農(nóng)頂和神女峰等山峰主要位于小起伏山地；漢江、丹江口水庫附近為丘陵區(qū)；平原、臺地地貌占比較少，所占研究區(qū)的百分比分別為1.13%，1.50%，主要分布在研究區(qū)邊緣地帶，呈團塊狀分布；中起伏山地占比少，僅占1.26%，零散分布在巴山南部地區(qū)，空間特征不明顯。

圖3 巴山地區(qū)地勢起伏度

3.1.4 巴山地區(qū)地貌成因的提取 地貌成因參照中國科學(xué)院地理研究所1∶100萬地貌類型圖，經(jīng)過手工矢量化后得到巴山地區(qū)的地貌成因分布圖(圖4)，由圖4可見，巴山地區(qū)地貌按成因分為流水地貌和喀斯特地貌，兩種地貌都是集中連片分布，流水地貌占總面積的比例較大，為68%，主要分布在巴山北部；喀斯特地貌僅占32%，巴山東南部分布較多。

圖4 巴山地區(qū)地貌成因分布

3.2 巴山地區(qū)地貌區(qū)劃方案

將最佳地形因子海拔高度、地勢起伏度進行疊加，以定性和半定量的方法對由最佳地形因子劃分的地貌類型圖進行驗證及修正，即可獲得巴山地區(qū)10種地貌類型的空間分布，各類型面積及所占的百分比，見表3。

表3 巴山地區(qū)地貌類型及面積統(tǒng)計表

分析表3可知，巴山地區(qū)分布較廣的地貌類型主要為小起伏中山、低海拔丘陵和小起伏低山，分別占研究區(qū)總面積的31.64%，27.72%和27.09%。小起伏中山主要分布在米倉山、大巴山區(qū)域；低海拔丘陵分布在漢江、丹江流域以及研究區(qū)東部區(qū)域；小起伏低山主要分布在研究區(qū)北部。中海拔丘陵主要分布在米倉山西部、大巴山東部，所占研究區(qū)面積為9.92%；低海拔臺地主要分布在研究區(qū)西北部、東部，占研究區(qū)總面積的1.42%；低海拔平原分布在漢江、丹江流域，所占百分比為0.94%；中起伏中山主要分布在大巴山區(qū)域，所占面積百分比為0.89%；中起伏低山、中海拔臺地、中海拔平原面積所占比例較少。

程維明等[15]在對中國地貌區(qū)劃命名時采用五級區(qū)劃命名方案，分為大區(qū)—地區(qū)—區(qū)—亞區(qū)—小區(qū)。考慮到巴山地區(qū)的地貌特點和復(fù)雜程度，采用了三級區(qū)劃命名方案，分為區(qū)—亞區(qū)—小區(qū)。一級區(qū)劃主要依據(jù)宏觀地貌特征，即地勢起伏度和海拔高度來劃分；二級區(qū)劃結(jié)合主要河流進行劃分；三級區(qū)劃參考成因和次要河流進行細(xì)分。對各級區(qū)劃采用地貌形態(tài)為主的形態(tài)成因原則來命名[26]，編碼方式見表4。

表4 巴山地區(qū)三級地貌分區(qū)編碼方式及其舉例

在不同的區(qū)域內(nèi)，由于內(nèi)外營力不同而形成了復(fù)雜的地貌類型。為了能夠使一個區(qū)域內(nèi)的地貌類型代表該區(qū)域總體特征，因此產(chǎn)生了地貌區(qū)劃。依據(jù)巴山地區(qū)地貌類型的空間分布，將巴山地區(qū)劃分為2個一級地貌區(qū)、5個二級地貌亞區(qū)、18個三級地貌小區(qū)(圖5)。

圖5 巴山地區(qū)地貌類型區(qū)劃

巴山地區(qū)的2個一級地貌區(qū)分別為I中低海拔丘陵區(qū)和Ⅱ中小起伏山地區(qū)。I中低海拔丘陵區(qū)面積占比為35.10%，漢水、丹江流經(jīng)該區(qū)域，這里水分充足，地勢平坦，區(qū)域內(nèi)分布有小起伏河漫灘、低海拔河流低階地、河谷臺地、洪積平原地貌，適宜生產(chǎn)生活。Ⅱ中小起伏山地區(qū)面積占比為64.90%，這里山峰較多，起伏度也大于丘陵區(qū)，區(qū)域內(nèi)主要分布有流水作用的小起伏中山、流水作用的小起伏低山、喀斯特作用的小起伏中山、喀斯特作用的小起伏中山等。

巴山地區(qū)的5個二級地貌亞區(qū)分別為IA漢中—安康丘陵亞區(qū)、IB武當(dāng)山中低山丘陵亞區(qū)、IC?？抵械蜕角鹆陙唴^(qū)、ⅡA米倉山中低山山地亞區(qū)、ⅡB大巴山中低山山地亞區(qū)。IA漢中—安康丘陵亞區(qū)、IB武當(dāng)山中低山丘陵亞區(qū)、IC保康中低山丘陵亞區(qū)分別占I區(qū)面積的32.23%，42.27%和25.50%。IA漢中—安康丘陵亞區(qū)、IB武當(dāng)山中低山丘陵亞區(qū)為丘陵區(qū)的主要組成部分，漢中—安康丘陵區(qū)北部有漢江流過，使得該地區(qū)氣候濕潤，土壤肥沃。ⅡA米倉山中低山山地亞區(qū)、ⅡB大巴山中低山山地亞區(qū)分別占Ⅱ區(qū)面積的33.78%，66.22%，紫陽縣、萬源縣兩個主要的縣級市以及后河等河流將ⅡA米倉山中低山山地亞區(qū)、ⅡB大巴山中低山山地亞區(qū)劃分開。

巴山地區(qū)的三級地貌小區(qū)共有18個，區(qū)劃邊界與程維明等[15]1∶2 000 000《秦嶺大巴山地貌區(qū)劃圖》中的分區(qū)方案基本一致。IA1漢中丘陵流水地貌小區(qū)、IA2鳳凰山低山流水地貌小區(qū)、IA3壩河—白石河低山流水地貌小區(qū)分別占IA面積的34.59%，23.06%，42.35%；IB1武當(dāng)山低山流水地貌小區(qū)、IB2丹江口丘陵流水地貌小區(qū)分別占IB面積的82.64%，17.36%；IC1?？档蜕娇λ固氐孛残^(qū)、IC2南漳—遠安丘陵流水地貌小區(qū)、IC3四方山低山流水地貌小區(qū)分別占IC面積的27.44%，53.02%，19.54%；ⅡA1寧強丘陵喀斯特地貌小區(qū)、ⅡA2光霧山丘陵喀斯特地貌小區(qū)、ⅡA3鎮(zhèn)巴中山喀斯特地貌小區(qū)、ⅡA4廣元—旺蒼—南江低山流水地貌低山小區(qū)、ⅡA5米倉山中山流水地貌小區(qū)分別占ⅡA面積的18.31%，9.42%，6.60%，8.60%，57.07%；ⅡB1大巴山中山喀斯特地貌小區(qū)、ⅡB2神農(nóng)架中山流水地貌小區(qū)、ⅡB3宣漢—奉節(jié)低山流水地貌小區(qū)、ⅡB4巴東中低山喀斯特地貌小區(qū)、ⅡB5興山丘陵喀斯特地貌小區(qū)分別占ⅡB面積的43.27%，19.11%，14.59%，12.69%，10.34%。

4 結(jié) 論

(1)巴山地區(qū)地貌區(qū)劃的最佳地形因子為海拔高度和地勢起伏度，地勢起伏度的最佳分析窗口為0.29 km2。

(2)基于最佳地形因子劃分得到對應(yīng)的地貌類型圖，依據(jù)海拔高度將巴山地貌分為低海拔、中海拔兩個級別，依據(jù)地勢起伏度將巴山地貌分為5類，即平原、臺地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地。

(3)建立巴山地區(qū)地貌分類系統(tǒng)并完成了地貌區(qū)劃，將巴山地區(qū)的地貌類型劃分為中低海拔丘陵區(qū)和中小起伏山地區(qū)2個一級地貌區(qū)、漢中—安康丘陵亞區(qū)等5個二級地貌亞區(qū)、漢中丘陵流水地貌小區(qū)等18個三級地貌小區(qū)，區(qū)劃結(jié)果符合巴山地區(qū)的地貌分布以及地貌格局差異，對巴山地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有指導(dǎo)意義。