基于ArcGIS的山地與非山地分類方法體系研究

楊 斌，顧秀梅，劉 建，楊晏立

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽(yáng) 621010;2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875;3.西南科技大學(xué)保密辦公室，綿陽(yáng) 621010;4.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

基于ArcGIS的山地與非山地分類方法體系研究

楊 斌1，2，顧秀梅3，劉 建4，楊晏立4

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽(yáng) 621010;2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875;3.西南科技大學(xué)保密辦公室，綿陽(yáng) 621010;4.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

在GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的支持下，以四川省為研究區(qū)域，基于ArcGIS平臺(tái)分析提取出了絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度和地面粗糙度這4類因子;然后利用這4類因子參與確立山地特征分類臨界值，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法將其歸并為兩大類，并制定出山地分類標(biāo)準(zhǔn)體系;最后在ArcGIS軟件平臺(tái)下，運(yùn)用柵格計(jì)算器提取出了四川省山地與非山地的分類結(jié)果。研究表明，該分類方法嘗試將更多的關(guān)鍵要素信息參與到分類體系中，達(dá)到了與傳統(tǒng)方法一樣的較為準(zhǔn)確的分類目的，從而為“數(shù)字山地”的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)奠定了研究基礎(chǔ)。

山地;數(shù)字化;分類;特征;數(shù)字山地

0 引言

山地地形地貌特征的研究一直是地理地貌學(xué)領(lǐng)域傳統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容，對(duì)于山地這個(gè)經(jīng)典概念的準(zhǔn)確定位更成為現(xiàn)代地理科學(xué)研究工作者需首先要解決的問(wèn)題［1］。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，山地?cái)?shù)字化定量研究已經(jīng)成為目前的研究方向，因此定量地描述山地地貌形態(tài)、劃分山地結(jié)構(gòu)類型已成為山地?cái)?shù)字化進(jìn)程中一項(xiàng)前期工作，而且是實(shí)施“數(shù)字山地”戰(zhàn)略的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作［2］。然而，山地、非山地的界線自身具有模糊性和不確定性，再加上其量化范圍具有隨機(jī)性等特點(diǎn)，為定量化描述山地這一典型的地貌特征提出了挑戰(zhàn)。為此，本文嘗試選取與山地特征明顯相關(guān)的絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度和地面粗糙度這4類因子，以四川省作為研究區(qū)，在ArcGIS平臺(tái)下，運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)分析功能定量化地提取和分析了四川省山地與非山地的范圍，這不僅為山地的數(shù)字化表達(dá)提供了一種全新的解決方案，還為山地科學(xué)研究和“數(shù)字山地”戰(zhàn)略提供了基礎(chǔ)和支撐。

1 分類因子的提取分析

山地與非山地的地貌特征主要區(qū)別在于其高程和傾斜度這兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，高程特征指標(biāo)可以用絕對(duì)高程和相對(duì)高程來(lái)定量描述，傾斜度特征指標(biāo)則可用坡度和地面粗糙度來(lái)定量描述［3］。這兩種指標(biāo)之間相關(guān)性很小，便于進(jìn)行數(shù)字化分類提取。絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度和地面粗糙度這4類定量化因子都可以通過(guò)ArcGIS軟件快速提取。

1.1 絕對(duì)高程

絕對(duì)高程是指地面點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的鉛垂距離，在提取一個(gè)地區(qū)的絕對(duì)高程信息的過(guò)程中，可以將其轉(zhuǎn)換為對(duì)其數(shù)字高程進(jìn)行提取，因此只需提取出研究區(qū)內(nèi)的數(shù)字高程模型就能定量地描述出研究區(qū)的絕對(duì)高程信息［4］。數(shù)字高程模型(DEM)是一種對(duì)地球表面進(jìn)行數(shù)字化描述和模擬的方法模型，它大體上可分為3種類型，即等高線模型(Contour)、不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)模型(Grid)，這3種模型分別具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際需求和在“數(shù)字山地”中的實(shí)際應(yīng)用情況，本文選取規(guī)則格網(wǎng)模型作為生成DEM的數(shù)據(jù)模型［5］。

在提取四川省DEM的過(guò)程中，可采用格網(wǎng)模型中的格網(wǎng)柵格方法實(shí)現(xiàn)，該方法是先獲取研究區(qū)內(nèi)格網(wǎng)單元的數(shù)值點(diǎn)(高程值)，再通過(guò)內(nèi)插來(lái)獲取一個(gè)不連續(xù)的數(shù)字表面。該結(jié)果可以作為絕對(duì)高程因子，參與后續(xù)的研究計(jì)算，其具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以采用以下兩種方法:

(1)在 ArcGIS Workstation軟件系統(tǒng)中，進(jìn)入DOS操作環(huán)境下的ARC工作空間，并輸入“Topogridtool輸出路徑 格網(wǎng)精度”命令即可以直接進(jìn)行相應(yīng)操作;

(2)在 ArcGIS Desktop操作系統(tǒng)中，采用ArcToolbox中的“Topo to Raster”命令即可求出DEM數(shù)據(jù)。

通過(guò)以上分析，即可以提取出四川省1∶25萬(wàn)的DEM數(shù)據(jù)。

1.2 相對(duì)高程

相對(duì)高程是指研究區(qū)域內(nèi)地面點(diǎn)到某假定的高程基準(zhǔn)面的垂直距離。而通常山地的相對(duì)高差則是指在局部鄰域內(nèi)山脊線與山谷線之間的高差［6］。因此，在一定意義上相對(duì)高程和相對(duì)高差可認(rèn)為是同一個(gè)概念。相對(duì)高程在地形特征分析中實(shí)際上是表征地面上任意兩點(diǎn)之間的高程之差，而無(wú)論采用絕對(duì)高程還是相對(duì)高程，地面上兩點(diǎn)間的高差總是不變的［7］。正是基于這個(gè)原理，對(duì)提取出來(lái)的格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行差值處理，便能得出所需要的相對(duì)高程信息。

根據(jù)相對(duì)高程的定義，采用鄰域差值分析方法進(jìn)行相對(duì)高程因子的提取，具體步驟如下:

(1)先選取研究范圍為100像元×100像元的區(qū)域(69.39 km2)作為起始研究鄰域;

(2)采用相對(duì)高程計(jì)算公式di=Ei－Emin計(jì)算高差，其中di為第i個(gè)格網(wǎng)的相對(duì)高差;Ei為第i個(gè)格網(wǎng)單元所在的區(qū)域范圍內(nèi)的絕對(duì)高程值;Emin為第i個(gè)格網(wǎng)單元所在的區(qū)域范圍內(nèi)的最低高程值，該值采用ArcGIS的鄰域分析Minimum方法進(jìn)行提取;

(3)在ArcGIS的柵格計(jì)算器中根據(jù)上述公式，快速地提取出整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的相對(duì)高程數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)表明，采用鄰域統(tǒng)計(jì)分析方法提取的相對(duì)高程數(shù)據(jù)具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)連續(xù)性，便于進(jìn)行參數(shù)因子計(jì)算。

1.3 坡度

在對(duì)山地進(jìn)行數(shù)字化分類研究過(guò)程中，坡度是一個(gè)十分重要的分類因子，因此對(duì)研究區(qū)坡度進(jìn)行提取和分析顯得尤為關(guān)鍵。坡度在山地研究中表示了該地區(qū)局部地表坡面的傾斜程度，坡度的大小直接影響著山地的分類命名規(guī)則［8］。從數(shù)學(xué)角度上講，地表面任一點(diǎn)的坡度是指過(guò)該點(diǎn)的切平面與水平面的夾角，在數(shù)值上等于過(guò)該點(diǎn)的地表微分單元的法矢量n與垂直軸z之間的夾角，坡度S為

當(dāng)采用ArcGIS軟件進(jìn)行坡度提取時(shí)，需將上述公式簡(jiǎn)化為差分形式，即

式中，fX為X方向高程變化率;fY為Y方向高程變化率。在生成坡度時(shí)，坡度的表示方法有角度表示法和百分比表示法兩種。其中角度表示法采用的是水平面與地形面之間的夾角，而百分比表示法則為高程增量與水平增量之比的百分?jǐn)?shù)。

在ArcGIS平臺(tái)中，可以基于DEM數(shù)據(jù)采用不同方法提取出這兩種類型的坡度因子，其具體過(guò)程如下:首先，在 ArcGIS Desktop平臺(tái)下，加載 DEM柵格數(shù)據(jù);然后，在柵格計(jì)算器中運(yùn)用“slope_sa C:/data/dem C:/data/slope DEGREE”命令提取所需的坡度數(shù)據(jù)，其中“C:/data/dem”為原始DEM數(shù)據(jù)路徑，“C:/data/slope”為求取的坡度數(shù)據(jù)路徑，DEGREE為角度形式輸出，若將其換成PERCENT_RISE，則表示用百分比形式輸出。

1.4 地面粗糙度

地面粗糙度是指研究區(qū)內(nèi)地表表面積與其平面投影面積之比，它是反映地表形態(tài)特征的一個(gè)重要宏觀指標(biāo)，也是衡量地表侵蝕程度的重要指標(biāo)之一［9］。根據(jù)地面粗糙度的定義，可通過(guò)計(jì)算 DEM數(shù)據(jù)中每一個(gè)柵格單元的表面積與其投影面積(取值為1)的比值來(lái)提取研究區(qū)的地面粗糙度。圖1為柵格單元剖面分析圖。

圖1 柵格單元剖面分析圖Fig.1 The analysis figure of grid unit profile

根據(jù)圖1所示，假設(shè)ABC是一個(gè)柵格單元的縱剖面，α為此柵格單元的坡度，則AB面的面積為柵格的表面積，AC面的面積為此柵格的投影面積(也就是此柵格像元的面積)。根據(jù)公式cosα=AC/AB，則可以得出該柵格單元的地面粗糙度M即AB面的面積與AC面的面積之比，即M=1/cosα。基于此公式，在ArcGIS Desktop的柵格計(jì)算器中將地面粗糙度因子提取出來(lái)，具體的提取過(guò)程如下:

(1)根據(jù)格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)提取出以角度形式表示的坡度數(shù)據(jù)，將其圖層命名為Slope;

(2)在ArcGIS的Spatial Analyst的柵格計(jì)算器中，輸入“Pow(cos(［S］*3.1415926/180)，－1)”，即可得到研究區(qū)的地面粗糙度因子，在這里需要注意的是，坡度(S)使用的單位應(yīng)該是弧度，在應(yīng)用過(guò)程中要將坡度單位由角度轉(zhuǎn)換為弧度。

通過(guò)以上分析過(guò)程提取出的四川省的絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度和地面粗糙度因子如圖2所示。實(shí)踐分析表明，這些因子彼此之間的相關(guān)性小，這就為實(shí)現(xiàn)山地?cái)?shù)字化分類研究奠定了基礎(chǔ)。

圖2 4種分類因子的提取數(shù)據(jù)Fig.2 The extraction data of four classified factors

2 山地?cái)?shù)字化分類方法研究

2.1 分類因子定量化分析

進(jìn)行山地與非山地?cái)?shù)字劃分的主要目的是通過(guò)選取相應(yīng)的分類參數(shù)，探討一種合適的分類方法對(duì)山地進(jìn)行數(shù)字化分類提取，以便于對(duì)山地進(jìn)行整體把握，這不僅有利于山區(qū)數(shù)字化進(jìn)程，也可為山區(qū)后續(xù)的相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)［10－11］。同時(shí)，對(duì)山地進(jìn)行數(shù)字化分類不但是開(kāi)展“數(shù)字山地”研究的基礎(chǔ)性工作之一，也可為山地可持續(xù)發(fā)展研究提供基礎(chǔ)和支撐。

在進(jìn)行山地?cái)?shù)字化分類之前，首先必須弄清楚山地與非山地的區(qū)別。二者的主要區(qū)別在于山地更加側(cè)重于地形地貌上的垂直差異性，這主要反映在高程和傾斜度兩個(gè)特征方面［12］。山地的高程特征可由絕對(duì)高程和相對(duì)高程兩類因子進(jìn)行定量化分析，傾斜度則可由坡度和地面粗糙度兩類因子進(jìn)行定量化分析［13］。這樣選取的原因在于用高程來(lái)量化山地的落差特性，用傾斜度來(lái)量化山地切割深、密度大的特性。

山地與非山地分類因子臨界點(diǎn)的確定均有不同的取值方法，本文中絕對(duì)高程和相對(duì)高程的臨界點(diǎn)確定以《中國(guó)地貌區(qū)劃》規(guī)定的500 m和100 m為準(zhǔn)，坡度和地面粗糙度的臨界點(diǎn)確定綜合國(guó)際地理學(xué)會(huì)地貌調(diào)查與制圖委員會(huì)分類標(biāo)準(zhǔn)和山地災(zāi)害誘發(fā)情況，并結(jié)合山地形態(tài)特征中的自然轉(zhuǎn)折點(diǎn)和特征點(diǎn)特性，通過(guò)自然裂點(diǎn)法求取出25°和3.13。再將絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度、地面粗糙度4類因子命名為A、B、C、D，并歸納得出這4類因子參與山地特征分類的臨界值(表1)。

表1 山地分類因子的臨界值Tab.1 The critical value of four classified factors about mountain

2.2 分類方法的實(shí)現(xiàn)

考慮到山地與非山地的主要區(qū)別在于地形地貌上的垂直差異性以及因子彼此之間的相關(guān)性原因，選取高程作為分類的主要因素(反映在絕對(duì)高程和相對(duì)高程上)，把傾斜度作為分類的次要因素(反映在坡度和地面粗糙度上)。在數(shù)字化分類過(guò)程中，按照以上思想，將這提取出來(lái)的4類因子分為兩大類，即把A和B因子歸為一類(主因子)，把C和D因子歸為另一類(輔助因子)［14］。在分類計(jì)算過(guò)程中，如果主因子能起到絕對(duì)性的作用，那么輔助因子就不參與劃分;如果主因子判斷不確定時(shí)，則需要加入輔助因子進(jìn)行綜合劃分。同時(shí)應(yīng)該指出，針對(duì)絕對(duì)高程(俗稱“海拔高度”)大于等于1000 m的地貌，統(tǒng)統(tǒng)將其歸并到山地范疇(包括高原);而絕對(duì)高程小于1000 m時(shí)，則需要通過(guò)綜合方法進(jìn)行劃分。因此，當(dāng)絕對(duì)高程為0～1000 m時(shí)，則可分別采用以下4種模式進(jìn)行山地?cái)?shù)字化劃分:

(1)當(dāng)A≥500 m且B≥100 m時(shí)，此時(shí)不需要考慮C因子和D因子，即可將其歸為山地范圍;

(2)當(dāng)A＜500 m且B≥100 m時(shí)，此時(shí)只要C因子和D因子值的任何一個(gè)滿足山地分類臨界值要求，即可將此類歸為山地范圍;

(3)當(dāng)A≥500 m且B＜100 m時(shí)，此時(shí)只要C因子和D因子值的任何一個(gè)滿足山地分類臨界值要求，即可將此類歸為山地范圍;

(4)當(dāng)A＜500 m且B＜100 m時(shí)，此時(shí)C因子和D因子值必須同時(shí)滿足山地分類臨界值要求，才可將此類歸為山地范圍。

綜上所述，在其余的情況下，可將其列為非山地范圍。絕對(duì)高程0～1000 m時(shí)，山地劃分因子數(shù)學(xué)表達(dá)式為

3 山地與非山地的分類提取

在ArcGIS Desktop平臺(tái)中，先分別加載并提取出絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度和地面粗糙度數(shù)據(jù);然后在ArcGIS柵格計(jì)算器中，采用上述方法，即可以快速地提取出四川省山地與非山地的分類結(jié)果數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3 四川省山地與非山地分類結(jié)果Fig.3 The classification results of mountain in Sichuan province

在ArcGIS平臺(tái)下，采用統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算出四川省山地與非山地各自的分布面積。通過(guò)分析得到，四川省山地面積約為362632 km2(約占總面積的79.66%)，非山地面積約為 92567.9 km2(約占總面積的20.34%)。這充分證明了四川省是我國(guó)山地面積分布較多的省份之一。由圖3可見(jiàn)，四川省山地主要分布于省內(nèi)西部地區(qū)及四川盆地周邊區(qū)域，而中東部山地則主要分布于與重慶市交界的川東平行嶺谷和龍泉山脈附近。

另外，采用此方法計(jì)算出的山地面積比江曉波采用基于柵格的邊緣生長(zhǎng)模型計(jì)算出的四川省山區(qū)面積(374901 km2，約占75.08%)有所增加，也比根據(jù)UNEP－WCMC定義的山地標(biāo)準(zhǔn)所計(jì)算出來(lái)的四川省山地面積(359209 km2，約占73.56%)有所增加［15］，這主要是由于在分類過(guò)程中更加綜合考慮到相對(duì)高程、坡度和地面粗糙度這3類因素的影響，并將更多的縱溝深丘陵地區(qū)劃分到山地范疇中。

4 結(jié)論

本文采用地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析方法，以四川省作為研究區(qū)域，在ArcGIS平臺(tái)下分別對(duì)絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度和地面粗糙度4類因子進(jìn)行了提取和分析。在對(duì)大量相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)資料進(jìn)行系統(tǒng)分析研究的基礎(chǔ)上，得出了這4類因子參與山地特征分類的臨界值，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法確定出了一套適用于山地與非山地分類特征的定量提取技術(shù)，最后在ArcGIS Desktop柵格計(jì)算器中計(jì)算出了四川省山地與非山地的研究范圍與面積。

實(shí)驗(yàn)表明，該方法計(jì)算出來(lái)的結(jié)果較以往方法的山地統(tǒng)計(jì)結(jié)果有所增加，這主要是由于將低海拔、深切割的地區(qū)歸并其中的緣故。此方法為山地?cái)?shù)字化提供了一種全新的解決方案，也為山地研究和數(shù)字山地戰(zhàn)略提供了基礎(chǔ)和支撐。

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A Study of the Classification Method for Mountainous and Non－mountainous Regions Based on ArcGIS

YANG Bin1，2，GU Xiu － mei3，LIU Jian4，YANG Yan － li4
(1.College of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China;2.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;3.Confidentiality Office，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China;4.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

As a special physiognomy in nature，the mountainous region has peculiarities of uncertainty，complexity and multifactor，and digitization and classification should be conducted to find out its specific nature.With the support of spatial analysis and mathematical statistics，four factors were extracted and analyzed on the basis of ArcGIS application characteristics in Sichuan Province.They were absolute elevation，relative elevation，slope and terrain roughness.An integrated classification system for mountainous region was built by statistical methods to generalize these tow factors into two major factors and figure out the critical value of classification.The final classification results for mountainous and non－mountainous regions in Sichuan Province were extracted by using the ArcGIS grid calculator.The extraction results show that this method has reached the accuracy of the classification levels by the traditional method，thus laying the research foundation for realizing ＇digitized mountainous region.

Mountainous region;Digitization;Classification;Characteristics;Digital mountainous region

P 208;TP 79

A

1001－070X(2011)04－0064－05

2011－02－17;

2011－03－23

四川省教育廳重點(diǎn)基金項(xiàng)目(編號(hào):11ZA135)及西南科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目(編號(hào):09ZX7112)共同資助。

楊 斌(1979－)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，北京師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程在站博士后，主要從事遙感與GIS在地質(zhì)環(huán)境安全領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。

(責(zé)任編輯:李 瑜)