公路路域帶狀地形的自動分類方法

周訪濱，孟凡一，鄒聯(lián)華，張珊珊

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.長沙理工大學(xué)特殊環(huán)境道路工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114;3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041)

0 引言

公路路域地形是影響公路工程線形布設(shè)、生態(tài)環(huán)境評估和經(jīng)濟(jì)評價(jià)等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，我國公路工程標(biāo)準(zhǔn)[1-2]的制定，不僅考慮公路技術(shù)等級，而且考慮地形類別的差異，使之既滿足交通量的要求，又符合工程經(jīng)濟(jì)的原則。不同地形條件使得道路在建設(shè)過程中能耗存在差異，需要針對高速公路建設(shè)期能耗的特性，采用與地形相關(guān)的數(shù)據(jù)與合理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行科學(xué)定量的分類[3]。公路開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目與坡向、溝谷、隆起等微地形聯(lián)系較為緊密，尤其是海拔、坡位、坡向、坡度等山地微地形條件對群落結(jié)構(gòu)及物種分布影響顯著[4]。因此公路路域帶狀地形分類是有效評估地形類別對公路工程影響的基礎(chǔ)工作。

隨著數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)精度的不斷提高，數(shù)字地形因子的挖掘及地形因子對土地利用變化影響分析也逐漸深入，國內(nèi)外很多學(xué)者做出了豐富的成果，將基于DEM的地形分類逐步推向小尺度及微觀層面的半自動或自動化分發(fā)展方向[5-6]。周訪濱[7-8]前期的研究認(rèn)為區(qū)域地形分類是全局地形分類的延續(xù)和深化，但比全局地形分類有著更為廣闊的應(yīng)用前景，是獲取局部專題地形信息的手段之一，可為交通、電力和水利等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域提供專題地形信息。在黃土地形地貌分類研究領(lǐng)域，李小曼[9]根據(jù)正負(fù)地形特征和剖面曲率將DEM劃分為梁峁地、溝坡地、溝底地，分類后使用最小面積原則的濾波方法對土地覆蓋分類圖與土地類型分類圖進(jìn)行處理，并以土地類型邊界為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖斑的疊加重組，有效解決由于受到復(fù)雜地形的影響，黃土丘陵溝壑區(qū)遙感影像地被分類精度低且不具有地形特征等問題。為了揭示不同黃土地貌類型溝沿線地形起伏分形結(jié)構(gòu)復(fù)雜動力學(xué)特征，曹建軍[10]應(yīng)用多重分形分析方法對黃土高原6種不同地貌類型的溝沿線地形起伏特征進(jìn)行了研究，這些研究為黃土高原地區(qū)地形分析應(yīng)用提供了有效參考。在地形分類的自動化方面，Dornik[11]以SRTM為數(shù)據(jù)源，利用隨機(jī)森林分類器，對山體類型進(jìn)行詳細(xì)的劃分和分類，實(shí)現(xiàn)了微觀層面的地形自動化分類；周訪濱[6]構(gòu)建了一種以柵格DEM為數(shù)據(jù)源的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將山體部位分類智能化，解決了分類殘缺問題。地形地貌類別作為基礎(chǔ)地理屬性要素，對工程選址、土地利用格局影響以及土地生態(tài)學(xué)研究等有重要意義。公路數(shù)字帶狀地形在道路選線以及公路工程勘察設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用，但公路路域帶狀地形所蘊(yùn)含的豐富信息卻沒有被充分利用，如何利用數(shù)字地形分析技術(shù)，對特定區(qū)域數(shù)字高程模型進(jìn)行信息挖掘亟待深入研究。本研究以公路路域數(shù)字帶狀地形分類為對象，創(chuàng)建了以坡度、相對高程和地形起伏度為主要地形因子組合的公路帶狀地形分類決策方案和自動分類方法，期待為公路工程勘察期精細(xì)化設(shè)計(jì)、建設(shè)期能耗統(tǒng)計(jì)定額計(jì)算及路域生態(tài)保護(hù)等方面提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。

1 公路路域帶狀地形分類存在的問題

1.1 分類體系的不確定性

為了滿足公路設(shè)計(jì)規(guī)劃、道路選線以及公路施工建設(shè)等要求，不少學(xué)者在公路地形地貌學(xué)方面進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的研究成果。李斌[12]在《公路工程地質(zhì)》里以地貌絕對高度、相對高度以及地表平均坡度等形態(tài)為依據(jù)進(jìn)行劃分，將公路地貌分為山地與平原兩大類，高山、中山、低山、丘陵、高原、高平原、低平原與洼地8小類；楊少偉[13]在《道路勘測設(shè)計(jì)》中以地表自然坡度和相對高度為依據(jù)將公路地形分為平原、微丘、山嶺和重丘；在《公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)》[14]中規(guī)定了公路建設(shè)項(xiàng)目用地地形劃分原則，將公路地形分為平原、微丘和山嶺重丘；齊洪亮等[15]綜合考慮地貌形態(tài)和大地成因，依據(jù)地表坡度和相對高程將中國公路地貌分為平原、微丘、重丘和山嶺；韓志強(qiáng)等[16]結(jié)合前人對公路地形分類的研究，并考慮新疆區(qū)域特殊地理環(huán)境，使用海拔高度和相對高度將新疆區(qū)域內(nèi)公路地形劃分為平原、丘陵、山地和沙漠。

上述各研究成果提出的公路地形分類方案，存在分類體系不確定性問題：首先公路地形類別有差異。在《公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)》[14]中山嶺與重丘為一類地形即“山嶺重丘”，在《道路勘測設(shè)計(jì)》與齊洪亮[15]等人研究中則將其分為山嶺與重丘兩類地形，而李斌[12]在《公路工程地質(zhì)》中將地形在平原、山地大兩類的基礎(chǔ)上繼續(xù)分成8小類，現(xiàn)行的《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD20—2017)以及《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01—2014)中所涉及的河谷地形在以上分類中未出現(xiàn)。其次分類依據(jù)也有較大的差異。韓志強(qiáng)等[16]考慮大地構(gòu)造以及地貌特征，以地貌相對高程和絕對高程為分類依據(jù)，在《道路勘測設(shè)計(jì)》、《公路工程地質(zhì)》與《公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)》中則綜合考慮了地貌形態(tài)與地形的成因，以相對高程和坡度作為分類依據(jù)。由此可見，目前公路地形領(lǐng)域缺乏公認(rèn)的統(tǒng)一分類體系，因此研究確立一種既滿足《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD20—2017)和《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01—2014)要求又適用于公路工程勘察階段精細(xì)化設(shè)計(jì)的數(shù)字地形分類體系勢在必行。

1.2 分類決策方案的模糊性

公路路域地形分類決策方案是實(shí)現(xiàn)公路路域地形分類的重要依據(jù)，合理選取分類因子并擬定分類因子閾值，決定著分類方案的科學(xué)性、有效性。一般原則下制定的分類決策方案應(yīng)盡可能地全覆蓋公路路域地形特征，不僅要能反映公路路域地形的空間分異規(guī)律，也要符合公路用地建設(shè)的實(shí)際需求。在已有的分類決策方案中，李斌[12]從公路工程地質(zhì)學(xué)角度將平均坡度、絕對高度和相對高度作為地形劃分指標(biāo)，確定平均坡度5°以上為山區(qū)；絕對高度小于500 m且相對高度小于200 m為丘陵；200 m以下為平原。楊少偉[13]從道路勘探設(shè)計(jì)的角度以自然坡度和相對高程制定分類決策方案，自然坡度小于3°劃分為平原；自然坡度小于20°且相對高程小于100 m劃分為微丘；自然坡度小于20°劃分山嶺重丘。在《公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)》[14]中要求自然坡度小于等于3°為平原；自然坡度3°～20°(不含20°)且相對高度小于200 m為微丘；自然坡度大于20°且相對高度為200～1 000 m時(shí)為山嶺重丘；齊洪亮等[15]采用坡度和相對高程為分類指標(biāo)研究中國公路地貌區(qū)劃，將坡度在3°～20°之間且相對高程小于100 m定義為微丘；坡度大于20°且相對高程在100～200 m之間定義為重丘；坡度大于20°且相對高程大于5 200 m定義為山嶺；坡度小于3°定義為平原。韓志強(qiáng)等[16]在探討新疆公路工程地貌類型時(shí)將坡度小于等于3°劃分為平原；相對高程小于100 m 劃分為丘陵；相對高程小于100 m沙地類型劃分為沙漠。詳細(xì)分類決策如表1～表5所示。

表1 公路工程地質(zhì)中地形類別[12]Tab.1 Landform classification in highway engineering geology

表2 道路勘測設(shè)計(jì)中地形類別[13]Tab.2 Landform classification in road survey and design

表3 公路建筑用地規(guī)范中地形類別[14]Tab.3 Landform classification in specification of land use for highway construction

表4 中國公路地貌區(qū)劃指標(biāo)體系中地形類別[15]Tab.4 Landform classification in Chinese highway topography division indicator system

經(jīng)對比分析已有各分類決策方案，其地形因子的選取與閾值的確定存在差異，有的存在一定的矛盾。例如《公路建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)》[14]規(guī)定，自然坡度3°～20°(不含20°)且相對高度小于200 m為微丘，而齊洪亮等[15]在《中國公路地貌區(qū)劃研究》中微丘地形為：坡度3°～20°且相對高程小于100 m，依據(jù)此分類決策方案將導(dǎo)致較大差異的分類結(jié)果。因此制定一種地形因子選取與組合科學(xué)合理和因子閾值明晰的分類決策方案，將作為實(shí)現(xiàn)公路路域帶狀地形自動分類的關(guān)鍵技術(shù)。

表5 新疆公路工程地貌中地形類別[16]Tab.5 Landform classification in Xinjiang highway engineering topography

2 數(shù)字帶狀地形分類依據(jù)和方法

2.1 分類特征的選擇

選取能夠定量表達(dá)局部地形復(fù)雜程度的特征，是現(xiàn)實(shí)公路路域地形自動化和數(shù)字化分類的前提與保證。為了實(shí)現(xiàn)公路路域地形數(shù)字化分類，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01—2014)與《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD20—2017)中對公路路域地形的要求，結(jié)合公路工程建設(shè)實(shí)際需求，并借鑒地形學(xué)、公路地貌學(xué)等領(lǐng)域研究成果，最終選取坡度、相對高程與地形起伏度這3類地形因子組合表達(dá)公路路域地形特征。

坡度表示點(diǎn)在地形表面的傾斜程度，能表達(dá)極為豐富的地形信息。在眾多地形分類研究中，坡度均在地形分類決策方案中作為關(guān)鍵因子被廣泛使用[17-18]，因此首選坡度因子作為制定分類決策方案的第一要素，最大程度描述區(qū)域地形坡態(tài)信息。針對重丘、山嶺和河谷地形，單純依靠坡度無法有效刻畫其地類特征，為此引入相對高程和地形起伏度作為輔助要素與坡度組合表達(dá)重丘、山嶺和河谷這3類地形特征。相對高程作為反映地表破碎程度的重要指標(biāo)之一，也是地形地貌分類中的分類指標(biāo)之一[19]，能夠較好地表述區(qū)域地表的高低起伏。引入相對高程符合實(shí)際公路建設(shè)需求，也能夠有效解決傳統(tǒng)地貌分類過程中因使用海拔高程所引起的分類結(jié)果與實(shí)際觀察不相符問題。地形起伏度指地貌單元內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的相對高程，可直接反映地貌的形態(tài)狀況，地形起伏度作為分類特征在區(qū)域地貌分類中有著廣泛且重要的應(yīng)用[20-21]。從公路建設(shè)的角度講，地形起伏度對公路線形的布設(shè)、施工、養(yǎng)護(hù)、公路病害的產(chǎn)生與經(jīng)濟(jì)評價(jià)等都具有重要的影響。

2.2 分類決策方案

公路工程對地形分類的應(yīng)用需求與地理學(xué)或其他學(xué)科的地形地貌研究有一定區(qū)別，為適應(yīng)公路工程的地形要求，本研究以坡度、相對高程和地形起伏度為主要地形因子組合制訂了公路帶狀地形分類決策方案，如表6所示，在公路地形地貌研究、規(guī)范中[12-16]均選取3°、20°作為分類指標(biāo)，較為客觀、簡潔地反映了地形與公路工程建設(shè)的關(guān)系，且符合各類公路規(guī)范要求。針對河谷這類特殊地形，本研究參考曾徨耀在文獻(xiàn)[19]中的經(jīng)驗(yàn)成果，選取地表坡度3°～7°之間定義河谷，綜合得到最終坡度分類指標(biāo)閾值分別為：平原地表坡度0°～3°，河谷坡度3°～7°，微丘坡度3°～20°，山嶺和重丘坡度20°以上。隨著地形相對高程的增加， 實(shí)際公路建設(shè)的困難程度也隨之增大，因此在選擇相對高程的分類指標(biāo)時(shí)，必須考慮相對高程對公路建設(shè)的影響，本研究制訂的分類決策方案參考了齊洪亮[15]與韓志強(qiáng)[16]等人在公路地貌區(qū)劃中的研究成果，將相對高程的分類指標(biāo)界線定義為：微丘相對高程小于100 m，重丘相對高程100～200 m，山嶺相對高程大于200 m。由于地形起伏度在公路地形分類中使用較少，本研究參考《中國陸地1∶100萬數(shù)字地貌分類體系研究》[22]關(guān)于平原、河谷、丘陵、小起伏山地的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合牛玉欣[23]在《基于GIS的公路自然區(qū)劃方法研究》中分析地形起伏度分級閾值對公路建設(shè)的影響，最終將地形起伏度分類指標(biāo)定義為：平原地形起伏度小于20 m，河谷地形起伏度小于 50 m，微丘和重丘地形起伏度50～120 m，山嶺地形起伏度大于120 m。

2.3 分類方法及流程

為實(shí)現(xiàn)公路路域帶狀地形自動分類，借助數(shù)字地形分析技術(shù)，本研究以柵格DEM為數(shù)據(jù)源，依據(jù)2.2節(jié)確定的分類決策方案，制定如圖1所示的分類流程，創(chuàng)建公路路域帶狀地形基于規(guī)則知識的自動分類方法。該方法主要依賴疊加分析，在選取合適尺度柵格DEM的基礎(chǔ)上，進(jìn)行裁切、展線等預(yù)處理獲取公路路域帶狀地形，利用窗口分析法提取坡度、相對高程和地形起伏度；再綜合分析這3類地形因子，按照表6分類決策方案，進(jìn)行邏輯運(yùn)算與圖層疊加分析，最終得到公路路域帶狀地形分類結(jié)果。

圖1 地形分類流程圖Fig.1 Flowchart of lanform classification

表6 公路路域帶狀地形分類決策方案Tab.6 Decision-making scheme for highway strip landform classification

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本研究選取1∶10 000柵格DEM為源數(shù)據(jù)，以公路中心線兩側(cè)200 m范圍為公路路域范圍，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)公路全長5.2 km，試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)最高點(diǎn)高程為1 069 m，最低點(diǎn)高程為863 m， 相對高差為206 m。試驗(yàn)區(qū)柵格DEM像素大小為5 m×5 m，共有86 376個(gè)像素點(diǎn)，試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)DEM(單位:m)Fig.2 DEM of experimental area(unit:m)

3.2 地形因子的提取

本研究涉及的坡度、相對高程和地形起伏度3類地形因子，當(dāng)以柵格DEM為數(shù)據(jù)源時(shí)已有較為成熟、快捷的提取方法，其中最為常見和經(jīng)典的方法當(dāng)屬窗口分析法，坡度的提取通常采用基于空間矢量分析原理的差分計(jì)算方法，相對高程則是使用所有柵格點(diǎn)高程減去最低點(diǎn)高程值。需要特別指出的是，在提取地形起伏度時(shí)，隨著分析窗口尺度的增加，地形起伏度也會相對應(yīng)增加，因此確定地形起伏度的關(guān)鍵是確定分析窗口的大小。本研究通過滑動窗口分析法先確定一系列統(tǒng)計(jì)窗口大小與對應(yīng)的地形起伏度(3像素×3像素到30像素×30像素，間隔為1像素)，再采用均值變點(diǎn)法求得最佳尺度分析窗口大小為12像素×12像素，即為0.36 km2。利用窗口分析法提取的試驗(yàn)區(qū)坡度、相對高程和地形起伏度分別如圖3～圖5所示。

圖3 試驗(yàn)區(qū)坡度Fig.3 Slope of experimental area

圖4 試驗(yàn)區(qū)相對高程(單位:m)Fig.4 Relative elevation of experimental area(unit:m)

圖5 試驗(yàn)區(qū)地形起伏度(單位:m)Fig.5 Relief of experimental area(unit:m)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以表6形成的公路路域帶狀地形分類決策方案為試驗(yàn)分類依據(jù)，按照圖1所示分類流程將試驗(yàn)區(qū)劃分為平原、河谷、微丘、重丘和山嶺5類地形，獲得分類結(jié)果如圖6所示。利用分類結(jié)果中各地形類別柵格點(diǎn)數(shù)占比統(tǒng)計(jì)，其中微丘為22.25%、重丘為65.27%、平原為1.12%、山嶺為1.19%、河谷為0.40%，總計(jì)89.84%，可知本試驗(yàn)分類殘缺率為10.16%，分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表7所示。本研究所設(shè)計(jì)的公路路域帶狀地形分類法相較于其他分類方法，無需公路地貌分類方面的專家實(shí)地指導(dǎo)，分類工作量更小，分類速度快，分類成本低，適宜復(fù)雜地形的精細(xì)化公路工程，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化地形分類。

圖6 公路路域帶狀地形分類Fig.6 Classification of strip landforms in highway area

表7 分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of classification results

4 結(jié)論

以數(shù)字地形分析技術(shù)為支撐，在已有公路自然區(qū)劃、地形地貌分類基礎(chǔ)上引入宏觀地形因子地形起伏度完善分類決策方案，并實(shí)現(xiàn)了公路路域帶狀地形自動分類。試驗(yàn)表明本研究所創(chuàng)建的公路路域地形分類法避免了帶狀地形分類過程中人為主觀因素的干擾，分類過程相對簡單、快速、高效，能夠提供局部公路路域地形專題圖，有望推動精細(xì)化公路工程勘察期設(shè)計(jì)中地形類別的判斷。本研究創(chuàng)建的公路路域帶狀地形分類方法實(shí)質(zhì)是基于規(guī)則知識的分類，分類結(jié)果會受到格網(wǎng)分辨率、數(shù)據(jù)空間結(jié)構(gòu)等因素的影響，通常發(fā)生重疊和缺失現(xiàn)象，因此公路路域帶狀地形分類的完整性仍需進(jìn)一步優(yōu)化。