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探測工程技術研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬地質礦產局第二地質大隊， 河南 鄭州 450016)

0 引言

生態是一個有機系統，需要用系統思維和整體觀念來順應生態保護和治理的內在規律。當前，我國的國土空間規劃在生態文明理念的指導下，將“山水林田湖草”視為生命共同體，強調統籌山水林田湖草系統治理(吳鋼等，2019；王隨繼等，2021)。山體是重要的地貌單元，也是經濟社會活動承載體的一部分，在生態文明建設的當下，受到越來越多的關注。

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

在《地理學辭?！分?，山被認為是具有一定高度，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別(張春英等，2020)?？紤]到山地地貌的特性，有的學者認為山地擁有一定的海拔與復雜的地貌(黃光宇，2006)。由于山體高差和復雜的地貌，造成不同區域微氣候不同，所以山體中往往擁有豐富多樣的生態環境和生物圈。同時，隨著生態文明理念深入人心，我國對生態修復也越來越重視(趙婷婷等，2020)。2005年8月，習近平在浙江湖州安吉考察時提出“綠水青山就是金山銀山”；2017年10月，十九大報告中指出，要堅持人與自然和諧共生。這些都說明山體保護以及合理開發利用已經成為生態文明建設的重要一環。

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

1 區域概況

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

根據澠池縣1∶5萬地質災害詳細調查報告，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。該區域內有黃河和澗口河等河流，地表水分布較為豐富。構造中山分布于澠池縣東北部，面積約為68 km2。該區域地勢較高，有強烈的侵蝕切割作用，因此溝谷縱橫，地形地貌較為復雜，海拔高度介于1000～1500 m之間。

1.3 地質構造

澠池縣位于秦嶺東西復雜構造帶中，巖漿活動微弱、地質構造較為復雜，主要為一些寬緩的背、向斜褶皺和規模不大的斷裂構造。大致經歷了王屋山、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型沉積構造特征。

2 技術路線與方法

2.1 山體劃分原則

(1)劃線適度、尊重現狀：依據區域山體地形地勢、地貌特征與地理分區現狀，科學合理地劃定山體范圍。

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

(3)山水相依、自然銜接：對一些坡度較小、山形不大，但與水體系統相連接、生態區位又十分重要的山體，山體劃線時，應保持山水相依的自然景觀風貌，可整體劃入山體范圍。

2.2 技術路線和方法介紹

本文的技術路線首先是資料收集，研究分析資料，按照技術規范要求對數據進行預處理，然后基于室內遙感分析從宏觀角度對區域進行整體研究，并開展野外實地調查，從微觀層面對前期收集的數據進行驗證。依據以上的數據處理和調查情況，運用邏輯回歸模型確定評價要素權重，最后進行評價要素加權疊加分析，得到山體范圍劃定結果(圖1)。本文的研究對象是澠池縣全域，所涉及到的數據要素類型復雜且涵蓋多個數據源，主要工作內容集中于數據收集與處理、數據庫建設以及空間模型分析等。GIS(地理信息系統)和RS(遙感)能高效地處理復雜時空數據、研究區域地貌類型以及監測區域資源環境(張琳等，2021；王娟等，2021)。因此，基于研究需要，本文將GIS和RS作為主要的技術手段。

圖1 山體邊界線劃分技術路線圖

根據本文的數據特點，為了保證數據處理精度并提高數據處理效率，本文的數據編輯、處理和模型分析等工作主要基于ArcGIS平臺。拓撲和模型構建器是本文在ArcGIS中處理數據空間邏輯關系和模型分析的重要工具。

為了滿足空間數據處理和管理需求，經過建庫準備階段、數據編輯與處理階段、數據入庫階段和自檢、互檢階段等過程，本文建立了山體地理信息數據庫。數據庫基于主流的ArcGIS平臺、采用先進的數據庫管理技術，實現了澠池縣山體劃分權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。拓撲是研究空間要素位置關系的一門科學，用于確?？臻g關系的數據質量和分析空間關系。因此，為確保數據庫中各要素空間關系符合要求，在數據入庫階段之前，對經過初步處理的各級山體以及其他要素的點、線、面之間的相互關系，進行拓撲處理。ArcGIS中主要拓撲處理過程為：(1)在數據庫中建立要素數據集，導入需要進行拓撲驗證的要素數據；(2)新建拓撲，指定拓撲規則(如“不能重疊”等)；(3)進行拓撲驗證；(4)在編輯狀態下，逐個修復拓撲錯誤；(5)重新驗證拓撲，確保所有拓撲錯誤被修復。經過以上處理使得數據庫中的行政區域、權屬單位、各要素層保持嚴格的拓撲關系，不出現縫隙和交疊以及“碎圖斑”現象，相關面狀要素之間、面狀要素與相關線狀要素之間滿足共線要求。

模型構建器是一個用來創建、編輯和管理模型的應用程序，它能夠將多個地理處理過程串聯成一個工作流，改變過程參數并設置閾值。在本文的數據處理中，涉及復雜的數據模型和多個處理步驟。因此，本文在模型構建器中建立了山體范圍劃定空間模型，包含坐標投影、裁剪、柵格重分類和柵格計算等多個處理過程，實現了分析過程標準化以及模型參數按需調整，從而得到規范化的分析結果以及最優的模型參數組合。

2.3 基礎數據

本文數據庫中的基礎數據主要包括矢量數據和柵格數據。其中，矢量數據包括行政區劃數據、道路數據、鐵路數據、河流數據和土地利用現狀等數據。柵格數據主要為各類遙感數據。遙感揭示了地球表面各種要素空間分布規律和分布特征(趙英時，2003)，具有宏觀、局部、微觀多尺度等特點(楊金中和趙玉靈，2015)。因此，本文使用遙感數據來進行空間分析，研究區域山體分布情況。本文中的遙感數據主要包括DEM和高分二號數據。DEM數據空間分辨率為30 m，目標區域有3景數據。獲取數據后，首先對DEM數據進行鑲嵌，將不同景數據拼接在一起，然后根據行政邊界數據裁剪DEM數據，得到研究區的DEM數據。在DEM數據的基礎上，在ArcGIS中運用坡度工具生成坡度要素。高分二號數據的獲取時間為2020年，空間分辨率為0.8 m，數據質量滿足研究中識別目標地物的需求。

2.4 山體邊界劃分模型

依據山水相依、自然銜接等原則，以及在相關山體劃分研究(黃敬軍等，2015)的基礎上來構建山體邊界劃分空間模型，同時考慮到區域地形地貌特點，將高程、坡度、地貌類型和河流等作為指標評價體系的要素，基于ArcGIS平臺的疊加分析等功能來實現模型的計算。

其數學模型如下：

(1)

式(1)中：P為總得分；Xi為各指標的值；Wi為各指標的權重，用邏輯回歸模型確定；i為所有評價指標的計數，i=1,2,3,…,n；n為指標的總個數。

通過邏輯回歸模型確定評價要素權重的主要過程如下：

(1)在ArcGIS中，把各個評價要素進行重分類，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北部的黃河，河流區域賦值低，非河流區域賦值高。

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

(3)基于ArcGIS的創建隨機點工具，在中山、低山和非山體樣本區域中生成隨機點。

(4)在SPSS中進行邏輯回歸計算，得到評價要素的邏輯回歸系數。

(5)將評價要素回歸系數進行歸一化。結果如表1所示：

表1 邏輯回歸模型回歸系數一覽表

3 結果與分析

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以上區域主要分布于澠池縣中西部，集中連片分布區域主要涉及坡頭鄉東部、仰韶鎮北部和南村鄉南部等區域；從坡度要素看(圖2b)，坡度在25°以上且分布較為集中的區域主要為東部和中部部分地區。與高程的區別在于坡度的高值區間(25°以上)相對分散，不僅有集中面狀分布區域，也呈現出帶狀分布的特點。面狀分布主要涉及段村鄉東部、南村鄉東部和仰韶鎮北部等區域。帶狀高值區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，在劃分山體邊界時作為重要評價要素(圖2d)。

圖2 澠池縣山體范圍劃定分析評價要素圖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成空間模型的基礎上，依據野外調查所形成的初步成果，用邏輯回歸模型確定上述要素的權重，然后將以上要素進行加權疊加分析。依據疊加分析結果(表2)，將高值區間(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，占區域總面積的10%，主要涉及段村鄉和坡頭鄉等；次高值區間(1.95～2.41)賦值為4，其主要分布于澠池縣北部的大部分區域，面積為267.09 km2，占區域總面積的20%；中值區間(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，占區域總面積的22%；次低值區間(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，占區域總面積的11%；低值區間(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果表

根據分析結果(圖3)，能夠較為清晰的分辨山體的走勢和空間分布，并結合實地調查情況，將高值、次高值和中值劃分為山體，總計占區域面積的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，總計占區域面積的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、陳村鄉和仰韶鎮等區域。地貌類型要素僅表達了地形的大致的分布，但本文中的分析結果不僅能夠反映山體和非山體的區別，而且表達出了山體內部和邊界的細節，為山體劃分實際應用創造了條件。綜上，本文的山體劃定模型綜合了各個評價要素的特點，分析結果能夠較好表達山體的空間分布，并且為山體劃定提供了更加精細的數據支撐。

圖3 山體劃定模型疊加分析結果圖

4 結論

本文劃定了研究區內的山體范圍，為科學合理編制山體保護專項規劃，實現山體整體保護、系統修復及綜合治理提供基礎支撐。結論如下：

(1)依據空間數據處理和管理需求，本文對入庫數據進行了拓撲驗證和修復，使各要素之間保持嚴格的拓撲關系，提高了數據的精度和結果的準確度。同時，本文以模型構建器為平臺，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準化。

(2)本文以高程、坡度、地貌類型和河流作為評價要素，運用邏輯回歸模型來確定評價要素權重，使權重賦值與區域特性相匹配。最后進行評價要素加權疊加分析，得到山體邊界劃定結果。

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