黄土地貌景观的语义特征模型研究

胡 最

（1.湖南省古村古镇文化遗产数字化传承协同创新中心，衡阳师范学院，湖南 衡阳 421002；2.南京师范大学 虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210046）

0 引 言

地貌景观的特征主要包括其几何形态特征、发展演化过程与空间分布模式［1］，是地貌学研究的核心内容之一［2］。地貌是地球生态环境系统的重要组成要素之一，控制着其他生态与环境因子的空间分布格局［3］。因此，地貌的形态特征度量及其空间格局分析成为GIS软件平台空间分析功能的重要组成部分。我国的黄土高原是世界上最广泛的黄土地貌分布地区，对其地貌形态的空间格局特征研究一直是我国广大地貌工作者关注的热点之一。长期以来，前人开展了大量的探索，如：结合数学形态学划分了黄土地貌的形态特征［4］，从而建立了面向生产实践的黄土地貌数字化分类体系［3］，这些都为进行大比例尺的黄土地貌景观数字测图［5］提供了方法支持。从实践来看，人们对黄土地貌景观特征的认识正在深化，如：TANG等基于数理统计分析方法发现了地面坡度与黄土地貌发育阶段之间的内在联系［6］；贾旖旎根据流域边界线的信息特征与流域地貌的特点提出了流域边界剖面谱的概念［7］；祝士杰根据流域单元的面积－高程积分曲线建立了小流域的面积－高程积分谱［8］；等等。但是，由于目前GIS自身存在着空间表达不完备、时空表达不融合等问题［9］，这同样也给黄土地貌景观特征分析的深入发展带来了困扰，如：不同学科之间对地貌单元的结构特征的表达通常互不兼容，经常需要修改或调整［2］。在实践中，由于不同的学科、应用领域与知识等的差异，人们对黄土地貌景观往往会形成不同的理解。即使是同一地貌形态特征，也会形成前述差异。这使得人们逐渐认识到黄土地貌景观成为地貌景观制图表达工作中的难点［5］。从根本上说，这是因为黄土地貌景观缺乏比较系统的语义特征表达模型及其信息提取与抽象方法。因此，结合地理信息认识论［10］、地理对象及其属性的空间语义特征表达方法［11－12］，从地理学的科学语言［13］角度构建一种黄土地貌单元的语义特征模型，在理论和实践上都具有极其重要的意义。

1 黄土地貌景观的语义

语义属于认知学的范畴，是对现实世界中的客观事物的本质特征、存在条件、发展变化规律等的抽象和概括。语义往往具有领域属性特征，在空间信息处理中往往被理解为事物的一组类别属性和特征属性等规则构成的集合［14］。因此，对黄土地貌景观的语义特征进行深入分析有利于实现黄土地貌特征的数字化表达与数据共享等。

1.1 黄土地貌景观的类型

根据形成原因和结构特征，黄土地貌特指在黄土或黄土状岩石分布地区广泛发育并分布的地貌类型。由于黄土自身所特有的理化性质，使得黄土地貌景观具有成因复杂、类型多样、沟壑纵横、参差起伏等特点。不同领域的专家基于不同的知识背景和应用目的，提出了不同的黄土地貌分类方法：地貌学家通常根据地貌单体的几何形态特征和形成原因将黄土地貌划分为沟涧地、沟谷地和潜蚀地；地质学家根据地质构造和侵蚀状况将黄土地貌划分为侵蚀构造、侵蚀堆积、剥蚀构造、剥蚀堆积、堆积构造和风积构造等类型；地图学家则往往综合几何形态特征与成因来划分黄土地貌的基本类型。

黄土地貌的形成是一个极其漫长而又非常复杂的地质过程。事实上，黄土地貌与其下覆的古地貌之间具有继承性关系。然而，大规模的现代人类活动对黄土地貌景观也具有重要的影响和塑造作用。我国黄土高原的现今地貌景观实际上是自然过程与人为扰动综合叠加的结果。人类活动既强烈地影响了黄土高原地区的自然生态环境和各种地表过程，同时也深刻地影响和改变着黄土高原自然地貌景观的形成与演化过程。相对于其他的地表景观而言，人类活动对黄土地貌景观演化过程的影响在相对较短暂的地质年代中即得以显著的表现。因此，可以将黄土地貌划分为沟谷地貌、沟涧地貌、潜蚀地貌和人工地貌四种景观形态（表1）。

表1 黄土地貌景观的形态分类Tab.1 Morphometric Classification of Loess Landforms

1.2 黄土地貌的地理语义

地理语义是空间信息的基本内涵，是对自然地理世界中的各种地理对象、地理现象、地理过程、时间等的高度抽象与概括。从认知理论的角度来看，语义是现实空间、认知空间和心象空间之间的桥梁。值得注意的是，地理语义有着鲜明的领域知识特征，是对客观存在的地理对象或者现象的重要属性的完整表达。

长期以来，人们通过实践充分认识并总结了黄土地貌景观的很多重要属性特征，如各类黄土地貌景观在演化过程中存在着形态特征的有序更替等等。黄土高原历经数百万年的侵蚀与沉积，经受长期的风力、流水等外营力的综合作用，形成了沟壑纵横、支离破碎的独特地表景观。经过多年观察和总结，人们发现在不同观测尺度上可以区分不同类型的黄土地貌类型。从宏观尺度上看，黄土地貌景观可以分为沟谷地貌和沟涧地貌；从中观和微观尺度上看，沟谷地貌可以进一步分为纹沟、细沟、切沟、冲沟、坳沟和悬沟，沟涧地貌可以分为黄土塬、梁状丘陵、梁峁状丘陵、峁梁状丘陵、台土丘陵、黄土峁和黄土梁。特别地，人们根据坡面的基本特征与黄土潜蚀作用在不同的地貌发育阶段上的成因承继性特征，又可以区分出黄土碟、黄土陷穴、黄土墙、黄土柱、黄土桥、黄土井和黄土陷沟。显然，对黄土地貌景观所作的这些分类主要还是依据其几何形态特征来进行区分的。当然，大规模的人类生产、生活行为在一定程度上也会对前述地貌形态产生重要的影响，如大范围修筑梯田、大型工程建设活动、城镇扩张等等。各种不同类型的黄土地貌景观之间有着内在的地理语义特征关联（图1）。

图1 黄土地貌景观的内在语义联系Fig.1 Semantic Relationships of Loess Landforms

2 黄土地貌景观的语义模型

2.1 黄土地貌景观的属性特征

语义是数据所包含的具体内容，也是数据的基本属性。从信息学的角度而言，语义是信息的本质属性特征，表征了人们对事物的本质属性与内涵的认知程度。本质上，语义就是数据所包含的信息。因此，语义可以理解为一组由各种信息描述规则所构成的集合。在现代信息科学领域，信息都是可以被定量地描述、可视化表达并且可以在不同的媒体、介质、受众群体之间进行传输。显然，黄土地貌景观的语义属性特征也符合这些特点。

根据前人对黄土地貌景观基本特征的概括与总结，任何一种黄土地貌景观类型通常都包含了如下基本特征：类别属性特征、几何形态特征、空间分布特征和形成原因。其中，类别属性特征主要通过概念等形式进行表达，也是人们进行地貌景观类别划分的主要依据；几何形态特征可以通过各种参数或地形指标来定量地刻画或表达地貌景观的形态特征，也是辅助人们进行地貌景观类型识别的重要依据；空间分布特征主要反映了地貌景观在地理空间中的分布状态及其基本格局；形成原因主要反映了地貌景观发展与演化过程中起着主导作用的原因，通常也可以作为地貌类别划分的重要参考。显然，前述四种属性特征也是构成黄土地貌景观语义的基本要素（图2）。

图2 黄土地貌景观的语义属性特征Fig.2 Semantic attribute Features of Loess Landforms

2.2 语义本体模型

本体论是现代信息科学的重要方法论之一，是哲学中用于描述客观存在的物质世界的本源性特征的理论和方法。现代信息科学引入本体论的目的在于构建一个可以包括世界上的客观事物、现象之间的相互联系及其影响等在内的信息表达体系。因此，信息科学领域的本体着重于对客观存在的对象、现象和过程等的本质属性信息的抽象与描述。从语义的哲学本源来看，语义本身就是哲学本体的一种表达方式。因此，构建黄土地貌景观的本体描述模型有助于对其内在的语义特征进行准确、详细的描述与表达。

从国内外的相关研究来看，有很多学者开展了地理信息的语义或者本体模型研究，如：Bishr（1998）［14］、GoodChild （2007）［11］和 Coucleis（2010）［12］等都深入地研究了地理信息科学中的地理信息本体构建及其表达模型等问题；Martin（2001）在参考地理信息本体的基础上提出了一种面向空间信息互操作的地貌实体语义共享模型［2］；易茹兰等（2009）建立了面向信息共享的黄土地貌本体模型［15］；GerÇek（2011）等建立了面向对象的地貌本体模型为地貌类型的自动划分提供了新的思路［16］；等等。总体而言，空间信息的本体模型在帮助人们理解客观地理对象的基本属性特征方面起到了重要的作用；依据本体理论构建的地貌单元的语义本体模型在地貌特征信息的表达、地貌类型划分与制图等方面有着重要的作用。这些都为本文建立黄土地貌景观的语义本体模型提供了有益的参考。

对于黄土地貌景观而言，人们通常根据其外观形态特征、发育演化特点等建立相关概念模型，进一步划分其类别。因此，本文认为黄土地貌景观的语义本体模型由概念层、规则层、属性层、语义知识库和表达模式构成（图3）。设表示黄土地貌实体，则黄土地貌景观的语义本体模型可以由如下五元组表示。

图3 黄土地貌景观的语义本体模型Fig.3 A semantic ontological model for loess landform

其中，表示概念层，是各种黄土地貌类型的聚合，也是黄土地貌类型最本质特征的描述，用于表示各种黄土地貌类型之间的类别属性差异，如沟涧地、沟谷地。为规则层，是各种黄土地貌景观之间的关系描述，如沟谷的出口点、径流节点、沟头点与干道之间的拓扑关系。为特征属性层，表示各种黄土地貌景观的几何形态、物理特征等重要属性特征，如黄土柱具有黄土垂直节理与直立特性，可以挺立数百年。表示黄土地貌景观的领域知识规则库，由各种黄土地貌景观的地学知识、特征与规律等构成。表示黄土地貌景观的综合表达与描述算子，也就是黄土地貌景观属性特征的表达方式，如现有GIS软件平台中一般有矢量与栅格两种地貌景观表达方式。

对于黄土地貌景观的特征表达与分析来说，通常只需要根据上述框架模型构建其完整的语义属性特征即可，下面以黄土塬为例进行说明。黄土塬是面积广阔而且平坦的黄土高地。塬面中央部分斜度不到1度，边缘部分在3～5度，周围有沟谷发育。随着侵蚀的加深，塬面可破碎发展成为黄土梁。因此，根据黄土塬的这些典型特征，可以构建出黄土塬的语义本体模型（图4）。

图4 塬的语义本体模型Fig.4 A semantic ontological model for loess Yuan

2.3 应用实例

依据本文所建立的黄土地貌景观语义本体模型，本文选取陕西省延安市绥德县某小流域作为案例，提取并计算其流域边界线的2维、3维分形值，通过流域及其所属的各个子流域的边界线所对应的2D与3D分形维数特征值来总结流域边界线所蕴含的地学知识（图5）。在ArcGIS软件中，具体操作与计算过程主要有：①进行数据预处理并提取流域边界线；②创建特定尺寸的格网；③统计流域边界线与格网中相互交叉的格子数目，进行计算；④重复前述的步骤②与③，计算得到一系列的结果值，然后运用线性回归方法得到所需要的计算结果。本文以具有较高精度的5m分辨率DEM数据为信息源，进行了相关计算实验并求得了相关结果（图6），完整的计算过程与相关结果请参见文献［17］，在此不再赘述。

图5 某黄土小流域的语义本体模型实例Fig.5 An instance of small loess watershed for semantic ontological model

3 讨 论

图6 某黄土小流域的边界线分形计算结果Fig.6 fractal values of small loess watershed's boundary

黄土地貌是非常重要的地貌类型之一，对人类的生产生活实践有着非常重要的影响。然而，不同领域、不同学科和不同知识背景的人们对黄土地貌往往会形成不同的认识。在很多时候，有的认识甚至还会出现互不相容的情况。从实践的角度来看，这些认识上的差异往往也会导致人们实践行动上的偏差。实际上，这些认识与实践领域所存在的对黄土地貌的不同理解究其原因就是对黄土地貌的语义特征理解缺乏统一的模型与方法。事实上，在过去的数年中，人们一直试图从语义特征的角度来解决前述问题。本文根据黄土地貌独特的特征与本体论的相关理论对前述问题做了一定的探索。本文提出了涵盖黄土地貌的定义、属性、规则、知识库和表达集在内的语义模型框架，然后结合实际问题给出了该框架的应用实例。限于当前的理论认识水平与地貌学科的方法论局限，要从根本上解决黄土地貌景观的语义特征统一建模问题在今后相当长的时期内仍然将是一个具有挑战性的难题。本文在实际研究过程中也存在着前述不足。因此，期待更多专家学者的进一步深入探索。

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