基于DEM的湘桂交界处夷平面的地貌特征研究.pdf

第32卷 第4期 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）Vol.32 No.4 2023年7月 Journal of Hunan City University（Natural Science）Jul.2023 基于DEM的湘桂交界处夷平面的地貌特征研究 刘芬良，薛 云，黄长军，席 振，熊立伟，杨亚夫(湖南城市学院 市政与测绘工程学院，湖南 益阳 413000)摘 要：湘桂交界处南岭西段山地上广泛发育了夷平面，而对其地貌特征进行定量分析有助于加深对该区地貌演化的认识本文基于30 m的DEM数据，在ArcGIS 10.3中，通过均值变点法和最小误差分析法分别限定夷平面的高程和坡度，并结合面积指标，提取了该区的夷平面结果显示，该区夷平面的坡度介于013，海拔介于1 4161 780 m，且主要分布在南山、鸡公山和越城岭上，面积分别为165.41、154.41和83.75 km2；夷平面主要切割印支期、加里东期和燕山期花岗岩；结合坡向分析显示，3座山脉的夷平面分布高程大体一致，且接近水平，这表明这些夷平面为一个区域性夷平面的残余面，且该区地形曾经历了漫长的侵蚀夷平阶段，其后期构造抬升以水平抬升为主；夷平面的广泛存在表明该区地形演化还处于地貌侵蚀循环的青壮年期，也是南山牧场形成的地质背景 关键词：夷平面；DEM；地形分析；湖南-广西 中图分类号：P931.2 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1672-7304.2023.04.0004 文章编号：16727304(2023)04001908 Research on the geomorphological characteristics of the planation surfaces at the junction of Hunan and Guangxi based on DEM LIU Fenliang,XUE Yun,HUANG Changjun,XI Zhen,XIONG Liwei,YANG Yafu(School of Municipal and Geomatics Engineering,Hunan City University,Yiyang,Hunan 413000,China)Abstract:The planation surface is widely developed in the western part of Nanling Mountains at the junction of Hunan and Guangxi,and the quantitative analysis of its geomorphological characteristics is helpful to deepen the understanding of the geomorphological evolution in this area.Based on the 30 m DEM data,in ArcGIS 10.3,this paper uses the mean change point method and the minimum error analysis method to limit the elevation and slope of the planation surface respectively,and combined with the area index,it extracts the planation surface of this area.The results show that the slope of the planation surface in this area is between 013,and the altitude is between 1 4161 780 m,and it is mainly distributed on the Nanshan Mountain,Jigong Mountain and Yuecheng Mountain,with an area of 165.41 km2,154.41 km2 and 83.75 km2,respectively.The planation surface mainly cuts the Indosinian,Caledonian and Yanshanian granites,and the slope aspect analysis shows that the elevation distribution of the planation surface of the three mountains is roughly the same and close to the level.This shows that these planation surfaces are the remnants of a regional planation surface,and the topography of the area has experienced a long stage of erosion and flattening,and the later tectonic uplift is dominated by horizontal uplift.The widespread existence of planation surface indicates that the topographic evolution in this area is still in the youth of geomorphological erosion cycle,and it is also the geological background for the formation of Nanshan pasture.Key words:planation surface;DEM;terrain analysis;Hunan-Guangxi 夷平面是由于剥蚀和夷平作用所产生的，以截面形式切过一切年龄上先于它的地层和构造的一种平缓地形1，也是一种古老地形面2根据成因机制不同，夷平面又可区分为准平原、山麓剥蚀平原、刻蚀平原等3因为夷平面具有高度的时间依赖性和区域的可对比性，成为了反演区域长尺度地貌演化历史常用的地貌标志4 夷平面要成为一个有用的地貌标志，需要对 收稿日期：2022-07-01 基金项目：国家自然科学基金项目(42101005)；湖南省自然科学基金项目(2021JJ40023，2021JJ50155，2021JJ30076)；湖南省教育厅科研项目(20B106，21A0510，18B448)第一作者简介：刘芬良(1987)，男，湖南益阳人，副教授，博士，主要从事流域地貌、河流过程与环境变化研究E-mail: 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2023年第4期 20 其进行准确的识别，并详尽了解其空间分布特征和地貌形态在过去，研究者主要依赖于野外考察和对地形图的直接分析5-7，工作繁重，且效率低，不适合大区域的研究从 20 世纪 70 年代开始，随着计算机和遥感技术的快速发展，获取高精度数字高程模型(DEM)数据成为可能DEM是对地球表面形态特征的数字表达，研究者利用它可以对地表形貌特征进行定量化分析，进而辨别各类地貌单元因此，基于 DEM 数据对多种地貌参数进行综合分析成为近年来研究者识别夷平面的主要方法如Clark等8将坡度为1.210和相对高差小于 600 m 的区域作为判别青藏高原东南缘的古地貌面也即夷平面的依据；Xiong 等9基于 DEM 数据，采用峰顶聚类评估方法对夷平面进行了提取；马振华等10基于 DEM 数据，利用坡度、高程和面积 3 个地貌指标对青藏高原东北缘马衔山夷平面特征进行了研究；许锐等11基于 DEM 数据对于浙江四明山古夷平面分布范围进行了研究；Liu 等12基于 DEM 数据和模糊逻辑方法，利用坡度、曲率、地表粗糙度和相对高度4 个地貌指标对青藏高原东南缘的夷平面进行了提取和分析 南岭是我国重要的自然地理分界线和纬向构造带之一，同时也是长江、珠江、闽江等流域的分水岭，由诸多东北-西南向的山岭联合构成以往的研究表明，该地区部分山地的山顶上保存着面积可观的夷平面13-14目前仅通过野外考察和遥感影像进行了识别，并没有对该区夷平面的地貌特征进行定量分析本文拟基于 DEM 数据，对湖南(湘)-广西(桂)交界处的南岭西段山地上的夷平面进行提取，并对其地貌特征进行定量化分析，进而探讨该地区的地貌演化与构造变形 1 研究区概况 研究区地处湘桂交界处的北段(见图 1)，在构造上位于扬子地块与华夏地块的过渡地带，其上分布了许多南北走向的断层(部分断层贯穿山体)，主要岩层为印支期、加里东期和燕山期花岗岩、上元古代沉积岩、奥陶纪沉积岩等从地形上看，该区域位于南岭西段，是我国第 2 和第 3 级阶梯的转变带，主要由 3 座山脉组成(从西到东分别是南山、鸡公山和越城岭)，地形起伏大，平均海拔约 2 000 m这些山脉构成长江支流水系(沅江、资江和湘江)与珠江支流水系的分水岭，且其均为东北西南走向(几乎平行)，山顶平坦开阔并广泛分布着草地其中，八十里大南山是我国南方重要乳业基地南山牧场的所在地在气候上，该区域位于亚热带季风性气候区，夏季温度较高，降水较多，在冬季没有严寒，降水较少在气温上，8 月平均气温通常高于 22；1 月的气温大约为 0 15 在降水上，年降水量为 1 306 1 708 mm，且夏季降水通常约占全年降水量的70%15 图 1 研究区位置和地形 刘芬良，等：基于DEM的湘桂交界处夷平面的地貌特征研究 第 32 卷 21 2 研究数据与方法 2.1 研究数据 本文使用的数据为 ASTER GDEM(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model)，是由美国航天局(NASA)与日本经济产业省(METI)共同推出的全球数字高程数据该数据几乎覆盖了83N83S 之间的所有陆地区域，水平分辨率为30 m，垂直分辨率为 20 m该数据可以从地理空间数据云(https:/ ArcGIS 10.3 中对下载的原始数据进行投影变换、拼接、裁剪后，可获得研究区的 DEM数据经检查，发现研究区内DEM数据无空洞，数据质量良好，满足研究要求 2.2 研究方法 根据夷平面的地貌特征，夷平面可以被一套用来描述平顶山地的地貌参数来描绘其中，坡度和海拔是描述这种地形最常用的地貌参数组合 坡度是描述地表倾斜程度的重要地貌参数根据坡度，我们可以识别出一个区域中的水平地面，而夷平面位于坡度较小处在 ArcGIS 10.3内，坡度可以使用空间分析工具中的标准化模块“slope calculate”计算得到因为有其他低洼的水平地区存在，如湖泊、山间盆地、宽阔的河谷谷底等，使这些地区并非夷平面(夷平面一般存在于流域的分水岭)，因此，单独一个坡度参数并不能有效地识别一个区域内潜在的夷平面，还需要对平坦地形面分布的海拔高度进行约束在以往的研究中，夷平面分布高程的确定主要是根据典型区域的实地测量或高程分布频率分析，而坡度的确定或者参考其他地区夷平面的坡度数据，或者通过对典型夷平面分布区的坡度进行分析，进而应用到整个区域由于后期构造抬升和侵蚀的影响，不同地区的夷平面在形态上存在一些差异，因此，过去将典型区域或其他区域夷平面的高程和坡度数据推广到区域的做法有较大的随机性和主观性，显然不利于准确提取一个地区夷平面的特征为了避免地貌指标范围选取的随机性和主观性，首先，采用均值变点法对研究区的山脊和沟谷线进行分析，并通过提取变点位置来限定夷平面的高程；然后，在此基础上利用最小误差法对比变点位置与坡度的关系，进而确定夷平面的坡度；最后，综合分析高程和坡度数据，并结合面积指标，提取夷平面的空间分布范围 2.2.1 均值变点法确定高程指标 由于夷平面与周围地形之间表现为显著的地势不整合，因此，延伸至夷平面上的山脊线或沟谷线就表现为 1 条“S”型曲线由于这条曲线的上段向上凸出，那么在这段曲线上必然存在 1 个明显的坡折点(即地形坡度由陡变缓或者由缓变陡的地形转折点)，本文称之为变点变点的位置代表了山顶平坦夷平面与周围陡峭地形的界限，也即夷平面的边界因此，求取变点的高程就可以代表夷平面边界的高程研究发现，这种上凸的曲线可以用指数函数进行很好的拟合，因此，可以转化成均值变点模型对于有且只有 1 个变点的均值变点模型，最小方差法是确定变点位置最简单有效的方法其具体计算过程如下：1)首先，围绕夷平面在 Google Earth 中选取典型地形剖面，以山脊线为主，沟谷线作为一种补充；然后，在 ArcGIS 10.3 中对每条剖面线在水平距离上每隔 30 m打断成点，并从 DEM 中提取每个断点的高程；最后，导出剖面线上每个断点的高程数据至 Excel 中 2)将剖面线高程数据记为序列 Ri其中，Ri为剖面线各断点所对应的高程值；i 为高程点序列号，由 1 到 n 3)对序列 Ri取对数，得到序列 Xi 4)将序列 Xi以 xi点为界分为 2 段，并分别计算每段样本的算术平均值1 ix和2ix，以及样本均值x，则有统计量：112211221 12()(),iiititittiSxxxx (1)21().niiSxx (2)其中，Si和 S 为均值变点分析法中间计算值；t1=1，2，i1；t2=i，i+1，n 5)计算 S 与 Si的差值，并确定最大值最大值所对应的点即为变点 2.2.2 最小误差法确定坡度指标 虽然变点位置可以代表夷平面的边界，但是适合求取变点的位置有限，且变点是非连续的，加之由变点所围限的夷平面并不精确，因此，还需要结合其他指标来表示夷平面的范围夷平面最显著的特征就是地形平缓，因此，可以设定一定的坡度阈值来反映夷平面的分布范围为了确定合适的阈值，可以变点位置为夷平面边界的真实位置，测量各变点到不同坡度边界的最小距离该距离即为对应坡度边界与夷平面边界的误差 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2023年第4期 22 利用此误差的均值来确定各坡度边界与夷平面边界的整体误差，其中最小整体误差所对应的坡度就是最佳坡度为了减少研究区内微地形对夷平面提取结果完整性的影响，在求坡度之前对 DEM数据进行了平滑处理，即：使用 99 空间均值滤波器对 DEM 数据平滑了 5 次，发现 5 次平衡以后结果基本稳定，达到了平滑目的 3 结果与分析 3.1 高程指标的确定 根据上述高程指标的确定方法，首先在研究区 3 座山脉上选取了 28 条典型山脊线和 15 条典型沟谷线共 43 条剖面线(见图 2)其中，越城岭有 17 条剖面线；鸡公山有 9 条剖面线所选取的剖面线均从夷平面上延伸至山脚，其拟合效果非常好(R2均值为 0.957，每组数据均达到统计学要求)然后，求得这 43 个剖面线的变点高程和位置，具体结果见图 2、表 1 和表 2 由计算结果发现，所有剖面变点的高程分布在海拔为 1 4161 780 m其中，山脊线变点的高程分布在海拔为 1 4161 780 m；沟谷线变点的高程分布在海拔为 1 4721 767 m 图 2 地形剖面线和变点位置 表 1 研究区山脊线变点 编号 变点高程/m 编号 变点高程/m 1 1 416 15 1 650 2 1 677 16 1 709 3 1 657 17 1 698 4 1 704 18 1 617 5 1 618 19 1 629 6 1 629 20 1 480 7 1 557 21 1 565 8 1 747 22 1 650 9 1 780 23 1 456 10 1 676 24 1 529 11 1 659 25 1 478 12 1 737 26 1 528 13 1 674 27 1 595 14 1 652 28 1 512 3.2 坡度指标的确定 根据上述最佳坡度指标确定方法，在 ArcGIS 10.3 中利用生成近邻表工具统计不同坡度阈值(518)下分布图边界与 43 个变点之间的最小距离(即与山顶面边界的误差)，并计算出误差均值，最后以此均值来判断整体数据的最小误差结果显示，13的坡度边界与变点的整体误差均值最小这表明 13边界与山顶面边界的贴合最好本文取研究区的南山作为参考对比其坡度细节，也验证了该坡度的准确性这进一步表明，对研究区来说，提取山顶面的最佳坡度指标为 13 表 2 研究区沟谷线变点 编号 变点高程/m 编号 变点高程/m 1 1 767 9 1 700 2 1 617 10 1 625 3 1 640 11 1 661 4 1 472 12 1 618 5 1 695 13 1 608 6 1 750 14 1 580 7 1 666 15 1 566 8 1 567 以往学者们提取夷平面使用的坡度指标大多为 4178,12,16-17，而本文所提取出的最佳坡度 刘芬良，等：基于DEM的湘桂交界处夷平面的地貌特征研究 第 32 卷 23 指标为 13，位于该范围内，可见是合理的 3.3 夷平面的提取与分析 根据上述夷平面的高程指标与坡度指标，同时基于 DEM 数据，在 ArcGIS 10.3 中利用栅格计算器提取海拔为 1 4161 780 m且坡度小于 13的区域结果显示，提取出来的区域共有 320 个，面积为0.000 9122.48 km2，总面积为428.91 km2，平均面积为 1.34 km2，这表明这些区域中包含了很多面积较小的碎斑由于夷平面具有一定的面积，这些小的碎斑虽然在高程和坡度特征上满足夷平面的条件，但实际上并非真正的夷平面，而可能是人工作用造就的平台，因此需要对这些面积较小的碎斑进行删除和合并综合前人所使用过的面积指标12，本文以 0.1 km2作为夷平面面积的下限，将面积0.1 km2的斑块删除，当斑块之间的最小距离小于 200 m 时，将小斑块合并至大斑块中提取结果显示，通过删除和合并小的碎斑后，研究区内共有夷平面斑块 161 个，面积为 0.1122.48 km2，总面积为 403.56 km2，平均面积为 2.29 km2，且其主要分布在南山、鸡公山和越城岭上(见图 3)图 3 夷平面的空间分布 为了检验夷平面提取结果的可靠性，我们选择了一个典型区域，并将提取出来的夷平面与基于高分辨率卫星遥感图像目视解译出来的夷平面进行了对比分析(见图 4)发现，通过指标法提取出 图 4 典型区域指标法与遥感影像目视解译提取出来的夷平面之间的对比 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2023年第4期 24 的夷平面与通过对遥感影像进行目视解译提取出来的夷平面的边界线基本重合，仅在局部细节上存在微小差异前者提取出来的夷平面的面积为12.42 km2，后者为 12.41 km2，两者之间仅相差0.01 km2考虑本文所用 DEM 数据分辨率仅为30 m，单个栅格所造成的面积误差可达0.009 km2，而组成典型区域边界的栅格达 232 个，累计所造成的最大误差可达 2.08 km2，因此，我们认为以上误差是在可信范围内的 南山山顶非常广阔，是南山牧场所在地其夷平面面积最大，为 165.41 km2在海拔为 1 4161 780 m 之间面积最大的一块夷平面就位于该山的顶部即南山顶该夷平面的南部被珠江支流水系切割明显，且已经被深切河谷分割成两半其北部夷平面表现为长条状，沿山脊分布，其海拔高度有所降低；在西边的山地上也分布着面积较大的夷平面，该夷平面成为了柳江支流浔江与沅江支流巫水的分水岭，其海拔高度有所降低南山以东为鸡公山，与南山平行这座山上也分布了大面积的夷平面，面积为 154.41 km2，主要分布在海拔 1 4161 780 m之间相对于南山而言，鸡公山上的夷平面被水系侵蚀切割严重(夷平面上并不平坦)，可以将其分成北部、中部和南部 3 个主要区域其中，北部的夷平面保存较好；中部次之；南部的夷平面保存较差鸡公山以西为越城岭，其山顶平坦，夷平面的面积为83.75 km2，主要分布在海拔 14161718 m 之间其西侧主峰真宝顶高出夷平面，可以视为残余山 4 讨论 4.1 夷平面的成因 目前，对于分布在青藏高原及其周缘的这种高海拔、低起伏地形面的成因机制存在争议传统的观点为夷平面即先前的低海拔平缓地形面被后期构造抬升后遭受河流侵蚀切割的结果18-20，但最近有学者认为这种地形可以在造山过程中随着水系的调整与袭夺而形成被夺河下游段由于失去了上游流域面积，水量减少，河流侵蚀和搬运能力降低，河谷发生堆积而逐渐填平，同时两侧山坡逐渐蚀低，最终导致被夺河的流域地形变得平缓，并不需要构造抬升作用21地形演化模拟结果显示，这 2 种模型所形成的高海拔平缓地形具有明显不同的形态夷平面的残余地形一般位于水系分水岭，且在地面被稳定同步抬升的情况下，将保存在一个统一的高程之上(这些面可以有起伏和区域性倾斜)；在水系袭夺模型下形成的高海拔平台地形面会被水系分水岭所围限，直到水系调整的最后阶段，且在高程上的分布非常随机，其高程取决于袭夺后所历经的时间22 广泛分布在湘桂交界处山岭上的平坦地形面是如何形成的呢？研究区的这些夷平面主要分布在山顶，构成了长江支流资江、沅江流域与珠江支流浔江流域的分水岭对夷平面的传统定义中，有切割不同时代地层的说法，即不同时代沉积地层发生大幅度褶皱甚至岩层直立后又被切平通过将提取出来的平坦地形面与中国 1250 万的数字地质数据进行对比分析发现，研究区的这些夷平面切割了不同时代的岩性地层(见图 5)其中，南山上的地形面主要切割上元古代变质岩与沉积岩、侏罗纪花岗岩、寒武纪沉积岩；鸡公山上的夷平面主要切割志留纪花岗岩、侏罗纪花岗岩、上元古代沉积岩、寒武纪沉积岩和奥陶纪沉积岩；越城岭上的夷平面主要切割志留纪花岗岩、奥陶纪沉积岩、上元古代变质岩和侏罗纪花岗岩这些位于山顶的平坦地形面无差别地削平了该区域一切古老的地层，特别是不同时期的侵入岩其中，花岗岩一般侵入在当时地表以下 530 km的深度，一旦出露地表并表现为一个面，这就意味着上面几千米甚至几十千米的岩层均被剥离并削平因此，从这方面来看，这些山顶平坦地形面是地表接受长期侵蚀夷平作用而形成的低海拔地形面，也就是说，目前位于山顶的这些地形面是曾经的1 个低海拔的侵蚀面后期遭受构造抬升的结果经统计分析得到，研究区地形面分布区主要为坚硬的花岗岩，且海拔越高，夷平面面积越大这符合一个区域性的高海拔平台地形面被水系逐步切割解体的特征 4.2 夷平面对区域构造活动与地貌演化的指示 研究区处于雪峰构造带，分布着许多断层其中有些断层直接贯穿夷平面，如越城岭的夷平面就被一条南北向的断层贯穿为了探讨夷平面在构造抬升中的变形，本文对夷平面所在区域的坡向进行了统计分析，并分别制作了 3 座山脉上夷平面的坡向分布玫瑰图，见图6由图6可知，3 座山脉上夷平面均整体略微向南方倾斜，但大体上保持水平，这说明该区整体以水平抬升为主，受到的掀斜作用有限；3 座山脉上夷平面的分布高程大体一致，这说明 3 座山脉之间构造抬升幅 刘芬良，等：基于DEM的湘桂交界处夷平面的地貌特征研究 第 32 卷 25 度几乎一致夷平面曾经是一个接近区域侵蚀基准面的地形面，则根据其目前分布高度和区域侵蚀基准面的高度，可以大致推断一个区域的构造抬升幅度以邵阳盆地为基准(该盆地目前的平均海拔约为 300 m)，那么，将夷平面的高程和邵阳盆地的高程进行对比可知，夷平面自渐新世形成以来，该地区的山地被构造活动整体抬升了约1 700 m 图 5 岩性、断层与夷平面的空间分布 戴维斯地貌侵蚀循环理论认为，一个准平原地形在被构造抬升后，将遭受以流水为主的外营力侵蚀，并开始新的侵蚀循环周期根据地表形态，这个周期又可以划分为不同的侵蚀阶段，分别为幼年期、青壮年期和老年期在幼年期，由于侵蚀时间不长，原始地面破坏不大，分水岭平缓，山顶上还保留有大片夷平面的残余；在青壮年期，地表切割剧烈，形成深切峡谷，地形起伏大，分水岭狭窄，山顶原始地面几乎侵蚀殆尽；在老年期，随着地形逐渐蚀低，地形变得平缓，形成具有残丘的准平原18越城岭和鸡公山上夷平面的广泛存在表明，虽然湘桂交界处的南岭西段山地上的夷平面形成时间较早，但该区的地形演化尚未达到均衡，还处于地貌演化的青壮年期山顶上夷平面的长期存在可能得益于其所切割的花岗岩基底这是因为花岗岩相对于其他沉积岩层来说，较为坚硬，不容易侵蚀，有利于夷平面的长期保持由此可知，夷平面在该地区的广泛存在为南山上能够形成优良牧场提供了良好的地质背景 图 6 夷平面的坡向分布 湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版）2023年第4期 26 5 结论 本文基于 DEM，通过分析高程和坡度 2 个主要的地貌指标，对湘桂交界处的夷平面进行了提取和分析结果显示：该区夷平面分布在海拔为1 4161 780 m、坡度小于 13的区域，且主要分布在南北走向的八十里大南山、鸡公山和越城岭上(其上夷平面的面积分别为 165.41、154.41 和83.75 km2)；3 座山脉上夷平面分布高程基本一致，且夷平面几乎水平，均切割印支期、加里东期和燕山期花岗岩这表明这些夷平面为区域统一的夷平面被后期构造抬升后，再遭水系侵蚀切割，且受后期构造变形作用弱夷平面的广泛存在表明，该区地形演化尚处于地貌演化的青壮年期，也是南山牧场得以形成的地质背景 参考文献：1 徐叔鹰.论夷平面的成因、年龄与变形J.兰州大学学报(自然科学版),1963(2):96-106.2 WIDDOWSON M.The geomorphological and geological importance of palaeosurfacesJ.Geological Society,London,Special Publications,1997,120:1-12.DOI:10.1144/GSL.SP.1997.120.01.01.3 潘保田,高红山,李吉均.关于夷平面的科学问题兼论青藏高原夷平面J.地理科学,2002,22(5):520-526.4 ADAMS G F.Planation surfaces:peneplains,pediplains,and etchplains.Benchmark Paper in Geology 22M.Stroudsburg PA:Dowden,Hutchington and Ross,1975.5 FRIDLEY H M,NOLTING J R J P.Peneplains of the Appalachian PlateauJ.The Journal of Geology,1931,39(8):749-755.6 COLE W S.Identification of erosion surfaces in eastern and southern OhioJ.The Journal of Geology,1934,42(3):285-294.7 KNOPF E B.Correlation of residual erosion surfaces in the eastern Appalachian HighlandsJ.Bulletin of the Geological Society 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