災(zāi)害風險地圖中黃土高原地貌自動綜合研究

潘東華，王靜愛，賈慧聰

(1.民政部國家減災(zāi)中心，北京 100124； 2.民政部衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用中心, 北京 100124； 3.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875; 4.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；5.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100094； 6.中國科學(xué)院數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094)

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災(zāi)害風險地圖中黃土高原地貌自動綜合研究

潘東華1,2,3，王靜愛3,4，賈慧聰5,6

(1.民政部國家減災(zāi)中心，北京 100124； 2.民政部衛(wèi)星減災(zāi)應(yīng)用中心, 北京 100124； 3.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875; 4.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；5.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100094； 6.中國科學(xué)院數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094)

探討了結(jié)合圖層約束理論和小波分析的黃土高原地區(qū)DEM孕災(zāi)環(huán)境的自動綜合技術(shù)，構(gòu)建了基于不同尺度的水系、坡度等約束圖層信息，并通過小波方法重構(gòu)了不同尺度、多圖層約束下的黃土高原地貌,為不同區(qū)域尺度下孕災(zāi)環(huán)境的最優(yōu)表達探索了一種新的數(shù)據(jù)處理模型和表示方法。

制圖綜合；圖層約束；黃土高原；小波分析；自然災(zāi)害風險地圖

一、引 言

黃土高原是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)，是我國水土保持的重點區(qū)域，也是防治自然災(zāi)害和次生災(zāi)害的重點區(qū)域；同時，本地區(qū)氣候資源變幅較寬，年際變化差異大，氣候災(zāi)害發(fā)生頻率高[1]。因此，開展本地區(qū)的自然災(zāi)害風險防范具有重要的現(xiàn)實意義。自然災(zāi)害風險地圖作為一項非工程性措施，是區(qū)域災(zāi)害風險防范與決策管理的重要參考依據(jù)[2]。由于不同區(qū)域尺度的地理規(guī)律差異明顯，不同區(qū)域?qū)哟螒?yīng)用上的要求也不相同，因此不同尺度的地貌綜合成為黃土高原研究的一種必然需求。本文在當前災(zāi)害風險制圖綜合主要技術(shù)方法的基礎(chǔ)上[3-6]，結(jié)合小波分析方法，開展黃土高原地貌在災(zāi)害風險地圖中的自動綜合研究，對全方位認識該地區(qū)的空間結(jié)構(gòu)特征具有重要指導(dǎo)意義，同時也為特殊地貌孕災(zāi)環(huán)境提供了新的數(shù)據(jù)挖掘途徑。因此，多尺度的地貌綜合技術(shù)可為區(qū)域災(zāi)害風險管理提供決策支持。

二、面狀自然災(zāi)害風險地圖自動綜合的理論與方法

1.理論框架

本研究基于災(zāi)害系統(tǒng)理論，并結(jié)合地理學(xué)和地圖學(xué)知識，探討了面狀孕災(zāi)環(huán)境(黃土高原地貌)在自然災(zāi)害風險地圖中的自動綜合問題，在揭示孕災(zāi)環(huán)境對災(zāi)害風險表達明辨性、邏輯一致性和結(jié)構(gòu)整體性的前提下[7]，考慮與黃土孕災(zāi)環(huán)境相關(guān)的自然要素，提取了該地區(qū)多尺度水系、坡度等地貌自動綜合的主要約束圖層(LC)，并結(jié)合小波分析，通過二維小波變換，作了不同尺度下的分解與重構(gòu)，從而優(yōu)化了多尺度、多圖層約束下的黃土高原地區(qū)DEM的表達，為黃土高原地區(qū)地貌災(zāi)害與孕災(zāi)環(huán)境的尺度約束提供了一定的參考，對地表形態(tài)的多尺度表達和自動綜合及其綜合程度評估方法作了初步的研究。

2.小波變換在地貌自動綜合中的優(yōu)勢

小波理論是當前時空—頻率分析工具，由于其具有自適應(yīng)性和“數(shù)學(xué)顯微鏡”性質(zhì)而成為許多學(xué)科研究的工具。黃土高原DEM自動綜合的小波變換(WT)模型著重回答了在地圖綜合過程中“怎么做”的問題，即當生成小比例尺地圖或低分辨率數(shù)據(jù)庫時為不同層次決策提供適量信息而作出的方法選擇。WT模型具有時頻域的良好局部化特性，隨著信號不同頻率成分在時/空域取樣的疏密自動調(diào)節(jié)，可以在任意尺度觀察函數(shù)(信號、圖像等)的任意細節(jié)并加以分析。本研究將黃土地貌看成一個信號場，它由基本骨架(低頻信息)和局部細節(jié)(高頻信息)構(gòu)成[8]，同時結(jié)合約束圖層[9-10]，對因小波分析被舍去的在災(zāi)害系統(tǒng)中具有重要作用的關(guān)鍵細節(jié)加以補充。本研究選取了多級水系和坡度作為約束圖層，因此，基于圖層約束的WT模型具有較好的空間互補性。

三、黃土高原地貌孕災(zāi)環(huán)境的自動綜合應(yīng)用

本文利用coif2小波進行多尺度分解與重構(gòu)，派生了5個尺度的DEM(為了便于對比，縮放為同樣大小)，并將相應(yīng)尺度的水系和坡度周邊的DEM作為細節(jié)補充，彌補因小波分析被過濾掉的重要信息，為客觀反映災(zāi)害發(fā)生及形成機制提供了更準確的尺度依據(jù)。

1.多尺度DEM的分解與重構(gòu)

本文選取黃土高原1 km×1 km的DEM作為數(shù)據(jù)源，利用具有相對較好的對稱性和消失距的coif2小波進行多尺度分解與重構(gòu)，派生5個尺度的DEM，大小為原尺寸的2-k倍，其比例尺相應(yīng)逐級降低1/2，并分別從水平、垂直、對角線3個方向作高頻信息過濾，特征信息隨著尺度的降低逐漸減少，細小地貌特征被逐步濾掉，保留主要特征。隨著分解尺度的增加及DEM分辨率的降低，黃土高原地貌的整體骨架特征得以顯現(xiàn)。這表明小波分析技術(shù)具有較好的多尺度表達能力。

2.水系與坡度的細節(jié)補充

為了準確反映孕災(zāi)環(huán)境對區(qū)域災(zāi)害形成機制的影響，本文對小波變換后的DEM進行了再處理，用水系和坡度兩個圖層對該地區(qū)孕災(zāi)環(huán)境的地貌形態(tài)和特征加以約束，從而實現(xiàn)了地貌孕災(zāi)環(huán)境基本結(jié)構(gòu)特征的保留。

為了反映不同區(qū)域尺度水系與坡度對地貌孕災(zāi)環(huán)境空間結(jié)構(gòu)特征的影響，本文將水系按照干支流分為1～5個級別，在小波變換L1、L3、L53個尺度下選取水系級別分別為R_rank>5，3，2級水系周圍1 km×1 km、2 km×2 km、4 km×4 km的DEM作為細節(jié)補充(如圖1—圖3所示)；同樣，將坡度也作了類似處理，將坡度S>2，4，6周圍的DEM作為細節(jié)補充(如圖4—圖6所示)，從而彌補在小波分析中可能被當作高頻信息而被刪除的溝壑地貌的細節(jié)部分，更客觀地反映了黃土高原特殊孕災(zāi)環(huán)境與災(zāi)害成因機制之間的復(fù)雜關(guān)系。水系和坡度的細節(jié)圖層對黃土高原特殊地貌結(jié)構(gòu)的保持具有較好的空間約束力。

3.基于LC-WT多尺度DEM的自動綜合表達

將小波分析的初步結(jié)果(本文選取了L1、L3、L53個尺度)與相應(yīng)尺度下的水系、坡度的地貌作為細節(jié)補充，即水系1(R_rank>5)、水系2(R_rank>3)、水系3(R_rank>2級)，以及坡度1(S>2)、坡度2(S>4)、坡度3(S>6)。由于小波技術(shù)剔除地貌高頻信息(細節(jié)地貌)是一個機械的數(shù)理過程，沒有考慮區(qū)域地貌的整體結(jié)構(gòu)，其中細節(jié)部分可能被當作高頻信息剔除，因此，通過不同尺度水系和坡度圖層約束下的地貌細節(jié)補充，可以最大限度地保持黃土高原特殊地貌的空間結(jié)構(gòu)，準確反映孕災(zāi)環(huán)境與該地區(qū)地貌災(zāi)害發(fā)生及成因上的客觀聯(lián)系，從而為不同區(qū)域尺度下的防災(zāi)減災(zāi)管理提供較合理的地理信息概括。

圖1 河流分布區(qū)DEM(R_rank>5)

圖2 河流分布區(qū)DEM(R_rank>3)

圖3 河流分布區(qū)DEM(R_rank>2)

圖4 坡度分布(S>2)

圖5 坡度分布(S>4)

圖6 坡度分布(S>6)

四、結(jié)果分析

建立滿足一定條件的抽象模型是實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)多尺度表達的核心。本文構(gòu)建的小波綜合方法可以優(yōu)化表示地表形態(tài)的關(guān)鍵特征?；谠撃Ｐ涂梢詫崿F(xiàn)多個尺度的地貌自動制圖綜合，綜合程度可得到相應(yīng)的定量化評估。通過LC-WT自動綜合模型對黃土高原地區(qū)DEM 3個尺度自動綜合結(jié)果的高程直方圖統(tǒng)計可以看出(如圖7—圖10所示)，整體地貌結(jié)構(gòu)特征得到保持，即該地區(qū)的整體地貌骨架(低頻信息)總體趨勢沒有發(fā)生改變，基本地貌單元特征得到較明顯表達。

圖7 原始DEM直方圖統(tǒng)計

圖8 L1尺度綜合下的直方圖統(tǒng)計

圖9 L3尺度綜合下的直方圖統(tǒng)計

圖10 L5尺度綜合下的直方圖統(tǒng)計

在有限的二維表示平面內(nèi)，只有準確表達地貌特征，才能客觀地反映地表形態(tài)。因此，必須對地貌實施結(jié)構(gòu)化的綜合。對于黃土地貌孕災(zāi)環(huán)境而言，就是要綜合考慮黃土高原的特殊地貌空間結(jié)構(gòu)。通過L1、L3、L53個尺度的綜合結(jié)果，以及黃土高原地區(qū)地貌的形成過程和自然特征的差異，可以將該地區(qū)的地貌孕災(zāi)環(huán)境大致分為以下幾個主要地貌單元：①隴中盆地；②渭河地塹平原；③隴東、陜北高原；④山西高原；⑤鄂爾多斯高原地區(qū)(如圖11—圖14所示)。

圖11 黃土高原地區(qū)原始DEM

圖12 自動綜合結(jié)果(L1)

圖13 自動綜合結(jié)果(L3)

圖14 自動綜合結(jié)果(L5)

總體而言，黃土高原地區(qū)呈現(xiàn)“環(huán)狀”空間結(jié)構(gòu)特征(如圖15所示)。該地區(qū)自然環(huán)境的特點是：四周環(huán)山(秦嶺—太行山—陰山—賀蘭山—日月山)，構(gòu)成外環(huán)，是本地區(qū)的綠色天然屏障；山前斷裂帶所形成的一系列平原盆地(渭河平原—運城盆地—臨汾盆地—太原盆地—大同盆地—內(nèi)蒙古河套平原—寧夏河套平原)構(gòu)成內(nèi)環(huán)；環(huán)帶中心為地臺，由于自然侵蝕與人為加速侵蝕疊加，區(qū)內(nèi)自然災(zāi)害類型多樣，且發(fā)生于臺地邊緣地區(qū)。通過不同尺度的自動綜合，區(qū)域孕災(zāi)環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)特征得到較明顯的反映，災(zāi)害發(fā)生規(guī)律區(qū)間差異較明顯，為不同尺度的區(qū)域風險管理與減災(zāi)規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。

圖15 黃土高原地區(qū)地貌的環(huán)狀空間結(jié)構(gòu)

五、結(jié)束語

本文基于地理學(xué)、地圖學(xué)和災(zāi)害學(xué)理論基礎(chǔ)，初步構(gòu)建了圖層約束—小波分析(LC-WT)的面狀自然災(zāi)害風險制圖中孕災(zāi)環(huán)境的自動綜合模型，并以我國黃土高原地區(qū)的DEM為例，進行了多尺度的地貌自動綜合表達研究，對結(jié)果的有效性作了分析，即是否符合該地區(qū)基本地貌結(jié)構(gòu)的地域分異規(guī)律，并就多尺度轉(zhuǎn)換中黃土高原地區(qū)地貌孕災(zāi)環(huán)境的區(qū)域分異及空間結(jié)構(gòu)特征作了概括和總結(jié)，為多尺度的區(qū)域災(zāi)害風險管理與決策提供理論與方法支持。同時，LC-WT自動模型具有較好的空間互補性，對科學(xué)認識區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)提供了新的途徑。

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On Automated Generalization for DEM of Loess Plateau in Risk Mapping of Natural Hazard

PAN Donghua，WANG Jingai,JIA Huicong

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10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0211

2014-04-22

潘東華(1981—)，男，博士，副研究員，主要從事GIS及RS在自然災(zāi)害風險分析與制圖中的應(yīng)用研究。E-mail:eliteast@mail.bnu.edu.cn

P208

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：0494-0911(2015)07-0058-04