刘宇杰 武红旗 李润

(新疆农业大学资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

引言

随着信息技术的提高，科学技术的发展，景观的数字化分析[1]包括DEM(数字高程模型)的创建、研究数据中各种地形因子与地球表面关系的分析以及地形因子的提取[2]，人们对各种尺度的DEM(数字高程模型)的需求正在逐渐增加，最明显的特征是基于DEM(数字高程模型)的研究已经从地表表面形态的表达，转向建模过程。其中，广义大范围的尺度研究包括3个方面，即地理覆盖范围、分辨率和地图比例尺。

对于DEM(数字高程模型)的尺度研究，国外的众多研究者集中在DEM地形要素属性的不同水平分辨率的影响，找寻其重要性。Aldo S Moya-lvarez等[3]学者研究WRF模型对秘鲁复杂地形降雨预报中不同分辨率的响应，得出分辨率的提高导致该地区降雨预报结果和云系统结构的改善。同时，分辨率为18km的域显示出较差的结果；M Neuland等[4]学者分析不同分辨率对900MHz和1800MHz无线电传播模型的影响，总结出地理数据库的高精度导致预测的计算时间更长，从而得到的最终数据精度也更精确。

国内学者黄丹青[5]通过研究不同模式分辨率下中国地形坡度和方位对不同天气过程的影响，发现在高分辨率下，地表温度和热通量具有很强的相关性，地形坡度和方位的影响引起的地表温度、降水、地表温度和热通量的变化在山区更为明显；肖猛[6]通过研究不同分辨率下增量式光栅编码器的测量误差，得出光栅编码器在不同分辨率下的误差产生原因；刘佳轩等[7]学者通过研究DEM分辨率对提取东北地区坡度的影响，结果得出随着分辨率的增大，栅格计算面积减小，导致坡度有所差异，区域坡度变化越大差异越大，因此，研究不同分辨率的DEM对各领域的研究分析有着重要的作用。

1 研究方法

在本文研究中，针对DEM栅格数据，传统的DEM(数字高程模型)数据的处理技术分为2种，聚类技术、聚合技术[8]，这种数据处理技术即将原始的栅格数据系统通过系列操作从而转化为具有新含义的系统。

本研究中使用的是SRTM-DEM数据，基于这些数据，利用空间分析中最近邻法[9]对不同水平分辨率的规则格网进行插值，利用ArcGIS软件提取昌吉州的地形起伏、流域信息、坡度等地形特征要素，并分析其在12.5m、40m及80m水平分辨率下地形的分布规律。

2 区域地貌特征分析

2.1 地形因子的提取与分析

在本文中，坡度的提取与分析的结果用来表示表面上某个位置的最陡下坡倾斜程度，即地面的陡缓程度，坡度值越小的地方，其地势相对越平坦；而坡度值越大的地方，其地势会相对越陡峭。本研究使用ArcToolBox中3D Analyst下的坡度分析(Slope)工具对昌吉州不同分辨率的坡度图层分别进行提取与计算分析。此外，国内主要从事地理信息系统方向的学者汤国安教授等[10]在2006年就对DEM数据中提取到的坡度信息进行过详细的研究，25°是种植农作物的临界点，本研究将坡度分为7个等级(0～3、3～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～90)，对提取的昌吉州坡度图进行参数统计，见表1。

根据对图1的分析可以看出，3组数据有大片的相同区域，3组数据中的低坡度区到高坡度区的颜色逐渐由浅变深，对数据坡度特征的描述能力也由清晰变得模糊。从表1可以看出，水平分辨率为12.5m的坡度最大值由86.38°下降到水平分辨率为80m的74.28°，地势变得平缓，3组数据的最小值都为0°没有变化，而标准差的值由水平分辨率为12.5m的10.65下降到水平分辨率为80m的9.71，平均值也相应降低，从7.64°下降到5.72°。

图1 不同水平分辨率下的昌吉州坡度分级图

随着研究区DEM数据水平分辨率的降低，昌吉州的坡度在高坡度地区分布较少，主要集中在低坡度地区，由分辨率为12.5m降低到分辨率80m，其对真实地形的表达能力也在逐渐下降，高坡度地区地形陡峭，低坡度地区地形相对更加平坦。

地形起伏度[11]描述了地形的宏观特征，指最高网格点和最低网格点之间的差异。公式:

R=Hmax-Hmin

式中，R代表地形起伏度；Hmax是单位面积内最大高程值；Hmin是单位面积内的最小高程值。在ArcGIS中，使用Spatial Analyst工具中领域分析下的焦点统计工具分别计算研究区3组数据每个格网的最大最小高度，然后计算差值。昌吉州不同水平分辨率下地形起伏度的分级图如图2所示。

图2 不同水平分辨率下的地形起伏度分级图

对提取的昌吉州地形起伏度图进行参数统计，见表2。图2的结果表明，研究区数据的水平分辨率不同，地形起伏有明显的不规则性差异。当水平分辨率为80m时，地形不规则度相对较高，水平分辨率为12.5m时，地形不规则度相对较低。随着数据水平分辨率的降低，研究区内地形的不规则性逐渐增大，出现成片的高起伏度区域。

从表2和图2可以看出，研究区内分辨率为12.5m的地形起伏度最大值为514m低于分辨率为80m中地形起伏度的最大值713m，对地形的细节描述能力降低，分辨率为12.5m地形起伏度的平均值由4.83增加到分辨率为80m的25.14，地形起伏度的标准差由分辨率为12.5m的7.47增加到分辨率为80m的40.91，3组数据中地形起伏度的最小值没有变，均等于0，但是随着数据水平分辨率的降低，地形起伏度的最大值、平均值和标准差都相对升高。

表2 不同分辨率下昌吉州地形起伏图参数统计表

2.2 水文分析[12]

水文分析可以根据相邻网格的高度和距离建立地表水流模型。具体步骤：使用填洼工具创建一个无洼地DEM数据；使用最大坡度算法——D8算法提取数据的流向；通过流量工具计算数据的汇流累积量；在本研究中河网的提取，流量超过800的所有像素都将成为河网的一部分；河网分级采用ArcGIS中的Strahler方法；使用流域分级工具对数据进行流域分割。3组不同分辨率的昌吉州流域分割如图3所示。

图3 昌吉州不同水平分辨率下流域分布图

由图3得知，水平分辨率为12.5m的流域数量明显高于水平分辨率为80m的流域数量，分辨率高的研究区内的流域数量多，分辨率低的研究区内的流域数量少，但是水平分辨率为12.5m的数据内每个流域的面积却小于水平分辨率为80m的流域面积，因此，得出从分辨率为12.5m降低到80m，流域面积会增加，但是流域数量会减少，图中数据结果的细碎化程度会降低，昌吉州集水区域参数见表3。

表3 不同分辨率下昌吉州地形起伏图参数统计表

流域个数由分辨率为12.5m的337911条降低到分辨率为40m的40586条，降低幅度很大。平均值和标准差都升高，平均值由0.02km2升高到0.42km2，标准差由0.08上升到2.51。

3 结论与讨论

通过对昌吉州的坡度分析得出，分辨率由12.5m降低到80m，其地形趋于平坦化，坡度逐渐减小，坡度值越小，地势越平坦；坡度值越大，地势越陡峭，低水平分辨率的数据忽视了地貌的实际特点，而高水平分辨率的数据对地形细节描述的能力要强，更能体现表达地表特征的能力。通过对昌吉州12.5m分辨率到80m地形起伏度的变化分析，结果表明，随着研究数据水平分辨率的下降，昌吉州地貌起伏度的最大值、平均数和标准差都得到增加，说明由于研究数据水平分辨率的下降，光反射的次数逐渐增加，所反映的更多的是昌吉州的宏观地貌，而并非细节部分，同时昌吉州地形起伏度的平均值也越来越分散，且有逐步上升的趋向。

通过研究昌吉州水文分析得到的结果来看，在使用同种方法并将3组数据设置为相同的阈值时，在不改变其它条件只有水平分辨率的差异下由12.5m分辨率降低到80m之后，细碎的小流域进行了融合，从而流域数量增多，流域面积的最小值、最大值增大，总面积也在增大。