基于GIS和RS的澠池縣山體范圍劃定研究

劉建軍，閆東飛，任金鑫

(1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)， 河南 鄭州 450016)

0 引言

生態(tài)是一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，需要用系統(tǒng)思維和整體觀念來順應(yīng)生態(tài)保護(hù)和治理的內(nèi)在規(guī)律。當(dāng)前，我國的國土空間規(guī)劃在生態(tài)文明理念的指導(dǎo)下，將“山水林田湖草”視為生命共同體，強(qiáng)調(diào)統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理(吳鋼等，2019；王隨繼等，2021)。山體是重要的地貌單元，也是經(jīng)濟(jì)社會活動承載體的一部分，在生態(tài)文明建設(shè)的當(dāng)下，受到越來越多的關(guān)注。

結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)，國外將山體納入到城市規(guī)劃管理中，可以追溯到20世紀(jì)30年代。例如，英國于1938年通過的《綠帶法案》，將城市邊緣區(qū)域具有重要生態(tài)功能的山林作為郊野公園；同一時(shí)期，美國紐約運(yùn)用法律手段保護(hù)城市內(nèi)以及周邊的山體(杜嘉丹等，2021)。我國對山體的修復(fù)和保護(hù)工作主要體現(xiàn)在山體格局構(gòu)建(朱曉芳，2019；張慧瑩，2020)、山體修復(fù)(尚紅等，2011；束鑫宇，2014)、山體周邊空間管控(王風(fēng)，2013)等方面。

在《地理學(xué)辭?！分校奖徽J(rèn)為是具有一定高度，且坡度較陡的高地。因此，較為明顯的山頂和山坡是山和高原的主要區(qū)別(張春英等，2020)?？紤]到山地地貌的特性，有的學(xué)者認(rèn)為山地?fù)碛幸欢ǖ暮０闻c復(fù)雜的地貌(黃光宇，2006)。由于山體高差和復(fù)雜的地貌，造成不同區(qū)域微氣候不同，所以山體中往往擁有豐富多樣的生態(tài)環(huán)境和生物圈。同時(shí)，隨著生態(tài)文明理念深入人心，我國對生態(tài)修復(fù)也越來越重視(趙婷婷等，2020)。2005年8月，習(xí)近平在浙江湖州安吉考察時(shí)提出“綠水青山就是金山銀山”；2017年10月，十九大報(bào)告中指出，要堅(jiān)持人與自然和諧共生。這些都說明山體保護(hù)以及合理開發(fā)利用已經(jīng)成為生態(tài)文明建設(shè)的重要一環(huán)。

山體范圍劃定方面，利用傳統(tǒng)的高程劃分法(周星宇和鄭段雅，2016)，以及在高程的基礎(chǔ)上，同時(shí)依據(jù)土地利用情況和相關(guān)區(qū)域規(guī)劃(丁蘭和陳濤，2017)來確定山體邊界，或者根據(jù)山體遠(yuǎn)眺視廊控制等為影響要素來劃定山體控制區(qū)(賴曉雪，2017)。綜合以往學(xué)者的研究，同時(shí)根據(jù)澠池縣的地形地貌特點(diǎn)，本文選取高程、坡度、地貌類型和河流等評價(jià)要素，通過加權(quán)疊加分析模型來綜合劃定山體范圍。與此同時(shí)，本文將邏輯回歸模型運(yùn)用到評價(jià)要素權(quán)重賦值，使要素權(quán)重分配過程更加科學(xué)，結(jié)果與區(qū)域特性更加匹配。

1 區(qū)域概況

1.1 澠池縣基本情況

澠池縣位于河南省西部，為三門峽市下轄的縣，西鄰山西省，與義馬市、陜州區(qū)和洛寧縣等接壤。本文的研究范圍為澠池縣全域，東西長43.5 km，南北寬52.8 km。

1.2 地形地貌

根據(jù)澠池縣1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報(bào)告，澠池縣地貌類型主要有河谷階地、剝蝕丘陵、剝蝕低山和構(gòu)造中山。河谷階地主要分布于澠池中部，大體沿澗河和洪陽河分布，面積約為65 km2，平均海拔高程約為350 m，海拔高度相對較低。剝蝕丘陵在澠池分布范圍較廣，主要集中于澠池縣中南部。剝蝕丘陵分布面積約為607 km2，沉積了較厚的新生代地層，海拔高度介于300～700 m之間。剝蝕低山主要分布于澠池中北部，面積約為681 km2，是澠池縣地貌類型中分布面積最大的。該區(qū)域內(nèi)有黃河和澗口河等河流，地表水分布較為豐富。構(gòu)造中山分布于澠池縣東北部，面積約為68 km2。該區(qū)域地勢較高，有強(qiáng)烈的侵蝕切割作用，因此溝谷縱橫，地形地貌較為復(fù)雜，海拔高度介于1000～1500 m之間。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

澠池縣位于秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶中，巖漿活動微弱、地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，主要為一些寬緩的背、向斜褶皺和規(guī)模不大的斷裂構(gòu)造。大致經(jīng)歷了王屋山、晉寧、少林、加里東、華力西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構(gòu)造旋回，使地層遭受不同程度的破壞，具華北地臺7型沉積構(gòu)造特征。

2 技術(shù)路線與方法

2.1 山體劃分原則

(1)劃線適度、尊重現(xiàn)狀：依據(jù)區(qū)域山體地形地勢、地貌特征與地理分區(qū)現(xiàn)狀，科學(xué)合理地劃定山體范圍。

(2)自然、完整、連續(xù)：山體劃分充分考慮山體的自然、完整(馮泉霖等，2020)和連續(xù)性，避免由于因劃線不合理而造成山體范圍支離破碎，進(jìn)而影響整體生態(tài)景觀。

(3)山水相依、自然銜接：對一些坡度較小、山形不大，但與水體系統(tǒng)相連接、生態(tài)區(qū)位又十分重要的山體，山體劃線時(shí)，應(yīng)保持山水相依的自然景觀風(fēng)貌，可整體劃入山體范圍。

2.2 技術(shù)路線和方法介紹

本文的技術(shù)路線首先是資料收集，研究分析資料，按照技術(shù)規(guī)范要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后基于室內(nèi)遙感分析從宏觀角度對區(qū)域進(jìn)行整體研究，并開展野外實(shí)地調(diào)查，從微觀層面對前期收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。依據(jù)以上的數(shù)據(jù)處理和調(diào)查情況，運(yùn)用邏輯回歸模型確定評價(jià)要素權(quán)重，最后進(jìn)行評價(jià)要素加權(quán)疊加分析，得到山體范圍劃定結(jié)果(圖1)。本文的研究對象是澠池縣全域，所涉及到的數(shù)據(jù)要素類型復(fù)雜且涵蓋多個(gè)數(shù)據(jù)源，主要工作內(nèi)容集中于數(shù)據(jù)收集與處理、數(shù)據(jù)庫建設(shè)以及空間模型分析等。GIS(地理信息系統(tǒng))和RS(遙感)能高效地處理復(fù)雜時(shí)空數(shù)據(jù)、研究區(qū)域地貌類型以及監(jiān)測區(qū)域資源環(huán)境(張琳等，2021；王娟等，2021)。因此，基于研究需要，本文將GIS和RS作為主要的技術(shù)手段。

圖1 山體邊界線劃分技術(shù)路線圖

根據(jù)本文的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，為了保證數(shù)據(jù)處理精度并提高數(shù)據(jù)處理效率，本文的數(shù)據(jù)編輯、處理和模型分析等工作主要基于ArcGIS平臺。拓?fù)浜湍Ｐ蜆?gòu)建器是本文在ArcGIS中處理數(shù)據(jù)空間邏輯關(guān)系和模型分析的重要工具。

為了滿足空間數(shù)據(jù)處理和管理需求，經(jīng)過建庫準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)編輯與處理階段、數(shù)據(jù)入庫階段和自檢、互檢階段等過程，本文建立了山體地理信息數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫基于主流的ArcGIS平臺、采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了澠池縣山體劃分權(quán)屬信息和測量信息的集中存儲，能夠滿足各級部門信息化管理的需要。拓?fù)涫茄芯靠臻g要素位置關(guān)系的一門科學(xué)，用于確?？臻g關(guān)系的數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析空間關(guān)系。因此，為確保數(shù)據(jù)庫中各要素空間關(guān)系符合要求，在數(shù)據(jù)入庫階段之前，對經(jīng)過初步處理的各級山體以及其他要素的點(diǎn)、線、面之間的相互關(guān)系，進(jìn)行拓?fù)涮幚怼rcGIS中主要拓?fù)涮幚磉^程為：(1)在數(shù)據(jù)庫中建立要素?cái)?shù)據(jù)集，導(dǎo)入需要進(jìn)行拓?fù)潋?yàn)證的要素?cái)?shù)據(jù)；(2)新建拓?fù)?，指定拓?fù)湟?guī)則(如“不能重疊”等)；(3)進(jìn)行拓?fù)潋?yàn)證；(4)在編輯狀態(tài)下，逐個(gè)修復(fù)拓?fù)溴e(cuò)誤；(5)重新驗(yàn)證拓?fù)?，確保所有拓?fù)溴e(cuò)誤被修復(fù)。經(jīng)過以上處理使得數(shù)據(jù)庫中的行政區(qū)域、權(quán)屬單位、各要素層保持嚴(yán)格的拓?fù)潢P(guān)系，不出現(xiàn)縫隙和交疊以及“碎圖斑”現(xiàn)象，相關(guān)面狀要素之間、面狀要素與相關(guān)線狀要素之間滿足共線要求。

模型構(gòu)建器是一個(gè)用來創(chuàng)建、編輯和管理模型的應(yīng)用程序，它能夠?qū)⒍鄠€(gè)地理處理過程串聯(lián)成一個(gè)工作流，改變過程參數(shù)并設(shè)置閾值。在本文的數(shù)據(jù)處理中，涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型和多個(gè)處理步驟。因此，本文在模型構(gòu)建器中建立了山體范圍劃定空間模型，包含坐標(biāo)投影、裁剪、柵格重分類和柵格計(jì)算等多個(gè)處理過程，實(shí)現(xiàn)了分析過程標(biāo)準(zhǔn)化以及模型參數(shù)按需調(diào)整，從而得到規(guī)范化的分析結(jié)果以及最優(yōu)的模型參數(shù)組合。

2.3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。其中，矢量數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、鐵路數(shù)據(jù)、河流數(shù)據(jù)和土地利用現(xiàn)狀等數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)主要為各類遙感數(shù)據(jù)。遙感揭示了地球表面各種要素空間分布規(guī)律和分布特征(趙英時(shí)，2003)，具有宏觀、局部、微觀多尺度等特點(diǎn)(楊金中和趙玉靈，2015)。因此，本文使用遙感數(shù)據(jù)來進(jìn)行空間分析，研究區(qū)域山體分布情況。本文中的遙感數(shù)據(jù)主要包括DEM和高分二號數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，目標(biāo)區(qū)域有3景數(shù)據(jù)。獲取數(shù)據(jù)后，首先對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌，將不同景數(shù)據(jù)拼接在一起，然后根據(jù)行政邊界數(shù)據(jù)裁剪DEM數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在ArcGIS中運(yùn)用坡度工具生成坡度要素。高分二號數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間為2020年，空間分辨率為0.8 m，數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足研究中識別目標(biāo)地物的需求。

2.4 山體邊界劃分模型

依據(jù)山水相依、自然銜接等原則，以及在相關(guān)山體劃分研究(黃敬軍等，2015)的基礎(chǔ)上來構(gòu)建山體邊界劃分空間模型，同時(shí)考慮到區(qū)域地形地貌特點(diǎn)，將高程、坡度、地貌類型和河流等作為指標(biāo)評價(jià)體系的要素，基于ArcGIS平臺的疊加分析等功能來實(shí)現(xiàn)模型的計(jì)算。

其數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式(1)中：P為總得分；Xi為各指標(biāo)的值；Wi為各指標(biāo)的權(quán)重，用邏輯回歸模型確定；i為所有評價(jià)指標(biāo)的計(jì)數(shù)，i=1,2,3,…,n；n為指標(biāo)的總個(gè)數(shù)。

通過邏輯回歸模型確定評價(jià)要素權(quán)重的主要過程如下：

(1)在ArcGIS中，把各個(gè)評價(jià)要素進(jìn)行重分類，用專家打分的方法為重分類后的要素賦值。其中河流主要為研究區(qū)北部的黃河，河流區(qū)域賦值低，非河流區(qū)域賦值高。

(2)將前期實(shí)地調(diào)查確定的部分山體作為樣本，并將其分為中山和低山，中山區(qū)域賦值為1，低山區(qū)域賦值為0.6，局部非山體區(qū)域賦值為0。

(3)基于ArcGIS的創(chuàng)建隨機(jī)點(diǎn)工具，在中山、低山和非山體樣本區(qū)域中生成隨機(jī)點(diǎn)。

(4)在SPSS中進(jìn)行邏輯回歸計(jì)算，得到評價(jià)要素的邏輯回歸系數(shù)。

(5)將評價(jià)要素回歸系數(shù)進(jìn)行歸一化。結(jié)果如表1所示：

表1 邏輯回歸模型回歸系數(shù)一覽表

3 結(jié)果與分析

從高程要素來看(圖2a)，澠池縣的海拔高度介于200～1465 m之間。海拔900 m以上區(qū)域主要分布于澠池縣中西部，集中連片分布區(qū)域主要涉及坡頭鄉(xiāng)東部、仰韶鎮(zhèn)北部和南村鄉(xiāng)南部等區(qū)域；從坡度要素看(圖2b)，坡度在25°以上且分布較為集中的區(qū)域主要為東部和中部部分地區(qū)。與高程的區(qū)別在于坡度的高值區(qū)間(25°以上)相對分散，不僅有集中面狀分布區(qū)域，也呈現(xiàn)出帶狀分布的特點(diǎn)。面狀分布主要涉及段村鄉(xiāng)東部、南村鄉(xiāng)東部和仰韶鎮(zhèn)北部等區(qū)域。帶狀高值區(qū)域多分布于河流沿岸和陡峭的溝谷中，例如黃河、伏虎河和下河等沿岸。地貌類型中的構(gòu)造中山和剝蝕低山分布于澠池縣北部，河谷階地和剝蝕丘陵主要分布于澠池縣南部(圖2c)。河流主要為澠池縣北部的黃河，在劃分山體邊界時(shí)作為重要評價(jià)要素(圖2d)。

圖2 澠池縣山體范圍劃定分析評價(jià)要素圖a—海拔高程空間分布圖；b—坡度空間分布圖；c—地形地貌分布圖；d—大型河流分布圖

在高程、坡度、地貌類型和河流等要素所構(gòu)成空間模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)野外調(diào)查所形成的初步成果，用邏輯回歸模型確定上述要素的權(quán)重，然后將以上要素進(jìn)行加權(quán)疊加分析。依據(jù)疊加分析結(jié)果(表2)，將高值區(qū)間(2.42～3.08)賦值為5，其主要分布于澠池縣的中東部和東北部，面積為139.41 km2，占區(qū)域總面積的10%，主要涉及段村鄉(xiāng)和坡頭鄉(xiāng)等；次高值區(qū)間(1.95～2.41)賦值為4，其主要分布于澠池縣北部的大部分區(qū)域，面積為267.09 km2，占區(qū)域總面積的20%；中值區(qū)間(1.21～1.94)賦值為3，其主要分布于澠池縣西部，多與次高值相鄰分布，面積為300.07 km2，占區(qū)域總面積的22%；次低值區(qū)間(0.61～1.20)賦值為2，其主要分布于澠池縣南部和北部黃河沿線，面積為143.55 km2，占區(qū)域總面積的11%；低值區(qū)間(0.22～0.60)賦值為1，其主要分布于澠池縣南部和北部黃河沿線，與次低值相鄰分布，面積為502.74 km2，占區(qū)域總面積的37%，值域面積占比最大。

表2 山體劃分疊加分析結(jié)果表

根據(jù)分析結(jié)果(圖3)，能夠較為清晰的分辨山體的走勢和空間分布，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查情況，將高值、次高值和中值劃分為山體，總計(jì)占區(qū)域面積的52%，主要分布于澠池縣的北部和中部；次低值和低值劃分為非山體，總計(jì)占區(qū)域面積的48%，主要分布于澠池縣南部和東部洪陽河沿線。與高程和坡度相比，分析結(jié)果能夠更加清晰地辨別出山體邊界，尤其是山體范圍南部，主要涉及張村鎮(zhèn)、陳村鄉(xiāng)和仰韶鎮(zhèn)等區(qū)域。地貌類型要素僅表達(dá)了地形的大致的分布，但本文中的分析結(jié)果不僅能夠反映山體和非山體的區(qū)別，而且表達(dá)出了山體內(nèi)部和邊界的細(xì)節(jié)，為山體劃分實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。綜上，本文的山體劃定模型綜合了各個(gè)評價(jià)要素的特點(diǎn)，分析結(jié)果能夠較好表達(dá)山體的空間分布，并且為山體劃定提供了更加精細(xì)的數(shù)據(jù)支撐。

圖3 山體劃定模型疊加分析結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文劃定了研究區(qū)內(nèi)的山體范圍，為科學(xué)合理編制山體保護(hù)專項(xiàng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)山體整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)及綜合治理提供基礎(chǔ)支撐。結(jié)論如下：

(1)依據(jù)空間數(shù)據(jù)處理和管理需求，本文對入庫數(shù)據(jù)進(jìn)行了拓?fù)潋?yàn)證和修復(fù)，使各要素之間保持嚴(yán)格的拓?fù)潢P(guān)系，提高了數(shù)據(jù)的精度和結(jié)果的準(zhǔn)確度。同時(shí)，本文以模型構(gòu)建器為平臺，建立了山體劃定空間模型，提高了分析工作的效率和分析過程的標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)本文以高程、坡度、地貌類型和河流作為評價(jià)要素，運(yùn)用邏輯回歸模型來確定評價(jià)要素權(quán)重，使權(quán)重賦值與區(qū)域特性相匹配。最后進(jìn)行評價(jià)要素加權(quán)疊加分析，得到山體邊界劃定結(jié)果。

(3)澠池縣地形地貌整體特點(diǎn)為北高南低，中部多為河流階地，山體主要分布于澠池縣北部和中部，主要涉及段村鄉(xiāng)和坡頭鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。