王 海 力,韓 光 中，謝 賢 建

(內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院， 四川 內(nèi)江 641112)

單流向法地形濕度指數(shù)尺度效應(yīng)的不同地形區(qū)差異分析

王 海 力,韓 光 中，謝 賢 建

(內(nèi)江師范學(xué)院地理與資源科學(xué)學(xué)院， 四川 內(nèi)江 641112)

利用DEM提取地形濕度指數(shù)(Topographic Wetness Index，TWI)，以滿足既定地理模型構(gòu)建，需考慮不同地形區(qū)TWI提取的尺度效應(yīng)。該文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的DEM分辨率尺度，生成1 m、2.5 m、5 m、10 m、20 m、30 m分辨率尺度的6景DEM；利用單流向算法提取研究區(qū)TWI；通過定性和定量方法分析了在不同DEM分辨率尺度中，居民地、梯田、湖泊和自然地形區(qū)4種地形區(qū)域中TWI值分布特征。結(jié)果表明：不同地形區(qū)TWI的尺度效應(yīng)差異較大；隨著DEM尺度增大，TWI值域逐漸縮小，變異程度逐漸增強(qiáng)，反映地表形態(tài)變化的能力逐漸減?。划?dāng)DEM尺度大于5 m時(shí)，TWI基本不能反映人工地形區(qū)域；自然地形區(qū)的TWI變化規(guī)律與研究區(qū)整體TWI變化規(guī)律相當(dāng)，居民地與梯田的TWI變化規(guī)律大致相同，湖泊區(qū)域的TWI變化相對(duì)穩(wěn)定。

地形濕度指數(shù)； DEM；不同地形區(qū)；尺度效應(yīng)；單流向算法

0 引言

地形濕度指數(shù)(TWI)由Beven等在1979年提出[1]，是基于數(shù)字高程模型DEM提取的表征地表持水能力的相對(duì)高低值量度指標(biāo)，從算法角度講是單位匯水面積與地表坡度的函數(shù)；TWI能一定程度上反映區(qū)域飽和含水量的空間分布特征[2-4]。秦承志[5,6]、劉學(xué)軍[7]、周啟明[8]等先后對(duì)該算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了單流向算法的TWI指數(shù)提取方法[9]和多流向算法的TWI指數(shù)提取方法[6]，TWI計(jì)算方法得到進(jìn)一步發(fā)展，且常被用于水土保持、土壤、水文和地貌等地理信息評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建中[10-13]。由于TWI提取方法較多，不同算法對(duì)同一尺度DEM提取TWI指數(shù)也存在較大的差異，部分學(xué)者對(duì)TWI提取算法進(jìn)行了適應(yīng)性研究：如包黎莉等[14]通過4種不同的TWI算法對(duì)人工構(gòu)建的DEM進(jìn)行TWI提取，定量分析了不同算法所帶來的TWI指數(shù)提取誤差；王洪明等[15]通過多種TWI提取算法對(duì)小流域地形濕度進(jìn)行提取，并與真實(shí)土壤水分進(jìn)行相關(guān)性研究，提出了利用TWI模擬土壤水分的最佳流向算法。另一方面，由于DEM及其地形分析具有強(qiáng)烈的尺度依賴特征[7,16]，不同尺度DEM所提取的TWI具有較大的差異性，白天路等[17]從DEM分辨率異質(zhì)性所引起的坡度異質(zhì)性角度討論了地形濕度指數(shù)提取的差異性，提出高分辨DEM能提取最優(yōu)TWI。以上研究均從整個(gè)研究區(qū)DEM出發(fā)，進(jìn)行TWI提取研究，在DEM尺度異質(zhì)性情況下，對(duì)于TWI在不同地形區(qū)域分布情況鮮有報(bào)道。

DEM尺度效應(yīng)主要表現(xiàn)在柵格單元大小對(duì)地形信息表達(dá)的詳細(xì)程度上，DEM分辨率尺度小，柵格單元小，能詳細(xì)地反映地形信息；DEM分辨率尺度大，則反映地表信息較為粗略。根據(jù)DEM生產(chǎn)行業(yè)規(guī)定，利用基本比例尺地形圖中等高線能生產(chǎn)的最大DEM分辨率計(jì)算公式F=0.5×B/1 000(B為地形圖比例尺)，可生產(chǎn)0.25 m、0.5 m、1 m、2.5 m、5 m、25 m、50 m等尺度的DEM；另外，10 m、20 m、30 m等尺度的DEM常被用于不同區(qū)域的地形研究。在不同研究尺度下，如何選擇DEM分辨率尺度進(jìn)行TWI提取，并能反映如梯田、居民地、湖泊等人工微地形區(qū)域的TWI 分布情況，以滿足既定研究尺度下模型構(gòu)建，具有較大的研究意義。前人對(duì)DEM柵格尺度異質(zhì)性的研究，以及從坡度和匯水面積計(jì)算著手對(duì)TWI尺度效應(yīng)的研究，對(duì)本文不同地形區(qū)TWI指數(shù)提取具有直接的借鑒價(jià)值。本研究利用經(jīng)典單流向算法，提取各尺度下的TWI指數(shù)，通過定性和定量方法分析對(duì)人工地形區(qū)域梯田、居民地、湖泊以及自然地形區(qū)域TWI的尺度效應(yīng)，以期為不同研究尺度TWI提取時(shí)DEM分辨率選取提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)概況

研究區(qū)為某丘陵小溝流域的一部分，為了研究梯田、居民地、湖泊等人工微地形區(qū)域TWI對(duì)DEM尺度的敏感性特征，利用研究區(qū)高清影像(0.5 m分辨率，如圖1a所示)并結(jié)合研究區(qū)2013年測(cè)量的1∶2 000地形圖，解譯獲得地形分區(qū)圖，共分為梯田、居民地、湖泊、自然地形4種分區(qū)(圖1b)。DEM數(shù)據(jù)是通過提取1∶2 000地形圖中等高線，借助ArcGIS10.1平臺(tái)中DEM構(gòu)建工具，通過等高線提取、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、DEM尺度設(shè)置、DEM生成、DEM裁剪等步驟，最終生成分辨率尺度為1 m、2.5 m、5 m、10 m、20 m、30 m的DEM(圖1c-圖1h)。由圖1中DEM可知，研究區(qū)高程最大值為660 m，最小值為420 m，相對(duì)高差為240 m；由6景不同的DEM可知，隨著分辨率的降低，相對(duì)高程有逐漸減小的趨勢(shì)。

圖1 研究區(qū)概況

2 研究方法

TWI提取算法有單流向算法、多流向算法、基于局域地形自適應(yīng)多流向算法和局域地形自適應(yīng)多流向算法與最大下坡相結(jié)合的算法[14]，而在地學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中，為了計(jì)算方便，較多學(xué)者使用經(jīng)典單流向算法提取TWI指數(shù)[4,13,18]；為使研究成果更具有代表性和普遍性，本文選擇經(jīng)典單流向算法提取地形濕度指數(shù)，計(jì)算公式[19]如下：

TWI=ln(S/tanβ)

式中：S為地表水所流經(jīng)的單位長度等高線上的上游區(qū)域面積，即匯水面積；tanβ為區(qū)域地形坡度的正切值，其中β為弧度坡度數(shù)據(jù)。

本文通過定性和定量的分析方法，主要對(duì)6景TWI指數(shù)的整體尺度效應(yīng)以及在梯田、居民地、湖泊及自然地表4種微地形區(qū)域的變化特征進(jìn)行分析。定性分析主要分析TWI指數(shù)目視效果，即6景TWI在不同地形區(qū)域的變化；定量分析方法主要通過TWI指數(shù)在不同地形區(qū)域的一般性描述以及頻率分布直方圖實(shí)現(xiàn)，通過頻率分布直方圖可定量分析TWI尺度效應(yīng)特征。在圖像處理中，直方圖有頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖兩種，能反映圖像像元值的離散信息和總體變化信息。頻率分布直方圖橫坐標(biāo)表示DN值，縱坐標(biāo)表示具有相同DN值像元頻數(shù)或頻率；累計(jì)頻率分布直方圖是以DN值為橫坐標(biāo)，以小于DN值的所有像元數(shù)相疊加為縱坐標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 DEM信息分析

6景DEM一般性描述統(tǒng)計(jì)如表1所示，頻率分布直方圖及累計(jì)分布直方圖如圖2所示。由表1可知：隨著DEM分辨率尺度增大，研究區(qū)的像元數(shù)量呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)減少，1m分辨率DEM的像元數(shù)為1 522 100個(gè)，當(dāng)分辨率尺度增大到30m時(shí)，研究區(qū)像元數(shù)減少到1 632個(gè)。隨著分辨率尺度的降低，相對(duì)高差逐漸減小，由240m縮小到236m，高程均值基本不變。變異系數(shù)(CoefficientofVariable)是標(biāo)準(zhǔn)差與均值的函數(shù)，是表征數(shù)據(jù)異質(zhì)性程度的量度指標(biāo)，變異系數(shù)越小，異質(zhì)性越強(qiáng)[15]；地形變異系數(shù)基本保持一致，在9.325～9.387之間，說明DEM分辨率變化對(duì)地形相對(duì)起伏影響較小，同時(shí)表明該區(qū)域地形起伏較大，地形異質(zhì)性較強(qiáng)。從DEM頻率分布直方圖可以看出：分辨率尺度越小，直方圖曲線越平滑；隨著DEM尺度增大，其頻率分布直方圖曲線波動(dòng)頻率逐漸變大，描述地形變化的細(xì)節(jié)越粗糙，這主要是由于分辨率尺度變大后，削低了高值區(qū)，填平了低值區(qū)域，使得地形起伏減小。研究區(qū)面積較大的高程區(qū)域主要集中在500m左右，海拔低值區(qū)域面積相對(duì)海拔高值區(qū)域多；DEM累計(jì)頻率分布直方圖中可看出，分辨率尺度異質(zhì)性對(duì)其高程累計(jì)頻率無影響，6景DEM累計(jì)頻率直方圖曲線基本重合。

表1 DEM一般性描述Table 1 The DEM information statistics

圖2 DEM頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖

3.2 TWI分析

3.2.1 研究區(qū)TWI尺度效應(yīng)分析 借助ArcGIS10.1平臺(tái)，根據(jù)式(1)建立相關(guān)計(jì)算模型，提取6景DEM的TWI，結(jié)果如圖3所示，一般性描述特征如表2所示，頻率分布直方圖和累計(jì)直方圖分布如圖4所示(彩圖見封3)。由圖3可知：小尺度、高分辨率的DEM，其所提取的地形濕度指數(shù)能較完整地反映地形變化特征，1 m分辨率的DEM能完整地表現(xiàn)出梯田、湖泊、居民地和自然地形的特征,隨著尺度增大、分辨率降低，DEM所提取的地形濕度指數(shù)所表現(xiàn)的地形特征越來越粗糙，到10 m分辨率時(shí)，基本看不出梯田、湖泊、居民地，到20 m分辨率時(shí)，各地形區(qū)TWI與自然地表基本沒有差別，說明DEM尺度增大、分辨率降低對(duì)地形濕度指數(shù)有較強(qiáng)的削弱作用。從TWI的值域范圍可知：DEM尺度增大后，TWI值域有逐漸縮小的趨勢(shì)，1 m分辨率時(shí)，其值域范圍在0.003～20.274之間，到30 m分辨率時(shí)縮小到6.859～18.788之間。

表2 TWI一般性描述統(tǒng)計(jì)

圖3 TWI結(jié)果

圖4 TWI頻率分布直方圖

由6景TWI指數(shù)的一般性描述統(tǒng)計(jì)可知：TWI最小值有逐漸增大的趨勢(shì)：1 m分辨率時(shí)，最小值為0.003，當(dāng)分辨率為30 m時(shí)，變化到6.859，值域?yàn)?.856；最大值有逐漸減小的趨勢(shì)，1 m分辨率時(shí)，最大值為20.274，分辨率為30 m時(shí)，變化到18.788，值域?yàn)?.486；值域范圍的減小幅度較大，由1 m分辨率時(shí)的20.271變化到30 m分辨率時(shí)的11.929，值域達(dá)8.342；均值有逐漸增大的趨勢(shì)，由1 m時(shí)的4.336增加到30 m時(shí)的9.146，增幅達(dá)到4.81。TWI變異系數(shù)有逐漸減小的趨勢(shì)，由1 m分辨率時(shí)的62.846減小到30 m分辨率時(shí)的23.420。

從圖4中可以看出：DEM分辨率尺度不同，TWI頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖差異較大。從頻率分布直方圖可以看出，隨著DEM尺度增大、分辨率降低，TWI低值區(qū)域頻率分布逐漸減小，高值區(qū)域頻率分布逐漸增大，頻率高值區(qū)域有逐漸向TWI高值區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì)，且頻率分布高值區(qū)域頻率越來越高。具體表現(xiàn)在：分辨率尺度為1 m時(shí)，TWI分布頻率高值區(qū)域主要集中在3～5之間，其頻率最大值為2%；分辨率尺度為5 m時(shí)，TWI頻率高值區(qū)域主要集中在4～7之間，TWI最高頻率分布為2.5%；當(dāng)分辨率尺度為30 m時(shí)，TWI頻率高值區(qū)域主要集中在7～10之間，頻率分布高值為4.2%。從累計(jì)頻率分布直方圖也反映出隨著DEM尺度增加，TWI分布逐漸向高值區(qū)域增大。具體表現(xiàn)在：當(dāng)分辨率尺度為1 m時(shí)，其累計(jì)頻率從0.3%處開始，且累計(jì)量增加幅度較小，隨著DEM尺度增大，TWI累計(jì)頻率初始值逐漸增大，當(dāng)分辨率為30 m時(shí)，累計(jì)頻率初始值為6.859%，且累計(jì)增幅較大。

3.2.2 各地形區(qū)TWI尺度效應(yīng)分析 根據(jù)地形分區(qū)圖計(jì)算各地形區(qū)面積比例為：梯田25.174%、居民地1.504%、湖泊1.628%、自然地形區(qū)71.694%。利用地形分區(qū)圖與TWI圖做空間統(tǒng)計(jì)分析，可得各地形區(qū)域TWI一般性描述如表3所示，TWI頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖如圖5所示(彩圖見封3)。

表3 地形區(qū)TWI一般性描述

由表3對(duì)TWI進(jìn)行定量分析可知：隨著DEM尺度的增大，各地形區(qū)域所占面積比例基本保持不變。DEM分辨率異質(zhì)性條件下，各地形區(qū)域TWI差異較大：從小尺度的DEM到大尺度的DEM，各地形區(qū)TWI最小值逐漸變大，最大值逐漸減小，值域逐漸減小，均值逐漸增大，變異系數(shù)逐漸增強(qiáng)。隨著DEM尺度的變化，3類人工地形區(qū)域TWI統(tǒng)計(jì)信息呈規(guī)律性分布，各類指標(biāo)中，總體TWI由小到大排列分別為居民地>梯田>湖泊。居民地區(qū)域TWI各個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)相對(duì)其他區(qū)域均較小，其6種尺度的TWI最大值在10.324～14.740之間，最小值在1.471～1.723之間，當(dāng)分辨率為30 m時(shí)，TWI值域?yàn)樗袇^(qū)域的最小值2.98，值域范圍在7.344～10.324。梯田區(qū)域中TWI最大值范圍在13.818～17.289之間，值域在7.176～17.215之間；湖泊區(qū)域的最大值分布相對(duì)穩(wěn)定，TWI最大值范圍在18.292～19.857之間，TWI值域范圍在10.597～19.722。自然地形的TWI極值和值域與研究區(qū)整體的TWI變化基本保持一致。隨著DEM尺度的增大，人工地形區(qū)域居民地、梯田、湖泊的均值逐漸增大的同時(shí)，且均值比自然地形區(qū)穩(wěn)定；自然地形TWI均值范圍在3.360～9.048之間，居民地TWI均值在6.518～8.446之間，梯田TWI均值在6.842～9.095之間，湖泊TWI均值最大，在6.515～14.558之間。由變異系數(shù)可知：隨著DEM尺度的增大，4種地類的TWI的變異系數(shù)逐漸降低，變異程度逐漸加強(qiáng)。人工地形區(qū)域變異系數(shù)變化最劇烈，居民地的變異強(qiáng)度幅度最大，由51.834變化到9.271，變幅為42.563；其次為梯田，其變異系數(shù)由46.525變化到12.801，變幅為33,724；湖泊的TWI變異程度相對(duì)穩(wěn)定，其范圍在35.358～25.521之間，變幅為9.837。當(dāng)DEM尺度為1 m時(shí)，湖泊地形區(qū)的變異系數(shù)是所有地類中小的，為35.358。隨著DEM分辨率尺度的增大，居民地TWI值變異程度在所有地形區(qū)中最大，這可能是由于居民地斑塊面積較小，DEM尺度變大的同時(shí)，DEM像元對(duì)地形的綜合較大，對(duì)地形簡化程度逐漸加大，引起居民地內(nèi)部變異程度增強(qiáng)。當(dāng)DEM尺度最小時(shí)，湖泊地類的變異系數(shù)最小，這可能是由于湖泊地類周圍地形較陡，而湖泊內(nèi)部地形較為平坦，使得TWI極值較大，從而引起變異較大。

圖5 各地形區(qū)TWI分布直方圖

根據(jù)頻率分布直方圖可對(duì)各地形區(qū)TWI各特征值的頻率分布情況進(jìn)行分析，由圖5可知，4類地形區(qū)域的頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖變化大，差異也較大，自然地表區(qū)域的TWI頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖與研究區(qū)整體TWI分布情況基本一致，居民地與梯田的頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖具有較強(qiáng)的一致性，湖泊地形區(qū)各分辨率的TWI直方圖差異最大；隨著DEM分辨率尺度的增大，各地形區(qū)的TWI頻率分布有向高值區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì)，累計(jì)頻率分布直方圖初始值逐漸變大，累計(jì)頻率分布曲線增幅逐漸增大，且規(guī)律差異較大。自然地形TWI頻率分布與整體TWI頻率分布基本一致，在此不再贅述。居民地與梯田的TWI頻率分布具有較強(qiáng)的一致性：隨著DEM分辨率尺度的增大，TWI分布頻率高值區(qū)域向TWI高值區(qū)域逐漸偏移，但偏移量較小，TWI低值區(qū)頻率分布減小的同時(shí)，高值區(qū)域的頻率分布也隨之減少。具體表現(xiàn)在：當(dāng)分辨率為1 m時(shí)，居民地與梯田的TWI高值區(qū)主要集中在7～8之間，居民地的最大像元頻率為16%，梯田的最大像元頻率為14%；當(dāng)分辨率為5 m時(shí)，兩類地形區(qū)TWI高值區(qū)域主要集中在8～9之間，居民地的最大像元分布頻率為7.8%，梯田的最大像元頻率為8%；當(dāng)分辨率為30 m時(shí)，兩類地形的TWI高值區(qū)域主要集中在9～10之間，居民地的TWI像元頻率最大值為9%，梯田TWI頻率最大值為4%。居民地和梯田的累計(jì)百分比具有較大的相似性，當(dāng)分辨率為1 m、2.5 m時(shí)，其累計(jì)百分比增長幅度較慢，且較不規(guī)則；隨著分辨率尺度的增大，TWI累計(jì)頻率曲線變得比較圓滑，TWI累計(jì)增長幅度較大，但由于像元數(shù)量減少，其累計(jì)頻率分布曲線較為曲折。由湖泊地形區(qū)域TWI頻率分布直方圖與累計(jì)頻率分布直方圖可知：隨著DEM分辨率尺度的增大，其頻率分布有向TWI高值區(qū)域偏移的趨勢(shì)，但由于受像元數(shù)量的減少，其頻率分布曲線為零散的曲線，且其TWI頻率分布最大值有逐漸增大的趨勢(shì)。具體表現(xiàn)在：當(dāng)分辨率為1 m、2.5 m、5 m時(shí)，TWI頻率分布高值區(qū)域主要集中在4～10之間；當(dāng)分辨率尺度增大到10 m、20 m、30 m時(shí)，TWI頻率分布高值區(qū)域主要集中在9～18之間，且呈現(xiàn)出零散的頻率分布曲線，其高值頻率分布由3%增大到13%；在像元數(shù)量減少的情況下，對(duì)湖泊累計(jì)百分比頻率分布曲線的圓滑性影響也較為嚴(yán)重，頻率呈現(xiàn)臺(tái)階式增長，且增長幅度較大。

3.3 討論

在 DEM尺度敏感性研究中，諸多學(xué)者做了有益嘗試，如張亞南等[20]利用信息盒維數(shù)確定DEM分辨率的適應(yīng)性研究，以及高翔等[21]對(duì)DEM簡化后產(chǎn)生的地形誤差研究，當(dāng)DEM單元簡化尺度較大時(shí)，將會(huì)引起較大程度的地形信息誤差。本研究中DEM尺度變化對(duì)地形影響表現(xiàn)在削平了高值區(qū)域、填高了低值區(qū)域，相鄰DEM高程異質(zhì)性減弱。DEM分辨率尺度越小，所提取的TWI指數(shù)對(duì)不同地形區(qū)的地形特征反映越詳細(xì)。當(dāng)DEM尺度為1 m時(shí)，TWI結(jié)果可詳盡反映地形變化；當(dāng)DEM分辨率增大到5 m時(shí)，各地形區(qū)域的分布特征變得較為模糊；當(dāng)分辨率尺度增大到10 m時(shí)，各地形區(qū)域較為模糊，與自然地表TWI分布情況相當(dāng)。這主要是由于地形濕度指數(shù)TWI以區(qū)域DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一定程度決定于坡度變化和柵格單元能接收的來自上游匯水面積大小。隨著DEM分辨率增大，相鄰DEM柵格單元綜合了較大面積的地形信息，使得單位匯流面積增加，而相鄰柵格單元坡度變化不大的情況下，TWI值便隨之增加，反映在TWI頻率分布中的結(jié)果為：隨著DEM尺度的增大，高頻率的TWI分布向TWI高值區(qū)域移動(dòng)，但DEM尺度大的柵格像元數(shù)量少，使得TWI高值區(qū)域的頻率相對(duì)減少， TWI的高值區(qū)域頻率分布曲線波動(dòng)較大，出現(xiàn)不連續(xù)分布情況。

由于居民地、梯田、湖泊等人工地形區(qū)域?qū)嶋H面積較小，大尺度的DEM將相鄰地形區(qū)域的柵格單元進(jìn)行了合并，減少了人工地形區(qū)域的柵格像元數(shù)，使得其頻率分布曲線出現(xiàn)零散式分布，累計(jì)頻率分布出現(xiàn)臺(tái)階式分布。在DEM分辨率尺度為1 m、2.5 m、5 m時(shí)，人工地形區(qū)域的TWI頻率分布有較強(qiáng)的規(guī)律性， 10 m、20 m、30 m的DEM所提取的TWI頻率分布較為零散，頻率分布曲線規(guī)律性較弱；即當(dāng)DEM分辨率尺度優(yōu)于5 m的高精度DEM時(shí)，所提取TWI才能反映出更多的地形變化細(xì)節(jié)。因此，在利用DEM提取類似TWI指數(shù)的地形因子，用于地理模型構(gòu)建時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)大小和研究對(duì)象的不同，加強(qiáng)考慮DEM尺度問題。TWI指數(shù)在各地形區(qū)域?qū)EM分辨率尺度敏感性強(qiáng)度不一，其他類似于TWI指數(shù)的地形因子(如坡度、坡長、坡度曲率等)對(duì)DEM分辨率尺度的敏感性如何，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)TWI整體分析可知：小尺度DEM所提取的地形濕度能完整地反映區(qū)域地形變化特征，隨著分辨率尺度的增大，地形濕度所能表現(xiàn)的地形特征越來越粗糙，TWI值域有逐漸縮小的趨勢(shì)。1 m分辨率的DEM能完整地表現(xiàn)梯田、湖泊、居民地和自然地形的特征，到10 m分辨率時(shí)，基本不能分辨梯田、湖泊、居民地，到20 m分辨率時(shí)，各地形區(qū)TWI與自然地表變化一致。隨著DEM分辨率尺度的增大，TWI分布低值區(qū)域頻率分布逐漸減少，高值區(qū)域頻率分布逐漸增大，頻率高值區(qū)域有逐漸向TWI高值區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì)，且頻率分布高值區(qū)域頻率越來越高，TWI累計(jì)頻率初始值逐漸變大，累計(jì)增幅逐漸變大。

(2)各地形區(qū)TWI分析可知：DEM尺度異質(zhì)性條件下，各地形區(qū)域TWI差異較大。隨著DEM尺度增大，各地形區(qū)域所占面積比例基本保持不變；各地形區(qū)TWI最小值逐漸變大，最大值逐漸減小，值域逐漸減小，均值逐漸增大的同時(shí)，比自然地形區(qū)穩(wěn)定，變異系數(shù)逐漸增強(qiáng)，人工地形區(qū)域變異系數(shù)變化最劇烈，其中居民地的變異強(qiáng)度幅度最大，湖泊的TWI變異程度相對(duì)穩(wěn)定；3類人工地形區(qū)域TWI統(tǒng)計(jì)信息呈規(guī)律性分布，自然地形的TWI極值和值域與研究區(qū)整體的TWI變化基本保持一致。隨著DEM尺度增大，4類地形區(qū)域的頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖變化大，差異也較大。自然地表區(qū)域的TWI頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖與研究區(qū)整體TWI分布情況基本一致，居民地與梯田的頻率分布直方圖和累計(jì)頻率分布直方圖具有較強(qiáng)的一致性，湖泊地形區(qū)各分辨率的TWI直方圖差異最大。隨著DEM分辨率尺度的增大，各地形區(qū)的TWI頻率分布有向高值區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì)，累計(jì)頻率分布直方圖初始值逐漸變大，累計(jì)頻率分布曲線增幅逐漸增大。3類人工地形區(qū)TWI指數(shù)受DEM尺度影響最大的為居民地地形區(qū)，其次為梯田地形區(qū)，影響最小的為湖泊地形區(qū)。

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Scale Effect Analysis to Topographic Wetness Index Extracted by Single Flow Direction Algorithm in Different Terrain Area

WANG Hai-li,HAN Guang-zhong,XIE Xian-jian

(CollegeofGeographyandResourcesScience,NeijiangNormalUniversity,Neijiang641112,China)

Topographic Wetness Index(TWI) is extracted in Digital Elevation Model(DEM).When extracts it for meeting the needs of geographic model building in established study area,it must consider the scale effect analysis to TWI extracting in different terrain area such as natural surface,residents,terraces,lakes,under the condition of different resolution scales of DEM.According to the DEM resolution scale used in the practical production,6 kinds of different resolution scale DEMs include 1 m,2.5 m,5 m,10 m,20 m,30 m have been made by adjusting the parameters of the grid cell during DEM production.This paper extracts TWI through the method of single flow direction based on above DEM data,the TWI characteristics distributing in the terrain area of residential land,terrace,lake and natural have been qualitatively and quantitatively analysed.The results show that the TWI scale effect is different in different terrain area.With the increase of DEM scale,the range of TWI gradually narrowed,variation degree gradually increased,the ability of responding to changes in surface morphology decreased.The TWI distribution character nearly can′t reflect the artificial terrain when DEM resolution greater than 5 m.The TWI distribution character of each terrain area shows that the change regularity of TWI between natural terrain and the whole study area have the same characteristic,the change character of TWI in residential land is approximately the same as terrace,TWI change regularity in lake area is relatively stable.

Topographic Wetness Index;DEM;different terrain area;scale effect;single flow direction algorithm

2015-12-22；

2016-02-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401235);四川省教育廳基金項(xiàng)目(15ZB0275)

王海力(1986-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閰^(qū)域變化與可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail：hailiwer@sina.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.04.005

P208

A

1672-0504(2016)04-0023-07