基于GIS和RS的渑池县山体范围划定研究

刘建军，闫东飞，任金鑫

(1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心， 河南 郑州 450016； 2.河南省有色金属地质矿产局第二地质大队， 河南 郑州 450016)

0 引言

生态是一个有机系统，需要用系统思维和整体观念来顺应生态保护和治理的内在规律。当前，我国的国土空间规划在生态文明理念的指导下，将“山水林田湖草”视为生命共同体，强调统筹山水林田湖草系统治理(吴钢等，2019；王随继等，2021)。山体是重要的地貌单元，也是经济社会活动承载体的一部分，在生态文明建设的当下，受到越来越多的关注。

结合国内外文献，国外将山体纳入到城市规划管理中，可以追溯到20世纪30年代。例如，英国于1938年通过的《绿带法案》，将城市边缘区域具有重要生态功能的山林作为郊野公园；同一时期，美国纽约运用法律手段保护城市内以及周边的山体(杜嘉丹等，2021)。我国对山体的修复和保护工作主要体现在山体格局构建(朱晓芳，2019；张慧莹，2020)、山体修复(尚红等，2011；束鑫宇，2014)、山体周边空间管控(王风，2013)等方面。

在《地理学辞海》中，山被认为是具有一定高度，且坡度较陡的高地。因此，较为明显的山顶和山坡是山和高原的主要区别(张春英等，2020)。考虑到山地地貌的特性，有的学者认为山地拥有一定的海拔与复杂的地貌(黄光宇，2006)。由于山体高差和复杂的地貌，造成不同区域微气候不同，所以山体中往往拥有丰富多样的生态环境和生物圈。同时，随着生态文明理念深入人心，我国对生态修复也越来越重视(赵婷婷等，2020)。2005年8月，习近平在浙江湖州安吉考察时提出“绿水青山就是金山银山”；2017年10月，十九大报告中指出，要坚持人与自然和谐共生。这些都说明山体保护以及合理开发利用已经成为生态文明建设的重要一环。

山体范围划定方面，利用传统的高程划分法(周星宇和郑段雅，2016)，以及在高程的基础上，同时依据土地利用情况和相关区域规划(丁兰和陈涛，2017)来确定山体边界，或者根据山体远眺视廊控制等为影响要素来划定山体控制区(赖晓雪，2017)。综合以往学者的研究，同时根据渑池县的地形地貌特点，本文选取高程、坡度、地貌类型和河流等评价要素，通过加权叠加分析模型来综合划定山体范围。与此同时，本文将逻辑回归模型运用到评价要素权重赋值，使要素权重分配过程更加科学，结果与区域特性更加匹配。

1 区域概况

1.1 渑池县基本情况

渑池县位于河南省西部，为三门峡市下辖的县，西邻山西省，与义马市、陕州区和洛宁县等接壤。本文的研究范围为渑池县全域，东西长43.5 km，南北宽52.8 km。

1.2 地形地貌

根据渑池县1∶5万地质灾害详细调查报告，渑池县地貌类型主要有河谷阶地、剥蚀丘陵、剥蚀低山和构造中山。河谷阶地主要分布于渑池中部，大体沿涧河和洪阳河分布，面积约为65 km2，平均海拔高程约为350 m，海拔高度相对较低。剥蚀丘陵在渑池分布范围较广，主要集中于渑池县中南部。剥蚀丘陵分布面积约为607 km2，沉积了较厚的新生代地层，海拔高度介于300～700 m之间。剥蚀低山主要分布于渑池中北部，面积约为681 km2，是渑池县地貌类型中分布面积最大的。该区域内有黄河和涧口河等河流，地表水分布较为丰富。构造中山分布于渑池县东北部，面积约为68 km2。该区域地势较高，有强烈的侵蚀切割作用，因此沟谷纵横，地形地貌较为复杂，海拔高度介于1000～1500 m之间。

1.3 地质构造

渑池县位于秦岭东西复杂构造带中，岩浆活动微弱、地质构造较为复杂，主要为一些宽缓的背、向斜褶皱和规模不大的断裂构造。大致经历了王屋山、晋宁、少林、加里东、华力西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造旋回，使地层遭受不同程度的破坏，具华北地台7型沉积构造特征。

2 技术路线与方法

2.1 山体划分原则

(1)划线适度、尊重现状：依据区域山体地形地势、地貌特征与地理分区现状，科学合理地划定山体范围。

(2)自然、完整、连续：山体划分充分考虑山体的自然、完整(冯泉霖等，2020)和连续性，避免由于因划线不合理而造成山体范围支离破碎，进而影响整体生态景观。

(3)山水相依、自然衔接：对一些坡度较小、山形不大，但与水体系统相连接、生态区位又十分重要的山体，山体划线时，应保持山水相依的自然景观风貌，可整体划入山体范围。

2.2 技术路线和方法介绍

本文的技术路线首先是资料收集，研究分析资料，按照技术规范要求对数据进行预处理，然后基于室内遥感分析从宏观角度对区域进行整体研究，并开展野外实地调查，从微观层面对前期收集的数据进行验证。依据以上的数据处理和调查情况，运用逻辑回归模型确定评价要素权重，最后进行评价要素加权叠加分析，得到山体范围划定结果(图1)。本文的研究对象是渑池县全域，所涉及到的数据要素类型复杂且涵盖多个数据源，主要工作内容集中于数据收集与处理、数据库建设以及空间模型分析等。GIS(地理信息系统)和RS(遥感)能高效地处理复杂时空数据、研究区域地貌类型以及监测区域资源环境(张琳等，2021；王娟等，2021)。因此，基于研究需要，本文将GIS和RS作为主要的技术手段。

图1 山体边界线划分技术路线图

根据本文的数据特点，为了保证数据处理精度并提高数据处理效率，本文的数据编辑、处理和模型分析等工作主要基于ArcGIS平台。拓扑和模型构建器是本文在ArcGIS中处理数据空间逻辑关系和模型分析的重要工具。

为了满足空间数据处理和管理需求，经过建库准备阶段、数据编辑与处理阶段、数据入库阶段和自检、互检阶段等过程，本文建立了山体地理信息数据库。数据库基于主流的ArcGIS平台、采用先进的数据库管理技术，实现了渑池县山体划分权属信息和测量信息的集中存储，能够满足各级部门信息化管理的需要。拓扑是研究空间要素位置关系的一门科学，用于确保空间关系的数据质量和分析空间关系。因此，为确保数据库中各要素空间关系符合要求，在数据入库阶段之前，对经过初步处理的各级山体以及其他要素的点、线、面之间的相互关系，进行拓扑处理。ArcGIS中主要拓扑处理过程为：(1)在数据库中建立要素数据集，导入需要进行拓扑验证的要素数据；(2)新建拓扑，指定拓扑规则(如“不能重叠”等)；(3)进行拓扑验证；(4)在编辑状态下，逐个修复拓扑错误；(5)重新验证拓扑，确保所有拓扑错误被修复。经过以上处理使得数据库中的行政区域、权属单位、各要素层保持严格的拓扑关系，不出现缝隙和交叠以及“碎图斑”现象，相关面状要素之间、面状要素与相关线状要素之间满足共线要求。

模型构建器是一个用来创建、编辑和管理模型的应用程序，它能够将多个地理处理过程串联成一个工作流，改变过程参数并设置阈值。在本文的数据处理中，涉及复杂的数据模型和多个处理步骤。因此，本文在模型构建器中建立了山体范围划定空间模型，包含坐标投影、裁剪、栅格重分类和栅格计算等多个处理过程，实现了分析过程标准化以及模型参数按需调整，从而得到规范化的分析结果以及最优的模型参数组合。

2.3 基础数据

本文数据库中的基础数据主要包括矢量数据和栅格数据。其中，矢量数据包括行政区划数据、道路数据、铁路数据、河流数据和土地利用现状等数据。栅格数据主要为各类遥感数据。遥感揭示了地球表面各种要素空间分布规律和分布特征(赵英时，2003)，具有宏观、局部、微观多尺度等特点(杨金中和赵玉灵，2015)。因此，本文使用遥感数据来进行空间分析，研究区域山体分布情况。本文中的遥感数据主要包括DEM和高分二号数据。DEM数据空间分辨率为30 m，目标区域有3景数据。获取数据后，首先对DEM数据进行镶嵌，将不同景数据拼接在一起，然后根据行政边界数据裁剪DEM数据，得到研究区的DEM数据。在DEM数据的基础上，在ArcGIS中运用坡度工具生成坡度要素。高分二号数据的获取时间为2020年，空间分辨率为0.8 m，数据质量满足研究中识别目标地物的需求。

2.4 山体边界划分模型

依据山水相依、自然衔接等原则，以及在相关山体划分研究(黄敬军等，2015)的基础上来构建山体边界划分空间模型，同时考虑到区域地形地貌特点，将高程、坡度、地貌类型和河流等作为指标评价体系的要素，基于ArcGIS平台的叠加分析等功能来实现模型的计算。

其数学模型如下：

(1)

式(1)中：P为总得分；Xi为各指标的值；Wi为各指标的权重，用逻辑回归模型确定；i为所有评价指标的计数，i=1,2,3,…,n；n为指标的总个数。

通过逻辑回归模型确定评价要素权重的主要过程如下：

(1)在ArcGIS中，把各个评价要素进行重分类，用专家打分的方法为重分类后的要素赋值。其中河流主要为研究区北部的黄河，河流区域赋值低，非河流区域赋值高。

(2)将前期实地调查确定的部分山体作为样本，并将其分为中山和低山，中山区域赋值为1，低山区域赋值为0.6，局部非山体区域赋值为0。

(3)基于ArcGIS的创建随机点工具，在中山、低山和非山体样本区域中生成随机点。

(4)在SPSS中进行逻辑回归计算，得到评价要素的逻辑回归系数。

(5)将评价要素回归系数进行归一化。结果如表1所示：

表1 逻辑回归模型回归系数一览表

3 结果与分析

从高程要素来看(图2a)，渑池县的海拔高度介于200～1465 m之间。海拔900 m以上区域主要分布于渑池县中西部，集中连片分布区域主要涉及坡头乡东部、仰韶镇北部和南村乡南部等区域；从坡度要素看(图2b)，坡度在25°以上且分布较为集中的区域主要为东部和中部部分地区。与高程的区别在于坡度的高值区间(25°以上)相对分散，不仅有集中面状分布区域，也呈现出带状分布的特点。面状分布主要涉及段村乡东部、南村乡东部和仰韶镇北部等区域。带状高值区域多分布于河流沿岸和陡峭的沟谷中，例如黄河、伏虎河和下河等沿岸。地貌类型中的构造中山和剥蚀低山分布于渑池县北部，河谷阶地和剥蚀丘陵主要分布于渑池县南部(图2c)。河流主要为渑池县北部的黄河，在划分山体边界时作为重要评价要素(图2d)。

图2 渑池县山体范围划定分析评价要素图a—海拔高程空间分布图；b—坡度空间分布图；c—地形地貌分布图；d—大型河流分布图

在高程、坡度、地貌类型和河流等要素所构成空间模型的基础上，依据野外调查所形成的初步成果，用逻辑回归模型确定上述要素的权重，然后将以上要素进行加权叠加分析。依据叠加分析结果(表2)，将高值区间(2.42～3.08)赋值为5，其主要分布于渑池县的中东部和东北部，面积为139.41 km2，占区域总面积的10%，主要涉及段村乡和坡头乡等；次高值区间(1.95～2.41)赋值为4，其主要分布于渑池县北部的大部分区域，面积为267.09 km2，占区域总面积的20%；中值区间(1.21～1.94)赋值为3，其主要分布于渑池县西部，多与次高值相邻分布，面积为300.07 km2，占区域总面积的22%；次低值区间(0.61～1.20)赋值为2，其主要分布于渑池县南部和北部黄河沿线，面积为143.55 km2，占区域总面积的11%；低值区间(0.22～0.60)赋值为1，其主要分布于渑池县南部和北部黄河沿线，与次低值相邻分布，面积为502.74 km2，占区域总面积的37%，值域面积占比最大。

表2 山体划分叠加分析结果表

根据分析结果(图3)，能够较为清晰的分辨山体的走势和空间分布，并结合实地调查情况，将高值、次高值和中值划分为山体，总计占区域面积的52%，主要分布于渑池县的北部和中部；次低值和低值划分为非山体，总计占区域面积的48%，主要分布于渑池县南部和东部洪阳河沿线。与高程和坡度相比，分析结果能够更加清晰地辨别出山体边界，尤其是山体范围南部，主要涉及张村镇、陈村乡和仰韶镇等区域。地貌类型要素仅表达了地形的大致的分布，但本文中的分析结果不仅能够反映山体和非山体的区别，而且表达出了山体内部和边界的细节，为山体划分实际应用创造了条件。综上，本文的山体划定模型综合了各个评价要素的特点，分析结果能够较好表达山体的空间分布，并且为山体划定提供了更加精细的数据支撑。

图3 山体划定模型叠加分析结果图

4 结论

本文划定了研究区内的山体范围，为科学合理编制山体保护专项规划，实现山体整体保护、系统修复及综合治理提供基础支撑。结论如下：

(1)依据空间数据处理和管理需求，本文对入库数据进行了拓扑验证和修复，使各要素之间保持严格的拓扑关系，提高了数据的精度和结果的准确度。同时，本文以模型构建器为平台，建立了山体划定空间模型，提高了分析工作的效率和分析过程的标准化。

(2)本文以高程、坡度、地貌类型和河流作为评价要素，运用逻辑回归模型来确定评价要素权重，使权重赋值与区域特性相匹配。最后进行评价要素加权叠加分析，得到山体边界划定结果。

(3)渑池县地形地貌整体特点为北高南低，中部多为河流阶地，山体主要分布于渑池县北部和中部，主要涉及段村乡和坡头乡等乡镇。