基于GIS技術(shù)在一重山提取中的應(yīng)用研究

趙小星 許仙斌

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

福建境內(nèi)圍繞建設(shè)生態(tài)優(yōu)、環(huán)境美新福建、綠水青山就是金山銀山和山水林田湖草是生命共同體等主題，相繼開展了國(guó)土空間規(guī)劃、山水林田湖草整治、海岸線環(huán)境評(píng)價(jià)、礦山環(huán)境治理、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)、流域生態(tài)環(huán)境治理、生態(tài)景觀提升工程等工作。該類工作均面臨一重山范圍問題，但目前各類文獻(xiàn)對(duì)于一重山并沒有一個(gè)統(tǒng)一的概念。筆者認(rèn)為一重山是基于山水林田湖草相關(guān)的國(guó)家建設(shè)發(fā)展要求，位于重要人口聚集地(城市、縣城等)，重要交通干線(鐵路、高速等)，主要水系(四級(jí)以上)干流，海岸線等區(qū)域，以山體斜坡為單元，影響生態(tài)景觀的可視范圍。

此次研究基于GIS平臺(tái)及其水文分析模塊[1]，利用DEM、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫(居民區(qū)、鐵路、高速公路、主要水系等)，利用流域劃分的原理，對(duì)省內(nèi)一重山范圍進(jìn)行了提取研究，為更加科學(xué)的劃分一重山范圍，提供重要的思路以及技術(shù)參考。

1 研究區(qū)地理概況

福建境內(nèi)依山傍海，素有八山一水一分田之稱的地理特點(diǎn)。地勢(shì)總體上西北高東南低，由西至東大致可分為閩西大山帶、閩中河谷盆地、閩中大山帶與東部沿海丘陵、臺(tái)地和濱海平原等4個(gè)地形區(qū)。境內(nèi)山脈多沿北北東走向延伸，自西向東主要山脈有武夷山脈、杉嶺、鷲峰山脈、玳瑁山、博平嶺、戴云山和太姥山脈。大部分地區(qū)的地形為山地、丘陵，大約占陸域面積的 81%，河流與盆地交叉分布。

福建境內(nèi)水系密布，河流眾多，共有29個(gè)水系、600多條河流，內(nèi)河長(zhǎng)度超過13 000 km，河網(wǎng)密度達(dá)112 m/km2。全省較大的河流有閩江、九龍江、汀江、晉江、龍江、敖江、木蘭溪和交溪，為水生生態(tài)廊道，水系大多源頭為閩西大山帶，最終流入我國(guó)的東海。

福建境內(nèi)山地、盆地、河流密集交叉分布，形成地形復(fù)雜生態(tài)優(yōu)美的生態(tài)景觀，省內(nèi)交通發(fā)達(dá)，具有兩縱三橫的綜合交通運(yùn)輸體系，有出門就見景的特色，優(yōu)美的生態(tài)景觀，與一重山范圍息息相關(guān)。

2 數(shù)據(jù)來源

此次研究數(shù)據(jù)主要來源于DEM(數(shù)字高程模型)及地理要素?cái)?shù)據(jù)等。其中DEM，采用美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)官方網(wǎng)站公布的ASTERG DEM數(shù)據(jù)，是EOS計(jì)劃之一的Terra對(duì)地探測(cè)衛(wèi)星觀測(cè)完成，于2011年10月公布，空間分辨率1弧度(約30 m)，垂直精度20 m，水平精度30 m。地理要素?cái)?shù)據(jù)為省內(nèi)重要人口聚集地、交通干線、水系干流、海岸線等，采用全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)公開的2017年1∶25萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。二者屬于不同的橢球體和坐標(biāo)系，為了后續(xù)研究，將其投影、精校正成統(tǒng)一坐標(biāo)系，以保證位置精度。

3 流域提取

國(guó)土空間規(guī)劃、山水林田湖草整治、海岸線環(huán)境評(píng)價(jià)、礦山環(huán)境治理、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)、流域生態(tài)環(huán)境治理、生態(tài)景觀提升工程、建筑用材礦山選點(diǎn)等專題研究，與流域空間分布關(guān)系密切，往往是以流域或山體斜坡為單元，也是生態(tài)景觀的主體。

此次研究是先基于GIS平臺(tái)的水文模塊進(jìn)行流域提取[2]，然后開展一重山提取(圖1)。基于DEM提取流域包括DEM數(shù)據(jù)處理、流向計(jì)算、流量計(jì)算、水系生成、流域生成等過程[3-4]。

圖1 一重山范圍提取流程圖Fig.1 Flow chart of a single mountain range extraction

3.1 DEM數(shù)據(jù)處理

由于ASTERG DEM數(shù)據(jù)采集的誤差，存在小缺陷，表現(xiàn)在DEM數(shù)據(jù)表面存在低值點(diǎn)，即洼地會(huì)造成生成的水系不連續(xù)，不符合實(shí)際情況，影響水文分析，進(jìn)而影響流域提取效果。

水文分析要求所有的地形都必須由山體斜坡構(gòu)成，基于ArcGIS平臺(tái)，Hydrology模塊下的Fill sink函數(shù)命令進(jìn)行填洼，原理是遍歷單元格，將洼地處的高程修改為與之相鄰單元格的最小高程值[5]。Fill sink 函數(shù)可自動(dòng)尋找凹陷點(diǎn)，并自動(dòng)進(jìn)行填充， 經(jīng)過反復(fù)的運(yùn)算, 最終可生成無洼地的數(shù)字高程模型，以使洼地成為斜坡的延伸部分，保證一個(gè)水系水流暢通流至出水口[6]。

3.2 水流向計(jì)算

經(jīng)過預(yù)處理的DEM就可以用來計(jì)算水流向，各個(gè)柵格單元的水流方向就是水體從其中流出的方向，利用DEM進(jìn)行地表水文分析的基礎(chǔ)。目前水流向有D8、FD8、Rho8、TAPES2C、Frho8、DEMON、Lea、MFD和 DINF等多種算法?；贏rcGIS平臺(tái)，Hydrology模塊下Flow Direction函數(shù)，采用D8算法進(jìn)行水流向的計(jì)算，首先計(jì)算每個(gè)單元格與周圍相鄰8個(gè)單元格間的坡度，將最陡坡度定義該單元格的流向，單元格坡度的最佳代表值是8個(gè)坡度中的最大數(shù)值，流向就是其坡度最陡的方向，即最大坡度方向。

柵格的水流方向是指水流出該單元格的方向。某一柵格單元的水會(huì)流向與之相鄰8個(gè)柵格單元中坡度最陡的柵格單元，通過柵格每個(gè)單元的8個(gè)鄰域柵格編碼，水流方向便用某一編碼值確定。水流向分別用編碼1，2，4，8，16，32，64和128代表東、南東、南、南西、西、北西、北和北東8個(gè)方向(圖2)。以填洼過的DEM作為輸入，用Flow Direction命令， 采用D8算法，進(jìn)行流向分析，生成流向柵格數(shù)據(jù)。

圖2 D8方法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the D8 method principle

3.3 水流量計(jì)算

基于D8水流向算法計(jì)算成果，采用ESRI公司ArcGIS平臺(tái)Hydrology模塊下的Flow Accumulation函數(shù)計(jì)算水流累積量柵格數(shù)據(jù)[7]。

區(qū)域流水累積量表示區(qū)域地形每點(diǎn)的流水累積量，可以用區(qū)域地形曲面的流水模擬方法獲得，流水模擬可以利用區(qū)域的數(shù)字地面高程模型(DEM)的水流方向柵格矩陣來進(jìn)行計(jì)算。通過流量計(jì)算得到的結(jié)果是表示每個(gè)像元累積流量的柵格，由流入每個(gè)下坡像元的所有像元的累積決定( 圖3)。像元值大的柵格，流量高，是集中流動(dòng)區(qū)域，可用于水系的提取，像元值為零的連續(xù)柵格，無流量，表現(xiàn)在地形上為高點(diǎn)，可用于山脊線的提取。流向柵格數(shù)據(jù)為地形(地貌)、水系提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖3 水流量計(jì)算方法示意圖Fig.3 Schematic diagram of the water flow calculation method

3.4 水系生成

在計(jì)算得到的流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過閾值分割法提取水系。根據(jù)研究的詳細(xì)程度和精度要求，通過對(duì)流量給定一閾值，如1 000，5 000，15 000流累積量，給定的閾值越小，提取的水系越詳細(xì)，水系級(jí)別數(shù)量越多，水系分布越密集，反之給定的閾值越大，提取的水系級(jí)別數(shù)量越少，水系分布越稀疏，水系干流的提取往往需要較大的閾值。采用ArcGIS平臺(tái)，Raster Calculator工具Con條件，可獲得NODATA背景的水系柵格圖[8]。此次研究根據(jù)野外調(diào)查一重山、水域的范圍尺度、空間關(guān)系，通過多次不同流量閾值的計(jì)算效果的對(duì)比分析，最終選定了閾值為15 000的水流累積量來模擬出省內(nèi)水系柵格。最后通過Drainage Line Processing函數(shù)生成水系數(shù)據(jù)[9]( 圖4)。

圖4 流量閾值為15 000的水系柵格圖Fig.4 Drainage grid diagram with a flow threshold of 15,000

3.5 流域生成

采用D8算法，生成的流向柵格數(shù)據(jù)，通過Basin命令劃分出了省內(nèi)主要水系流域的邊界( 圖5)。通過對(duì)水流方向數(shù)據(jù)和柵格水系數(shù)據(jù)的分析，給柵格水系網(wǎng)絡(luò)的各部分分配唯一值，并確定出所有相互連接并處于同一流域的柵格，即確定所有水系出水口(或水系交匯點(diǎn))及上游水系柵格[10]，基于ArcGIS平臺(tái)Hydrology模塊下的Stream Link命令，以水網(wǎng)和流向柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得到各河段起點(diǎn)、終點(diǎn)位置的柵格數(shù)據(jù)，通過Water-shed命令，以相鄰河段的交匯點(diǎn)作為子流域出口，根據(jù)整個(gè)流域所述原理，搜索得到各子流域的邊界[11]( 圖6)。

圖5 主要水系流域的邊界圖Fig.5 Boundary diagram of major drainage basins

圖6 水系子流域的邊界及福安市區(qū)一重山三維視角觀測(cè)圖Fig.6 Boundary of drainage sub-watershed and 3d observation of single mountain in Fuan city

4 一重山提取

通過野外調(diào)查以及以往工作經(jīng)驗(yàn)，一重山范圍與山體斜坡(或分水嶺)范圍具有空間位置的相關(guān)性，而山體斜坡與流域匯水面強(qiáng)相關(guān)性，所以流域匯水面可以在一定程度上表達(dá)一重山范圍，在省內(nèi)流域劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合重要人口聚集地、交通干線、水系干流、海岸線等地理要素?cái)?shù)據(jù)展開了一重山提取。

從1∶25萬地理數(shù)據(jù)庫提取人口聚集重點(diǎn)區(qū)域(城市、縣城)、重要交通干線(鐵路、高速公路)、主要水系(四級(jí)以上水系)，如閩江、九龍江、汀江、晉江、龍江、敖江、木蘭溪和交溪干流、海岸線等空間分布數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理。

主要交通干線隧道內(nèi)，不存在一重山問題，將交通干線隧道段剔除，以避免隧道的影響；其次為了避免一重山提取過程流域局部數(shù)據(jù)的丟失，將剔除隧道的重點(diǎn)交通干線、主要水系干流、海岸線做200 m的緩沖區(qū)處理；將人口聚集重點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)，保留城市、縣城等區(qū)域，剔除零星分散的居民地。

基于ArcGIS平臺(tái)Spatial Analyst Tools將處理完成的地理數(shù)據(jù)作為一重山范圍提取的主體數(shù)據(jù)，與提取的省內(nèi)子流域數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，獲取與主體數(shù)據(jù)空間關(guān)聯(lián)的子流域數(shù)據(jù)，從而獲取了省內(nèi)一重山范圍空間數(shù)據(jù)，如交通干線、水系干流一重山。

通過GIS三維視角及野外調(diào)查修正，選取50個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其中45個(gè)點(diǎn)的一重山范圍與實(shí)際情況基本吻合，5個(gè)點(diǎn)與實(shí)際情況一般(大致)吻合，精度90%以上，證明該工作方法合理、可行。

5 應(yīng)用

基于“福建省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃(2020～2035年)”項(xiàng)目，在其省內(nèi)礦山生態(tài)現(xiàn)狀評(píng)估與生態(tài)修復(fù)規(guī)劃及重點(diǎn)流域水平衡等專題得到了很好的應(yīng)用。以省內(nèi)廢棄礦山生態(tài)現(xiàn)狀評(píng)估為例，落入主要交通干線、主要水系干流兩側(cè)一重山范圍(可視范圍)的廢棄礦山一直是生態(tài)環(huán)境治理的關(guān)鍵區(qū)域，是礦山生態(tài)現(xiàn)狀評(píng)估與生態(tài)修復(fù)規(guī)劃的工作的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)礦山生態(tài)環(huán)境影響等級(jí)極為重要的評(píng)價(jià)因子，從生態(tài)系統(tǒng)完整性、流域整體性出發(fā)均具有重要意義。

將提取的一重山范圍與廢棄礦山數(shù)據(jù)空間疊加分析(表1)。獲取的一重山范圍內(nèi)的廢棄礦山分布數(shù)據(jù)(圖7，8)，可為自然資源、生態(tài)等相關(guān)部門，對(duì)于生態(tài)修復(fù)規(guī)劃工作提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

表1 廢棄礦山與一重山范圍空間分析結(jié)果

圖7 交通干線一重山廢棄礦山分布圖 Fig.7 Distribution map of single mountain range in the main stream of traffic trunk line

圖8 水系干流一重山廢棄礦山分布圖Fig.8 Distribution map of single mountain range of main stream of water system

6 討論

(1)一重山范圍與山體斜坡范圍具有空間位置的相關(guān)性，而山體斜坡與流域空間關(guān)系具有高度一致性，GIS水文分析，可為一重山范圍提取提供技術(shù)思路，成熟的水文分析工具應(yīng)用使一重山范圍提取成為可能。

(2)利用DEM數(shù)據(jù)可以方便、高效地提取流域水網(wǎng)、邊界等流域特征，在子流域提取過程中，對(duì)流量柵格數(shù)據(jù)采用閾值分割法提取水系。不同的閾值會(huì)獲得不同精度的水系網(wǎng)，在實(shí)際研究工作中，需要根據(jù)研究的詳細(xì)程度確定閾值的大小，如空間分辨率30 m的DEM，采用小于1 000的閾值，可以獲得比例尺大于1∶10000的水系。

(3)省域的一重山采用30 m DEM可以滿足研究工作的需求，而市、縣域，建議采用優(yōu)于10 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)，可以獲得較高精度的流域和一重山范圍數(shù)據(jù)。

7 結(jié)論

(1)結(jié)合野外調(diào)查及GIS三維視角分析，基于流域分析提取一重山范圍均為流域單元邊界，所以根據(jù)流域提取一重山范圍的方法具有科學(xué)性、依據(jù)性、可行性。

(2)此次研究方法一定程度上可以解決目前要實(shí)施的國(guó)土空間規(guī)劃、山水林田湖草整治、海岸線環(huán)境評(píng)價(jià)、礦山環(huán)境治理、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)、流域生態(tài)環(huán)境治理、生態(tài)景觀提升工程等專題研究關(guān)于一重山范圍劃分的問題，并為相關(guān)技術(shù)提供參考。

(3)首次采用流域劃分的思想進(jìn)行“一重山”提取，該方法需要在后續(xù)有關(guān)的研究工作中驗(yàn)證、完善和補(bǔ)充。