基于ArcGIS的条带剖面提取方法及在地貌分析中的应用

基于ArcGIS的条带剖面提取方法及

在地貌分析中的应用

邹斌文1,2, 马维峰2, 龙昱2，1,2，侯圣山3

(1中国地质大学研究生院，湖北，武汉,430074； 2中国地质大学地球科学学院，湖北，武汉，430074；

3中国地质环境监测院，北京，100081)

摘 要: 条带剖面提取方法是利用数理统计原理，获得垂直于剖面线方向上一定缓冲区范

围的高程信息，计算最大、最小和平均高程以及地形起伏度，把地形剖面图对线状地形起伏特征的描述转化为对面状地形起伏特征的描述。本文基于ArcGIS 9.3对三峡地区SRTM-DEM数据进行了条带剖面提取方法研究，实现了基于ArcGIS的条带剖面提取技术流程。应用条带剖面对三峡地区地形地貌进行了初步的定量分析。研究表明，该方法可快速提取条带剖面，能准确获取高程属性的相关统计参数，对地形地貌信息提取和定量分析具有一定价值。

关键词: 条带剖面；ArcGIS；提取方法；SRTM-DEM；地貌分析

1 引言

地形剖面能够直观反映地形表面形态，并定量分析沿特定方向的地形起伏变化，在地形分析中具有重要作用[1]。传统线状地形剖面具有直观、形象、操作简单等优点，但剖面线选取往往具有一定的主观性，易受剖面线周边区域微地貌起伏影响，了其在地貌研究中的应用。基于DEM的条带剖面提取方法可以获取一定条带或整个研究区范围的地形起伏特征，可以定量、客观地描述一定区域内地貌的高程属性的变化情况，故成为地貌定量分析研究的有力工具[2]。

条带剖面已广泛应用于宏观地形地貌分析和信息提取研究。Fielding等通过统计青藏高原地区100km×5km条带剖面 ，结合坡度分析，认为青藏高原现今的地貌特征，特别是北部及中部地区具有低坡度分布的特点[3]。张会平等基于SRTM-DEM数据，利用高程条带法(Swath Profile) 获取了区域地形起伏度并初步实现了黄土高原典型地区侵蚀量的定量化分析[4]。李勇等利用数字高程地形剖面将青藏高原东缘分为4个大尺度地貌单元[5]。赵尚民等 国家自然科学基金（40901242），三峡库区三期地质灾害防治重大科研项目(SXKY3-6-1-200911)联合资助 作者简介：邹斌文，男，硕士研究生，湖南衡阳祁东人，主要从事GIS应用与开发、数字城市方面的研究。E-mail: zoubinwen@163.com

基于SRTM-DEM数据，综合采用了线状地形剖面和带状地形剖面方法，对青藏高原北缘公格尔山地区地形梯度进行了剖析[6]。高程条带剖面已成为地貌综合分析的重要工具，但是对条带剖面的提取具体方法和流程却少有论述，而目前大部分地理信息系统软件，如ArcGIS和MapGIS都只提供了线状地形剖面图的绘制功能，有必要开展基于常用GIS软件的条带剖面的提取方法研究。

2基于ArcGIS的条带剖面提取方法

2.1条带剖面(Swath Profile)方法

Fielding等将条带剖面方法定义为：在数字地形图上设定宽度，确定一条带状区域范围，以指定间距生成数条与等高线相交的平行剖面线；然后在垂直于剖面线方向上，按采样间距计算出最大高程值、最小高程值和平均高程值；最后在地形剖面图中用三条曲线来定量地描条带剖面与传统地形剖面最根本的区别是能够反映出面述条带状区域内的地形起伏特征[7]。

状区域内的地形起伏变化特征，为定量分析地形信息变化情况提供了直观的视角，有助于判断区域内宏观地形地貌的变化趋势[8]。

2.2 基于ArcGIS的条带剖面提取流程

本文利用ArcGIS 9.3的功能模块实现了提取高程条带所表征的地形信息（最大高程、最小高程、平均高程、地形起伏度），最后利用Excel软件来实现剖面曲线的绘制，条带剖面提取流程如图1所示。

DEM数据 绘制条带（矩形）生成格网 平移、旋转 矢栅转换 分类区统计 绘制剖面曲线 图1 条带剖面提取流程图

Fig.1 Procedure chart of Swath profile extraction

2.3 条带剖面提取方法步骤

利用ArcGIS 9.3提供的绘图功能及空间分析等模块对三峡地区SRTM-DEM数据的条带剖面信息提取的基本步骤如下：

(1)绘制矩形。

以经过预处理的三峡地区SRTM-DEM数据为底图，利用ArcMap中的高级编辑工具条(Advanced Editing)中的矩形绘制工具(Rectangle Tool)在新建的面图层上绘制矩形。本文绘制的矩形定义宽度为5 km，长度为300 km。

(2)生成格网。

利用Arctoolbox中的Create Fishnet工具来生成格网。用已绘制的带状矩形作为输入模板，设置格网宽度(Cell Size Width)、格网高度(Cell Size Height)均为5 km，最后生成1列60此时生成的格网为要素类(Feature)文件，要将Feature行的格网条带，每个格网大小为5 km2。文件转换成Shape格式的面文件。

(3)布局格网。

将格网(Shape文件)选中并移动到合适的位置，利用ArcMap中的编辑工具条(Editor)中的旋转工具(Rotate Tool)进行旋转、微移，使格网条带延伸方向尽量垂直于构造线方向，并尽可能覆盖更多的地貌单元，最后删除超出研究区范围的冗余格网。

(4)矢量格网转换成栅格格网。

打开字段编辑器(Field Calculator)， 输入VBA赋值命令对其ID字段赋予唯一的整数值（从0开始，以1为间隔），然后利用ArcToolbox中的Feature to Raster工具对格网条带按ID字段来转换栅格网格，这样生成的每个栅格格网的Value字段有不同值。

(5)分区统计分析。

在空间分析模块下选择分区统计(Zonal Statistics)，在分区图层(Zone dataset)下选择已生成的栅格格网图层，然后在Zone Field下选择Value字段；再在Value raster栏中选择三峡地区SRTM-DEM数据图层，最后输出结果属性表。

(6)绘制高程、起伏度曲线。

将生成的属性表导入到Microsoft Excel表格，对提取的MAX字段(最大高程)、MIN(最小高程)、MEAN(平均高程)、RANGE(高程差即起伏度)及对应距起点的距离进行统计分析，最后生成高程、起伏度曲线图。

图2 三峡地区DEM灰度图

Fig.2 Grey-scale map of the Three Gorges region DEM data

最大高程2400210018001500最小高程平均高程起伏度高程/m12009006003000114274053667992105118131144157170183196209222235248261274287300距起点距离/km

图3 三峡地区条带剖面图

Fig.3 Swath profile graph of the Three Gorges region

3三峡地区地貌分析应用实例

3.1研究区及数据源

为验证所提取的条带剖面在地貌综合分析中的实用性，我们利用已提取的条带剖面图对三峡地区的地形地貌进行了初步分析（图3）。研究区域基本覆盖了湖北宜昌市至重庆云阳县的范围（108°28′～111°40′ E，30°08′～31°46′ N）。

本文以SRTM-DEM数据(水平精度90m)为数据源，由于研究区地势陡峭，河谷深切，这种地貌特征导致该地区SRTM-DEM数据中存在少量数据缺失区域。在进行地貌分析前对

SRTM-DEM数据中存在的无数据区域进行填充，得到连续的地面高程数据[9,10]。通过对SRTM-DEM数据质量进行评价后认为，其精度可以满足本次研究的需要[11]。

3.2 实验方法

在此区域内，斜跨长江和清江提取一条沿NW-SE走向，长300 km、宽5 km的条带状区域（图2）。条带剖面图中的最大高程、最小高程、平均高程和起伏度曲线（图3）分别反映了条带区域范围内沿剖面方向上的山脉峰顶、水系沟谷、平均海拔高度和切割剥蚀程度等地形特征。

3.3 结果分析

三峡地区以大巴山脉和巫山山脉为骨架，形成以中山、低山和峡谷为主的侵蚀地貌景观，长江河谷呈东西向镶嵌其中。三峡地区地貌形态及规模明显受地质构造控制，在新构造运动影响下，山体上部有多级台面（夷平面）发育，显示出峰峦叠嶂的层状地貌景观。从图2、图3中可以看出，三峡地区地势总体上为南北两侧高，中部的长江一线最低，东部为地势缓和的江汉平原边缘，是地势较低的地区。

根据剖面的地势和地貌变化特征由西向东大致可分为四个地貌区：

(1)西部中低山区 该区平均高程在1600 m以上，最大高程为2200 m左右，地势起伏度极大。该区最大高程、平均高程、地势起伏度都在四个地貌区中最大，属中、低山峡谷区，其特点是地势陡峻、地形崎岖。

(2)中江一线低山峡谷区 平均高程为1100 m左右，河床面平均高程低于300 m，地势起伏度较大，主要是该区长江及支流河谷深切，呈现沟谷纵横、坡陡谷深、山体破碎的地貌景观。从最大高程曲线可以看出，海拔1500 m的峰顶面大致在一条水平线上（图3），被谢世友等划分为低夷平面，该级夷平面围绕高夷平面分布，分布范围很广，高度为1300-1500m，是隆升山地的主体地面，主要形成长江一级支流的分水岭[12]。

(3)南部中山区 主要为长江和清江的分水岭，平均高程在1400 m以上，地势起伏度较大。从最大高程曲线可以看出，海拔1800 m左右的峰顶大致在一条水平线上（图3），表现形式是由等高山峰密集排列组成的峰顶面，为高夷平面[12]。多数学者认为，高度为1700～2000 m的高夷平面是三峡地区存在的最高山顶夷平面，这些夷平面主要是原始地面被切割破坏后的残留形态，多分布在平坦山原的边缘位置或隆起带的边界地带。

(4)东南部低山丘陵区 该区最大高程不超过1000 m，自西向东逐渐降低，呈现窄岭宽谷的地貌形态。最东部为江汉平原西部边缘地区，在条带剖面上表现为高程最大值、平均值、最小值曲线高度拟合，海拔高度低于100 m，地势缓和，为全区地势最低的地区。

图4 传统地形剖面图

Fig.4 Traditional topographical profile graph

4讨论与结论

使用ArcGIS 9.3自带的地形剖面图(Profile Graph)工具绘制的三峡地区线状剖面如图4(剖面线起止点与图3相同)，虽然这种传统的地形剖面图也能直观地反映剖面线上的高程变化，但与条带剖面图(图4)对比可发现，线状剖面反映的只是微地貌形态在剖面线上的变化，对剖面线两侧的地形信息没有涉及，且在剖面线的选取上存在较大的主观性和随意性。条带剖面则可以准确获取一定带状区域范围的高程统计信息（最大、最小、平均高程及地形起伏度），在一定程度上降低了线状地形剖面图在剖面线选择上的主观性，较为准确地表征了地球表面本身具有的面状地形起伏特征。

本文针对目前常用GIS软件只有简单的地形剖面绘制功能，缺乏条带地形剖面绘制功能这一问题，基于ArcGIS 9.3对三峡地区SRTM-DEM数据进行了条带剖面提取方法研究，实现了基于ArcGIS的条带剖面提取技术流程，可以快速方便的完成条带剖面的绘制。应用条带剖面方法对三峡地区地形地貌进行了实验研究和初步的定量分析，研究表明，该方法可快速提取条带剖面，准确获取高程属性的相关统计参数，对地形地貌信息提取和定量分析具有一定价值。

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