基于GIS技术在一重山提取中的应用研究

赵小星 许仙斌

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

福建境内围绕建设生态优、环境美新福建、绿水青山就是金山银山和山水林田湖草是生命共同体等主题，相继开展了国土空间规划、山水林田湖草整治、海岸线环境评价、矿山环境治理、生态敏感性评价、流域生态环境治理、生态景观提升工程等工作。该类工作均面临一重山范围问题，但目前各类文献对于一重山并没有一个统一的概念。笔者认为一重山是基于山水林田湖草相关的国家建设发展要求，位于重要人口聚集地(城市、县城等)，重要交通干线(铁路、高速等)，主要水系(四级以上)干流，海岸线等区域，以山体斜坡为单元，影响生态景观的可视范围。

此次研究基于GIS平台及其水文分析模块[1]，利用DEM、基础地理空间数据库(居民区、铁路、高速公路、主要水系等)，利用流域划分的原理，对省内一重山范围进行了提取研究，为更加科学的划分一重山范围，提供重要的思路以及技术参考。

1 研究区地理概况

福建境内依山傍海，素有八山一水一分田之称的地理特点。地势总体上西北高东南低，由西至东大致可分为闽西大山带、闽中河谷盆地、闽中大山带与东部沿海丘陵、台地和滨海平原等4个地形区。境内山脉多沿北北东走向延伸，自西向东主要山脉有武夷山脉、杉岭、鹫峰山脉、玳瑁山、博平岭、戴云山和太姥山脉。大部分地区的地形为山地、丘陵，大约占陆域面积的 81%，河流与盆地交叉分布。

福建境内水系密布，河流众多，共有29个水系、600多条河流，内河长度超过13 000 km，河网密度达112 m/km2。全省较大的河流有闽江、九龙江、汀江、晋江、龙江、敖江、木兰溪和交溪，为水生生态廊道，水系大多源头为闽西大山带，最终流入我国的东海。

福建境内山地、盆地、河流密集交叉分布，形成地形复杂生态优美的生态景观，省内交通发达，具有两纵三横的综合交通运输体系，有出门就见景的特色，优美的生态景观，与一重山范围息息相关。

2 数据来源

此次研究数据主要来源于DEM(数字高程模型)及地理要素数据等。其中DEM，采用美国国家航空航天局(NASA)官方网站公布的ASTERG DEM数据，是EOS计划之一的Terra对地探测卫星观测完成，于2011年10月公布，空间分辨率1弧度(约30 m)，垂直精度20 m，水平精度30 m。地理要素数据为省内重要人口聚集地、交通干线、水系干流、海岸线等，采用全国地理信息资源目录服务系统公开的2017年1∶25万基础地理信息数据库。二者属于不同的椭球体和坐标系，为了后续研究，将其投影、精校正成统一坐标系，以保证位置精度。

3 流域提取

国土空间规划、山水林田湖草整治、海岸线环境评价、矿山环境治理、生态敏感性评价、流域生态环境治理、生态景观提升工程、建筑用材矿山选点等专题研究，与流域空间分布关系密切，往往是以流域或山体斜坡为单元，也是生态景观的主体。

此次研究是先基于GIS平台的水文模块进行流域提取[2]，然后开展一重山提取(图1)。基于DEM提取流域包括DEM数据处理、流向计算、流量计算、水系生成、流域生成等过程[3-4]。

图1 一重山范围提取流程图Fig.1 Flow chart of a single mountain range extraction

3.1 DEM数据处理

由于ASTERG DEM数据采集的误差，存在小缺陷，表现在DEM数据表面存在低值点，即洼地会造成生成的水系不连续，不符合实际情况，影响水文分析，进而影响流域提取效果。

水文分析要求所有的地形都必须由山体斜坡构成，基于ArcGIS平台，Hydrology模块下的Fill sink函数命令进行填洼，原理是遍历单元格，将洼地处的高程修改为与之相邻单元格的最小高程值[5]。Fill sink 函数可自动寻找凹陷点，并自动进行填充， 经过反复的运算, 最终可生成无洼地的数字高程模型，以使洼地成为斜坡的延伸部分，保证一个水系水流畅通流至出水口[6]。

3.2 水流向计算

经过预处理的DEM就可以用来计算水流向，各个栅格单元的水流方向就是水体从其中流出的方向，利用DEM进行地表水文分析的基础。目前水流向有D8、FD8、Rho8、TAPES2C、Frho8、DEMON、Lea、MFD和 DINF等多种算法。基于ArcGIS平台，Hydrology模块下Flow Direction函数，采用D8算法进行水流向的计算，首先计算每个单元格与周围相邻8个单元格间的坡度，将最陡坡度定义该单元格的流向，单元格坡度的最佳代表值是8个坡度中的最大数值，流向就是其坡度最陡的方向，即最大坡度方向。

栅格的水流方向是指水流出该单元格的方向。某一栅格单元的水会流向与之相邻8个栅格单元中坡度最陡的栅格单元，通过栅格每个单元的8个邻域栅格编码，水流方向便用某一编码值确定。水流向分别用编码1，2，4，8，16，32，64和128代表东、南东、南、南西、西、北西、北和北东8个方向(图2)。以填洼过的DEM作为输入，用Flow Direction命令， 采用D8算法，进行流向分析，生成流向栅格数据。

图2 D8方法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the D8 method principle

3.3 水流量计算

基于D8水流向算法计算成果，采用ESRI公司ArcGIS平台Hydrology模块下的Flow Accumulation函数计算水流累积量栅格数据[7]。

区域流水累积量表示区域地形每点的流水累积量，可以用区域地形曲面的流水模拟方法获得，流水模拟可以利用区域的数字地面高程模型(DEM)的水流方向栅格矩阵来进行计算。通过流量计算得到的结果是表示每个像元累积流量的栅格，由流入每个下坡像元的所有像元的累积决定( 图3)。像元值大的栅格，流量高，是集中流动区域，可用于水系的提取，像元值为零的连续栅格，无流量，表现在地形上为高点，可用于山脊线的提取。流向栅格数据为地形(地貌)、水系提取的基础数据。

图3 水流量计算方法示意图Fig.3 Schematic diagram of the water flow calculation method

3.4 水系生成

在计算得到的流量数据基础上，通过阈值分割法提取水系。根据研究的详细程度和精度要求，通过对流量给定一阈值，如1 000，5 000，15 000流累积量，给定的阈值越小，提取的水系越详细，水系级别数量越多，水系分布越密集，反之给定的阈值越大，提取的水系级别数量越少，水系分布越稀疏，水系干流的提取往往需要较大的阈值。采用ArcGIS平台，Raster Calculator工具Con条件，可获得NODATA背景的水系栅格图[8]。此次研究根据野外调查一重山、水域的范围尺度、空间关系，通过多次不同流量阈值的计算效果的对比分析，最终选定了阈值为15 000的水流累积量来模拟出省内水系栅格。最后通过Drainage Line Processing函数生成水系数据[9]( 图4)。

图4 流量阈值为15 000的水系栅格图Fig.4 Drainage grid diagram with a flow threshold of 15,000

3.5 流域生成

采用D8算法，生成的流向栅格数据，通过Basin命令划分出了省内主要水系流域的边界( 图5)。通过对水流方向数据和栅格水系数据的分析，给栅格水系网络的各部分分配唯一值，并确定出所有相互连接并处于同一流域的栅格，即确定所有水系出水口(或水系交汇点)及上游水系栅格[10]，基于ArcGIS平台Hydrology模块下的Stream Link命令，以水网和流向栅格数据为基础，计算得到各河段起点、终点位置的栅格数据，通过Water-shed命令，以相邻河段的交汇点作为子流域出口，根据整个流域所述原理，搜索得到各子流域的边界[11]( 图6)。

图5 主要水系流域的边界图Fig.5 Boundary diagram of major drainage basins

图6 水系子流域的边界及福安市区一重山三维视角观测图Fig.6 Boundary of drainage sub-watershed and 3d observation of single mountain in Fuan city

4 一重山提取

通过野外调查以及以往工作经验，一重山范围与山体斜坡(或分水岭)范围具有空间位置的相关性，而山体斜坡与流域汇水面强相关性，所以流域汇水面可以在一定程度上表达一重山范围，在省内流域划分的基础上，结合重要人口聚集地、交通干线、水系干流、海岸线等地理要素数据展开了一重山提取。

从1∶25万地理数据库提取人口聚集重点区域(城市、县城)、重要交通干线(铁路、高速公路)、主要水系(四级以上水系)，如闽江、九龙江、汀江、晋江、龙江、敖江、木兰溪和交溪干流、海岸线等空间分布数据，并对其进行处理。

主要交通干线隧道内，不存在一重山问题，将交通干线隧道段剔除，以避免隧道的影响；其次为了避免一重山提取过程流域局部数据的丢失，将剔除隧道的重点交通干线、主要水系干流、海岸线做200 m的缓冲区处理；将人口聚集重点区域数据，保留城市、县城等区域，剔除零星分散的居民地。

基于ArcGIS平台Spatial Analyst Tools将处理完成的地理数据作为一重山范围提取的主体数据，与提取的省内子流域数据进行空间叠加分析，获取与主体数据空间关联的子流域数据，从而获取了省内一重山范围空间数据，如交通干线、水系干流一重山。

通过GIS三维视角及野外调查修正，选取50个观测点，其中45个点的一重山范围与实际情况基本吻合，5个点与实际情况一般(大致)吻合，精度90%以上，证明该工作方法合理、可行。

5 应用

基于“福建省国土空间生态修复规划(2020～2035年)”项目，在其省内矿山生态现状评估与生态修复规划及重点流域水平衡等专题得到了很好的应用。以省内废弃矿山生态现状评估为例，落入主要交通干线、主要水系干流两侧一重山范围(可视范围)的废弃矿山一直是生态环境治理的关键区域，是矿山生态现状评估与生态修复规划的工作的重要指标，是评价矿山生态环境影响等级极为重要的评价因子，从生态系统完整性、流域整体性出发均具有重要意义。

将提取的一重山范围与废弃矿山数据空间叠加分析(表1)。获取的一重山范围内的废弃矿山分布数据(图7，8)，可为自然资源、生态等相关部门，对于生态修复规划工作提供重要的数据依据。

表1 废弃矿山与一重山范围空间分析结果

图7 交通干线一重山废弃矿山分布图 Fig.7 Distribution map of single mountain range in the main stream of traffic trunk line

图8 水系干流一重山废弃矿山分布图Fig.8 Distribution map of single mountain range of main stream of water system

6 讨论

(1)一重山范围与山体斜坡范围具有空间位置的相关性，而山体斜坡与流域空间关系具有高度一致性，GIS水文分析，可为一重山范围提取提供技术思路，成熟的水文分析工具应用使一重山范围提取成为可能。

(2)利用DEM数据可以方便、高效地提取流域水网、边界等流域特征，在子流域提取过程中，对流量栅格数据采用阈值分割法提取水系。不同的阈值会获得不同精度的水系网，在实际研究工作中，需要根据研究的详细程度确定阈值的大小，如空间分辨率30 m的DEM，采用小于1 000的阈值，可以获得比例尺大于1∶10000的水系。

(3)省域的一重山采用30 m DEM可以满足研究工作的需求，而市、县域，建议采用优于10 m空间分辨率的DEM数据，可以获得较高精度的流域和一重山范围数据。

7 结论

(1)结合野外调查及GIS三维视角分析，基于流域分析提取一重山范围均为流域单元边界，所以根据流域提取一重山范围的方法具有科学性、依据性、可行性。

(2)此次研究方法一定程度上可以解决目前要实施的国土空间规划、山水林田湖草整治、海岸线环境评价、矿山环境治理、生态敏感性评价、流域生态环境治理、生态景观提升工程等专题研究关于一重山范围划分的问题，并为相关技术提供参考。

(3)首次采用流域划分的思想进行“一重山”提取，该方法需要在后续有关的研究工作中验证、完善和补充。