楊 斌，顧秀梅，劉 建，楊晏立

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院，綿陽 621010;2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875;3.西南科技大學保密辦公室，綿陽 621010;4.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

基于ArcGIS的山地與非山地分類方法體系研究

楊 斌1，2，顧秀梅3，劉 建4，楊晏立4

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院，綿陽 621010;2.北京師范大學水科學研究院，北京 100875;3.西南科技大學保密辦公室，綿陽 621010;4.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

在GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計分析技術的支持下，以四川省為研究區(qū)域，基于ArcGIS平臺分析提取出了絕對高程、相對高程、坡度和地面粗糙度這4類因子;然后利用這4類因子參與確立山地特征分類臨界值，在此基礎上，運用數(shù)理統(tǒng)計方法將其歸并為兩大類，并制定出山地分類標準體系;最后在ArcGIS軟件平臺下，運用柵格計算器提取出了四川省山地與非山地的分類結果。研究表明，該分類方法嘗試將更多的關鍵要素信息參與到分類體系中，達到了與傳統(tǒng)方法一樣的較為準確的分類目的，從而為“數(shù)字山地”的數(shù)字化實現(xiàn)奠定了研究基礎。

山地;數(shù)字化;分類;特征;數(shù)字山地

0 引言

山地地形地貌特征的研究一直是地理地貌學領域傳統(tǒng)的研究內(nèi)容，對于山地這個經(jīng)典概念的準確定位更成為現(xiàn)代地理科學研究工作者需首先要解決的問題［1］。隨著現(xiàn)代高新技術的發(fā)展，山地數(shù)字化定量研究已經(jīng)成為目前的研究方向，因此定量地描述山地地貌形態(tài)、劃分山地結構類型已成為山地數(shù)字化進程中一項前期工作，而且是實施“數(shù)字山地”戰(zhàn)略的一項基礎性工作［2］。然而，山地、非山地的界線自身具有模糊性和不確定性，再加上其量化范圍具有隨機性等特點，為定量化描述山地這一典型的地貌特征提出了挑戰(zhàn)。為此，本文嘗試選取與山地特征明顯相關的絕對高程、相對高程、坡度和地面粗糙度這4類因子，以四川省作為研究區(qū)，在ArcGIS平臺下，運用柵格數(shù)據(jù)分析功能定量化地提取和分析了四川省山地與非山地的范圍，這不僅為山地的數(shù)字化表達提供了一種全新的解決方案，還為山地科學研究和“數(shù)字山地”戰(zhàn)略提供了基礎和支撐。

1 分類因子的提取分析

山地與非山地的地貌特征主要區(qū)別在于其高程和傾斜度這兩個關鍵性指標，高程特征指標可以用絕對高程和相對高程來定量描述，傾斜度特征指標則可用坡度和地面粗糙度來定量描述［3］。這兩種指標之間相關性很小，便于進行數(shù)字化分類提取。絕對高程、相對高程、坡度和地面粗糙度這4類定量化因子都可以通過ArcGIS軟件快速提取。

1.1 絕對高程

絕對高程是指地面點到大地水準面的鉛垂距離，在提取一個地區(qū)的絕對高程信息的過程中，可以將其轉(zhuǎn)換為對其數(shù)字高程進行提取，因此只需提取出研究區(qū)內(nèi)的數(shù)字高程模型就能定量地描述出研究區(qū)的絕對高程信息［4］。數(shù)字高程模型(DEM)是一種對地球表面進行數(shù)字化描述和模擬的方法模型，它大體上可分為3種類型，即等高線模型(Contour)、不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)模型(Grid)，這3種模型分別具有各自的優(yōu)缺點，結合實際需求和在“數(shù)字山地”中的實際應用情況，本文選取規(guī)則格網(wǎng)模型作為生成DEM的數(shù)據(jù)模型［5］。

在提取四川省DEM的過程中，可采用格網(wǎng)模型中的格網(wǎng)柵格方法實現(xiàn)，該方法是先獲取研究區(qū)內(nèi)格網(wǎng)單元的數(shù)值點(高程值)，再通過內(nèi)插來獲取一個不連續(xù)的數(shù)字表面。該結果可以作為絕對高程因子，參與后續(xù)的研究計算，其具體的實現(xiàn)過程可以采用以下兩種方法:

(1)在 ArcGIS Workstation軟件系統(tǒng)中，進入DOS操作環(huán)境下的ARC工作空間，并輸入“Topogridtool輸出路徑 格網(wǎng)精度”命令即可以直接進行相應操作;

(2)在 ArcGIS Desktop操作系統(tǒng)中，采用ArcToolbox中的“Topo to Raster”命令即可求出DEM數(shù)據(jù)。

通過以上分析，即可以提取出四川省1∶25萬的DEM數(shù)據(jù)。

1.2 相對高程

相對高程是指研究區(qū)域內(nèi)地面點到某假定的高程基準面的垂直距離。而通常山地的相對高差則是指在局部鄰域內(nèi)山脊線與山谷線之間的高差［6］。因此，在一定意義上相對高程和相對高差可認為是同一個概念。相對高程在地形特征分析中實際上是表征地面上任意兩點之間的高程之差，而無論采用絕對高程還是相對高程，地面上兩點間的高差總是不變的［7］。正是基于這個原理，對提取出來的格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)進行差值處理，便能得出所需要的相對高程信息。

根據(jù)相對高程的定義，采用鄰域差值分析方法進行相對高程因子的提取，具體步驟如下:

(1)先選取研究范圍為100像元×100像元的區(qū)域(69.39 km2)作為起始研究鄰域;

(2)采用相對高程計算公式di=Ei－Emin計算高差，其中di為第i個格網(wǎng)的相對高差;Ei為第i個格網(wǎng)單元所在的區(qū)域范圍內(nèi)的絕對高程值;Emin為第i個格網(wǎng)單元所在的區(qū)域范圍內(nèi)的最低高程值，該值采用ArcGIS的鄰域分析Minimum方法進行提取;

(3)在ArcGIS的柵格計算器中根據(jù)上述公式，快速地提取出整個研究區(qū)域內(nèi)的相對高程數(shù)據(jù)。

實驗表明，采用鄰域統(tǒng)計分析方法提取的相對高程數(shù)據(jù)具有相應的數(shù)據(jù)連續(xù)性，便于進行參數(shù)因子計算。

1.3 坡度

在對山地進行數(shù)字化分類研究過程中，坡度是一個十分重要的分類因子，因此對研究區(qū)坡度進行提取和分析顯得尤為關鍵。坡度在山地研究中表示了該地區(qū)局部地表坡面的傾斜程度，坡度的大小直接影響著山地的分類命名規(guī)則［8］。從數(shù)學角度上講，地表面任一點的坡度是指過該點的切平面與水平面的夾角，在數(shù)值上等于過該點的地表微分單元的法矢量n與垂直軸z之間的夾角，坡度S為

當采用ArcGIS軟件進行坡度提取時，需將上述公式簡化為差分形式，即

式中，fX為X方向高程變化率;fY為Y方向高程變化率。在生成坡度時，坡度的表示方法有角度表示法和百分比表示法兩種。其中角度表示法采用的是水平面與地形面之間的夾角，而百分比表示法則為高程增量與水平增量之比的百分數(shù)。

在ArcGIS平臺中，可以基于DEM數(shù)據(jù)采用不同方法提取出這兩種類型的坡度因子，其具體過程如下:首先，在 ArcGIS Desktop平臺下，加載 DEM柵格數(shù)據(jù);然后，在柵格計算器中運用“slope_sa C:/data/dem C:/data/slope DEGREE”命令提取所需的坡度數(shù)據(jù)，其中“C:/data/dem”為原始DEM數(shù)據(jù)路徑，“C:/data/slope”為求取的坡度數(shù)據(jù)路徑，DEGREE為角度形式輸出，若將其換成PERCENT_RISE，則表示用百分比形式輸出。

1.4 地面粗糙度

地面粗糙度是指研究區(qū)內(nèi)地表表面積與其平面投影面積之比，它是反映地表形態(tài)特征的一個重要宏觀指標，也是衡量地表侵蝕程度的重要指標之一［9］。根據(jù)地面粗糙度的定義，可通過計算 DEM數(shù)據(jù)中每一個柵格單元的表面積與其投影面積(取值為1)的比值來提取研究區(qū)的地面粗糙度。圖1為柵格單元剖面分析圖。

圖1 柵格單元剖面分析圖Fig.1 The analysis figure of grid unit profile

根據(jù)圖1所示，假設ABC是一個柵格單元的縱剖面，α為此柵格單元的坡度，則AB面的面積為柵格的表面積，AC面的面積為此柵格的投影面積(也就是此柵格像元的面積)。根據(jù)公式cosα=AC/AB，則可以得出該柵格單元的地面粗糙度M即AB面的面積與AC面的面積之比，即M=1/cosα?；诖斯?，在ArcGIS Desktop的柵格計算器中將地面粗糙度因子提取出來，具體的提取過程如下:

(1)根據(jù)格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)提取出以角度形式表示的坡度數(shù)據(jù)，將其圖層命名為Slope;

(2)在ArcGIS的Spatial Analyst的柵格計算器中，輸入“Pow(cos(［S］*3.1415926/180)，－1)”，即可得到研究區(qū)的地面粗糙度因子，在這里需要注意的是，坡度(S)使用的單位應該是弧度，在應用過程中要將坡度單位由角度轉(zhuǎn)換為弧度。

通過以上分析過程提取出的四川省的絕對高程、相對高程、坡度和地面粗糙度因子如圖2所示。實踐分析表明，這些因子彼此之間的相關性小，這就為實現(xiàn)山地數(shù)字化分類研究奠定了基礎。

圖2 4種分類因子的提取數(shù)據(jù)Fig.2 The extraction data of four classified factors

2 山地數(shù)字化分類方法研究

2.1 分類因子定量化分析

進行山地與非山地數(shù)字劃分的主要目的是通過選取相應的分類參數(shù)，探討一種合適的分類方法對山地進行數(shù)字化分類提取，以便于對山地進行整體把握，這不僅有利于山區(qū)數(shù)字化進程，也可為山區(qū)后續(xù)的相關研究奠定基礎［10－11］。同時，對山地進行數(shù)字化分類不但是開展“數(shù)字山地”研究的基礎性工作之一，也可為山地可持續(xù)發(fā)展研究提供基礎和支撐。

在進行山地數(shù)字化分類之前，首先必須弄清楚山地與非山地的區(qū)別。二者的主要區(qū)別在于山地更加側重于地形地貌上的垂直差異性，這主要反映在高程和傾斜度兩個特征方面［12］。山地的高程特征可由絕對高程和相對高程兩類因子進行定量化分析，傾斜度則可由坡度和地面粗糙度兩類因子進行定量化分析［13］。這樣選取的原因在于用高程來量化山地的落差特性，用傾斜度來量化山地切割深、密度大的特性。

山地與非山地分類因子臨界點的確定均有不同的取值方法，本文中絕對高程和相對高程的臨界點確定以《中國地貌區(qū)劃》規(guī)定的500 m和100 m為準，坡度和地面粗糙度的臨界點確定綜合國際地理學會地貌調(diào)查與制圖委員會分類標準和山地災害誘發(fā)情況，并結合山地形態(tài)特征中的自然轉(zhuǎn)折點和特征點特性，通過自然裂點法求取出25°和3.13。再將絕對高程、相對高程、坡度、地面粗糙度4類因子命名為A、B、C、D，并歸納得出這4類因子參與山地特征分類的臨界值(表1)。

表1 山地分類因子的臨界值Tab.1 The critical value of four classified factors about mountain

2.2 分類方法的實現(xiàn)

考慮到山地與非山地的主要區(qū)別在于地形地貌上的垂直差異性以及因子彼此之間的相關性原因，選取高程作為分類的主要因素(反映在絕對高程和相對高程上)，把傾斜度作為分類的次要因素(反映在坡度和地面粗糙度上)。在數(shù)字化分類過程中，按照以上思想，將這提取出來的4類因子分為兩大類，即把A和B因子歸為一類(主因子)，把C和D因子歸為另一類(輔助因子)［14］。在分類計算過程中，如果主因子能起到絕對性的作用，那么輔助因子就不參與劃分;如果主因子判斷不確定時，則需要加入輔助因子進行綜合劃分。同時應該指出，針對絕對高程(俗稱“海拔高度”)大于等于1000 m的地貌，統(tǒng)統(tǒng)將其歸并到山地范疇(包括高原);而絕對高程小于1000 m時，則需要通過綜合方法進行劃分。因此，當絕對高程為0～1000 m時，則可分別采用以下4種模式進行山地數(shù)字化劃分:

(1)當A≥500 m且B≥100 m時，此時不需要考慮C因子和D因子，即可將其歸為山地范圍;

(2)當A＜500 m且B≥100 m時，此時只要C因子和D因子值的任何一個滿足山地分類臨界值要求，即可將此類歸為山地范圍;

(3)當A≥500 m且B＜100 m時，此時只要C因子和D因子值的任何一個滿足山地分類臨界值要求，即可將此類歸為山地范圍;

(4)當A＜500 m且B＜100 m時，此時C因子和D因子值必須同時滿足山地分類臨界值要求，才可將此類歸為山地范圍。

綜上所述，在其余的情況下，可將其列為非山地范圍。絕對高程0～1000 m時，山地劃分因子數(shù)學表達式為

3 山地與非山地的分類提取

在ArcGIS Desktop平臺中，先分別加載并提取出絕對高程、相對高程、坡度和地面粗糙度數(shù)據(jù);然后在ArcGIS柵格計算器中，采用上述方法，即可以快速地提取出四川省山地與非山地的分類結果數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3 四川省山地與非山地分類結果Fig.3 The classification results of mountain in Sichuan province

在ArcGIS平臺下，采用統(tǒng)計分析方法計算出四川省山地與非山地各自的分布面積。通過分析得到，四川省山地面積約為362632 km2(約占總面積的79.66%)，非山地面積約為 92567.9 km2(約占總面積的20.34%)。這充分證明了四川省是我國山地面積分布較多的省份之一。由圖3可見，四川省山地主要分布于省內(nèi)西部地區(qū)及四川盆地周邊區(qū)域，而中東部山地則主要分布于與重慶市交界的川東平行嶺谷和龍泉山脈附近。

另外，采用此方法計算出的山地面積比江曉波采用基于柵格的邊緣生長模型計算出的四川省山區(qū)面積(374901 km2，約占75.08%)有所增加，也比根據(jù)UNEP－WCMC定義的山地標準所計算出來的四川省山地面積(359209 km2，約占73.56%)有所增加［15］，這主要是由于在分類過程中更加綜合考慮到相對高程、坡度和地面粗糙度這3類因素的影響，并將更多的縱溝深丘陵地區(qū)劃分到山地范疇中。

4 結論

本文采用地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析方法，以四川省作為研究區(qū)域，在ArcGIS平臺下分別對絕對高程、相對高程、坡度和地面粗糙度4類因子進行了提取和分析。在對大量相關專業(yè)文獻資料進行系統(tǒng)分析研究的基礎上，得出了這4類因子參與山地特征分類的臨界值，并運用數(shù)理統(tǒng)計分析方法確定出了一套適用于山地與非山地分類特征的定量提取技術，最后在ArcGIS Desktop柵格計算器中計算出了四川省山地與非山地的研究范圍與面積。

實驗表明，該方法計算出來的結果較以往方法的山地統(tǒng)計結果有所增加，這主要是由于將低海拔、深切割的地區(qū)歸并其中的緣故。此方法為山地數(shù)字化提供了一種全新的解決方案，也為山地研究和數(shù)字山地戰(zhàn)略提供了基礎和支撐。

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A Study of the Classification Method for Mountainous and Non－mountainous Regions Based on ArcGIS

YANG Bin1，2，GU Xiu － mei3，LIU Jian4，YANG Yan － li4
(1.College of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China;2.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;3.Confidentiality Office，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China;4.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

As a special physiognomy in nature，the mountainous region has peculiarities of uncertainty，complexity and multifactor，and digitization and classification should be conducted to find out its specific nature.With the support of spatial analysis and mathematical statistics，four factors were extracted and analyzed on the basis of ArcGIS application characteristics in Sichuan Province.They were absolute elevation，relative elevation，slope and terrain roughness.An integrated classification system for mountainous region was built by statistical methods to generalize these tow factors into two major factors and figure out the critical value of classification.The final classification results for mountainous and non－mountainous regions in Sichuan Province were extracted by using the ArcGIS grid calculator.The extraction results show that this method has reached the accuracy of the classification levels by the traditional method，thus laying the research foundation for realizing ＇digitized mountainous region.

Mountainous region;Digitization;Classification;Characteristics;Digital mountainous region

P 208;TP 79

A

1001－070X(2011)04－0064－05

2011－02－17;

2011－03－23

四川省教育廳重點基金項目(編號:11ZA135)及西南科技大學博士基金項目(編號:09ZX7112)共同資助。

楊 斌(1979－)，男，博士，副教授，碩士生導師，北京師范大學環(huán)境科學與工程在站博士后，主要從事遙感與GIS在地質(zhì)環(huán)境安全領域中的應用研究。

(責任編輯:李 瑜)