基于條帶高程法的珠峰自然保護區流域地貌分析

陳 露，何 軍，秦 川，冉清紅，張 偉

(1.成都師范學院 西部人文研究所，成都 611130；2.西藏自治區科技信息研究所，拉薩 850001；3.西藏自治區水文水資源勘測局 山南水文水資源分局，山南 856000；4.四川師范大學 地理與資源科學學院，成都 610101)

0 引言

珠穆朗瑪峰國家級自然保護區是世界上海拔最高的自然保護區，擁有珠穆朗瑪峰、洛子峰、卓奧友峰、馬卡魯峰和希夏邦馬峰五座8 000 m以上雪峰，在世界高山極高山自然科學研究領域占據獨一無二的地位。作為世界“第三極”，已有研究主要集中在陸陸碰撞造山、全球氣候變化、生態環境演化等大尺度宏觀層面。而中觀和微觀層面的地形地貌問題少見報道，僅在青藏高原科學考察初期有零星研究。但是，地形與氣候、植被關系密切，還與人類活動過程交織作用。深入研究珠峰地區的高山極高山區地形特征，對認識青藏高原隆升與全球氣候演化等重大科學問題具有重要的基礎科學研究意義。

數字高程模型(Digital Elevation Models, DEM)提供從匯水盆地到大洲大陸不同尺度但格式統一的觀測數據，DEM與構造運動、地層巖性、侵蝕過程等結合，成為地貌解釋的重要手段[1-2]。珠峰自然保護區巨大的空間規模和復雜的地表過程，具有應用DEM開展地貌研究的天然優勢[3-5]。這里采集珠峰自然保護區數字高程模型，提取河流流域，選取條帶高程剖面指標進行數字地形分析，探索珠峰高山極高山流域地貌景觀類型的空間分布規律，為保護區地表過程研究提供參考。

圖1 珠峰自然保護區概況與區位條件

1 數據與方法

1.1 研究區概況

珠穆朗瑪峰國家級自然保護區地處西藏高原南部的高山峽谷區，南臨印度、尼泊爾、不丹三國，北依雅魯藏布江[6]，西起吉隆縣，東至定結縣，位于北緯27°48′～29°19′，東經84°27′～88°之間，行政區劃上隸屬西藏自治區日喀則市，轄吉隆、聶拉木、定日、定結4縣[7]。珠峰自然保護區建于1988年，1994年批準為國家級自然保護區，2004年加入聯合國教科文組織 “世界生物圈保護區網絡”。主要保護對象為高山、高原生態系統及其物種多樣性，保護區面積為32 681.53 km2[8]。以喜馬拉雅山脈東西向主脊線為界，以北地段山地平緩，湖盆羅布，河谷寬坦，呈現廣闊、恬靜的高原風光；以南地段溝谷縱列，垂直落差大(約800 m～5 200 m)，受印度洋季風影響，形成了多雨、濕潤的山地氣候，因此形成了森林密布、鳥語花香的喜馬拉雅南翼風光[9]。

國內、外對喜馬拉雅地質結構與地質演化有一定共識[10-12]：中新世早中期(10 Ma-20 Ma)印歐大陸以大規模逆沖斷裂和南北向伸展拆離作用強烈碰撞造山，形成一系列斷面北傾的疊瓦構造——自南向北為主前緣逆沖斷裂(MFT)、主邊界逆沖斷裂(MBT)、主中央逆沖斷裂(MCT)——和廣泛的變質、巖漿活動以及褶皺變形。古新世-始新世進入喜馬拉雅運動期，至始新世末，造山帶地質構造整體形成[13]。

1.2 DEM數據源與數據處理

數字高程模型數據來源較多，自1986年法國SPOT衛星提供立體相對地形數據，至今，衛星和干涉雷達技術使得地面高程信息獲取已十分方便。ASRER GDEM和SRTM 3是目前廣泛采用的數字高程模型。先進星載熱發射和反射輻射儀(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER)是美國國家航空和宇宙航行局(NASA)與日本通產省(METI)合作成果，隸屬地球觀測系統平臺(EOS計劃)，DEM精度依賴Terra衛星傳感器分辨率。航天雷達地形測繪任務(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)由NGA和NASA組織的國際間合作項目，DEM精度依賴奮進號航天飛機雷達載波，美國本土之外地區可公開數據為SRTM 3(大約為90 m空間分辨率)。因為ASTER來自Terran衛星光學傳感系統的紅外影像，不能剔除地表植被和建筑物高度；SRTM來自奮進號航天飛機雷達載波，可透過植被接收來自地面熱輻射反饋。在非建筑用地為主的山地丘陵區，包含地表植被高程的ASTER 能更突出自然起伏形態參與地形數字特征表達[4,14-16]。已有研究表明，ASTER空間分辨率和水平位置精度高于STRM 3[17]，兩者坡度精度相似[18]，在計算地表曲率時，ASTER GDEM應表現更好[19]。因此，筆者采用ASTER GDEM2。

此外，可視化制圖時使用了珠峰自然保護區1∶10 000 基礎地理信息數據庫?；贒EM的地形指標提取使用ArcGIS 10.2。條帶高程剖面分析使用MATLAB2016軟件。

1.3 方法

1.3.1 流域提取

流域提取方法如圖2所示。首先，DEM洼地填充。由于數據噪音、內插方法的影響，DEM數據中常包含一些“洼地”，將導致水流不暢，不能形成完整的流域網絡。因此在利用模擬法進行流域地形分析時，要先對DEM數據中的洼地進行處理。其次，水流方向確定。流向確定目前有單流向和多流向兩種，但在流域分析中，是在3×3格網中通過D8算法確定水流方向。O’Callaghan等[20]研究證實D8算法在沒有廣闊平地分布的山地提取流向有很好的應用效果。再次，生成水流累積矩陣。水流累積矩陣是指流向該格網的所有上游格網單元的水流累計量，它是基于水流方向確定的，是流域劃分的基礎。其關鍵參數是確定河流源頭匯流累積量初值。在大量實驗基礎上，對照吉隆縣幅1:250 000地質地形圖[21]，最終確定為1 000。然后，提取流域網絡。設定匯流起始閾值，將沿水流方向高于此閾值的格網連接起來形成流域網絡。最后，流域分割和流域地形參數統計計算。利用流域網絡生成流域出口捕捉點，即可劃分出各個溝谷段的匯流區域，所有的子匯流區形成整體匯水區。對每個匯流區域，可以計算其各種統計參數，如平均坡度、平均高程、溝谷長度等。

圖2 流域提取方法

1.3.2 條帶高程剖面提取

條帶高程剖面是沿山脈主構造線的垂直方向，繪制一條具有一定水平寬度的帶，再裁剪為若干等間隔長度的帶區，根據研究目標計算各帶區高程屬性值——如最大高程、最小高程、平均高程、高程極差、高程標準差等，以帶區編號為橫坐標，屬性值為縱坐標，繪制成高程剖面圖。條帶法高程剖面在造山帶尺度的地形研究領域，如阿爾卑斯山脈起伏變化[22]，青藏高原平坦程度分析[23]，以及安第斯山脈和喜馬拉雅山脈起伏度比較[1,24]，得到了廣泛地應用。根據Frank[22]實驗證實，條帶水平寬度與條帶高程極差值為非線性關系，當條帶水平寬度從10 km逐漸增加到30 km時，高程極差將趨向收斂于一個常量。筆者根據各流域最大寬度情況，繪制了一條水平寬度為20 km，長度為各流域極限長度的條帶，按1 km等間隔裁剪成20×xkm2帶區。利用ArcGIS分區統計，計算各帶區最大高程、最小高程、平均高程和高程極差，MATLAB實現剖面繪圖。

2 結果

2.1 流域劃分

流域提取結果顯示珠峰自然保護區有7個流域(圖3)，分別是錯母折林流域、澎曲流域、雅魯藏布江流域、絨轄曲流域、波曲流域、吉隆藏布流域、斗嘎爾河流域(圖3)，各流域規模差異大，但與保護區水系狀況基本吻合。除了措姆折林流域是內流河流域之外，其余6個流域均為外流河流域，都歸屬于恒河水系。

流域規模差異體現了保護區特殊的地理與區位背景。由于珠峰自然保護區按照定結、定日、聶拉木、吉隆四個縣級行政區域劃定邊界，喜馬拉雅山脈南坡的四個流域(圖3中DEFG)是恒河水系發源于我國的四個主要支流上游，山脈抬升、河流侵蝕、重力崩塌等內外營力塑造的高山峽谷地形和中國尼泊爾邊境線位置共同決定了其流域規模。雅魯藏布江流域和錯母折林流域是發源于藏南分水嶺拉軌岡日山脈北坡的河流集水區(圖3中AC)，其規模主要受到縣域行政邊界限制。最完整的流域是兩大山脈之間的澎曲流域(圖3中B)，即包含完整的地形又未被行政邊界裁剪。

圖3 珠峰自然保護區7個流域分布

2.2 各流域條帶高程剖面

按條帶高程剖面提取方法，共設計7組高程剖面條帶(圖4)。各組條帶寬度均為20 km，而長度因流域不同而不同。最長的是澎曲流域為278 km，其后依次是吉隆流域剖面長為76 km，波曲流域為60 km，絨轄流域為40 km，措姆澤林流域為36 km，斗嘎爾河流域為30 km，雅魯藏布江流域為28 km。7組條帶覆蓋地表面積為11 000 km2，占保護區總面積為33.66%，涵蓋了各流域代表性地貌區。

圖4 7流域條帶高程剖面位置

利用ArcGIS分區統計功能，獲得各組剖面1 km帶寬上的最大高程、最小高程、平均高程和高程極差，剖面繪圖如圖5所示。

圖5 7流域條帶高程剖面

3 討論

3.1 流域空間展布特征

錯母折林流域位于保護區東北部，地處藏南分水嶺拉軌岡日山脈腹地，典型高原內流湖盆。面積為研究區總面積的1.59%，流域高差1 385 m為7流域中高差最小的流域(表1)。但是流域最低高程為4 435 m，錯母折林湖面拔高成為研究區山地垂直帶基帶的最高位置。

其他6個流域雖然同屬于恒河流域和印度洋水系范圍，但各流域特征的差異很大。喜馬拉雅山脈和拉軌崗日山脈將6個流域的河流導向山脈南北坡，地理位置成為流域分異的首要原因。澎曲流域是研究區最大的流域，占總面積約45%，干流澎曲已切開喜馬拉雅山脊線，深入到保護區中部的藏南高平原地帶。澎曲流域也因此形成巨大的流域高差，居研究區流域之最。絨轄、波曲、吉隆河和斗嘎爾河流域均位于喜馬拉雅山脈南翼，流域的顯著特征是高差巨大(表1)，造成地形起伏程度劇烈，為流域地貌多樣性發育提供了空間。

表1 珠峰極高山區流域統計

3.2 流域條帶高程剖面特征

雖然7個流域的條帶高程剖面圖展示為線狀高程，但實際意義是各流域從低至高的面狀地形變化特征。7幅高程剖面圖，展示了珠峰極高山地在水平方向上的連續地形變化。其中，從東向西水平方向上，錯母折林流域(圖5(a))和雅魯藏布江流域(圖5(c))兩個剖面代表拉軌崗日山脈發育的流域，與其他流域剖面形態顯著不同。其特點是最大高程、最小高程和平均高程變化一致，地勢順河流向上游緩慢增加，高程極差在1 000 m以下，地形起伏平緩。雅魯藏布江流域高程極差在水平15 km范圍上接近0 m，進入山區才提升至200 m～400 m。措姆澤林流域在水平20 km范圍上，受最大高程起伏影響，高程極差隨著一致起伏外，平均高程依然保持4 600 m高度。兩個高程剖面揭示了拉軌岡日以北為寬坦平緩的湖盆地貌景觀特征。

澎曲流域(圖5(b))自東向西平均高程變化趨勢與最大高程相同，最小高程在1 km～85 km條帶范圍內與最大高程相同，但是三條高程剖面的變化趨勢不夠顯著，地形水平變化仍然顯得復雜。高程極差剖面在一定程度上顯現了地形分類的優勢。

圖5(d)、圖5(e)、圖5(f)、圖5(g)分別是絨轄曲流域、波曲流域、吉隆藏布流域和斗嘎爾河流域的高程剖面，代表了喜馬拉雅山脈南翼高山峽谷自南向北方向上的水平變化。四條剖面對比顯示，各流域最大高程起伏巨大，在流域分水嶺上山峰陡峭，最小高程隨條帶遞增而快速增加，說明干流河道比降較大，平均高程往往與最大高程變化趨勢一致，表明流域地勢的影響因素來自山體坡面變化，通常是下游山體陡峭，中游穩定，上游趨于平坦。高程極差的水平變化趨勢顯著體現了流域下、中、上游地形由陡峭至平穩的變化特征。

3.3 條帶高程剖面的地貌景觀分區指示意義

7組條帶高程剖面將珠峰自然保護區明顯分為三個地貌景觀區。

1)拉軌岡日山脈流域地貌景觀區，以錯母折林和雅魯藏布江流域(圖5(a)、圖5(c))為代表。根據條帶剖面特征，將流域劃分出兩個景觀單元——山前平原景觀單元和中低山地景觀單元。以錯母折林流域為例，作為內流湖盆景觀綜合體的代表，地形具有海拔高、起伏小、地形封閉的特點。在條帶20 km處，將流域分為措姆澤林湖盆景觀單元和中高山地景觀單元兩個部分。在1 km～20 km的湖盆區，可再細分出兩個子湖盆，從四條高程曲線來看，兩個子湖盆最低高程和最大高程相同，平均高程一致，高程極差也基本相同，說明兩個子湖盆的地形基本一致，地理位置比鄰，可以歸為同一個景觀單元。

2)拉軌岡日-喜馬拉雅山間谷地流域地貌景觀區，包括澎曲流域全境(圖5(b))。根據已有研究和實地調查[25]，流域顯著的地形起伏可劃分出至少7個～9個次級景觀單元，均為河谷盆地景觀類型，自東向西分別是葉如藏布景觀單元—長所盆地景觀單元—澎曲中游景觀單元—定日盆地景觀單元—古錯盆地景觀單元—浪強錯湖盆景觀單元—泊古錯湖盆景觀單元。

3)喜馬拉雅山脈南翼高山流域地貌景觀區，以絨轄曲、波曲、吉隆藏布和斗嘎爾河流域為代表(圖5(d)～圖5(g))。結合實地調查，發現條帶剖面傳遞的劇烈起伏、中等起伏、平穩起伏地形高程信息，正好分別對應流域下游深切峽谷地貌景觀、中游U型寬谷地貌景觀和上游寬坦河流灘地地貌景觀。由此可見，條帶高程剖面傳遞的地形起伏形態信息，對流域地貌景觀類型的辨識具有很好的指示意義。

4 結論

基于地形指標定量計算地表形態特征，既是對地貌形態的科學概括和抽象，也與數字高程模型對地理空間模擬的數學表達要求一致。條帶高程剖面這一面狀地形指標能夠反映山地流域地貌的基本地形特征，刻畫坡面起伏形態的數量差異。由于河流對內、外營力響應敏感，且局部屬性值往往發生突變而易于辨識，在對流域地貌景觀分區方面具有很好的地形指示意義，在數字地形分析領域具有重要研究價值。