基于不同分辨率DEM的林芝市冻融侵蚀区分布特征

Distribution characteristics and causes of freeze-thaw erosion area in Nyingchi City based on DEM with different resolution

摘要

随着全球气候变暖成为热点话题，土壤侵蚀也逐渐受到重视，成为全球生态安全问题之一，藏东南作为我国重要的生态安全屏障，在气候变暖背景下，其土壤侵蚀问题逐渐显露。本通过对林芝市不同分辨率DEM的计算处理。对林芝市冻融侵蚀区空间分布特征及其影响因素进行比较分析，获得不同空间分辨率DEM对其影响情况。结果表明：（1）5～30 m分辨率下，林芝市以南冻融侵蚀区分布范围较小，多以岛状分布，以北分布范围较广，成片分布，且冻融侵蚀区的范围以高大山脉为主要聚集地；30～1 000 m分辨率下，冻融侵蚀区的分布较为集中，基本成片分布；（2）5～30 m分辨率下计算出的冻融侵蚀区基本满足精度要求，结合对不同分辨率DEM下计算出的冻融侵蚀区面积进行计算，5分辨率的DEM是该研究区内冻融侵蚀区描述的理想分辨率；（3）林芝市的冻融侵蚀普遍存在，北部和西部冻融侵蚀区分布相对集中，以岛状、带状成片分布；林芝市以南冻融侵蚀区分布范围较小，多以岛状分布。（4）5～30 m分辨率也可用于林芝市冻融侵蚀区的计算。其余分辨率存在位置或面积的偏差，不适用于林芝市冻融侵蚀区的计算。

Abstract

As global warming has become a hot topic, soil erosion has gradually attracted attention and become one of the global ecological security issues. Southeast Xizang, as an important ecological security barrier in China, has gradually revealed soil erosion problems under the background of climate warming. This paper is based on the calculation and processing of different resolution DEM in Nyingchi City. The spatial distribution characteristics and influencing factors of freeze-thaw erosion area in Nyingchi City were compared and analyzed, and the influence of different spatial resolution DEM on it was obtained. The results show that: (1) At 5-30m resolution, the distribution range of freeze-thaw erosion zones in the south of Nyingchi City is small, mostly in the form of islands, and the distribution range is wider and distributed in patches in the north, and the main gathering place of freeze-thaw erosion zones is tall mountains; At 30-1000m resolution, the distribution of freeze-thaw erosion zones is concentrated and basically distributed in sheets. (2) The freeze-thaw erosion area calculated at 5-30m resolution basically meets the accuracy requirements. Combined with the calculation of the freeze-thaw erosion area calculated at different resolution DEM, the DEM with 5 resolution is the ideal resolution to describe the freeze-thaw erosion area in the study area; (3) Freeze-thaw erosion is widespread in Nyingchi City, and the distribution of freeze-thaw erosion areas in the north and west is relatively concentrated, with island-like and banded distribution; The freeze-thaw erosion area south of Nyingchi City has a small distribution range, mostly in the form of islands.

Graphical abstract

关键词

不同分辨率 / 冻融侵蚀 / 空间分布 / DEM

Key words

different resolutions / freeze-thaw erosion / spatial distribution / DEM

水土流失，是21世纪世界性环境问题之一。冻融侵蚀是我国水利普查中的重要内容之一。调查显示：我国冻融侵蚀区总面积高达172.48万km²，分布冻融侵蚀区的8个省（区）中，西藏自治区冻融侵蚀面积最大，约占总面积的48.90%^[1]。绝大部分的冻融侵蚀主要分布在东北地区、西北高山区和青藏高原地区^[2]。而青藏高原是我国冻融侵蚀最集中和最强烈的区域^[3]。青藏高原因海拔高、气温日/季较差大、降水时段相对集中、冻融交替频繁、地质结构松散等多方面的原因，使得区域土壤结构变得松散，一方面为水力、风力、重力侵蚀等的物质来源，加重土壤侵蚀^[3-8]，影响坡面土体的稳定^[9,10[。另一方面已成为区域土壤侵蚀最直接的驱动因素，在冬春季节因冻融作用引起的土壤侵蚀、地质灾害已成为高原的生态环境和人类活动安全的重要挑战^[3-4,11-16]。

冻融侵蚀的研究首先要明确冻融侵蚀区位置。冻融侵蚀区边界遥感提取法中，波段比值法^[17]、雪盖指数法^[18]等应用较多，但受到冰川区表碛和非冰川区地物光谱特征较为相似的限制，该方法对表碛覆盖型冰川的提取效果较差^[19]。张建国等^[2]利用气温、经纬度和海拔，结合30 m分辨率DEM影像推导出冻融侵蚀区下界海拔公式，可用于对青藏高原冻融侵蚀区进行计算，也已被广泛应用在我国冻融侵蚀区分布研究。然而，林芝市冻融侵蚀更为特殊，气候条件复杂，水热交换频繁，气温日/季较差大，降水充沛，时段相对集中，导致冻融交替频繁。区域多高山峡谷，坡积物发育，地形复杂，也在一定程度使得林芝冻融侵蚀空间分布更为复杂。冻融侵蚀也成了区域生态环境功能发挥的重要挑战。因此，明确林芝市冻融侵蚀空间分布位置是解决林芝市冻融侵蚀的重要科学依据。

过去在冻融侵蚀空间分布研究上取得的成果对于林芝市冻融侵蚀分布研究具有重要的指导意义。然而林芝复杂的自然环境，使得采取何种分辨率DEM影像开展区域冻融侵蚀空间分布研究还值得探索。因为，不同分辨率率DEM影像对地形的概括作用大不相同。随着分辨率的增大，地形因素被概括变得集中，尤其是在以高原山地为主要地形的研究区内，地势落差较大，分辨率降低后一些地形起伏被高度概括。其次该研究区内沟谷河流较窄，随着分辨率的增大，山地山脉高大的地形起伏变化将较窄的河流河谷概括，导致整体地势偏低，进而影响冻融侵蚀区的空间分布特征。但冻融侵蚀区的位置需通过影像数据进行确定，也将受影像分辨率的影响，同一个研究区域，相较于低分辨率的栅格数据，高分辨率的栅格数据精度高、误差小，同时带来数据集分析计算时间长、评价效率低等问题^[18]。因此，根据评价精度和评价效率选择合适的DEM分辨率尤为重要。

本文拟选取当前能收集到的5 ～1 000 m 8种分辨率DEM影像，基于张建国、刘淑珍的冻融下限分布模型开展林芝市冻融侵蚀空间分布特征，探索在林芝市开展冻融侵蚀空间分布研究所需能满足精度需求和工作量适当的DEM影像。研究结果对完善和认识林芝市冻融侵蚀分布具有积极作用，也能为林芝市相关部门开展冻融侵蚀动态变化监测、生态环境保护提供科学理论依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

DEM影像数据为2020年BIGmap-谷歌地图，包括：5 m、12.5 m、30 m、60 m、90 m、250 m、500 m、1 000 m的不同分辨率数据。

1.2 研究方法

冻融侵蚀区下界的含义：冻融侵蚀是高寒地区由于温度的变化，导致土体或岩石中的水分发生相变，体积发生变化，以及由于土壤或岩石中不同矿物的差异胀缩造成土体或岩石的机械破坏，被破坏的土体或岩块在重力等作用下被搬运、迁移、堆积的整个过程。一般认为冻融侵蚀发生在多年冻土区，然而人们发现在多年冻土区外围100～300 m的范围内，外力作用仍以冻融作用为主，地貌类型也以冻融侵蚀地貌(冰缘地貌)为主^[13-15]。冰缘区与多年冻土区就其冰缘地貌形成环境条件及形态类型来说，二者之间存在许多共同之处，一些实属冰缘的形态在多年冻土区之外亦有出现。因此，如果以西藏多年冻土区的下界作为冻融侵蚀区的下界，显然缩小了冻融侵蚀区的范围。冻融侵蚀区的下界与冻土学中冰缘区的下界更为接近，取冰缘区的下界作为冻融侵蚀区的下界更为合理，并认为在此基础上再降低200 m作为冻融侵蚀区的下界是可行的。^[2]

本文对不同分辨率的DEM栅格数据进行中心点提取，再由提取的点数据进行经纬度和高程的计算，通过公式1：

H=\frac{\mathrm{66.3032}-\mathrm{0.9197}{X}_{\mathrm{1}}-\mathrm{0.1438}{X}_{\mathrm{2}}+\mathrm{2.5}}{\mathrm{0.005596}}-\mathrm{200}

(H为冻融侵蚀区下界海拔/m、X₁为纬度、X₂为经度)计算林芝市冻融侵蚀区的下界^[2,20]。提取方法如下：①下载不同分辨率地形数据。②用DEM提取纬度（X₁）图层和经度（X₂）图层；③计算冻融侵蚀区下界海拔（H）图层；④利用DEM高程图层与冻融侵蚀区下界海拔（H）图层做差，计算冻融侵蚀区与非冻融侵蚀区；⑤叠加冻融侵蚀区图层和土地利用类型图层，将在冻融侵蚀区内的冰川、湖泊、沙漠等数据剔除。

2 数据分析

2.1 冻融侵蚀空间分布特征

如图1所示，5 m分辨率下的冻融侵蚀区，林芝市北部和西部冻融侵蚀区分布相对集中，以岛状、带状成片分布；林芝市南部则分布极少。这与当地复杂多变的地形条件和气候条件密切相关，冻融侵蚀区以北部高大的山脉为主要聚集区，半湿润气候下造成的降水相对较多，高大的山脉使得日/年温差大。水热交换更加频繁，对土壤或岩石的胀缩作用更强，造成土体或岩石的机械破坏得更大，为冻融侵蚀的发生创造了极有利的条件。说明5 m分辨率下的DEM在计算冻融侵蚀区分布中相对准确，满足大尺度冻融侵蚀区的空间计算。

12.5 m和30 m分辨率下的冻融侵蚀区，空间分布结果基本一致，北部和西部冻融侵蚀区分布相对集中，以岛状、带状成片分布；林芝市南部则分布极少。与5 m分辨率下的冻融侵蚀区不同的是，东部区域冻融侵蚀面积相对减少。因为不同分辨率的DEM所表达的信息量不同，随着分辨率的降低，对地形的概括增大，地形因素被概括变得集中，尤其是在以高原山地为主要地形的研究区内，地势落差较大，分辨率降低后一些地形起伏被高度概括，使得整体海拔相对偏低，从而影响冻融侵蚀的空间分布。

60 m、90 m分辨率下的冻融侵蚀区，空间分布结果与5 m、12.5 m、30 m分辨率下的冻融侵蚀区结果大不相同，北部和西部冻融侵蚀区分布相对集中，但以岛状呈分散型分布；林芝市南部则没有分布，且冻融侵蚀区分布面积明显减少，不符合该研究区实际。两种分辨率不适用于该地的冻融侵蚀研究。

250 m、500 m、1 000 m分辨率下的冻融侵蚀区分布，主要集中在林芝市西部和东北部，呈面状分布，与该研究区实际严重不符。因此三种分辨率也不适用于林芝市的冻融侵蚀研究。

汤国安等^[20]对DEM的描述中，5 m是保证该地区地形描述精度的理想分辨率，而5 m分辨率在对林芝市冻融侵蚀的研究中相对准确，可作为林芝市冻融侵蚀区划分的理想分辨率。12.5 m、30 m在林芝市冻融侵蚀区的计算中相对准确，但不是最理想的分辨率，可用于更大范围的冻融侵蚀区计算。60 m、90 m、250 m、500 m、1 000 m计算出的冻融侵蚀区与实际不符，不可用于冻融侵蚀区的计算。

2.2 冻融侵蚀空间分布面积比例

对不同分辨率下计算出的冻融侵蚀区面积进行统计，如图5所示，5 m、12.5 m、30 m、60 m、90 m、250 m、500 m、1 000 m分辨率下计算出的冻融侵蚀面积分别为19.43%、19.17%、18.51%、16.91%、13.78%、17.66%、23.50%、16.13%。分辨率由5 m转达90 m时，冻融侵蚀面积不断缩小，变化趋势较平缓；90～500 m，冻融侵蚀面积增大，变化趋势急剧上升；500 ～1 000 m，冻融侵蚀面积减小，化趋势急剧下降。最大值出现在 500 m分辨率处的DEM，笔者认为在此出现最大值的原因主要是，该分辨率下更多的微地形被概括，所以增加幅度变大；最小值出现在90 m分辨率下，出现此现象的主要原因与该地区地形密切相关，该地区沟谷河流较窄，随着分辨率的增大，山地山脉高大的地形起伏变化将较窄的河流河谷概括。

总之，受该研究区地形地貌的影响，随着分辨率的增大，地形因素被概括变得集中，尤其是在以高原山地为主要地形的研究区内，分辨率降低后一些地形起伏被概括，致计算结果中，最大值呈下降趋势，最小值呈上升趋势，而5 m分辨率下的冻融侵蚀区计算结果更为精确。

2.3 冻融侵蚀空间分布差异性评价

以5 m分辨率下计算出的冻融侵蚀区为基础，12.5 m和30 m分辨率下的冻融侵蚀区，空间分布结果基本一致，面积差在1%以内；60 m、90 m分辨率下的冻融侵蚀区，空间分布结果与5 m分辨率下的冻融侵蚀区结果差别较大，中心点基本一致，但以重合的中心点为基础，其位置发生收缩，面积缩小2.52%～5.65%之间。发生的位置主要在，高山中部的沟谷地区；250 m、500 m、1 000 m分辨率下的冻融侵蚀区空间分布结果大不相同，其分布位置发生了重大的偏移，偏移位置主要分布在，林芝市西部和北部地区，面积也有所增减，250 m和1 000 m分辨率下的冻融侵蚀面积分别减少1.77%和3.30%，500 m分辨率下的冻融侵蚀面积有所增加，面积增加4.07%。

3 结论

（1）林芝市冻融侵蚀区空间分布特征如下：

5～30 m分辨率下，林芝市以南冻融侵蚀区分布范围较小，多以岛状分布，以北分布范围较广，成片分布，且冻融侵蚀区的范围以高大山脉为主要聚集地；30 ～1 000 m分辨率下，冻融侵蚀区的分布较为集中，基本成片分布。

（2）5～30 m分辨率下的冻融侵蚀区计算结果与遥感数据下的林芝市冻融侵蚀区空间分布特征基本一致；与30 ～1 000 m分辨率下计算出的冻融侵蚀区分布特征差异较大。可以初步判定，5 ～ 30 m分辨率下计算出的冻融侵蚀区基本满足精度要求。对不同分辨率DEM下计算出的冻融侵蚀区面积进行计算，研究区内冻融侵蚀区面积在DEM分辨率为5 ～30 m之间的变化趋势较平缓，在30 ～ 90 m之间明显下降，90 ～ 500 m之间急剧上升，500 ～1 000 m之间急剧下降，因此可以进一步判定，5 ～30 m分辨率的DEM是该研究区内冻融侵蚀区描述的理想分辨率。

（3）通过对不同分辨率DEM的面积分析，造成不同分辨率DEM计算出的冻融侵蚀区空间分布不同的原因还与该地区地形密切相关，尤其是在地势落差较大的区域，分辨率降低后一些地形起伏被高度概括，导致整体地势偏低，进而影响冻融侵蚀区的空间分布特征，而5 m是计算该地区冻融侵蚀区的理想分辨率。

（4）通过对林芝市冻融侵蚀空间分布和面积差异的评价，发现5 ～ 30 m分辨率也可用于林芝市冻融侵蚀区的计算，余分辨率存在位置或面积的偏差，不适用于林芝市冻融侵蚀区的计算。

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基金资助

西藏农牧学院研究生教育创新计划项目(YJS2022-12)

藏东南冻融侵蚀区潜在侵蚀的定量遥感评估探索