基于山脊線的河流沿岸一重山劃定方法研究

謝小華

（1. 福建省制圖院，福建 福州 350003）

目前，關于“一重山”尚未有明確的定義。本文從空間角度出發(fā)，將一重山定義為以河流岸線為觀察點，兩側岸線視線所及的第一座山的山體面之間的空間范圍。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于我國東南沿海，下轄9 個設區(qū)市，陸地面積12.4 萬km2。地形以山地丘陵為主，地勢西北高、東南低，呈依山傍海態(tài)勢，素有“八山一水一分田”之稱。水系流域包括閩江、九龍江、敖江、晉江、汀江、龍江、漳江、木蘭溪、萩蘆溪、交溪、霍童溪、東溪等12個重點流域，以及鹿溪、閩東沿海諸河、閩東南沿海諸河等。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文使用的數(shù)據(jù)包括水系、地貌、行政區(qū)、遙感影像，數(shù)據(jù)格式包括文本、矢量、柵格，主要來源于福建省水利廳、福建省自然資源廳、福建省測繪地理信息發(fā)展中心。數(shù)學基礎統(tǒng)一采用2000國家大地坐標系，平面投影為高斯-克呂格投影，6°分帶，中央經(jīng)線117°E。對收集的數(shù)據(jù)進行坐標轉換、數(shù)據(jù)拼接、空間配準等預處理，為一重山劃定提供數(shù)據(jù)基礎。數(shù)據(jù)源信息見表1。

表1 數(shù)據(jù)源信息表

2 技術路線

利用DEM 的水文分析方法提取山脊線，以防汛底圖數(shù)據(jù)庫為基礎，結合DLG、三調(diào)數(shù)據(jù)庫等，提取水利普查的干流、一級支流數(shù)據(jù)。根據(jù)《福建省水系流域分布圖》、河流、山脊線、DEM 等數(shù)據(jù)，劃分重點流域范圍。最后以山脊線為基礎，對重點流域內(nèi)的干流、一級支流沿岸一重山進行劃定。技術路線如圖1。

圖1 技術路線圖

2.1 山脊線提取

目前，基于水文分析法提取山脊線被廣泛應用，提取的山脊線整體性好[1-5]，且已集成在GIS 軟件中。因此，本文采用水文分析方法對山脊線進行快速提取，并利用正地形進行糾正，從而提高山脊線位置的準確性[6]。技術流程如圖2所示。

圖2 山脊線提取技術流程圖

1）二值化的匯流累積量提取。首先以原始DEM為數(shù)據(jù)源，先后提取無洼地DEM、水流方向、匯流累積量；然后利用柵格計算器，提取匯流累積量為零值的結果，并按默認窗口大?。?×3）進行鄰域分析，使結果變得光滑連續(xù)；最后對鄰域分析的結果進行重分類，提取二值化的匯流累積量。通過多次實驗，設置重分類的斷點為0.3，既保留了匯流累積量的大量信息，又去除了接近0值的匯流累積量。

2）正地形獲取。利用正地形對二值化的匯流累積量結果進行糾正。鄰域分析的窗口大小會直接影響正地形結果，從而影響山脊線的提取[7-8]。因此，本文設置窗口大小為3×3 到30×30，以窗口大小和其對應的均值DEM的平均高程值為樣本，根據(jù)均值變點分析法[9]，計算離差平方和S、前后兩段平均高程值的離差平方和之和Sk。利用SPSS 統(tǒng)計分析軟件擬合窗口大小與S-Sk的變化曲線（如圖3），找到曲線的突變點即最佳窗口大小為16。

圖3 窗口大小與S-Sk 的變化曲線圖

以原始DEM為數(shù)據(jù)源，設置鄰域分析的窗口大小為16，先后計算得出均值DEM、概略DEM，并對概略DEM進行重分類，得到正地形。

3）山脊線提取。將二值化的匯流累積量與正地形相交，得到山脊線（柵格）。通過柵格轉矢量、去小面、中心線提取等數(shù)據(jù)處理，提取山脊線（線），如圖4 所示。從圖中可以看出，提取的山脊線與地形一致，整體性好但存在一定的不連續(xù)性。

圖4 山脊線疊加地貌暈渲圖

2.2 河流數(shù)據(jù)獲取

以防汛底圖數(shù)據(jù)庫的河流為基礎數(shù)據(jù)，DLG和三調(diào)數(shù)據(jù)庫的河流為輔，根據(jù)水利普查成果的河流名錄和水系河流分布圖，獲取其對應的干流和一級支流的矢量數(shù)據(jù)，包括線要素和面要素。為了保證干流與重點流域一一對應，將水利普查成果中的一級支流汀江按照干流提取，其二級支流按照一級支流提取。

2.3 重點流域劃分

根據(jù)《福建省水系流域分布圖》，對重點流域范圍進行矢量化，提取初始流域范圍。以山脊線為基礎數(shù)據(jù)，疊加已有資料的河流數(shù)據(jù)以及DEM、地貌暈渲圖、等高線等地形地貌數(shù)據(jù)進行輔助判讀，根據(jù)“流域邊界原則上沿著山脊線提取、相鄰流域之間的河網(wǎng)不相連”等要求，識別相鄰流域的山脊線位置，對初始流域范圍進行修改，從而劃分重點流域范圍。

2.4 河流沿岸一重山劃定

以河流岸線為觀察點，根據(jù)山脊線的形態(tài)特征以及DEM、地貌暈渲圖、等高線等地形地貌數(shù)據(jù)進行輔助判讀，根據(jù)劃定原則識別一重山的山脊線位置，從而劃定河流沿岸一重山。一重山劃定原則與方法如表2。

表2 一重山劃定原則與方法

3 結果與分析

遵循河流沿岸一重山劃定原則，完成了福建省12個重點流域內(nèi)共12條干流、174條一級支流沿岸一重山劃定。以閩江一級支流泉際溪為例，展示一重山的劃定結果，如圖5 所示。由于三維場景更具真實性和直觀性，因此本文基于DEM 數(shù)據(jù)，在ArcScene 軟件中構建地形三維可視化模型，并在模型中瀏覽一重山數(shù)據(jù)，對其準確性進行驗證。結果顯示，一重山數(shù)據(jù)與三維模型相符合，基于山脊線的河流沿岸一重山劃定方法可行。圖6展示了泉際溪一重山的三維效果。

圖5 泉際溪一重山劃定結果圖

圖6 泉際溪一重山三維效果圖

4 結 語

劃定河流沿岸一重山是落實礦產(chǎn)資源監(jiān)督和管理的重要內(nèi)容，對我省流域水環(huán)境保護具有重要意義。本文以重點流域干流、一級支流為研究對象，基于DEM水文分析方法提取山脊線，以山脊線和地形地貌數(shù)據(jù)為基礎，提取了重點流域和河流沿岸一重山數(shù)據(jù)，并對一重山數(shù)據(jù)進行準確性驗證。劃定的一重山可應用于礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃、非法違法采礦動態(tài)監(jiān)測等，為礦產(chǎn)資源的源頭管控、監(jiān)督管理提供數(shù)據(jù)支撐。另外，本研究下一步可對山脊線提取、一重山劃定原則等進行優(yōu)化，使一重山劃定更直觀、準確。