GIS和地理本體在岷江上游干旱河谷范圍界定中的應(yīng)用研究

詹 金 鳳，楊 斌，2*，李 茂 嬌，高 桂 勝，王 世 舉

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 四川 綿陽 621010；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

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GIS和地理本體在岷江上游干旱河谷范圍界定中的應(yīng)用研究

詹 金 鳳1，楊 斌1，2*，李 茂 嬌1，高 桂 勝1，王 世 舉1

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院， 四川 綿陽 621010；2.北京師范大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

基于地理本體應(yīng)用模型，從干旱河谷自然本底特點(diǎn)及其形成機(jī)制入手，利用本體建模軟件protege 4.1構(gòu)建岷江上游干旱河谷領(lǐng)域本體模型，利用該區(qū)域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)分類提取出DEM、坡度、相對(duì)高程、土壤、裸地分布數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)基于地理本體的干旱河谷特征數(shù)字化表達(dá)，并利用柵格計(jì)算器定量界定出岷江上游干旱河谷區(qū)面積為118 515 hm2。研究表明，利用地理本體深入剖析干旱河谷概念特征，在GIS技術(shù)支持下定量界定干旱河谷區(qū)域范圍的方法具有一定的可行性，為相關(guān)領(lǐng)域邊界范圍的科學(xué)界定和形象化概念分類表達(dá)提供了一種全新的解決思路。

GIS；地理本體；干旱河谷；范圍界定；岷江上游

0 引言

干旱河谷是橫斷山區(qū)一種特殊的自然景觀，亦是整個(gè)川西地區(qū)人口和城鎮(zhèn)分布集中的核心地帶，其自然環(huán)境表現(xiàn)為高蒸發(fā)、低降水、干濕季明顯、晝夜溫差大、土壤貧瘠、植被稀少，是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，其敏感脆弱的生態(tài)環(huán)境條件嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和群眾生活[1]。特殊的自然條件導(dǎo)致干旱河谷范圍波動(dòng)較大，對(duì)該區(qū)土地利用分類研究及干旱河谷范圍界定干擾嚴(yán)重。岷江上游干旱河谷區(qū)位于橫斷山區(qū)與四川盆地過渡帶，在地形、地貌、氣候植被狀況方面，可視為橫斷山區(qū)干旱河谷的一個(gè)縮影。因此，科學(xué)界定岷江上游干旱河谷范圍對(duì)該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱性與敏感性分析至關(guān)重要。

目前針對(duì)干旱河谷的研究主要集中在土壤養(yǎng)分、土地利用、植被狀況、生態(tài)脆弱性及區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建等方面[2-6]，關(guān)于干旱河谷概念的定義較為模糊，也沒有明確統(tǒng)一的界定方法[7-9]。地理本體主要研究地理信息科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)不同層次和不同應(yīng)用方向上的地理空間信息概念的詳細(xì)內(nèi)涵和層次關(guān)系，并給出概念的語義標(biāo)識(shí)，解決地理概念分類及概念之間的相互關(guān)系問題。本研究嘗試運(yùn)用地理本體概念化模型，在本體建模軟件protege 4.1驅(qū)動(dòng)下剖析干旱河谷本質(zhì)特征，利用GIS技術(shù)和方法科學(xué)定量界定岷江上游干旱河谷邊界范圍，為干旱河谷及其他相關(guān)領(lǐng)域定量化界定提供全新的解決思路和研究方案。

1 地理本體邏輯結(jié)構(gòu)分析

本體(Ontology)是對(duì)某種概念化體系的規(guī)范說明，用來獲取感興趣領(lǐng)域的知識(shí)。地理本體是空間信息科學(xué)中具體應(yīng)用領(lǐng)域里共享的一個(gè)概念化知識(shí)系統(tǒng)的形式化和顯式的說明規(guī)范，常用于地理空間信息挖掘、概念體系分類、概念語義分析及語義關(guān)系表達(dá)、空間數(shù)據(jù)重用及共享等[10-12]。不同研究領(lǐng)域和不同應(yīng)用方向的地理本體可以有不同的邏輯結(jié)構(gòu)，常見的邏輯結(jié)構(gòu)有：三元組O=，其中Class、Property、Individual分別表示類(概念)、屬性、個(gè)體(實(shí)例)；五元組O=,其具體含義依次為概念、關(guān)系、函數(shù)、公理、實(shí)例；七元組O=,其中C、R、H、P、PR、PC、I分別表示概念、概念之間的語義關(guān)系、層次關(guān)系、屬性、對(duì)屬性的約束、屬性的特征和實(shí)例。

根據(jù)岷江上游干旱河谷區(qū)領(lǐng)域特征的復(fù)雜性和多變性，結(jié)合地理本體的邏輯結(jié)構(gòu)，采用修訂后的五元組結(jié)構(gòu)表示干旱河谷本體，即O=。C為概念集，表示干旱河谷領(lǐng)域類相關(guān)概念的集合；R為干旱河谷相關(guān)概念之間的從屬、父子、實(shí)例、屬性等常見的語義關(guān)系，其中父子關(guān)系中又蘊(yùn)含了繼承關(guān)系，即子類繼承父類的屬性特征、空間特征等；P為屬性，即干旱河谷概念范圍內(nèi)的特征，如河谷中山系的“名字”、“海拔高度”；PR表示對(duì)屬性特征的約束，即對(duì)屬性取值的類型、范圍等的限制，如河谷海拔高度的范圍；I為個(gè)體，即在地理本體研究過程中的應(yīng)用實(shí)例，如岷江上游干旱河谷就屬于干旱河谷的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

2 岷江上游干旱河谷本體構(gòu)建

2.1 識(shí)別和分析干旱河谷領(lǐng)域相關(guān)概念

干旱河谷屬于地理學(xué)范疇，是自然地理環(huán)境領(lǐng)域的一部分，可直觀地理解為“干旱”的“河谷”，其中“干旱”屬于自然現(xiàn)象，是由氣象、植被、土壤等因素共同決定的，“河谷”則源于“山”這個(gè)自然地理實(shí)體。在地理學(xué)詞典[13]中將狹義的山定義為：高度較大、坡度較陡的高地，多為地殼上升地區(qū)經(jīng)受河流切割而成，自上而下分為山頂(或山脊)、山坡和山麓三部分?？梢姡绞怯捎诘貧み\(yùn)動(dòng)形成的，具有高度、坡度等屬性，許多山聚集在一起便成了山區(qū)。根據(jù)地理學(xué)詞典記載，山區(qū)是指山地、丘陵以及較崎嶇的高原地區(qū)，其中山地又包括山嶺、山谷、山間盆地，它具有較大的絕對(duì)高程和相對(duì)高程、切割深、切割密度大等特點(diǎn)，通常位于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和外力侵蝕作用活躍地區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如我國西部的一些山地。山地中較大的條形低凹部分稱為山谷，主要是構(gòu)造作用、水流、冰川等侵蝕的結(jié)果，常常成為通過高山大嶺的交通孔道；山谷按構(gòu)造作用可分為斷層谷、向斜谷、背斜谷等，按外力作用可分為山地河谷、冰川谷。通過剖析與“山”這個(gè)實(shí)體相關(guān)的概念，得出了河谷。地理學(xué)詞典中關(guān)于河谷的描述為：河谷是指河流所流經(jīng)的長條形凹地，可見河流是形成河谷的外部因素，也是必要因素。同時(shí)在不同降雨量、氣溫、蒸發(fā)量等氣候條件的影響下，河谷土壤及植被均表現(xiàn)出不同的特性，據(jù)此可將其分為干旱河谷、半干旱河谷、半濕潤河谷和濕潤河谷四類，從而得到了干旱河谷這個(gè)實(shí)體類型及其概念。

以干旱河谷為主要研究對(duì)象，對(duì)干旱河谷相關(guān)概念進(jìn)行語義成分分析：山——[山頂]+[山坡]+[山麓]+[坡度]+[高度]+[地殼運(yùn)動(dòng)]+[河流切割]；山區(qū)——[山地]+[丘陵]+[高原]；山地——[山嶺]+[山谷]+[山間盆地]+[絕對(duì)高程]+[相對(duì)高程]+ [構(gòu)造運(yùn)動(dòng)]+[外力侵蝕]；山谷——[山地河谷]+[冰川谷]+[外力侵蝕]+[構(gòu)造作用]+[交通孔道]；河谷——[河流]+[長條形凹地]；干旱河谷——[干旱]+[河谷]。

2.2 岷江上游干旱河谷本體構(gòu)建

干旱河谷本體屬于地理本體中的一種特殊的領(lǐng)域本體，既有地理本體的特征，也符合本體規(guī)律，因而可以借助本體與地理本體現(xiàn)有的構(gòu)建原理和方法，建立適合于干旱河谷的特殊本體。建立干旱河谷本體的難點(diǎn)不在于對(duì)干旱河谷宏觀概念的方法描述，而在于如何確定領(lǐng)域內(nèi)多種復(fù)雜因素之間的地理關(guān)系與概念之間的語義關(guān)系[14]。通過剖析干旱河谷相關(guān)概念，分析其層次關(guān)系，得出了干旱河谷的概念化模型(圖1)，利用protege 4.1本體建模軟件，對(duì)干旱河谷相關(guān)概念進(jìn)行語義分析和邏輯推理，構(gòu)建了岷江上游干旱河谷的本體模型，實(shí)現(xiàn)了理論到實(shí)例的構(gòu)建過程，同時(shí)也驗(yàn)證了概念化模型的準(zhǔn)確性和可行性。

圖1 干旱河谷概念化模型

Fig.1 The conception model of arid valley

3 岷江上游干旱河谷范圍界定

3.1 岷江上游干旱河谷屬性及約束條件確定

從干旱河谷本體概念化模型及岷江上游干旱河谷本體模型可知，山、山區(qū)、山地、山谷、河谷、干旱河谷依次構(gòu)成父子關(guān)系，且具有繼承特性，即子類概念繼承了父類概念的屬性特征和空間特征等，確定岷江上游干旱河谷具有坡度、高程、相對(duì)高程、植被、土壤、降水量、氣溫、蒸發(fā)量等屬性。而岷江上游干旱河谷作為一個(gè)個(gè)體實(shí)例具有自身區(qū)別于其他個(gè)體的特征，即自身的約束公理，如在氣候、土壤、植被等屬性方面都有不同于其他地理實(shí)體(包括其父類和兄弟類實(shí)體)的取值范圍及值域。

根據(jù)前期對(duì)岷江上游干旱河谷的綜合分析，歸納得出以下特征[15-20]：1)在地理位置上，岷江上游干旱河谷區(qū)域主要位于松潘鎮(zhèn)江關(guān)以下，經(jīng)茂縣鳳儀鎮(zhèn)至汶川縣縣綿褫間的岷江干流，以及黑水縣西爾以下的黑水河谷和理縣雜谷腦以下的雜谷腦河谷等岷江支流的兩側(cè)；2)地形上，該區(qū)高程介于1 100～2 800 m，嶺谷相對(duì)高度為1 500～3 000 m，大部分位于坡度大于25°的陡坡；3)年降水量不足600 mm，年蒸發(fā)量是降雨量的2～3倍，平均氣溫10～11℃。區(qū)內(nèi)土層薄、土壤貧瘠，土壤類型以山地褐土和山地棕壤土為主。由于氣候干旱，區(qū)內(nèi)植被類型主要為干旱灌草植被，植被覆蓋度大多20%～30%；4)從影像表征上，該區(qū)域在遙感影像標(biāo)準(zhǔn)假彩色下呈灰白色，影像結(jié)構(gòu)粗糙。綜合分析岷江上游干旱河谷的特征，確定其約束條件如表1所示。

表1 岷江上游干旱河谷的約束條件

Table 1 Constraint condition for the arid valley in the upper reaches of Minjiang River

屬性因子約束條件(符合的條件)約束條件(不符合的條件)A(地理位置)岷江上游其他區(qū)域B(高程)1100≤B≤2800B<1100或B>2800C(嶺谷相對(duì)高度)1500≤C≤3000C<1500或C>3000D(坡度)D>25°D≤25°E(年降水量)E<600mmE≥600F(平均氣溫)10℃≤F≤11℃F<10℃或F>11℃G(植被覆蓋度)20%≤G≤30%G<20%或G>30%H(土壤類型)以山地褐土和山地棕壤土為主其他類型I(影像特征)標(biāo)準(zhǔn)假彩色下呈灰白色，影像結(jié)構(gòu)粗糙其他特征

3.2 岷江上游干旱河谷約束條件及數(shù)字化表達(dá)

3.2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理 研究區(qū)信息提取來源于Landsat-8號(hào)衛(wèi)星，該衛(wèi)星是NASA于2013年發(fā)射，具有OLI和TIRS兩個(gè)傳感器，最高分辨率達(dá)15 m，可提供全球免費(fèi)數(shù)據(jù)下載，廣泛應(yīng)用于植被、土壤、水體等領(lǐng)域，對(duì)于生態(tài)環(huán)境的研究最有重要意義[21]。研究利用130/37、130/38、130/39三景OLI影像作為遙感源數(shù)據(jù)，拍攝時(shí)間為2013年8月17日。利用ENVI 4.8對(duì)OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、鑲嵌、融合、裁剪等操作，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到研究區(qū)543波段組合影像(圖2，見封3)。另外，以ASTER GEDM 30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，在ArcGIS9.3軟件下通過幾何校正、拼接、裁剪等操作，得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 岷江上游DEM

Fig.3 The DEM in the upper reaches of Minjiang River

3.2.2 岷江上游干旱河谷屬性因子提取 干旱河谷具有降水少、光照強(qiáng)、溫差大、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等特征，裸地作為干旱河谷區(qū)內(nèi)最主要的土地類型，能綜合反映其降水、氣候、植被等信息。因此，在進(jìn)行空間范圍界定過程中用裸地特征表征該區(qū)域內(nèi)降水、氣候、植被等約束條件。首先在ENVI 4.8軟件下通過監(jiān)督分類及分類后處理，提取出該區(qū)域裸地(包含少數(shù)植被覆蓋度較低的地區(qū))因子，用J表示(圖4)；再利用岷江上游DEM，分別提取符合岷江上游干旱河谷約束條件的屬性因子DEM、坡度、土壤類型數(shù)據(jù)(圖5-圖7)；該區(qū)域的相對(duì)高程因子以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過ArcGIS水文分析模塊可提取出符合約束條件的相對(duì)高程數(shù)據(jù)(圖8)[22]。通過以上因子提取，實(shí)現(xiàn)了岷江上游干旱河谷約束條件的數(shù)字化表達(dá)。

圖4 裸地 圖5 DEM 圖6 坡度 圖7 土壤 圖8 相對(duì)高程

Fig.4 Bare land Fig.5 DEM Fig.6 Slope Fig.7 Soil Fig.8 Relative elevation

3.3 岷江上游干旱河谷范圍界定

將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為柵格格式，并對(duì)所有因子進(jìn)行歸一化處理，滿足條件為1，否則為0。在因子提取中，嶺谷相對(duì)高度是基于高程數(shù)據(jù)利用水文分析方法提取的，坡度信息同樣來自于高程數(shù)據(jù)，因此嶺谷相對(duì)高度和坡度因子與高程都具有較大的相關(guān)性，根據(jù)主成分分析法，將這兩類因子歸為輔助因子，其他因子歸為主要因子。對(duì)所有因子進(jìn)行臨界值分類，結(jié)果如表2所示。

表2 因子歸一化

Table 2 Factor normalization

因子類別符合條件不符合條件主要因子輔助因子A(地理位置)10J(裸地)10B(高程)10H(土壤類型)10C(嶺谷相對(duì)高度)10D(坡度)10

在范圍界定過程中，優(yōu)先考慮主因子，當(dāng)主因子不能準(zhǔn)確判斷時(shí)，加入輔助因子進(jìn)行綜合界定。首先滿足地理位置，保證正確的地理位置，這是先決條件。由于裸地涵蓋了多個(gè)屬性要素，便成為第二個(gè)必須滿足的因子。在此基礎(chǔ)上分別用高程、土壤類型兩個(gè)因子與裸地進(jìn)行疊加分析，若范圍大于另一個(gè)因子則需要加入第三個(gè)因子進(jìn)行疊加，即同時(shí)滿足三個(gè)因子；若小于第三個(gè)因子且在其范圍之內(nèi)則可判斷為干旱河谷。最后利用輔助因子對(duì)提取出的干旱河谷范圍進(jìn)行驗(yàn)證。在ArcGIS9.3平臺(tái)下，利用柵格計(jì)算器和其他空間分析功能，結(jié)合上述干旱河谷范圍界定方法，生成岷江上游干旱河谷分布圖(圖9)。

圖9 岷江上游干旱河谷邊界示意

Fig.9 The boundary of arid valley in the upper reaches of Minjiang River

3.4 岷江上游干旱河谷結(jié)果分析

在ArcGIS軟件中利用面積統(tǒng)計(jì)工具定量統(tǒng)計(jì)得出岷江上游干旱河谷區(qū)域面積為118 515 hm2，與國內(nèi)部分學(xué)者的研究結(jié)果比對(duì)如表3所示，利用地理本體思想和GIS技術(shù)提取的岷江上游干旱河谷區(qū)面積介于眾多研究結(jié)果之間。分析研究過程發(fā)現(xiàn)，研究選取的遙感影像時(shí)間為2013年8月17日，屬于雨季節(jié)氣，該時(shí)期降雨量較多、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。在汶川大地震劇烈擾動(dòng)下，汶川縣境內(nèi)河谷區(qū)域誘發(fā)大量滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致植被破壞、地面土壤巖石裸露，對(duì)干旱河谷區(qū)域定量判讀造成一定的干擾，致使干旱河谷范圍偏大。此外，干旱河谷的界定需要準(zhǔn)確的降水、蒸發(fā)、氣溫、土壤類型、植被類型等數(shù)據(jù)，而在因子提取過程中，由于缺乏詳細(xì)的氣象表征數(shù)據(jù)，僅用裸地綜合反映降水、氣候、植被信息，存在一定的片面性和局限性，對(duì)研究結(jié)果造成一定的影響。

表3 岷江上游干旱河谷面積比對(duì)

Table 3 Area comparison of the arid valley of the upper reaches of Minjiang River

干旱河谷面積(hm2)研究人員及年份118515本文結(jié)果(2013)17000張榮祖(1992)100500何建社(2006)123078楊兆平(2007)138940袁輝(2007)92899楊德偉(2009)

4 結(jié)語

利用地理本體思想從干旱河谷相關(guān)概念特征分析入手，系統(tǒng)分析干旱河谷的屬性特征和空間特征，本質(zhì)上剖析干旱河谷概念的內(nèi)涵、概念之間的語義關(guān)系及概念分類體系，嘗試運(yùn)用protege 4.1軟件構(gòu)建岷江上游干旱河谷地理本體模型，在此模型驅(qū)動(dòng)下選取表征語義關(guān)系的屬性因子，并利用GIS技術(shù)界定出岷江上游干旱河谷邊界范圍為118 515 hm2，介于眾多研究結(jié)果之間，主要由于裸地特征判讀分類過程中存在的季節(jié)性差異。該方法的實(shí)現(xiàn)為干旱河谷其他相關(guān)領(lǐng)域邊界范圍的科學(xué)界定和形象化概念分類表達(dá)提供了一種全新的解決思路。

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Definition Scope of Arid Valley in the Upper Reaches of Minjiang River Based on GIS and Geographic Ontology

ZHAN Jin-feng1,YANG Bin1，2,LI Mao-jiao1,GAO Gui-sheng1,WANG Shi-ju1

(1.SchoolofEnvironmentandResource,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010; 2.CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Based on geographic ontology application model,starting from the arid valley characteristics and formative mechanism of natural background,this paper uses ontology modeling software protege 4.1 for constructing ontology model of arid valley in the upper reaches of Minjiang River and extracts slope,DEM,relative elevation,soil,the bare land distribution data by using the basic geographic data.The research realizes digitization of the characteristics of the arid valley based on geographic ontology in ArcGIS and quantificationally defines the area of arid valley in the upper reaches of Minjiang River is 118 515 hm2by raster calculator.The result indicates that the method to quantificationally define the scope of arid valley by geographic ontology and GIS is feasible and operational,it provides a new solution to define scope and classify concepts visually for relevant field.

GIS;geographic ontology;the arid valley;scope definition;the upper reaches of Minjiang River

2014-07-24；

2014-09-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“岷江上游干旱河谷區(qū)梯級(jí)水電開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境波動(dòng)效應(yīng)研究”(41201541)

詹金鳳(1989-)，女，碩士研究生，主要從事山區(qū)生態(tài)環(huán)境安全領(lǐng)域及3S技術(shù)與應(yīng)用方面研究。*通訊作者E-mail:1007125977@qq.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.014

P237；P951

A

1672-0504(2015)02-0065-05