黃土地貌景觀的語義特征模型研究

胡 最

（1.湖南省古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承協(xié)同創(chuàng)新中心，衡陽師范學院，湖南 衡陽 421002；2.南京師范大學 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210046）

0 引 言

地貌景觀的特征主要包括其幾何形態(tài)特征、發(fā)展演化過程與空間分布模式［1］，是地貌學研究的核心內(nèi)容之一［2］。地貌是地球生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成要素之一，控制著其他生態(tài)與環(huán)境因子的空間分布格局［3］。因此，地貌的形態(tài)特征度量及其空間格局分析成為GIS軟件平臺空間分析功能的重要組成部分。我國的黃土高原是世界上最廣泛的黃土地貌分布地區(qū)，對其地貌形態(tài)的空間格局特征研究一直是我國廣大地貌工作者關注的熱點之一。長期以來，前人開展了大量的探索，如：結合數(shù)學形態(tài)學劃分了黃土地貌的形態(tài)特征［4］，從而建立了面向生產(chǎn)實踐的黃土地貌數(shù)字化分類體系［3］，這些都為進行大比例尺的黃土地貌景觀數(shù)字測圖［5］提供了方法支持。從實踐來看，人們對黃土地貌景觀特征的認識正在深化，如：TANG等基于數(shù)理統(tǒng)計分析方法發(fā)現(xiàn)了地面坡度與黃土地貌發(fā)育階段之間的內(nèi)在聯(lián)系［6］；賈旖旎根據(jù)流域邊界線的信息特征與流域地貌的特點提出了流域邊界剖面譜的概念［7］；祝士杰根據(jù)流域單元的面積－高程積分曲線建立了小流域的面積－高程積分譜［8］；等等。但是，由于目前GIS自身存在著空間表達不完備、時空表達不融合等問題［9］，這同樣也給黃土地貌景觀特征分析的深入發(fā)展帶來了困擾，如：不同學科之間對地貌單元的結構特征的表達通常互不兼容，經(jīng)常需要修改或調(diào)整［2］。在實踐中，由于不同的學科、應用領域與知識等的差異，人們對黃土地貌景觀往往會形成不同的理解。即使是同一地貌形態(tài)特征，也會形成前述差異。這使得人們逐漸認識到黃土地貌景觀成為地貌景觀制圖表達工作中的難點［5］。從根本上說，這是因為黃土地貌景觀缺乏比較系統(tǒng)的語義特征表達模型及其信息提取與抽象方法。因此，結合地理信息認識論［10］、地理對象及其屬性的空間語義特征表達方法［11－12］，從地理學的科學語言［13］角度構建一種黃土地貌單元的語義特征模型，在理論和實踐上都具有極其重要的意義。

1 黃土地貌景觀的語義

語義屬于認知學的范疇，是對現(xiàn)實世界中的客觀事物的本質(zhì)特征、存在條件、發(fā)展變化規(guī)律等的抽象和概括。語義往往具有領域?qū)傩蕴卣?，在空間信息處理中往往被理解為事物的一組類別屬性和特征屬性等規(guī)則構成的集合［14］。因此，對黃土地貌景觀的語義特征進行深入分析有利于實現(xiàn)黃土地貌特征的數(shù)字化表達與數(shù)據(jù)共享等。

1.1 黃土地貌景觀的類型

根據(jù)形成原因和結構特征，黃土地貌特指在黃土或黃土狀巖石分布地區(qū)廣泛發(fā)育并分布的地貌類型。由于黃土自身所特有的理化性質(zhì)，使得黃土地貌景觀具有成因復雜、類型多樣、溝壑縱橫、參差起伏等特點。不同領域的專家基于不同的知識背景和應用目的，提出了不同的黃土地貌分類方法：地貌學家通常根據(jù)地貌單體的幾何形態(tài)特征和形成原因?qū)ⅫS土地貌劃分為溝澗地、溝谷地和潛蝕地；地質(zhì)學家根據(jù)地質(zhì)構造和侵蝕狀況將黃土地貌劃分為侵蝕構造、侵蝕堆積、剝蝕構造、剝蝕堆積、堆積構造和風積構造等類型；地圖學家則往往綜合幾何形態(tài)特征與成因來劃分黃土地貌的基本類型。

黃土地貌的形成是一個極其漫長而又非常復雜的地質(zhì)過程。事實上，黃土地貌與其下覆的古地貌之間具有繼承性關系。然而，大規(guī)模的現(xiàn)代人類活動對黃土地貌景觀也具有重要的影響和塑造作用。我國黃土高原的現(xiàn)今地貌景觀實際上是自然過程與人為擾動綜合疊加的結果。人類活動既強烈地影響了黃土高原地區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境和各種地表過程，同時也深刻地影響和改變著黃土高原自然地貌景觀的形成與演化過程。相對于其他的地表景觀而言，人類活動對黃土地貌景觀演化過程的影響在相對較短暫的地質(zhì)年代中即得以顯著的表現(xiàn)。因此，可以將黃土地貌劃分為溝谷地貌、溝澗地貌、潛蝕地貌和人工地貌四種景觀形態(tài)（表1）。

表1 黃土地貌景觀的形態(tài)分類Tab.1 Morphometric Classification of Loess Landforms

1.2 黃土地貌的地理語義

地理語義是空間信息的基本內(nèi)涵，是對自然地理世界中的各種地理對象、地理現(xiàn)象、地理過程、時間等的高度抽象與概括。從認知理論的角度來看，語義是現(xiàn)實空間、認知空間和心象空間之間的橋梁。值得注意的是，地理語義有著鮮明的領域知識特征，是對客觀存在的地理對象或者現(xiàn)象的重要屬性的完整表達。

長期以來，人們通過實踐充分認識并總結了黃土地貌景觀的很多重要屬性特征，如各類黃土地貌景觀在演化過程中存在著形態(tài)特征的有序更替等等。黃土高原歷經(jīng)數(shù)百萬年的侵蝕與沉積，經(jīng)受長期的風力、流水等外營力的綜合作用，形成了溝壑縱橫、支離破碎的獨特地表景觀。經(jīng)過多年觀察和總結，人們發(fā)現(xiàn)在不同觀測尺度上可以區(qū)分不同類型的黃土地貌類型。從宏觀尺度上看，黃土地貌景觀可以分為溝谷地貌和溝澗地貌；從中觀和微觀尺度上看，溝谷地貌可以進一步分為紋溝、細溝、切溝、沖溝、坳溝和懸溝，溝澗地貌可以分為黃土塬、梁狀丘陵、梁峁狀丘陵、峁梁狀丘陵、臺土丘陵、黃土峁和黃土梁。特別地，人們根據(jù)坡面的基本特征與黃土潛蝕作用在不同的地貌發(fā)育階段上的成因承繼性特征，又可以區(qū)分出黃土碟、黃土陷穴、黃土墻、黃土柱、黃土橋、黃土井和黃土陷溝。顯然，對黃土地貌景觀所作的這些分類主要還是依據(jù)其幾何形態(tài)特征來進行區(qū)分的。當然，大規(guī)模的人類生產(chǎn)、生活行為在一定程度上也會對前述地貌形態(tài)產(chǎn)生重要的影響，如大范圍修筑梯田、大型工程建設活動、城鎮(zhèn)擴張等等。各種不同類型的黃土地貌景觀之間有著內(nèi)在的地理語義特征關聯(lián)（圖1）。

圖1 黃土地貌景觀的內(nèi)在語義聯(lián)系Fig.1 Semantic Relationships of Loess Landforms

2 黃土地貌景觀的語義模型

2.1 黃土地貌景觀的屬性特征

語義是數(shù)據(jù)所包含的具體內(nèi)容，也是數(shù)據(jù)的基本屬性。從信息學的角度而言，語義是信息的本質(zhì)屬性特征，表征了人們對事物的本質(zhì)屬性與內(nèi)涵的認知程度。本質(zhì)上，語義就是數(shù)據(jù)所包含的信息。因此，語義可以理解為一組由各種信息描述規(guī)則所構成的集合。在現(xiàn)代信息科學領域，信息都是可以被定量地描述、可視化表達并且可以在不同的媒體、介質(zhì)、受眾群體之間進行傳輸。顯然，黃土地貌景觀的語義屬性特征也符合這些特點。

根據(jù)前人對黃土地貌景觀基本特征的概括與總結，任何一種黃土地貌景觀類型通常都包含了如下基本特征：類別屬性特征、幾何形態(tài)特征、空間分布特征和形成原因。其中，類別屬性特征主要通過概念等形式進行表達，也是人們進行地貌景觀類別劃分的主要依據(jù)；幾何形態(tài)特征可以通過各種參數(shù)或地形指標來定量地刻畫或表達地貌景觀的形態(tài)特征，也是輔助人們進行地貌景觀類型識別的重要依據(jù)；空間分布特征主要反映了地貌景觀在地理空間中的分布狀態(tài)及其基本格局；形成原因主要反映了地貌景觀發(fā)展與演化過程中起著主導作用的原因，通常也可以作為地貌類別劃分的重要參考。顯然，前述四種屬性特征也是構成黃土地貌景觀語義的基本要素（圖2）。

圖2 黃土地貌景觀的語義屬性特征Fig.2 Semantic attribute Features of Loess Landforms

2.2 語義本體模型

本體論是現(xiàn)代信息科學的重要方法論之一，是哲學中用于描述客觀存在的物質(zhì)世界的本源性特征的理論和方法。現(xiàn)代信息科學引入本體論的目的在于構建一個可以包括世界上的客觀事物、現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系及其影響等在內(nèi)的信息表達體系。因此，信息科學領域的本體著重于對客觀存在的對象、現(xiàn)象和過程等的本質(zhì)屬性信息的抽象與描述。從語義的哲學本源來看，語義本身就是哲學本體的一種表達方式。因此，構建黃土地貌景觀的本體描述模型有助于對其內(nèi)在的語義特征進行準確、詳細的描述與表達。

從國內(nèi)外的相關研究來看，有很多學者開展了地理信息的語義或者本體模型研究，如：Bishr（1998）［14］、GoodChild （2007）［11］和 Coucleis（2010）［12］等都深入地研究了地理信息科學中的地理信息本體構建及其表達模型等問題；Martin（2001）在參考地理信息本體的基礎上提出了一種面向空間信息互操作的地貌實體語義共享模型［2］；易茹蘭等（2009）建立了面向信息共享的黃土地貌本體模型［15］；Ger?ek（2011）等建立了面向?qū)ο蟮牡孛脖倔w模型為地貌類型的自動劃分提供了新的思路［16］；等等?？傮w而言，空間信息的本體模型在幫助人們理解客觀地理對象的基本屬性特征方面起到了重要的作用；依據(jù)本體理論構建的地貌單元的語義本體模型在地貌特征信息的表達、地貌類型劃分與制圖等方面有著重要的作用。這些都為本文建立黃土地貌景觀的語義本體模型提供了有益的參考。

對于黃土地貌景觀而言，人們通常根據(jù)其外觀形態(tài)特征、發(fā)育演化特點等建立相關概念模型，進一步劃分其類別。因此，本文認為黃土地貌景觀的語義本體模型由概念層、規(guī)則層、屬性層、語義知識庫和表達模式構成（圖3）。設表示黃土地貌實體，則黃土地貌景觀的語義本體模型可以由如下五元組表示。

圖3 黃土地貌景觀的語義本體模型Fig.3 A semantic ontological model for loess landform

其中，表示概念層，是各種黃土地貌類型的聚合，也是黃土地貌類型最本質(zhì)特征的描述，用于表示各種黃土地貌類型之間的類別屬性差異，如溝澗地、溝谷地。為規(guī)則層，是各種黃土地貌景觀之間的關系描述，如溝谷的出口點、徑流節(jié)點、溝頭點與干道之間的拓撲關系。為特征屬性層，表示各種黃土地貌景觀的幾何形態(tài)、物理特征等重要屬性特征，如黃土柱具有黃土垂直節(jié)理與直立特性，可以挺立數(shù)百年。表示黃土地貌景觀的領域知識規(guī)則庫，由各種黃土地貌景觀的地學知識、特征與規(guī)律等構成。表示黃土地貌景觀的綜合表達與描述算子，也就是黃土地貌景觀屬性特征的表達方式，如現(xiàn)有GIS軟件平臺中一般有矢量與柵格兩種地貌景觀表達方式。

對于黃土地貌景觀的特征表達與分析來說，通常只需要根據(jù)上述框架模型構建其完整的語義屬性特征即可，下面以黃土塬為例進行說明。黃土塬是面積廣闊而且平坦的黃土高地。塬面中央部分斜度不到1度，邊緣部分在3～5度，周圍有溝谷發(fā)育。隨著侵蝕的加深，塬面可破碎發(fā)展成為黃土梁。因此，根據(jù)黃土塬的這些典型特征，可以構建出黃土塬的語義本體模型（圖4）。

圖4 塬的語義本體模型Fig.4 A semantic ontological model for loess Yuan

2.3 應用實例

依據(jù)本文所建立的黃土地貌景觀語義本體模型，本文選取陜西省延安市綏德縣某小流域作為案例，提取并計算其流域邊界線的2維、3維分形值，通過流域及其所屬的各個子流域的邊界線所對應的2D與3D分形維數(shù)特征值來總結流域邊界線所蘊含的地學知識（圖5）。在ArcGIS軟件中，具體操作與計算過程主要有：①進行數(shù)據(jù)預處理并提取流域邊界線；②創(chuàng)建特定尺寸的格網(wǎng)；③統(tǒng)計流域邊界線與格網(wǎng)中相互交叉的格子數(shù)目，進行計算；④重復前述的步驟②與③，計算得到一系列的結果值，然后運用線性回歸方法得到所需要的計算結果。本文以具有較高精度的5m分辨率DEM數(shù)據(jù)為信息源，進行了相關計算實驗并求得了相關結果（圖6），完整的計算過程與相關結果請參見文獻［17］，在此不再贅述。

圖5 某黃土小流域的語義本體模型實例Fig.5 An instance of small loess watershed for semantic ontological model

3 討 論

圖6 某黃土小流域的邊界線分形計算結果Fig.6 fractal values of small loess watershed's boundary

黃土地貌是非常重要的地貌類型之一，對人類的生產(chǎn)生活實踐有著非常重要的影響。然而，不同領域、不同學科和不同知識背景的人們對黃土地貌往往會形成不同的認識。在很多時候，有的認識甚至還會出現(xiàn)互不相容的情況。從實踐的角度來看，這些認識上的差異往往也會導致人們實踐行動上的偏差。實際上，這些認識與實踐領域所存在的對黃土地貌的不同理解究其原因就是對黃土地貌的語義特征理解缺乏統(tǒng)一的模型與方法。事實上，在過去的數(shù)年中，人們一直試圖從語義特征的角度來解決前述問題。本文根據(jù)黃土地貌獨特的特征與本體論的相關理論對前述問題做了一定的探索。本文提出了涵蓋黃土地貌的定義、屬性、規(guī)則、知識庫和表達集在內(nèi)的語義模型框架，然后結合實際問題給出了該框架的應用實例。限于當前的理論認識水平與地貌學科的方法論局限，要從根本上解決黃土地貌景觀的語義特征統(tǒng)一建模問題在今后相當長的時期內(nèi)仍然將是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。本文在實際研究過程中也存在著前述不足。因此，期待更多專家學者的進一步深入探索。

［1］Jonathan D.Philips，divergence，convergence，and selforganization in landscapes［J］.Annals of the Association of American Geographers，1999，89（3）：466－488.

［2］Martin Dehn，Holger G?rtner，Richard Dikau.Principles of semantic modeling of landform structures［J］.Computers ＆ Geosciences，2001，27：1005－1010.

［3］柴慧霞，程維明，喬玉良.中國“數(shù)字黃土地貌”分類體系探討［J］.地球信息科學，2006，8（2）：6－13.

［4］陳燕，齊清文，楊志平，等.數(shù)學形態(tài)學在黃土地貌單元分類學上的應用［J］.山地學報，2005，23（1）：96－100.

［5］趙鵬全，孫昌民.黃土地貌大比例尺數(shù)字化測圖探討［J］.地礦測繪，2011，27（1）：41－43.

［6］TANG GuoAn，LI FaYuan，LIU XueJun，et al.Research on the slope spectrum of the Loess Plateau［J］.Science in China Series E：Technological Sciences，2008，51（supp.1）：175－185.

［7］賈旖旎.基于DEM的黃土高原流域邊界剖面譜研究［D］.南京：南京師范大學，2010：1－129.

［8］祝士杰.基于DEM的黃土高原流域高程積分譜系研究［D］.南京：南京師范大學，2013.

［9］閭國年，袁林旺，俞肇元.GIS技術發(fā)展與社會化的困境與挑戰(zhàn)［J］.地球信息科學學報，2013，15（4）：483－490.

［10］Elaine J.Hallisey，cartographic visualization：an assessment and epistemological review［J］.The Professional Geographer，2005，57（3）：350－364.

［11］Michael F.GoodChild，May Yuan，Thomas J.Cova，Towards a general theory of geographic representation in GIS［J］.International Journal of Geographic Information Science，2007，21（3）：239－260.

［12］Helen Coucleis.Ontologies of geographic information［J］.International Journal of Geographical Information Science，2010，24（12）：1785－1809.

［13］胡最，湯國安，閭國年.GIS作為新一代地理學語言的特征［J］.地理學報，2012，67（7）：867－877.

［14］Yaser Bishr.Overcoming the semantic and other barriers to GIS interoperability［J］.International Journal of Geographical Information Science，1998，12（4）：299－314.

［15］易茹蘭，陳建軍，鄧敏，等.黃土地貌本體的構建方法研究［J］.地理與地理信息科學，2009，25（2）：46－49.

［16］Deniz Ger?ek，Vedat Toprak，Josef Strobl.Classification of landforms based on their local geometry and geomorphometric context［J］.International Journal of Geographic Information Science，2011，25 （6）：1011－1023.

［17］胡最，梁明，王琛智.基于GIS的黃土小流域邊界線分形特征值估算研究［J］.華中師范大學學報：自然科學版，2014，48（1）：1－7.