天文選址中的地理信息處理?

吳 寧 劉 煜趙明宇

(1云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院昆明650500)

(2中國科學(xué)院云南天文臺昆明650011)

天文選址中的地理信息處理?

吳 寧1劉 煜2?趙明宇2

(1云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院昆明650500)

(2中國科學(xué)院云南天文臺昆明650011)

地理信息是地面望遠(yuǎn)鏡天文選址研究中的重要內(nèi)容.尤其是對現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)的有效利用,已成為現(xiàn)代選址中遠(yuǎn)程分析階段最重要的手段之一.天文址點(diǎn)的考慮在地理條件上應(yīng)遵循以下原則:相對落差較大、交通可行、盡量遠(yuǎn)離人口集中的區(qū)域.從未來建站維護(hù)和人員長期駐站的角度考慮,天文址點(diǎn)以海拔處于3000～5000 m的范圍、距離城鎮(zhèn)大本營1 h左右車程為最佳.以云南省大姚縣百草嶺地區(qū)為選址研究對象,展示了GIS數(shù)據(jù)處理能夠為全面了解一個候選區(qū)域3維地形地貌、江川河流、道路村落、電力分布以及預(yù)測該地區(qū)未來人口和城市化發(fā)展趨勢等方面內(nèi)容提供準(zhǔn)確、直觀、定量的參考數(shù)據(jù).通過基于GIS數(shù)據(jù)的科學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)海拔3 600多米的大百草嶺山頂平坦而又干旱、周圍人口稀少、道路便利、無工廠污染源,是地方政府重要自然保護(hù)區(qū);它與直線距離10 km外的鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的相對落差超過了1 500 m,與50 km外的縣城的相對落差達(dá)到1 800 m,是滇中彝州壩區(qū)一座名副其實(shí)的孤峰.因此,GIS數(shù)據(jù)分析對于遠(yuǎn)程選址十分有益,GIS技術(shù)是現(xiàn)代天文選址不可或缺的重要手段.

選址,技術(shù):圖像處理,方法:數(shù)據(jù)分析,方法:統(tǒng)計

1 引言

天文學(xué)是一門以實(shí)測為基礎(chǔ)的學(xué)科,無論是天體探測、理論檢驗還是技術(shù)儲備都離不開先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡和優(yōu)良的地面臺址.由于快速發(fā)展的城市化進(jìn)程,日益增強(qiáng)的天空背景亮度會導(dǎo)致空氣透明度降低,日益增多的環(huán)境塵埃也會加重精密設(shè)備的污損程度.一方面許多傳統(tǒng)的地面觀測臺址正面臨著“無天可觀”的危機(jī),另一方面科學(xué)家選址的速度遠(yuǎn)比不過城市膨脹的速度[1?2].縱觀國際上一些目前還在使用的優(yōu)秀臺址,它們要么是位于大洋內(nèi)部,如美國夏威夷群島和西班牙加那利群島;要么是處于人煙稀少的山巔,如智利拉西拉天文臺和烏茲別克兀魯伯天文臺[3].因此,如果我們在選址中能夠采用跨越式的思維方式和先進(jìn)的探索手段,是完全有可能在中國西部挑選出可供未來30 yr或更長時間使用的優(yōu)良址點(diǎn).夏威夷的天文址點(diǎn)自上世紀(jì)60年代首架專業(yè)天文望遠(yuǎn)鏡正式安裝運(yùn)行以來,至今已為人類天文學(xué)研究和空間監(jiān)測提供了50多年的優(yōu)質(zhì)服務(wù),目前未見任何衰落跡象,仍有許多大型天文望遠(yuǎn)鏡希望安裝落戶在該地,足見一流的天文資源是十分寶貴的.另一方面這也告誡我們,潛在的優(yōu)秀天文址點(diǎn)是需要提前發(fā)現(xiàn)并加以利用的[4?5].

在地理和地質(zhì)條件分析方面,現(xiàn)代選址與過去選址的不同之處在于:現(xiàn)代選址可以利用更多來自地面和空間(衛(wèi)星)的數(shù)字化信息,這些信息為候選區(qū)域的劃定以及選址策略的選擇提供了重要的參考依據(jù)[6].目前,云南天文臺的太陽選址小組正在利用這些數(shù)據(jù)對西部址點(diǎn)可能的候選區(qū)域進(jìn)行深入的分析和研究.除了基本地理與地質(zhì)等條件數(shù)據(jù),道路交通和后勤條件也可通過地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)獲取,節(jié)約了人力和經(jīng)費(fèi),提高了區(qū)域判斷的準(zhǔn)確性,也為選址方法和選址步驟的革新創(chuàng)造了條件.舉例來說,過去為了獲得當(dāng)?shù)販?zhǔn)確的地理參數(shù),常常要花費(fèi)幾年乃至十幾年對潛在區(qū)域進(jìn)行人工實(shí)地測量;現(xiàn)在,利用高分辨率(分辨率可小于1 km)的衛(wèi)星遙感圖像結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)測資料即可排除許多候選點(diǎn),將最佳候選區(qū)域減小到原來的幾十分之一.GIS和數(shù)字地圖的廣泛運(yùn)用免去了以前必須進(jìn)行的大面積地形踏勘工作;更有意義的是,地形分析可以和氣象以及地質(zhì)分析結(jié)合進(jìn)行,豐富的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的連續(xù)性為綜合選址提供了極大的便利和科學(xué)依據(jù).因此,我們有必要研究如何結(jié)合豐富的GIS手段對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合系統(tǒng)的分析,以得到全面而又可靠的址點(diǎn)信息,盡量減少初選階段的人力和時間耗費(fèi),同時剔除不理想候選址點(diǎn).

本文以云南省大姚縣百草嶺地區(qū)選址為例,詳細(xì)介紹我們?nèi)绾问占鞣NGIS系統(tǒng)提供的信息、對這些信息進(jìn)行綜合分析判斷的方法以及最終確定是否符合最初候選址點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn).該步驟完成之后,我們將建立一套天文址點(diǎn)初步篩選的科學(xué)辦法和標(biāo)準(zhǔn),并在將來推廣運(yùn)用于所有初步篩選的候選址點(diǎn).本文所使用的資料和信息主要來自于國家及地方遙感遙測部門以及以谷歌地球為代表的GIS系統(tǒng).

2 GIS系統(tǒng)簡介

GIS是以測繪學(xué)和地圖學(xué)為基礎(chǔ),集地理科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、測繪學(xué)和遙感學(xué)為一體的一門綜合性學(xué)科.GIS的主要特點(diǎn)就是它是以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在計算機(jī)軟硬件環(huán)境的支持下,對與地理空間相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、操作、分析、模擬和顯示,同時采用地理模型對這些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、并適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息的方法.GIS區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的核心就是它的強(qiáng)大的空間分析功能.它是基于地理目標(biāo)的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù).這個過程并不是對數(shù)據(jù)的簡單查詢和檢索,而是通過對地理數(shù)據(jù)的深加工,獲取新的地理信息.它能夠及時而準(zhǔn)確地向地學(xué)工作者、其他科研工作者、各類管理和生產(chǎn)部門提供有關(guān)區(qū)域分析、方案優(yōu)選、戰(zhàn)略決策等方面科學(xué)可靠的地理空間信息.采用地理信息系統(tǒng)的空間分析手段,不僅可以節(jié)省大量的人力、物力和時間,更為重要的是它可以提供實(shí)時而準(zhǔn)確的空間信息.

空間選址,是指在一定地理區(qū)域內(nèi)為一個或多個選址對象選定位置,通過對各種影響因子的綜合分析,在待選對象中找出某一指標(biāo)或綜合指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的區(qū)域、或是對已選目標(biāo)對象進(jìn)行綜合評估的過程[7].傳統(tǒng)的選址方法是選址人員通過搜集和分析待選區(qū)域內(nèi)有關(guān)地理條件、氣象氣候條件等各方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)分析,然后根據(jù)初步的分析結(jié)果,再到實(shí)地進(jìn)行勘測,最后經(jīng)過反復(fù)分析和比較選定一個比較合理的位置.這種選址的方法在很大程度上取決于選址人員的實(shí)際經(jīng)驗和技術(shù)水平,既費(fèi)時又費(fèi)力,同時還有可能摻雜進(jìn)選址人員的個人因素.GIS的優(yōu)勢在于它能將不同源、不同類型的大量數(shù)據(jù)按照地理空間結(jié)構(gòu)分門別類并有效地整合在一起,利用空間定位搜索和查詢功能、強(qiáng)大的圖形處理和表達(dá)功能、空間分析和模擬功能等,提供常規(guī)方法難以獲得的重要信息和空間決策支持[8].

天文選址的過程也是一個科學(xué)性、綜合性決策的過程,既需要定性考慮,又需要定量分析.本文以云南省楚雄州大姚縣百草嶺為例,利用GIS強(qiáng)大的空間分析功能和繪制圖工具,對相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施GIS空間分析顯示和分析,為目前和今后開展的天文選址工作提供科學(xué)、準(zhǔn)確的參考信息.

在本文以下所進(jìn)行的空間選址分析中,我們以美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)的ArcGIS作為操作平臺.該款軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、分析、可視化和空間分析功能.空間分析中所使用的矢量數(shù)據(jù)主要來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)(http://nfgis.nsdi. gov.cn)1:400萬數(shù)據(jù)庫;地震數(shù)據(jù)來源于中國地震信息網(wǎng)(http://www.csi.ac.cn);30 m數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn);其余部分影像數(shù)據(jù)和特征點(diǎn)數(shù)據(jù)從谷歌地球提取并轉(zhuǎn)換成ArcGIS兼容格式;而大姚縣基本概況及統(tǒng)計數(shù)據(jù)則來自《大姚縣志》[9].

3 大姚縣基本概況及GIS地圖顯示

大姚縣位于云南省北部偏西,楚雄彝族自治州西北部,范圍在北緯25°33′到26°24′、東經(jīng)100°53′到101°42′之間.東鄰永仁、元謀縣,南與牟定、姚安縣毗鄰,西接大理白族自治州祥云、賓川縣,北與麗江地區(qū)永勝、華坪縣隔金沙江相望.東西最大橫距79.3 km,南北最大縱距93.5 km.總面積4 146 km2.縣城金碧鎮(zhèn)位于縣南部.由縣城至楚雄州府100 km,至省會昆明312 km(圖1),距四川省攀枝花市178 km[9].

3.1 大姚縣地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地理特征

從地質(zhì)構(gòu)造上看,大姚縣位于滇中塊體上的楚雄中生代盆地,其北部凹陷表層褶皺構(gòu)造發(fā)育;從地理位置上看,它東臨元謀-綠汁江南北向大斷裂,南接姚安山字型構(gòu)造帶,西處魚泡江南北向斷裂帶,境內(nèi)構(gòu)造線基本呈南北走向;從大姚縣及附近區(qū)域來看,斷裂并不發(fā)育,只有小規(guī)模的北西向斷裂出露,如果只從大姚縣境內(nèi)來看,僅龍街鄉(xiāng)內(nèi)有兩條斷裂.但是,由于楚雄州的地理位置正處于中、新生代盆地發(fā)生改造轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)折部位,是一個新構(gòu)造活動差異性較強(qiáng)的條帶[10].作為現(xiàn)代地殼運(yùn)動表現(xiàn)形式之一的淺源(5～30 km)地震,在這里發(fā)生的頻率較高,是云南省地震多發(fā)和地震災(zāi)害比較嚴(yán)重的地區(qū)之一(圖2).從圖2可以看出,在楚雄州的周邊大姚縣外圍分布著4條地震帶,它們分別是中甸下關(guān)地震帶、九龍永勝地震帶、楚雄通海地震帶和小江地震帶.在過去的50 yr間,大姚一共發(fā)生了3次5級以上的地震,分別為1964年2月13日的5.4級、2003年7月21日的6.2級以及2003年10月16日的6.1級.

近年來,由于遭受連續(xù)干旱,大姚縣的大部分地質(zhì)土表已處于比較疏松狀態(tài).2012年進(jìn)行的一次排查共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)200多處,涉及全縣12個鄉(xiāng)鎮(zhèn),主要表現(xiàn)為崩塌、滑坡、泥石流.這些隱患無疑會對建站帶來不利影響.但是,如何評估相應(yīng)的影響,如何避開這些有隱患的區(qū)域需要另作深入細(xì)致的分析和研究.有關(guān)工作我們將在后續(xù)的文章當(dāng)中詳細(xì)闡述.

圖1 大姚縣的地理位置及到周邊市縣的直線距離Fig.1 The geographical location of Daoyao county and the straight-line distances to the surrounding towns

圖2 大姚縣附近的地震帶Fig.2 The seismic zones around Dayao county

大姚縣地勢南低北高、山高谷深、溝壑縱橫、地貌復(fù)雜.最高點(diǎn)是大百草嶺主峰帽臺山,海拔3 657 m;最低點(diǎn)是位于大百草嶺北坡金沙江邊的灰拉表村,海拔1 023 m(圖3).

由于西北兩側(cè)受金沙江及其支流魚泡江的切割侵蝕,境內(nèi)的西北側(cè)山谷多呈“V”型狹谷,谷壁挺拔陡峭,坡度大于35°;而東南部變化較緩,逐步下降為低山區(qū)或部分丘陵區(qū),河流切割不深,小盆地(壩子)分布較為多見,平均海拔在2 000 m以下.

圖3 大姚縣地勢分布Fig.3 The relief map of Dayao county

全縣1 500 m以上山峰共186座,其中:海拔高度在3 600 m以上的2座;3 000 m至3 400 m之間的有18座;2 500 m至3 000 m之間的有52座;2 000 m至2 500 m之間的有91座;1 500 m至2 000 m之間的有13座.1 500 m以下皆為山丘.

境內(nèi)最高點(diǎn)是北部的大百草嶺(圖3),海拔3 657 m,位于桂花鄉(xiāng)境內(nèi),是三臺、桂花和灣碧3鄉(xiāng)交界點(diǎn),位于三臺鄉(xiāng)過拉地村公所駐地自務(wù)村東北8 km,面積147 km2;境內(nèi)次高點(diǎn)是小百草嶺(圖3),海拔3 647 m,距離三臺鄉(xiāng)政府駐地西北25 km.大百草嶺位于北部東側(cè),小百草嶺位于西側(cè),兩山雄踞于縣境之北,被多底河谷分割開.兩山脈向南延伸,地勢逐漸降低,直至中部的曇華山(圖3).曇華山主峰位于曇華村公所駐地松子園以北2 km,面積約20 km2,海拔高度3 117.8 m,系百草嶺南延主要山脈.

為了更加細(xì)致地刻劃和考察大、小百草嶺附近的地勢變化以及各個參考點(diǎn)之間的直線距離,我們可以做沿不同參考點(diǎn)之間連線的剖面圖(圖4左).首先,從大百草嶺至灰拉表村作一剖面圖(圖4右上),再從小百草嶺至大百草嶺一線作一剖面圖(圖4右中),我們可以看出相對高差的變化和河溝對山脈的切割狀態(tài),以及該區(qū)域中的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的直線距離.最后,沿著距離大百草嶺最近的有道路通過的居民點(diǎn)(桂花鄉(xiāng)),經(jīng)迷你乍村與大百草嶺最高峰的連線,作一剖面圖(圖4右下),可以看出3點(diǎn)之間的地勢分布情況和相對高差.類似地,我們還可以做出小百草嶺附近的剖面圖(未在圖上標(biāo)出),供以后對小百草嶺周圍區(qū)域的分析所用.

從圖中我們還可以看出,大姚縣境內(nèi)海拔在3 000 m以上的山峰均集中在北部的百草嶺山脈一帶,曇華山以南大部分地區(qū)海拔高度基本上都下降至2 000 m以下.深入探討之后,我們注意到,作為距離大百草嶺較近的居民點(diǎn),迷你乍村與大百草嶺的直線距離只有大約5 km,而且與大百草嶺的相對落差與其它幾個參考點(diǎn)的相對落差相比最小,只有不到1 km.用周邊幾幅剖面圖相比較可以清楚地看出從大百草嶺經(jīng)迷你乍村至桂花鄉(xiāng)一線的地勢比其它任何方向都平緩.如果最后確定將址點(diǎn)選在大百草嶺,可以考慮將大本營建在桂花鄉(xiāng)附近.

圖4 大、小百草嶺附近重要參考點(diǎn)分布(左)及周邊地勢剖面圖(右)：大百草嶺－灰拉表村剖面圖(右上),大－小百草嶺剖面圖(右中),大百草嶺－桂花鄉(xiāng)剖面圖(右下).Fig.4 Main reference points near the Great/Small Baicao mountain ridges(left)and pro fi le map of nearby terrain(right):the Great Baicao mountain ridge-Huilabiao village(right top),the Great-Small Baicao mountain ridge(right middle),and the Great Baicao mountain ridge-Guihua town(right bottom).

3.2 大姚縣的氣候特征

大姚縣位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨熱同季,干濕分明,雨水偏少、雨季開始的月份偏晚.由于地勢高差大,立體氣候特征明顯,光熱量資源豐富.隨著海拔高度增加,空氣層變得稀薄,大氣中的水氣、塵埃等雜質(zhì)的含量也隨之減少,致使太陽輻射各分量隨海拔高度的不同而發(fā)生很大的變化,另外,降水量在垂直方向的分布也極不均勻.

多年統(tǒng)計資料顯示,縣內(nèi)多年平均氣溫為15.7°C,6月份最熱,平均氣溫為20.7°C, 12月份最冷,平均氣溫為8.8°C,有記錄的極端最高氣溫為33.0°C,極端最低氣溫為零下6.1°C.全縣年平均降水量786.8 mm,年平均蒸發(fā)量2 714.4 mm,約為全年降水量的3.4倍[9],年平均干旱指數(shù)(蒸發(fā)量與降水量之比)為3.4;雨季(5～10月)降水量占全年降水量的92.4%,而干季(11～4月)降水量僅占全年降水量的7.6%,其干旱指數(shù)值在1和2.2之間,其中百草嶺最小,為1;靠近元謀地區(qū)的趙家店鄉(xiāng)黃羊嶺最大,為2.2.

大姚縣是云南省日照時數(shù)最多的縣份之一,年平均日照時數(shù)2 518.4 h,平均每天有6.9 h.冬春季較夏季日照時數(shù)多.每年11月份到次年5月份的7個月中,每個月平均總?cè)照諘r數(shù)都在210 h以上,平均每天為7 h以上,尤以3月最為可觀,月平均總?cè)照諘r數(shù)達(dá)271.2 h,每天高達(dá)8.7 h.

由于夏秋季陰雨天氣多,日照較冬春大為減少.從6月份到10月份,月平均總?cè)照諘r數(shù)在180 h以下,每天平均時數(shù)都不到6 h,其中以7月份為最少,月平均總?cè)照諘r數(shù)為141.8 h,平均每天只有4.6 h.

4 GIS空間分析

本文采用GIS的空間分析手段,對大百草嶺及周邊地區(qū)的地形地貌以及人文地理進(jìn)行了分析和概括.我們采用的是分辨率為30 m的覆蓋大姚全縣的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù), 1:5萬大姚縣地形圖,以及從谷歌地球上提取的部分空間坐標(biāo)數(shù)據(jù).以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用ArcMap生成山頂位置、居民點(diǎn)位置、河流和道路的矢量圖層,同時利用DEM數(shù)據(jù)在ArcMap環(huán)境下用3D空間分析工具,提取等高線和坡度坡向、地形剖面、地勢起伏度等地形因子,從而對大姚縣百草嶺一帶的環(huán)境作出綜合評估,為天文選址提供科學(xué)參考和依據(jù).

4.1 山頂及周圍地勢和坡度分析

以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過ArcGIS的3D分析工具,我們對大百草嶺山頂和周邊的山體表面進(jìn)行分析,提取到大百草嶺山頂沒有植被覆蓋區(qū)域的范圍大概在0.15 km2左右.在這個范圍內(nèi)所提取的坡度,如果按照1°為間隔,整個山頂0.15 km2的范圍內(nèi),70%的面積坡度在15°以下,再采用柵格計算方法又將整個區(qū)域的坡度劃分為兩個級別,以25°為界.從圖5中可以清楚地看到大百草嶺山頂周圍的總體坡度均小于25°,雖然山體海拔懸殊大,溝壑縱橫,但在山頂周圍地勢相對較為平坦.同樣,小百草嶺山頂面積為0.85 km2,坡度也在25°之內(nèi)且無植被分布.

在第3節(jié)的圖3中給出了整個大姚縣的地勢分布.我們把地勢按照實(shí)際的海拔高度進(jìn)行了分級和3維立體顯示,從分級的色階上能夠清晰地看出整個大姚縣的地勢是北高南低,海拔在3 000 m以上的山脈主要都集中在大、小百草嶺一帶.利用ArcGIS對DEM數(shù)據(jù)處理即可生成3維景觀圖,可以提供一些平面地圖上無法直接獲得的信息,圖3中的3D附圖(右)清楚地顯示了溝谷對地表的切割程度和地形的形態(tài).而圖4顯示的則是沿著大、小百草嶺、大百草嶺至灰拉表村和大百草嶺經(jīng)迷你乍村至桂花鄉(xiāng)所做的3個剖面圖,以此來進(jìn)一步顯示地勢的起伏程度和河谷的切割深度以及一定的水平距離上相對高程的變化.

4.2 大姚縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的基本情況和分析結(jié)果

大姚縣總面積為4 146 km2,2004年的人口統(tǒng)計全縣總?cè)丝?8萬人,少數(shù)民族人口占31%,其中彝族人口8.4萬,縣轄區(qū)3個鎮(zhèn)、9個鄉(xiāng).各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的情況如表1所示.從表1中我們可以看出,所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的總?cè)丝跀?shù)均未超過10萬.

圖5 大、小百草嶺山頂坡度示意圖(a)和大百草嶺山頂影像截圖(b)Fig.5 The gradient map of the top of Great/Small Baicao mountain ridge(a)and the photograph of the top of Great Baicao mountain ridge(b)

表1 大姚縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積及人口數(shù)(2004年)Table 1 The areas and populations of the towns nearby the Dayao county in 2004

由于北部的百草嶺山脈周邊地勢險峻,鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布不密集,這對于天文觀測來說非常有利.利用ArcMap的空間分析工具中的鄰域分析功能,可以把大百草嶺周圍的鄉(xiāng)村按照距大百草嶺的直線距離算出并在圖上顯示出來.同樣用鄰域分析,還可以以大百草嶺為中心,按照直線距離劃分出一定的輻射范圍,從這個輻射范圍能夠清楚地顯示出距離大百草嶺一定直線距離的公路和其它地形地物(見圖6).最近的村莊是大百草嶺東北部的大羊窩子,它們之間的直線距離在2 km左右.大百草嶺主峰距縣內(nèi)最大的居民區(qū)大姚縣城也有70 km,直線距離在50 km以上(圖6(a)).

圖6 大百草嶺至周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)的輻射直線距離Fig.6 The radial distances from the Great Baicao mountain ridge to nearby towns

4.3 大姚縣主要交通情況和分析結(jié)果

大姚縣內(nèi)過縣的主要公路有省道217、縣道322、拉瓦公路、三小段等,距離大百草嶺最近公路的直線距離在10 km處的茨冷公路,位于大百草嶺的東北部,還有一段公路位于大百草嶺西南的三小段,距離大百草嶺的直線距離也在10 km左右.由于山高坡陡,大部分公路彎曲程度都較大(圖6),實(shí)際距離應(yīng)該是直線距離的1.4～1.5倍左右.使用ArcGIS的臨近分析工具,我們可以計算出以大百草嶺為中心,向周邊延伸的直線距離,表2是由GIS分析所得到的直線距離.從表中可以看出,山頂距昆明的直線距離都在200 km以上,距攀枝花市的距離近80 km(攀枝花市轄區(qū)人口70萬左右),距離其它人口上萬的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的直線距離也均在10 km以上,夜間城市燈光不多,幾乎沒有城市燈光的污染.

5 總結(jié)

選址是保證大氣寧靜度良好的重要措施之一,是提高太陽觀測分辨率的有效途徑之一.同時,選址的結(jié)果也是確定儀器結(jié)構(gòu)的重要依據(jù)[11].地理信息是地面望遠(yuǎn)鏡天文選址研究中的重要內(nèi)容,對現(xiàn)有GIS的有效利用已成為現(xiàn)代選址中遠(yuǎn)程分析階段最重要的手段之一.我們曾結(jié)合GIS和全國地面氣象資料對大香格里拉地區(qū)的日照時數(shù)開展了研究,在考慮三維地形的影響因素下,對現(xiàn)有日照時數(shù)統(tǒng)計資料進(jìn)行了可靠的修正[12],從而為我國下一代大口徑太陽望遠(yuǎn)鏡選址提供重要參考.

一般來講,天文址點(diǎn)的考慮在地理條件上應(yīng)遵循以下原則:相對落差較大、交通可行、盡量遠(yuǎn)離人口集中的區(qū)域.從未來建站維護(hù)和人員長期駐站的角度考慮,天文址點(diǎn)以海拔處于3000～5000 m的范圍、距離城鎮(zhèn)大本營1 h左右車程為最佳.本文以云南省大姚縣百草嶺地區(qū)為選址研究樣本,展示了GIS資源能夠為我們?nèi)媪私庖粋€候選區(qū)域3維地形地貌、江川河流、道路村落以及預(yù)測該地區(qū)未來人口和城市化發(fā)展趨勢等方面的內(nèi)容提供準(zhǔn)確、直觀、定量的參考數(shù)據(jù).

表2 百草嶺周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)縣市的經(jīng)緯度和直線距離Table 2 The geographic coordinates and straight-line distances from Baicao mountain ridge to nearby cities/towns/villages

我們利用GIS分析手段,參考了云南省《大姚縣志》部分統(tǒng)計資料,結(jié)合其它渠道搜集來的資料,對該地區(qū)百草嶺的天文資源從人文、交通、地理、地質(zhì)、地震和氣候等多角度進(jìn)行了綜合分析和評估,得出以下結(jié)論:

(1)大百草嶺主峰海拔3 600 m以上,為當(dāng)?shù)刈罡叻?相對落差大、通視條件好,不易受周圍環(huán)境干擾;

(2)山頂坡度較緩且有0.15 km2的面積無植被分布,建站不會對周邊植被造成破壞,同時有足夠的建筑空間設(shè)置望遠(yuǎn)鏡;

(3)大姚縣四周有4條地震帶,距離較近的有3條,近50 yr來發(fā)生的5級以上地震有3次,地震點(diǎn)在大百草嶺的西邊和南邊,距離大百草嶺的直線距離分別是15 km和20 km,在建基站時應(yīng)該考慮避開這些位置;

(4)縣內(nèi)最大的居民點(diǎn)是南部的大姚縣城,離百草嶺直線距離是49.2 km,人口不超過10萬人,距離大百草嶺最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是桂花鄉(xiāng),人口約7千多人,直線距離有13 km,可以說對大百草嶺不會造成太大的燈光污染;

(5)大姚縣是云南省日照時數(shù)最多的縣份之一,年平均總?cè)照諘r數(shù)2 518.4 h.可見,該區(qū)域可滿足為中國巨型太陽望遠(yuǎn)鏡選址所要求的每年2 500 h日照的條件[13].

(6)大姚縣境內(nèi)地勢險峻,公路蜿蜒曲折且主要集中在南部,桂花鄉(xiāng)有主要公路通過,周邊地勢相對較平緩,可以考慮在此建立基本天文因子監(jiān)測站.

影響天文選址的因素很復(fù)雜,本文使用GIS的空間分析手段和制圖工具,以大姚縣百草嶺為研究樣本,對其除氣象、天文因子之外的地形地貌特征、人口分布、交通狀況等作了綜合研究,得出了有效參考結(jié)論.通過樣本分析我們得到的經(jīng)驗是:使用GIS地圖制圖,生成研究區(qū)域的區(qū)域位置圖、居民點(diǎn)分布圖、高程分布圖、地質(zhì)地震帶分布以及3維地形圖,能夠快速地把整個區(qū)域的地形特點(diǎn)、地質(zhì)條件、居民區(qū)的分布、道路位置清楚地顯示出來,從而對目標(biāo)區(qū)域有一個整體的認(rèn)識;針對坡度和曲面面積問題,我們使用了GIS柵格數(shù)據(jù)3維空間分析,此方法能夠從數(shù)據(jù)中快速獲取信息而且精度較高;對于距離和鄰近度計算,我們用谷歌地球采集所需地點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù),再用GIS轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)圖層來顯示和分析,采用的是GIS臨近分析和緩沖區(qū)分析手段.將來我們還可以考慮采用衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù),可以全面了解一個地區(qū)的降雨、降雪等氣象規(guī)律.

這是一次全新的嘗試,與傳統(tǒng)遠(yuǎn)程天文選址手段相比,我們使用的方法得到的結(jié)果更客觀、更真實(shí)、更能排除研究人員的主觀因素;同時,能為初期的選址工作節(jié)省了大量的人力、物力和時間.GIS的空間分析功能有著巨大的潛力和優(yōu)勢,在選址的過程中,使用GIS快速獲取所需信息,并以多種方式進(jìn)行分析操作,包括距離、密度制圖、表面生成、表面分析、統(tǒng)計分析、柵格計算等,可以為下一代的大天文裝置選址提供全面、科學(xué)、綜合、客觀的定量依據(jù),從而盡可能地保證在現(xiàn)有條件下選出最符合科學(xué)和現(xiàn)實(shí)要求的優(yōu)良址點(diǎn).因此,我們計劃利用本文針對百草嶺發(fā)展的GIS分析手段,對我們西部太陽選址中獲得的重要天文候選址點(diǎn),如位于青藏高原的納木錯、阿里地區(qū)班公湖、稻城無名山等區(qū)域,立即開展類似處理,為太陽觀測設(shè)備的選址提供重要的參考依據(jù).

致謝感謝審稿人的悉心指正.

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Geographic Information Processings for Astronomical Site Survey

WU Ning1LIU Yu2ZHAO Ming-yu2
(1 School of Tourism and Geographical Sciences,Yunnan Normal University,Kunming 650500)
(2 Yunnan Observatories,Chinese Academy of Sciences,Kunming 650011)

The geographic information is of great importance for the site survey of ground-based telescopes.Especially,an e ff ective utilization of the geographic information system(GIS)has been one of the most signi fi cant methods for the remote analysis of modern site survey.The astronomical site survey should give consideration to the following geographical conditions:a large relative fall,convenient traffic conditions,and far away from populated areas.Taking into account of the convenience of construction and maintenance of the observatories as well as the living conditions of the scientists-inresidence,the optimum candidate locations may meet the conditions to be at a altitude between 3000 m and 5000 m and within one-hour drive from villages/towns.In this paper,as an example,we take the regions of the Great Baicao mountain ridge at Dayao county in Yunnan province to research the role of the GIS for site survey task.The results indicate that the GIS can provide accurate and intuitive data for us to understand the three dimensional landforms,rivers,roads,villages,and the distributions of the electric power as well as to forecast the tendency of the population and city development around.According to the analysis based on the GIS,we fi nd that the top of the Great Baicao mountain ridge is fl at and droughty.There are few inhabitants to distribute around the place while the traffic conditions are convenient.Moreover, it is a natural conservation area protected by the local government,and no industry with pollution sources exists in this region.Its top is 1500 m higher than the nearby village 10 km away,and 1800 m higher than the town center 50 km away.The Great Baicao mountain ridge is de fi nitely an isolated peak in the area of the Yi nationality of Yunnan.Therefore,the GIS data analysis is a very useful for the remote investigation stage for site survey,and the GIS is the indispensable source for modern astronomical site survey.

site testing,techniques:image processing,methods:data analysis,methods:statistical

P183;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.01.009

2014-06-04收到原稿,2014-07-21收到修改稿

?國家自然科學(xué)基金項目(10933003,11078004,11073050)、973項目(2011CB811400)資助?lyu@ynao.ac.cn