河北省地貌空間信息系統(tǒng)研建初探

趙艷霞，徐全洪，秦彥杰，李慶辰

（1.河北省科學(xué)院 地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050011）

地貌學(xué)理論發(fā)展和生產(chǎn)實(shí)踐需要加強(qiáng)計(jì)量地貌研究，運(yùn)用GIS和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)展地貌環(huán)境演化研究，成為地貌研究的新熱點(diǎn)[1-5]。本文在研究河北地貌特征及其分布格局的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于GIS的河北省數(shù)字地貌信息系統(tǒng)平臺(tái)，利用DEM數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了河北地貌的三維可視化，立體顯示了河北地貌形態(tài)特征，并對(duì)典型地貌進(jìn)行信息管理，為實(shí)現(xiàn)河北省數(shù)字地貌信息化提供技術(shù)平臺(tái)，并為其他領(lǐng)域的各種需求提供基礎(chǔ)的數(shù)字地貌信查詢、管理及應(yīng)用等服務(wù)。

1 河北省地貌特征

河北地貌格局區(qū)域展布受大地構(gòu)造演化的控制。燕山運(yùn)動(dòng)奠定了河北地貌格局的基礎(chǔ)，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)使河北地貌進(jìn)一步分異。在水平方向上呈半圓形環(huán)渤海分布，即以渤海為中心，最外圈是東西向的壩上高原，中圈是北東向的太行山地、東西向的燕山山地和太行山、燕山交接地帶的冀西北間山盆地，內(nèi)圈是北東向的河北平原和東西向的北京－冀東平原。這種環(huán)渤海分布的地貌格局，對(duì)氣候、降水、土壤、植被等其他自然要素的分異具有強(qiáng)烈的區(qū)位控制作用。在垂直剖面上呈階梯狀向渤海盆地下降，最高階梯是最外圍壩上高原，海拔以1 300～1 500 m為主；次一級(jí)階梯是中間的華北山地，海拔在1 000～1 500 m之間；再次一級(jí)階梯是內(nèi)圍的丘陵－臺(tái)地，海拔150～500 m；最低一級(jí)臺(tái)階是華北平原，海拔以20～70 m為主；渤海海拔為0 m。階梯狀地貌格局對(duì)自然界的自然要素和大農(nóng)業(yè)布局具有強(qiáng)烈的層位控制作用。

河北省地貌類型豐富且發(fā)育典型，成因類型也多種多樣，包括構(gòu)造地貌（如層狀地貌、地塹地貌、火山地貌、地震地貌、斷裂地貌、單斜地貌等）；氣候地貌（如冰緣地貌、風(fēng)沙地貌等）；流水地貌、喀斯特地貌、湖泊與沼澤（濕地）地貌、嶂石巖地貌、丹霞地貌等，重力地貌（包括崩塌、倒石堆）、滑坡、泥石流等（災(zāi)害地貌）以及以海水侵蝕、堆積為主的海岸侵蝕地貌、海岸堆積地貌和海底侵蝕地貌、海底堆積地貌、人造地貌等?？蓜澐譃?個(gè)一級(jí)地貌類型、 13個(gè)二級(jí)地貌類型、48個(gè)三級(jí)地貌類型、123個(gè)四級(jí)地貌類型。地貌跨時(shí)久遠(yuǎn)，不同發(fā)育階段的地貌自山頂至海岸，由高而低，層層疊置、相互銜接。

2 數(shù)字地貌信息系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)

2.1 數(shù)字地貌特征

數(shù)字地貌是以數(shù)字形式將所有與地貌相關(guān)的信息都集成存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于信息加工、更新、空間分析，制作出不同類型的地貌圖[5，6]。地貌系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，是由各種地貌形態(tài)類型和要素構(gòu)成的復(fù)雜綜合體[7]。數(shù)字地貌信息的研究主要體現(xiàn)在2個(gè)方面——地貌分類研究和數(shù)字地貌信息的獲取。數(shù)字地貌信息的獲取有別于紙質(zhì)地貌圖的定量化和數(shù)字化特征，這里的信息包含從遙感影像、DEM和地質(zhì)圖等多種數(shù)據(jù)源上直接或間接獲得的地貌特征。利用DEM可直接獲得的信息包括：海拔高度、地勢(shì)起伏度、坡度、地貌形態(tài)、微地貌形態(tài)和地形地貌特征線等；利用遙感影像、地質(zhì)圖等其他數(shù)據(jù)可間接獲得的數(shù)字地貌信息包括：地貌形態(tài)的內(nèi)外營(yíng)力、內(nèi)外營(yíng)力的堆積和侵蝕特征、地貌年齡、地貌類型物質(zhì)組成等。其中，地貌營(yíng)力隱含在地貌形態(tài)上，它不可能直接獲得，但可以通過(guò)地形外貌形態(tài)特征、地質(zhì)、土地利用等信息綜合獲取。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

河北省數(shù)字地貌信息系統(tǒng)是在以往研究成果的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的三維平臺(tái)進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)。引入開(kāi)放式系統(tǒng)構(gòu)架的思想，采用.Net開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河北省范圍內(nèi)的數(shù)字地貌數(shù)據(jù)的管理，包括地貌數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析以及地貌數(shù)據(jù)的三維可視化，即在三維地球上展示地貌數(shù)據(jù)信息。信息系統(tǒng)采用多層體系結(jié)構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)層、操作層和應(yīng)用層（見(jiàn)圖1）。

圖1 河北省數(shù)字地貌信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）數(shù)據(jù)層：存儲(chǔ)管理河北省數(shù)字地貌信息及其相關(guān)數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)格式既有柵格格式（SRTM-DEM、遙感影像等），也有矢量格式（基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地貌數(shù)據(jù)等）。

2）操作層：處于核心地位的層次，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字地貌的現(xiàn)狀分析、歷史演變分析、空間組合關(guān)系以及分布規(guī)律等的分析，并實(shí)現(xiàn)查詢、旋轉(zhuǎn)、縮放等各種空間操作功能。

3）應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)河北省數(shù)字地貌信息及其相關(guān)數(shù)據(jù)的三維、立體可視化展示；通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的查詢、分析操作，為各行業(yè)的應(yīng)用提供決策依據(jù)，歸為服務(wù)平臺(tái)。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前共設(shè)計(jì)3個(gè)子系統(tǒng)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)、分析操作層子系統(tǒng)和輸出顯示子系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。

圖2 河北省數(shù)字地貌信息系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)，為河北省數(shù)字地貌應(yīng)用和分析決策提供基礎(chǔ)資料，其主要包含河北省數(shù)字地貌相關(guān)的空間信息、屬性信息、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)以及多媒體數(shù)據(jù)等。空間信息包括河北地形地貌的空間位置和分布；屬性信息包括數(shù)字地貌的形態(tài)特征、地貌的組合關(guān)系、地貌的空間分布規(guī)律、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地質(zhì)構(gòu)造狀況和人們的活動(dòng)活躍性等；矢量數(shù)據(jù)主要是指以矢量形式表達(dá)的各種與數(shù)字地貌信息相關(guān)的數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)主要指數(shù)字高程模型（DEM），反映河北省范圍內(nèi)地形海拔、起伏等信息；圖形數(shù)據(jù)主要是指與河北數(shù)字地貌相關(guān)的各種地圖數(shù)據(jù)；圖像數(shù)據(jù)主要是指文字資料不可代替的那些直觀地展示、介紹地貌信息的照片、航片、遙感影像等數(shù)據(jù)；多媒體數(shù)據(jù)主要是指一些三維顯示和錄像信息。

2）分析操作層子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)是基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)，借助GIS強(qiáng)大的拓?fù)淇臻g分析能力，提供對(duì)河北省數(shù)字地貌的疊加分析、網(wǎng)絡(luò)分析等各種空間分析功能，并實(shí)現(xiàn)查詢、旋轉(zhuǎn)、縮放等各種空間操作，從而為各個(gè)相關(guān)部門和單位以及個(gè)人提供河北省數(shù)字地貌信息，為分析當(dāng)?shù)氐牡孛铂F(xiàn)狀、地貌的演變歷史以及某些地質(zhì)地貌災(zāi)害的預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)，并能為基于數(shù)字地貌的各種應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和分析基礎(chǔ)。總體上又可以劃分成數(shù)據(jù)管理和圖形操作2大模塊。

3）輸出顯示子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要是采用三維可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)河北省數(shù)字地貌信息的三維顯示，并能開(kāi)展基本的三維顯示操作（見(jiàn)圖3）。在此基礎(chǔ)上，可以將所需要的信息以屏顯、打印、繪圖等多種方式輸出；也可以通過(guò)進(jìn)行編輯處理由繪圖機(jī)繪出地圖；還可將有關(guān)圖形、圖像、多媒體等數(shù)據(jù)與資料刻錄制作成多媒體光盤。

圖3 數(shù)字地貌信息三維顯示圖

3 結(jié) 語(yǔ)

基于ArcGIS二次開(kāi)發(fā)的河北省數(shù)字地貌信息系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的地貌信息存儲(chǔ)、分析的方式，使得分析者能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地獲得所需數(shù)據(jù)；也使不具備專業(yè)知識(shí)的使用者在獲得這些數(shù)據(jù)的同時(shí)，獲得對(duì)地貌信息直觀的、立體的感性認(rèn)識(shí)。系統(tǒng)基于.Net開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了河北省數(shù)字地貌信息的系統(tǒng)管理、分析操作和三維可視化，為相關(guān)部門的決策分析提供科

學(xué)的依據(jù)和現(xiàn)代化的手段。應(yīng)用該系統(tǒng)很大程度上減輕了地貌信息的存儲(chǔ)、查詢、分析、顯示等工作強(qiáng)度，節(jié)約了工作時(shí)間，大幅度地提高了數(shù)字地貌分析操作的精度和靈活性，并為河北省數(shù)字地貌及其相關(guān)信息的實(shí)時(shí)更新、擴(kuò)充提供了便利。

[1]楊景春，李有利. 地貌學(xué)教程[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2003

[2]郭偉，李書恒，朱大奎. 地理信息系統(tǒng)在海岸海洋地貌研究中的應(yīng)用[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2008,30（4）：63-70

[3]徐全洪. 河北地貌景觀與旅游[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2011

[4]吳忱. 華北地貌形成與演變[M]. 北京：科技出版社，2008

[5]周廷儒，施雅風(fēng)，陳述彭，等. 中國(guó)地形區(qū)劃草案·中國(guó)自然區(qū)劃草案[M]. 北京：科學(xué)出版社，1956

[6]沈玉昌. 中國(guó)地貌的類型與區(qū)劃問(wèn)題的商榷[J]. 中國(guó)第四紀(jì)研究，1958，1(1)： 33-41

[7]程維明，周成虎，柴慧霞，等. 中國(guó)陸地地貌基本形態(tài)類型定量提取與分析[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11(6): 725-736