數(shù)字地形模型在泥石流發(fā)生發(fā)育特征研究中的應用_圖文

1、第19卷第3期云南農(nóng)業(yè)大學學報V ol119N o13 2004年6月Journal of Y unnan Agricultural UniversityJun.2004數(shù)字地形模型在泥石流發(fā)生發(fā)育特征研究中的應用王霖琳,東野光亮(山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,山東泰安271018摘要:泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種易對人民的生產(chǎn)、生活條件和生存發(fā)展空間造成嚴重破壞的自然現(xiàn)象,其發(fā)生、發(fā)展受諸多因素影響,但其中地形地貌條件是影響泥石流發(fā)生發(fā)育的主要因素。隨著計算機技術和3S技術的發(fā)展,在GIS平臺上,利用地形圖、遙感影像等建立數(shù)字地形模型(DT M,模擬地面形狀,提取地形信息,對泥石流現(xiàn)象進行研究,將

2、是一種新的思路和方法。本文以M APG IS地理信息系統(tǒng)為工具,以地形圖為數(shù)據(jù)源,建立DT M,結合土地利用相關資料,分析了山東省下港鄉(xiāng)泥石流發(fā)生發(fā)育原因及特征,為這一研究進行了有益的探索。關鍵詞:DT M;泥石流中圖分類號:P642.23文獻標識碼:A文章編號:1004-390X(200403-0298-06The Appliance of Digital T errain Model in R esearch on the Character of Debris Flows Occurrence and G row thWANG Lin2lin,DONGYE Guang2liang(C o

3、llege of Environment and Res ources,Shandong Agricultural University,T aian271018,ChinaAbstract:Debris flow is one natural phenomenon which can destroy the existence and development condi2 tions for people severely.Its occurrence and growth is affected by many factors.But the terrain facator is the

4、first one.Digital T errain M odel(DT Mis a very g ood tool for terrain parameters analysis.This paper used MAPGIS geographical in formation system(GISand took X iajiang of Shandong province as an study area to research debris flow valley.We used elevation contours from topographic map of the study a

5、rea to generate a digital terrain m odel(DT M.It als o can simulate the topographic features and display the landform charac2 teristics.Then a useful method for research on debris flow was offered.K ey w ords:digital terrain m odel;debris flow泥石流是地質災害的一種,是一種有較高密度,飽含砂、礫的固液氣三相流體,暴發(fā)突然、速度快、來勢兇猛、破壞力大,對人類

6、的生產(chǎn)、生活活動和生存、發(fā)展空間有嚴重危害的自然現(xiàn)象1。泥石流形成的因素很多,也很復雜,按各因子的歸屬和泥石流發(fā)育過程的作用特征,可以歸并為自然因素和人為因素兩大類,自然因素中,又可細分為地形特征、地質環(huán)境和氣候氣象3個主要方面。其中泥石流流域內地形諸因素及其相互關系,是泥石流發(fā)育的根本條件2。地形的起伏、坡度、坡向不僅決定了土壤水分、土壤的發(fā)育、植被的生長,影響著土地利用方式和降水的空間分布,而且還控制著徑流收稿日期:2003-10-31基金項目:山東省自然科學基金項目(Y2000D06;山東省教育廳項目(J01L03作者簡介:王霖琳(1978-,女,碩士研究生,主要研究方向為地質環(huán)境監(jiān)測。

7、 流向與河網(wǎng)水系的形成及發(fā)育。因此,調查流域的地形條件對于研究泥石流的形成和發(fā)展具有非常重要的意義。泥石流多發(fā)生在山區(qū),地形復雜,野外調查需耗費大量的人力、物力。近年來,計算機技術以及3S (G PS ,GIS ,RS 的發(fā)展,有可能通過計算機系統(tǒng)模擬復雜的地貌形態(tài)。本文是在MAPGIS 地理信息系統(tǒng)的支持下,通過數(shù)字化地形圖等高線,派生出與泥石流研究相關的坡度圖、坡向圖、流域圖等,構建數(shù)字地形模型(簡稱DT M ,展現(xiàn)復雜的泥石流形成區(qū)的地貌景觀,然后在DT M 支持下,結合實地調查等其他資料,對泥石流的發(fā)育背景及形成特征加以分析,為泥石流發(fā)育環(huán)境的研究提供了新的思路。1研究區(qū)概況研究區(qū)域設

8、在山東省泰安市岱岳區(qū)下港鄉(xiāng)火石岔村背面山坡上。下港鄉(xiāng)位于泰安市東北部,北與濟南市的章丘市、歷城區(qū)為鄰,南同岱岳區(qū)祝陽鄉(xiāng)搭界,東與萊蕪市接壤,西與黃前鎮(zhèn)相連。山東省地處我國東部,固有的地理位置和氣候條件均不利于泥石流的形成,因而歷史上少有泥石流發(fā)生。但是2000年8月8日,泰山山脈的濟南泰安交界地帶暴發(fā)泥石流,造成1800余間房屋被毀,直接經(jīng)濟損失達1億多元,21人遇難,敲響了山東省地質災害的警鐘。泰山為山東省最高的山脈,主峰海拔1545m ,山勢雄偉,地勢普遍陡峭,地形坡度比較大;同時,隨著氣候的變遷以及人類活動的影響,泰山山麓堆積了大量松散第四紀沉積物及其上發(fā)育的土壤,如遇大的降雨,則可飽和

9、大量水分,使得其下部成為泥石流災害的危險地段,直接威脅到下部的火石岔村村民的生命財產(chǎn)安全。研究區(qū)地形為純山區(qū),全鄉(xiāng)耕地1995hm 2,人均01049hm 2,農(nóng)作物多以小麥、玉米、地瓜為主,另外種植果樹,如山楂、栗子等,人均純收入2810元。近年來隨著山區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展以及人口數(shù)量的增加,人們開始過渡開墾坡地,壘砌梯田,村民對生態(tài)環(huán)境的破壞促進了山區(qū)地質災害的發(fā)生,另外山區(qū)村莊多建在山谷谷口,處于山洪及泥石流的下泄方向上,民房選址不當則是造成人員重大傷亡的一個主要原因 。圖1研究區(qū)域地形圖Fig 11T opographic map of study area2研究方法2.1數(shù)字地形模型的建立數(shù)

10、字地形模型(DT M 簡稱數(shù)模3,是以數(shù)字的形式,通過計算機系統(tǒng)建立的表示實際地形特征的空間分布模型,也是地形形狀大小和起伏的數(shù)字描述。數(shù)字表示方式包括:離散點的三維坐標(XY Z 、由離散點組成的規(guī)則或不規(guī)則的格網(wǎng)結構,以及依據(jù)數(shù)字地面模型及一定的內插和擬合算法自動生成的等高線圖、斷面圖、坡度圖等等。將現(xiàn)有的地形圖數(shù)字化,從數(shù)字化地形圖中取得建立數(shù)字地形模型的數(shù)據(jù)點,是建立數(shù)字地形模型的常用方法。本研究以研究區(qū)域110000紙質地形圖為數(shù)據(jù)源,基本等高距為10m ,采用MAPGIS 地理信息系統(tǒng)軟件建立數(shù)字地形模型。具體步驟如下:2.1.1預處理對研究區(qū)域的地形圖件以及其它統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析。

11、確定數(shù)據(jù)源和研究范圍。2.1.2掃描矢量化將地形圖掃描,運用MAPGIS 的輸入編輯功能對等高線進行屏幕跟蹤矢量化,由于山區(qū)地形復雜,一般采用交互式矢量化,并運用MAPGIS 矢量化菜單中高程自動賦值,對等高線標賦高程值;另外,對于一些不易測得等高線的離散高程點也進行矢量化并進行標賦高程。并在DT M 分析模塊中將二者進行合并。2.1.3拓撲檢查對以上矢量化產(chǎn)品進行編輯、檢查、拼接以生992第3期王霖琳,等:數(shù)字地形模型在泥石流發(fā)生發(fā)育特征研究中的應用 成拓撲關系完整的矢量圖。2.1.4生成TI N模型利用軟件中等高線提取高程點,產(chǎn)生不規(guī)則三角網(wǎng)(TI N,每個三角形代表一個局部平面(地表單元

12、,對應于一個平面方程,根據(jù)這類方程可計算出各自的格網(wǎng)點高程,生成TI N數(shù)據(jù)并進行內插,以使整個研究區(qū)域都含有高程值,然后進行基于TI N模型的相關分析。2.1.5生成G RI D模型將TI N數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理,本試驗采用距離冪函數(shù)反比加權網(wǎng)格化模型,使得離散高程點處于等間距的格網(wǎng)平面上,最后得到具有一定水平間距的規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù),即G RI D模型。2.1.6圖形疊置將TI N模型、G RI D模型分析所得坡度、坡向等圖形與數(shù)字高程模型以及土地利用信息等進行疊加,構成數(shù)字地形模型 。圖2研究區(qū)域數(shù)字高程模型Fig12Digital elevation m odel of study area表

13、1研究區(qū)域高程分級T ab11The elevation degrees and their percentage derived from DE M of study area 高程范圍/m<360360390390420420450>450所占比例/%517271237192312612表2研究區(qū)域坡度分級T ab12The slope degrees and their percentage derived from DT M of study area坡度分級/°<10102020303040>40所占比例/%141010133719271210172

14、.2數(shù)字地形模型的分析2.2.1泥石流發(fā)育的地形因子分析地形條件是對泥石流發(fā)育分布起控制性的條件1。泥石流形成的主要因素是當?shù)氐牡刭|、地貌、氣候和水文持征,地形取決于地質構造、巖石性質和氣候,地質構造、巖石性質和氣候,又決定著徑流的特征,所以地形充分反映了泥石流形成的這些最主要因素的特征。地形條件中的地貌形態(tài)特征的分異,決定了泥石流空間分布的總格局,也決定了泥石流溝谷的基本參數(shù)和主要特征2。不同的地貌形態(tài)和不同參數(shù)特征值的組合形式,在泥石流溝的發(fā)育程度、活動性規(guī)律等方面均有著不同的影響。另外,(前蘇穆斯塔法庫洛夫還研究過泥石流發(fā)育分布、活動性與地形坡向之間的關系。他指出由于太陽熱力對山坡坡向作

15、用不對稱的影響,北半球的南向坡和西向坡的山地,泥石流發(fā)育的程度、暴發(fā)的強度和危害性,均大于北向和東向的山坡2。這是對泥石流003云南農(nóng)業(yè)大學學報第19卷發(fā)育分布在大區(qū)域規(guī)律性方面的研究,這從另一個角度說明了地形在泥石流發(fā)育中的作用地位上的重要性。綜上所述,地形地貌條件,或它的主要參數(shù)特征值的相互組合形式,對泥石流發(fā)育分布,以及災害的性質,發(fā)生場所的分布等,都起著控制性的作用,但是,因此利用DT M 進行地形因子信息的提取,對于泥石流的研究將具有十分重要的意義。2.2.2數(shù)字地形模型分析利用MAPGIS 系統(tǒng)強大的分析功能,采用雙滅點透視投影,以45°傾斜角生成研究區(qū)域數(shù)字高程模型(圖

16、2,數(shù)字高程模型是數(shù)字地形模型中屬性為高程的部分。海拔分級見表1。海拔高度決定了該地區(qū)所接受的太陽輻射和相應的熱輻射所損失的能量,引起當?shù)販囟群退謼l件的遞變,形成了當?shù)氐男夂驐l件,山頂冬夏之分不明顯,且雨量偏多 。圖3研究區(qū)域坡度分級與等高線疊加圖Fig 13The integrated map for slope andelevation contours of study area(1坡度分級圖(圖3在TI N 模型、G RI D 模型的基礎上,確定海拔、坡度、坡向分級指標,從數(shù)字地形模型提取各指標的分級圖。地形高程在GIS中,由數(shù)字高程模型顯示,地形變化程度則一般用坡度來表示,有研究

17、發(fā)現(xiàn)山地坡度為1030°時,有利于泥石流發(fā)育5,也有研究者指出坡度3040°泥石流發(fā)生的概率為515°的7倍6,但是各地的泥石流發(fā)生情況還與當?shù)仄渌h(huán)境要素相關。根據(jù)研究區(qū)當?shù)貙嶋H情況,作者將研究區(qū)坡度進行了5級分級。分級比例見表2。通過系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn),該地坡度在1040°的占總研究區(qū)域的7514%,這個坡度不僅能夠產(chǎn)生較大的勢能,而且有利于松散固體物質的形成,為泥石流的形成提供了便利條件。從坡度與等高線以及流域分布疊加圖,可以看到主溝兩側坡度較大,山坡坡面呈“S ”形山頂比較渾圓,經(jīng)過平緩頂面向下短距離內即有一個陡坎,坡度一般在6070°,構成

18、山坡上部,這一部位是泥石流、滑坡開始啟動和積累動能的部位。到山坡下部,坡度明顯變緩,有的經(jīng)過2040°的緩坡過渡,有的直接由陡坡轉為10°左右的緩坡。當上坡巖體開始滑動并迅速加速后,下坡大量堆積物就會帶著巨大的慣性推動沿途和前面的堆積物運動,造成摧毀性的破壞。當泥石流運動到地勢開闊平坦的部位,逐漸停止運動,形成大量泥砂礫石堆積,徹底改變了原有的環(huán)境 。圖4研究區(qū)域坡向分級與等高線疊加圖Fig 14The integrated map for slope and elevationcontours of study area(2坡向分級圖(圖4MAPGIS 中,將坡向0360

19、°從正北方向開始進行分類,分為水平面和另外8個朝向共9個分類。以正北方向為0°,按順時針方向旋轉,337152215°為正北方向,然后每45°一個方向,分別分為東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北八個方向,并分別計算了各個朝向在整個流域中所占地比例,見表3.將坡向與等高線疊加圖分析結果和實地調查植被資料再進行疊加分析,可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域北、東北向的坡地,植被分布較好,而西南、南向的坡地,由于日照時間長,太陽輻射強,土壤水分含量低,植被分布較差,坡面侵蝕較其它方向嚴重,因此產(chǎn)生的松散固體物質也多。通過計算發(fā)現(xiàn)西向坡、103第3期王霖琳,等:數(shù)字地形模型在

20、泥石流發(fā)生發(fā)育特征研究中的應用南向坡的分布比例占4411%,占到整個研究區(qū)域的接近一半,而且東向坡也有不同程度的侵蝕,所以整個山體坡面侵蝕較為嚴重,因而也有利于泥石流的形成。2.2.3圖形疊置分析疊置分析是一種常用的地圖分析方法,它和數(shù)據(jù)庫技術相結合,將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一操作,將信息系統(tǒng)中存儲的多種資源與環(huán)境因素疊加起來,以研究不同因素在不同組合中的狀況和變化,并進行多要素綜合分析和評價。經(jīng)過要素分析和GIS疊加分類,疊置數(shù)字高程模型與坡度圖和坡向圖,生成數(shù)字地形模型,以反映出不同地貌部位的高程、坡度、坡向等各項信息的特征及發(fā)育程度,然后結合其它的植被、地質條件、土地利用現(xiàn)狀等圖形、文件資

21、料,進而確定泥石流發(fā)生的影響因素及危險程度,為泥石流研究提供資料。表3研究區(qū)域坡向分級T ab13The aspect degrees and their percentage derived from DT M of study area 坡向水平正北東北正東東南正南西南正西西北角度范圍/°003371522152215671567151121511215157151571520215202152471524715292152921533715所占比例/%13142161515241616141512618515012從整個數(shù)字地形模型可以看出,高程在400m 以上的山體,坡度一般

22、大于40°,一般耕作難以進行,植被中林木以幼年黑松林為主,也有少量洋槐、麻櫟等闊葉樹種。草本較差,林木郁閉度在60%左右。但由于土層淺薄,植物難以扎深根,且土壤砂性強,物理性狀差,植物抗沖刷的能力比較弱。高程在400m以下的山體,坡度較小,大多為土石山,因此多被開發(fā)為梯田,植被多以經(jīng)濟作物如栗樹等為主。從實際調查看,該區(qū)植被能夠抵御一般的水土流失,但隨著村民開墾坡地、壘砌梯田地進行,對自然植被也有了一定的破壞。而且由于村后山谷坡陡路短,山洪下泄沒有緩沖的余地,直接能夠沖擊到村莊。村后谷內土層較厚,群眾逐級壘為梯田,種上了果樹,當洪水來到時,谷內梯田不僅可為泥石流提供充分的物質來源,也

23、使泥石流能量逐級放大,起到推波助瀾的作用。另外,山區(qū)農(nóng)民由于生活習慣,從DT M也可看到,民房一般建于谷口平坦地帶,且垂直于山谷走向,又恰位于出流路徑上,當泥石流到來時,眨眼之間幾乎整個村子就可消失。因此,從整個DT M分析結果看,研究區(qū)域發(fā)生泥石流的危險性較大,但由于未結合氣象資料,因此還不能準確預測泥石流發(fā)生的具體時間及規(guī)模,這將有待于進一步研究。3結語總之,數(shù)字地形模型作為空間數(shù)據(jù)庫的某個特定結構的數(shù)據(jù)集合,可以以現(xiàn)有地形圖為基礎,將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)結合起來,提取各種地形因子,能對地面形態(tài)進行綜合分析,因此成為資源和環(huán)境信息調查中不可缺少的組成部分,已廣泛應用于農(nóng)林、水利、石油、氣象、

24、交通、地質等學科的研究過程中。但它在泥石流發(fā)生發(fā)育過程中的應用還不多見,而地形因子又是影響泥石流發(fā)生發(fā)展的首要因素,因此在地形復雜的山地丘陵區(qū),以地形圖為數(shù)據(jù)源,利用GIS系統(tǒng),建立數(shù)字地形模型,可以方便地提取泥石流研究所需要的坡度、坡向等信息,進而分析泥石流發(fā)生、發(fā)育的過程,可以在泥石流調查研究過程中省去很多的人力、物力,為泥石流研究的進行提供科學依據(jù)和先進方法,因此具有較高的理論價值和實踐意義。但在DT M建立及應用過程中,也還存在一些需要注意的問題:(1由于現(xiàn)有地形圖有固定的等高距,因此,如果等高距太大則難以準確反映地面真實情況,特別對于地形的特征部位如鞍部、山谷線、山脊線等都需特別處理

25、,否則就會在DT M中顯示一些平面區(qū)域,因此在數(shù)據(jù)源的選取時,應盡量選用等高距小的地形圖;(2G RI D模型中,網(wǎng)格的大小決定了數(shù)據(jù)的密度。網(wǎng)格過大將不能夠真實地反映地貌,陡坡變緩坡,影響DT M精度。相反,網(wǎng)格過小則會產(chǎn)生許多數(shù)據(jù)冗余,因此,網(wǎng)格大小的確定應視實地地形而定,以便在數(shù)據(jù)量盡量小的前提下準確反應地面特征。參考文獻1楊德麟.數(shù)字地面模型J.測繪通報,1998,(3:37-44.2譚萬沛,王成華.暴雨泥石流滑坡的區(qū)域預測與預報203云南農(nóng)業(yè)大學學報第19卷第 3 期 王霖琳 ,等 : 數(shù)字地形模型在泥石流發(fā)生發(fā)育特征研究中的應用 M . 成都 : 四川科學技術出版社 ,1994.

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30、 , ( 7 :22 9 MATTHIAS BRAUN ,J EFFERSON CARDIA SIMES ,et al. . ( 上接第282 頁 63 倍 ( Th - A 和 153 倍 ( Th - B , 從取樣深度與施 短時期內的一個研究方向 . 入深度不一致來看 , 以及在第 40 d 從地表下 8 cm 處取樣來看 ,處理小區(qū)中的木霉菌量比空白對照高 出很多倍 ,表明兩個木霉菌株在土壤中有很強的定 參 考 文 獻 1 徐同 . 木霉分子生物學研究進展 J . 真 菌 學 報 , 1996 ,15 (2 :143 - 148. 2 PAPAVIZAS G C. Trichoderma and Gliocladium : biology , topathol. ,1985 ,23 :23 - 54. 殖能力 ,以及從施入土層向地表擴展 , 具有很強的 擴展能力 .特別是木霉 Th - B 的定殖能力和擴展 能力明顯優(yōu)于 Th - A. 然而 , 從空白對照來看 , 土