 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2012, 2, 110-115 http://dx.doi.org/10.12677/ag.2012.22016 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ag) Elevation Analysis of Qinghai-Xizang Plateau Surface Based on DEM Data Zhiyang Chang1, Jian Wan g1,2*, Shibiao Bai1,2, Zhong Liang1 1School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 2Key Laboratory of Virtual Geographical Environment (Ministry of Education), Nanjing Normal University, Nanjing Email: changzhiyang1@126.com, *jwang169@vip.sina.com Received: May 4th, 2012; revised : May 18th, 2012; accepte d: May 2 8th, 201 2 Abstract: The Qinghai-Xizang plateau have been attracting more and more interest from different parts of the world, because of the particular geographic location, huge horizontal scale, vertical elevation and its great effects on the global climate change. However, up to now, there have not been an accurately calculation and systematic analysis of the eleva- tion of the Qinghai-Xizang Plateau Surface and its distribution. Based on the SRTM3-DEM data and the technique of spatial analysis in GIS, the elevation of the Qinghai-Xizang Plateau Surface and its distribution are calculated and ana- lyzed. It suggests that the main part of the Plateau Surface distributes in the range of 4400 - 5300 m.a.s.l and with a cen- ter elevation of 4950 m.a.s.l. And it is concluded that th e grid unit of 1 3 × 13 (1.37 k m2) is the optimum statistical unit for calculating the relief amplitude in Tibet Plateau by using SRTM3-DEM. Keywords: Digital Elevation Model (DEM); Local Relief; Qinghai-Xizang Plateau; Plateau Surface; Elevation 基于 DEM 的青藏高原主体高原面的高程分析 常直杨 1，王 建1,2*，白世彪 1,2，梁 中1 1南京师范大学地理科学学院，南京 2南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，南京 Email: changzhiyang1@126.com, *jwang169@vip.sina.com 收稿日期：2012 年5月4日；修回日期：2012 年5月18 日；录用日期：2012 年5月28 日 摘 要：作为世界上最高的高原、地球的第三极，青藏高原的形成、演化及其对世界气候变化和区域环境分异 的影响，受到人们越来越多的关注。可是关于青藏高原平均海拔及高原面的分布范围还没有一个确切的令人信 服的答案。本文利用 SRTM3-DEM 数据，运用 GIS相关空间分析技术及均值变点法求取青藏高原(国内部分)高 程大于 3000 m区域的最佳统计分析窗口，并将该区域以100 m为间隔划分为不同的高程区间，对不同高程区间 的面积，平均地势起伏度、平均地表切割度及平均坡度等地貌参数进行了统计分析。结果表明，青藏高原主体 高原面的中心分布范围在4400~5300 m之间；青藏高原上，平均地势起伏度、平均地表切割度和平均坡度最小， 而100 m高程间隔内地面面积最大的地方，出现在海拔4900~5000 m之间，青藏高原主体高原面的中心高程为 4950 m；利用 SRTM3-DEM 数据，提取研究区地势起伏度的最佳统计窗口面积为1.37 km2。 关键词：数字高程模型(DEM)；地势起伏度；青藏高原；高原面；高程 1. 引言 作为世界上平均海拔最高的高原、作为地球的第 三极，青藏高原的形成、演化及其对世界气候变化和 区域环境分异的影响[1,2]，受到地学家和环境学家的广 泛关注[3,4]。可是最近发现，关于青藏高原的平均高程 究竟是多少，还没有一个确切的令人信服的答案 (表1)。 *通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 110  基于 DEM 的青藏高原主体高原面的高程分析 Table 1. The different conclusions of Tibet plateau’s mean height 表1. 关于青藏高原平均海拔高程的不同认识 平均海拔(m) 文献来源 平均海拔(m) 文献来源 >4000 叶竺正、高由禧，青藏高原气象学，1979 刘德生等，亚洲自然地理，1995 郑度等，中国的青藏高原，1985 孙鸿烈，李文华等，1986 方如康，中国的地形，1996 黄秉维，中国综合自然区划的初步方案，1958 4000~5000 赵济主编，中国自然地理，1995 王炳庭，世界区域气候，1996 陆健健，中国湿地，1990 >4500 曾昭璇主编，中国的地形，1985 伍永秋等，1999 4500~5000 李吉均、文世宣、张青松等，1979 Scot & Rose, 1989 赵济、陈传康，中国地理，1999 4850 吴锡浩，1996 刘东生等，1996 4950 吴锡浩、王富葆、安芷生等，1992 4500 刘伉、毛汉英、王守春，世界自然地理手册，1984 刘德生主编，世界自然地理，1986 周尚哲、徐祥德，2005 4000 左右 牛亚菲，1999 杨青山、韩杰、丁四宝，世界地理，2004 总结起来主要有几种认识，有的认为青藏高原的平均 海拔高程在 4000 m左右[5,6]，有的认为超过 4000 m[7-12]，有的认为在4500 m左右[13-15]，有的认为大于 4500 m[16-17]，有的认为在 4850 m[18-19]或者 4950 m[20]， 还有的认为在 4500~5000 m[21-23] 或者 4000~5000 m[24-26]，有时同一人的认识也不一致[18,20,23,24]。另外， 在青藏高原高原面的高程认识上也存在分歧，Fielding 等[27]分析得出青藏高原的腹地以其平缓和高海拔著 称，李吉均等[21]指出青藏高原广大高原面分布范围为 4500~5000 m，曾昭璇等[16]指出高原面分布范围为 4500~5200 m，中国科学院编委《中国自然地理》编 辑委员会[28]指出高原面分布范围为4000~5000 m。追 踪查阅已有文献，发现还没有人对青藏高原的高程和 高原面的高程分布进行过专门系统的分析与估算，只 是进行了定量的描述。因此，有必要对这些问题进行 分析和探讨。 要探讨青藏高原(均指国内部分)平均海拔及高原 面高程分布范围，首先要确定高原的空间范围。目前 对青藏高原大致范围的认识基本趋于一致，即南部以 喜马拉雅山为界，北部以西昆仑山、阿尔金山和祁连 山高山带北侧为界，西端以昆仑山与喜马拉雅山交汇 的帕米尔山结为界，东边以横断山中段和北段的东缘 为界，即岷山–锦屏山–玉龙山的东侧，东北界大致 在交县–武都–岷县–康乐–民和一线以西[29]。 但是在边界具体划定的过程中，究竟划在什么海 拔高度和什么具体位置，还存在着一定的不确定性， 有人以青藏高原 4000 m等高线为依据确定青藏高原 范围[29]，有 人 以3500 m和4000 m等高线共同为依据 来确定青藏高原范围[30]。划分范围的不确定性必然会 对整个高原范围内的平均海拔产生影响，因此，这里 不打算讨论整个高原范围内的平均高度，而是试图分 析与估算青藏高原主体高原面的高程分布范围。本文 以3000 m等高线作为青藏高原的边界，因为青藏高 原的主体高原面必定分布在大于3000 m的区域。 数字高程模型的发展为这一问题的探讨提供了 新的思路，本文利用SRTM3-DEM 数据，提取了青藏 高原研究区的地貌参数，并对研究区不同高程区间貌 参数进行了统计分析，对获取的高程曲线特征综合分 析，揭示了青藏高原主体高原面的分布范围。 2. 数据来源与方法 2.1. 数据来源 所使用的数字高程模型数据(SRTM3-DEM)下载 自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服 务平台(http://datamirror.csdb.cn)，经过投影转换、拼 接、裁切而成，格网大小为90 m，数据格式为ArcGIS 的grid 格式。该DEM高程基准为EGM96，水 平 基 准 为WGS-1984，在探讨青藏高原高原面高程分布时， 我国通常采用的高程基准是 1985 国家高程基准，该 高程基准与 EGM96 之间的垂直偏差约35.7 cm，从东 向西逐渐增大，青藏高原区最大海拔差异可达3 m[31]。 Copyright © 2012 Hanspub 111  基于 DEM 的青藏高原主体高原面的高程分析 由于我们探讨的高原高程或者高原面高程分布范围 通常是在海拔 4000 m以上，因此高程基准的差异不 需要进行专门校正。 2.2. 分析方法 2.2.1. 主体高原面的界定 顾名思义，主体高原面就是高原上起伏比较和 缓、高程相对一致、代表了高原主体的地面。因此， 确定主体高原面应该从两个方面进行考虑：一是可以 借助于地势起伏度、平均坡度、地表切割度等地貌参 数来判别地面起伏最和缓的区域；二是可以通过统计 不同高程区间的面积，来判断面积分布最广的高程范 围。 地势起伏度，是指在某一确定面积内所有栅格中 最大高程与最小高程之差，是描述一个区域地面高差 的一个有效指标，可以利用 Neighborhood Statistics(邻 域统计)中Range(范围)命令提取；地表切割度，是指 地面某点的邻域范围内平均高程与该邻域范围内的 最小高程的差值，能够直观地、定量化地反映地表被 侵蚀切割的深度情况，可以利用邻域统计在一定窗口 大小内求取格网的平均值和最小值，再通过 Raster Calculator(格网计算)将平均值与最小值做差值求取； 地势起伏度和地表切割度准确获取的关键是求算最 佳统计窗口[32-34]。坡度是局部地表高度变化的比率指 标，可量化表达地表面在各点的倾斜程度[35]，可直接 利用 ArcGIS 软件空间分析中的坡度计算获取。对于 地势起伏度、地表切割度及坡度的平均值可以通过 ArcGIS空间分析中的Reclassify命令统计。 2.2.2. 最佳统计窗口求取 根据地貌发育的基本理论，存在一个使最大高差 达到相对稳定的最佳统计窗口[32]，在提取青藏高原起 伏度、切割度的时候，要确定出最佳统计窗口。常用 的方法有人工作图法、最大高差法、模糊数学法和均 值变点法[33]，本文所采用的方法是均值变点法，该方 法对恰有一个变点的检验最为有效[36]。其数学表达式 为：有序数列 i x ，其中 N为样本数， 样本以 xi点为界分为两段，分别计算每段样本的算术 平均值 1, 2,,,iN 1i x 、2i x 及样本均值 x 。并计算统计量： 112 2 12 22 1 iti ti tti Sxxxx 1iN (1) 2 1 N i i Sxx (2) 对于(1)式和(2)式中，下脚标 ； 11, 2,,1ti 2 ti ，1, ,iN 。变点的存在会使 S和Si的差距增 大。两者最大差值对应的窗口大小即为最佳统计窗口 [34,36]。 2.2.3. 面积–高程分布图 面积–高程分布图(不同高程区间与对应区间面 积分布的曲线图)能够被用来分析层状地貌[37]，在前人 的研究基础上，统计不同高程区间的平均地势起伏 度、平均地表切割度及平均坡度等地貌参数，作为辅 助参照。本文以 3000 m高程作为起算点、100 m间隔 作为增量，另外，由于大于 6000 m的区域面积极少， 可以归为一类，最后可以划分得到31个高程区间。 3. 结果与讨论 利用 3000 m以上的青藏高原 SRTM3-DEM数据， 在ArcMap9.3的空间分析模块中，使用窗口递增算法， 以n × n(3,5,,4n1 )象元的矩形作为模板算子，计 算各邻域内平均地势起伏度，作为对应窗口地势起伏 度结果值，结果见表2。 在SPSS 中对表 2所获得的数据进行统计分析， 拟合不同统计单元面积 s与平均地势起伏度 t的关系， 得到统计单元与地势起伏度的关系曲线(图1所示)。 拟合方程为 y = 111.58Ln(x) + 333.45，拟合系数 R2 = 0.9876，拟合度满意。 对表 2数据进行处理，首先求得单位面积上的地 势度大小序列T，单位地势度T = 起伏度(t)/面积(s)， Table 2. Relation between grid units and relief amplitude 表2. 平均起伏度与统计单元大小对应关系 格网大小 面积 s(km2) 平均起伏度 t(m) 3 × 3 0.0729 91.31 5 × 5 0.2025 162.6 7 × 7 0.3969 220.28 … … … 19 × 19 2.9241 438.82 21 × 21 3.5721 464.19 … … … 37 × 37 11.0889 617.76 39 × 39 12.3201 632.83 41 × 41 13.6161 647.37 Copyright © 2012 Hanspub 112  基于 DEM 的青藏高原主体高原面的高程分析 Copyright © 2012 Hanspub 113 y = 111.58Ln(x) + 333.45 R 2 = 0.9876 0 100 200 300 400 500 600 700 0510 统计单元面积/km2 起伏度/m 15 km2 Figure 2. S and Si differential value change curve 图2. S和Si的差值变化曲线 Figure 1. Rel atio nsh ip b etween statistics units and relief amplitude 图1. 统计单元与地势起伏度的关系 地表切割度及坡度，并对已划分好的31 个高程区间 的平均地势起伏度、平均切割度、平均坡度及面积进 行了统计，如图3所示。 再对单位地势度序列取对数lnT，即得到数据序列 i x 。根据均值变点分析法式(1)和式(2) 计算得图2 曲线，S和Si 之差在第五个差值，即在第六个序列点 的时候最大，达到6.56 左右，该序列点所对应的统计 单元大小即为最佳统计单元。由表1可知，第6个序 列点对应的是13 × 13像元，即面积为 1.37 km2的格 网大小为最佳统计单元。 由图 3对比分析可知，平均地势起伏大的地方， 平均坡度、切割度也大，而面积却相对较少。其中， 在3000~3800 m之间，随着高程的增大，平均地势起 伏度、平均坡度和地表切割度均逐渐增大，各单位高 程的面积也缓慢增加；在 3800~4900 m之间，随着高 程的增大，平均地势起伏度、平均坡度和地表切割度 逐渐减小，单位高程的面积反而逐步增大，达到峰顶 值；其后，在4 900~6500 m之间三个地貌指标又逐渐 地表切割度的求取跟地势起伏度的求取原理一 样，在 Arcgis 中以13 × 13象元大小作为计算地表切 割度的最佳分析窗口。求得研究区间内地势起伏度、 0 100 200 300 400 500 3100 3300 3500 3700 3900 4100 4300 4500 4700 4900 5100 5300 5500 5700 5900 ≥6000 高程/m 起伏度/m 0 5 10 15 20 25 面积/万km2 起伏度 面积 km 2 0 50 100 150 200 250 3100 3300 3500 3700 3900 4100 4300 4500 4700 4900 5100 5300 5500 5700 5900 ≥6000 高程/m 切割度/m 0 5 10 15 20 25 面积/万k m2 切割度 面积 km 2  基于 DEM 的青藏高原主体高原面的高程分析 0 5 10 15 20 25 3100 3300 3500 3700 3900 4100 4300 4500 4700 4900 5100 5300 5500 5700 5900 ≥6000 高程/m 坡度/° 0 5 10 15 20 25 面积/万km2 坡度 面积 km2 Figure 3. The statistical results of surface slope, roughness and relief distribution of Tibet Plateau 图3. 青藏高原地势起伏度、切割度及坡度分布与统计结果 随着高程的增大而增大，单位高程的面积却逐渐减 小。可以明显看出，平均地势起伏度、平均坡度和平 均地表切割度最小，而单位高程间隔内的面积却最大 的地方，出现在海拔高程 4900~5000 m之间。也就是 说，青藏高原主体高原面是围绕着海拔 4950 m高程 分布，这是青藏高原主体高原面的中心高程。还可以 看出， 4400~5300 m是高原上最平坦(地貌参数都比较 小)、最开阔(面积最大)的中心地带。根据计算，分布 在4400~5300 m的面积达到140.59 万km2，占到青藏 高原总体面积的一半以上。 4. 结论 本文利用 SRTM3-DEM 数据对 3000 m以上青藏 高原的不同高程区间进行地貌参数分析，得出如下结 论： 1) 青藏高原主体高原面的中心高程为 4950 m左 右，青藏高原主体高原面的中心分布范围在 4400~ 5300 m之间。 2) 利用90 m分辨率的SRTM3-DEM数据，对于 高程大于 3000 m的青藏高原地区，地势起伏度计算 的最佳统计单元面积为1.37 km2。 参考文献 (References) [1] J. Wang, Y. J. Wang, Z. C. Liu, et al. Cenozoic environmental evolution of the Qaidam Basin and its implications for the uplift of the Tibetan Plateau and the drying of the central Asia. Pa- laeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 1999, 152(1- 2): 37-47. [2] W. F. Ruddiman, J. E. Kutzbach. 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