引用本文
闫鹏, 杨农, 叶宝莹. 基于ASTER-GDEM的贵州及其邻区地貌面提取及研究[J]. 国土资源遥感, 2011,23(2): 98-103
YAN Peng, YANG Nong, YE Bao-ying. The Extraction and Study of Geomorphic Surface in Guizhou and Its Adjacent Areas Based on ASTER-GDEM[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2011,23(2): 98-103  
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基于ASTER-GDEM的贵州及其邻区地貌面提取及研究
闫鹏1, 杨农1, 叶宝莹2
1.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081
2.中国地质大学,北京 100083

第一作者简介: 闫 鹏(1986-),男,硕士研究生,主要从事构造地貌与地理信息系统方面的研究。

收稿日期: 2010-09-26
基金: 中国地质调查局地质调查项目“活动构造与区域地质环境调查成果集成与综合研究”(编号: 1212010670104)
摘要

多级地貌面是贵州及其邻区重要的地貌特征,深入研究其特征有助于了解该地区新生代以来的构造演化历史。为了研究该区新生代以来的构造演化历史,基于ArcGIS及ERDAS软件平台,利用ASTER-GDEM数据对该区坡度等地貌参数进行了提取。通过统计,进一步提取出了区内的地貌面,首次提取出了该区层状地貌的准确数值特征,并结合野外地质调查得到验证,从而为层状地貌的定量化、直观化研究提供了一种新思路。研究结果表明,研究区内分布有4级地貌面,反映出新生代以来,该区经过了复杂的构造抬升, 经历了3次以上的抬升-停滞活动周期, 各次抬升的幅度为300~500 m左右,并且现在仍处于抬升期。

关键词: ASTER-GDEM; ArcGIS; 坡度; 地貌面; 贵州
中图分类号:TP79P931 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2011)02-0098-06
The Extraction and Study of Geomorphic Surface in Guizhou and Its Adjacent Areas Based on ASTER-GDEM
YAN Peng1, YANG Nong1, YE Bao-ying2
1.Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
2.China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract

The extensive distribution of geomorphic surface is the main geomorphologic characteristic of Guizhou and its adjacent areas,and the detailed study of this characteristic is very important in reconstructing Cenozoic evolution. Taking Guizhou and its adjacent areas as the study district, based on ASTER-GDEM data (30 m) and using ArcGIS platform,the authors extracted the geomorphic surfaces with slope data and statistical method,and obtained the precise quantitative features of the geomorphic surfaces in this district for the first time. The results provide a new insight into the study of step-like landforms. It is shown that there are 4 steps of geomorphic surfaces in the study district, which suggests that Guizhou and its adjacent areas has experienced at least 3 times of complicated tectonic uplift since Cenozoic with the uplifted elevation being 300~500 m each time, and remain in the process of uplifting at present.

Keyword: ASTER-GDEM; ArcGIS; Slope; Geomorphic surface; Guizhou
0 引言

青藏高原是晚新生代以来印度板块与欧亚板块汇聚碰撞的结果[1]。统一的新近纪青藏高原及云南高原的高原面在早更新世分裂解体。相对于青藏高原平坦的地形特征, 青藏高原周缘地区的地貌特征却不尽相同。东缘、东北缘地区表现出强烈的陡变和突变特征, 南北缘地区具有较为弥散和不规则的形态特征, 东南缘地区则表现为断块式下降的特征。贵州及其邻区位于青藏高原的东南缘, 是青藏高原高海拔地形终止向东南延伸、并逐渐降至较低海拔的云贵高原的过渡区域[2]。该区域的新构造活动强烈, 构造地貌主要表现为多级地貌面发育、河流袭夺发育等方面[3]。

面状地貌包括夷平面、剥蚀面和河流阶地等要素, 是长周期地貌演化研究的主要对象, 其不仅记录了区域地貌的发育历史, 而且可以用来反演区域构造活动等内动力过程。在众多高原隆升证据中, 面状地貌最为重要, 因为隆升主要指高原地表大面积的隆升, 个别岩体、山峰及断层的抬升仅发生在点状地域; 而以夷平面为主的各种地貌面则分布较广, 可以用作大范围的对比, 其海拔高度也相对稳定[3], 可以作为一个参照面, 用于直接示踪及约束高原的抬升量及抬升时间。对于夷平面的定义可表述为: 夷平面是在漫长的地质历史时期, 地壳处于构造稳定阶段(或相对稳定阶段), 由风化、侵蚀、搬运等多种外力作用参与形成的接近侵蚀基准面的平缓的地表形态, 它切过前期所有出露的地层和地质构造。可把夷平面理解为由剥蚀和夷平作用所产生的、以截面形式横切所有在年龄上先于它的地层和构造的一种平缓地形[4], 是地貌长期发展的终极产物经地壳抬升破坏或埋藏的结果。开展面状地貌的研究对深入探讨贵州及其邻区的内动力地质作用十分重要。本文旨在通过地貌面的提取及分级来分析该地区新生代以来的地貌发育过程。

我国学者很早就开始了对贵州面状地貌的研究。杨怀仁在1944年首次提出贵州地区地貌面的分级方案[5]; 此后, 林树基对贵州地区构造演化史进行了认真的梳理, 并建议将山盆期夷平面改称为威宁期夷平面[6]; 秦守荣根据地质剖面提出将贵州地貌面分为9级[7]; 李兴中则提出“ 大山娄期” 剥夷面不可能存在的论断[8]。各位前辈通过野外考察、剖面图及等高线图研究, 对贵州地区的地貌发育分期提出了不同的划分方案, 取得了重要的成果, 代表了当时对该地区面状地貌研究的先进水平。20世纪90 年代以来, 数字高程模型(DEM)数据的出现和计算机运算速度的提高, 使大尺度的地貌分析成为可能, 地貌学研究日趋客观化、定量化和精细化[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]。本文在前人的研究基础上进一步工作, 以地理信息系统(GIS)空间分析技术为基本手段, 客观、准确、定量地研究了区域地貌特征。

基于GIS空间分析及数字高程模型的大尺度的地貌定量分析国外已开展了许多研究。Fielding等人基于90 m分辨率的 DEM数据(当时未公开), 对青藏高原进行过简单的地貌分析, 显示和强调了高原极其平坦的地势, 并指出青藏高原内部地势起伏度较低[17]; 还采用250 m网格单元对高原坡度进行了统计, 结果显示, 该区的平均坡度为5° , 平均高程为5 023 m。

基于DEM的地貌分析在国内也有学者尝试过。汤国安等人以黄土丘陵沟壑区为例提取了坡度等地貌参数, 并研究了利用不同精度DEM数据提取的地面坡度的误差特征与纠正方法[18, 19]; 张会平等人对岷山构造带的构造地貌和青藏高原东缘、东北缘的晚新生代地貌过程进行了研究[20]; 刘静等人对青藏高原北部及高原内、外流区域进行了大尺度的定量地貌分析[21]; 郭芳芳等人基于SRTM-DEM数据, 分析了青藏高原东缘地区的坡度参数、高程和滑坡灾害之间的分布规律, 并从活动断裂等方面分析了滑坡形成的动力学机制[22]。

本文基于ArcGIS软件平台, 先以最新发布(截至2009年6月30日)的ASTER-GDEM数据为基础, 选取坡度等地貌参数进行分析, 并利用统计方法提取出研究区内的地貌面; 然后结合ETM遥感影像的判读对地貌面进行分级, 并在此基础上分析地貌面对该地区地貌发育演化的构造指示意义。

1 研究区基本地貌格局

贵州位于我国西南部, 东连湖南, 西接云南, 北邻四川, 南毗广西, 地理范围在东经103° 36'~109° 35'、北纬24° 37'~29° 13'之间。处于中国第二梯级高原山地向第一梯级丘陵平原过渡的斜坡地带, 地势西部高, 呈“ 鼻子状” 向南、北、东倾斜。对于造成这种地势的原因有两种解释: 熊康宁认为是西部隆升强烈, 总体掀斜上升[23]; 秦守荣则认为是在新构造期历次间歇上升之后, 溯源侵蚀夷平的范围逐渐缩小才造成如今这种地势现状[24]。目前多数学者支持后一观点。

贵州及其邻区是我国喀斯特地貌发育的典型地区。基本地貌格局为分布于东部的侵蚀剥蚀地貌和分布于西部的喀斯特高原地貌。贵州的喀斯特地貌主要具有以下4个特征: ①分布面积广; ②集中分布在区内中、南、西部; ③受地层及构造的控制; ④峡谷区和高原区喀斯特地貌表现不同 [25, 26]。

李兴中、杨胜元等人将贵州喀斯特地貌分为以下3个区域[8, 26]: ①黔中— 黔西南喀斯特峰林区; ②黔南— 黔西北喀斯特峰丛区; ③黔北— 黔东北喀斯特丘丛-峰丛区[27]。贵州及其邻区丰富多彩的喀斯特地貌是以广泛分布的碳酸盐岩为基础、由新生代以来间歇性大面积隆升及地表地质作用形成的。各级地貌面的喀斯特地貌研究对判定高原隆升的幅度和速率具有重要意义。

2 数据与方法
2.1 基础数据

本文使用的数字高程数据ASTER-GDEM, 是“ 世界上迄今为止可为用户提供的最完整的全球数字高程数据” (截至2009年6月30日), 是由美国国家航空与航天局(NASA)与日本经济产业省(METI)共同推出的最新的地球电子地形数据, 该数据根据NASA的新一代对地观测卫星TERRA的详尽观测结果制作而成。

ASTER-GDEM数据中95%地区的水平精度为30 m, 垂直精度为20 m, 网格单元中只要有面积大于等于 0.01%的陆地就能生成图像。尽管数据精度在不同地区可能有差别, 但与分辨率为90 m的SRTM 3数据精度相比, 已经有了很大的改进。高精度的数据对于研究小尺度的地貌特征是十分重要的, 它比分辨率只有90 m的SRTM 3数据更能反映喀斯特地貌(诸如峰丛、峰林等)的地貌特征。

本研究是在ArcGIS 9.2软件平台上进行的。在提取坡度参数之前, 对ASTER-GDEM数据进行了预处理, 包括格式转换、投影转换以及数据拼接等, 投影方式为Alberts等积圆锥投影。首先生成研究区数字高程图像(图1(a)), 然后再利用ArcGIS 平台提取坡度值生成坡度图像(图1(b))。

图1 研究区数字高程与坡度图像Fig.1 Map of DEM and slope

2.2 地貌面提取与分级

2.2.1 地貌面提取

先利用ArcInfo GRID模块的slope命令计算研究区的坡度值; 然后在ERDAS下即可得到栅格数据的坡度统计曲线, 坡度的峰值在1° 左右(图2); 最后以1° 为阈值提取研究区地貌面, 在此基础上再进行掩模运算, 即得到地貌面的海拔高程(以下简称高程)值。

图2 研究区坡度分布直方图Fig.2 Histogram of the slope

2.2.2 地貌面分级

在ERDAS下, 得到的地貌面栅格数据的高程统计曲线如图3所示。

在地貌面高程分布直方图中可以清楚地看到若干个高程峰值, 在峰值附近一定高程区间内的栅格所对应的地貌面构成一级地貌面, 代表一次地质事件。根据云南、贵州及桂北、湘南等地区的地貌面高程分布直方图统计结果, 本文将研究区内层状地貌划分为以下5级: Ⅰ 级(1 840~1 930 m)、Ⅱ 级(1 230~1 300 m)、Ⅲ 级(780~890 m)、 Ⅳ 级(280~410 m)和Ⅴ 级(90~135 m)。

图3 云南地区与贵州及邻区地貌面高程分布直方图Fig.3 Histogram of the geomorphic surface elevation in Yunnan and Guizhou

3 地貌面概述

贵州省及其邻区的多级地貌面的高程呈现出自东向西逐渐抬高的趋势(图4、图5)。

图4 贵州省及邻区地貌面分布图(红线为剖面位置)Fig.4 Distribution of geomorphic surface in Guizhou and its adjacent region(red line is the location of profile)

图5 DEM剖面图(剖面位置见图4)Fig.5 DEM profile (profile location is showen in Fig.4)

基于上述地貌面提取结果, 结合ETM影像的二维及三维(图6)判读, 本文将贵州及其邻区的地貌面划分为以下4级:

图6 地貌面三维影像图Fig.6 3D image of geomorphic surfaces

Ⅰ 级: 海拔高程1 840~1 930 m。在黔西地区呈面状零星分布, 为海拔高程相近的残留峰顶面(如图6红框内所示); 在滇中地区的南盘江流域表现为宽阔的阶地; 在黔西北与云南交界的鲁甸及滇中嵩明地区则形成开阔的盆地。

Ⅱ 级: 海拔高程1 230~1 300 m。大量分布于黔中地区, 在黔北地区零星分布, 表现为海拔高程相近的河流阶地(如洱海河等)及喀斯特峰丛, 在贵阳附近形成开阔的盆地。

Ⅲ 级: 海拔高程780~890 m。大量分布于黔北、黔南和黔东地区, 表现为面状分布且峰顶海拔高程相近的喀斯特峰丛(如在北盘江河谷两侧)及河流阶地(如摆老河), 其受褶皱、断裂控制明显。

Ⅳ 级: 海拔高程280~410 m。零星分布于黔东及湘西地区, 表现为海拔高程相近的丘陵、山间盆地及河流阶地(如清水江、渠水等), 受断裂控制, 呈明显的带状分布。

此外, 在桂北地区还存在海拔高程在90~135 m的地貌面, 表现为柳江两岸宽阔的河流阶地。

本文仅对贵州省内分布的各级地貌面进行了统计(表1)。

表1 贵州省各级地貌面面积 Tab.1 Areas of geomorphic surfaces in Guizhou
4 多级地貌面分析
4.1 前人工作总结

贵州地区地处青藏高原东南缘, 对于该区域的夷平面研究由来已久。多数学者对贵州面状地貌的研究主要是与青藏高原进行对比, 认为第三纪贵州与青藏高原有着相同的地质、地貌演化过程。目前, 对于贵州夷平面存在着不同的认识, 其中争论的主要问题是剥蚀面是一级还是多级?如果是多级剥蚀面, 那么级数应该如何划分?以及大娄山期夷平面是否存在等问题。对于古近纪剥蚀面是否存在这一问题大多数学者持否定意见, 对于新近纪以来区域剥蚀面的对比划分分歧较大, 但对于普遍存在的多次隆升并且现在仍处于隆升之中的看法还是一致的。

早在20世纪40年代, 杨怀仁就提出了贵州地貌发育期的划分方案[5], 该方案依据地貌面的海拔高程和相关沉积物, 以地文期的概念将贵州地貌发育期划分为大娄山期、山盆期及乌江期, 其时代分别为古近纪、新近纪及第四纪。林树基根据在大娄山期地貌面的峰顶面没有发现相关的沉积物等证据和资料认为, 大娄山期地貌面广泛存在的可能性是不大的, 只有在新近纪存在过一个起伏不大的夷平面(即山盆期夷平面)[6]。

秦守荣认为, 贵州多级剥夷面是在新近纪以来形成的, 他根据地域性图切剖面及分水岭剖面研究, 将贵州夷平面详细地划分为9级, 并以地文期的概念将贵州划分为3个大期9个亚期[7]。李兴中根据区域地质构造及地层岩性资料分析认为, 大娄山期剥夷面是不存在的[8]。

黄明华将我国西南地区划分为3级剥夷面, 海拔高程分别为1 100~2 000 m、600~900 m和400~500 m, 并认为1 100~2 000 m的山顶面是古夷平面的残余[27]。这与本文的统计结果是相似的。

4.2 提取结果分析

贵州及其邻区位处稳定陆块内, 地壳呈大面积同步间歇性持续上升, 是形成多级地貌面的内在因素; 由东向西的侵蚀作用, 是多级地貌面形成的外在因素。多级地貌面的分布格局及其自西向东破坏程度的加剧, 正是新构造期承袭太平洋为终极基准、河流自东向西溯源侵蚀的结果。喜马拉雅运动是波及贵州及其邻区的一次造山运动, 区内强烈的构造运动不可能使古近纪以前的地貌遗存下来, 故多级地貌面是新近纪以来形成的。从地貌面发育趋势来看, 贵州及其邻区可以划分为3个梯级地貌单元, 而且在各级梯级地貌单元之间并无大的断裂存在, 这应该是多次侵蚀夷平的结果[1, 28]。

从夷平面的定义出发, 在一定区域内, 应当只存在一级夷平面, 而其他的多级地貌面不能归为夷平面的范畴, 应当称之为剥夷面, 即遭受剥蚀作用但未达到夷平面程度的地表面。在已提取出的4级地貌面中, 海拔高程在1 840~1 930 m的Ⅰ 级地貌面为夷平面, 而Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 级地貌面应为剥夷面。多级面状地貌的分布不仅显示出隆升活动的问歇性, 而且反映出新生代以来贵州及其邻区间歇性持续抬升, 经历了3次以上的抬升-停滞活动周期, 各次抬升的幅度为300~500 m左右, 并且现在仍处于抬升之中。

4.3 野外调查验证

对研究区基于GIS技术的地貌面提取结果进行了野外地质调查和验证。结果表明, 其中1 300 m左右高程的山顶面是真实存在的, 表现为如图3所示的齐高的山顶面(图7(a)); 1 840~1 930 m高程的地貌面在黔东北梅花山地区也可以清晰地观测到, 并且在这级地貌面上广泛分布有喀斯特峰丛及溶洞漏斗(图7(b), 图上红框内显示了该级地貌面, 可见喀斯特峰丛; 箭头指示岩溶漏斗)。鉴于野外地质调查条件限制, 未能对Ⅲ 、Ⅳ 级地貌面进行调查验证, 这将是下一步的工作内容。

图7 1 300~1 400 m山顶面及1 840~1 930 m地貌面Fig.7 Geomorphic surfaces of 1 840~1 930 m and 1 300~1 400 m

5 结论

(1)基于DEM空间分析技术进行大尺度地貌定量分析是一个新的尝试, 具有传统的构造地貌研究方法不可比拟的优势, 其为研究地形地貌特征提供了便捷、有效的方法, 具有良好的实用价值。

(2)通过本文的研究, 对基于数字高程模型的面状地貌研究基本摸索出了一套较为完整的研究思路及工作流程, 取得了一些经验, 并首次得到了研究区的剥夷面的高程、分布范围、面积等定量数据, 为下一步的研究工作奠定了基础。

(3)经野外地质调查与验证, 本文的研究方法可行且有效, 并为进行地貌研究开展其他定量分析提供了新的思路。

The authors have declared that no competing interests exist.

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