GIS和地理本體在岷江上游干旱河谷范圍界定中的應用研究

詹 金 鳳，楊 斌，2*，李 茂 嬌，高 桂 勝，王 世 舉

(1.西南科技大學環境與資源學院， 四川 綿陽 621010；2.北京師范大學水科學學院，北京 100875)

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GIS和地理本體在岷江上游干旱河谷范圍界定中的應用研究

詹 金 鳳1，楊 斌1，2*，李 茂 嬌1，高 桂 勝1，王 世 舉1

(1.西南科技大學環境與資源學院， 四川 綿陽 621010；2.北京師范大學水科學學院，北京 100875)

基于地理本體應用模型，從干旱河谷自然本底特點及其形成機制入手，利用本體建模軟件protege 4.1構建岷江上游干旱河谷領域本體模型，利用該區域基礎地理數據分類提取出DEM、坡度、相對高程、土壤、裸地分布數據，在ArcGIS平臺下實現基于地理本體的干旱河谷特征數字化表達，并利用柵格計算器定量界定出岷江上游干旱河谷區面積為118 515 hm2。研究表明，利用地理本體深入剖析干旱河谷概念特征，在GIS技術支持下定量界定干旱河谷區域范圍的方法具有一定的可行性，為相關領域邊界范圍的科學界定和形象化概念分類表達提供了一種全新的解決思路。

GIS；地理本體；干旱河谷；范圍界定；岷江上游

0 引言

干旱河谷是橫斷山區一種特殊的自然景觀，亦是整個川西地區人口和城鎮分布集中的核心地帶，其自然環境表現為高蒸發、低降水、干濕季明顯、晝夜溫差大、土壤貧瘠、植被稀少，是滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發地區，其敏感脆弱的生態環境條件嚴重影響當地工農業生產和群眾生活[1]。特殊的自然條件導致干旱河谷范圍波動較大，對該區土地利用分類研究及干旱河谷范圍界定干擾嚴重。岷江上游干旱河谷區位于橫斷山區與四川盆地過渡帶，在地形、地貌、氣候植被狀況方面，可視為橫斷山區干旱河谷的一個縮影。因此，科學界定岷江上游干旱河谷范圍對該區生態系統脆弱性與敏感性分析至關重要。

目前針對干旱河谷的研究主要集中在土壤養分、土地利用、植被狀況、生態脆弱性及區域生態環境恢復與重建等方面[2-6]，關于干旱河谷概念的定義較為模糊，也沒有明確統一的界定方法[7-9]。地理本體主要研究地理信息科學領域內不同層次和不同應用方向上的地理空間信息概念的詳細內涵和層次關系，并給出概念的語義標識，解決地理概念分類及概念之間的相互關系問題。本研究嘗試運用地理本體概念化模型，在本體建模軟件protege 4.1驅動下剖析干旱河谷本質特征，利用GIS技術和方法科學定量界定岷江上游干旱河谷邊界范圍，為干旱河谷及其他相關領域定量化界定提供全新的解決思路和研究方案。

1 地理本體邏輯結構分析

本體(Ontology)是對某種概念化體系的規范說明，用來獲取感興趣領域的知識。地理本體是空間信息科學中具體應用領域里共享的一個概念化知識系統的形式化和顯式的說明規范，常用于地理空間信息挖掘、概念體系分類、概念語義分析及語義關系表達、空間數據重用及共享等[10-12]。不同研究領域和不同應用方向的地理本體可以有不同的邏輯結構，常見的邏輯結構有：三元組O=，其中Class、Property、Individual分別表示類(概念)、屬性、個體(實例)；五元組O=,其具體含義依次為概念、關系、函數、公理、實例；七元組O=,其中C、R、H、P、PR、PC、I分別表示概念、概念之間的語義關系、層次關系、屬性、對屬性的約束、屬性的特征和實例。

根據岷江上游干旱河谷區領域特征的復雜性和多變性，結合地理本體的邏輯結構，采用修訂后的五元組結構表示干旱河谷本體，即O=。C為概念集，表示干旱河谷領域類相關概念的集合；R為干旱河谷相關概念之間的從屬、父子、實例、屬性等常見的語義關系，其中父子關系中又蘊含了繼承關系，即子類繼承父類的屬性特征、空間特征等；P為屬性，即干旱河谷概念范圍內的特征，如河谷中山系的“名字”、“海拔高度”；PR表示對屬性特征的約束，即對屬性取值的類型、范圍等的限制，如河谷海拔高度的范圍；I為個體，即在地理本體研究過程中的應用實例，如岷江上游干旱河谷就屬于干旱河谷的一個應用實例。

2 岷江上游干旱河谷本體構建

2.1 識別和分析干旱河谷領域相關概念

干旱河谷屬于地理學范疇，是自然地理環境領域的一部分，可直觀地理解為“干旱”的“河谷”，其中“干旱”屬于自然現象，是由氣象、植被、土壤等因素共同決定的，“河谷”則源于“山”這個自然地理實體。在地理學詞典[13]中將狹義的山定義為：高度較大、坡度較陡的高地，多為地殼上升地區經受河流切割而成，自上而下分為山頂(或山脊)、山坡和山麓三部分。可見，山是由于地殼運動形成的，具有高度、坡度等屬性，許多山聚集在一起便成了山區。根據地理學詞典記載，山區是指山地、丘陵以及較崎嶇的高原地區，其中山地又包括山嶺、山谷、山間盆地，它具有較大的絕對高程和相對高程、切割深、切割密度大等特點，通常位于構造運動和外力侵蝕作用活躍地區，地質結構復雜，如我國西部的一些山地。山地中較大的條形低凹部分稱為山谷，主要是構造作用、水流、冰川等侵蝕的結果，常常成為通過高山大嶺的交通孔道；山谷按構造作用可分為斷層谷、向斜谷、背斜谷等，按外力作用可分為山地河谷、冰川谷。通過剖析與“山”這個實體相關的概念，得出了河谷。地理學詞典中關于河谷的描述為：河谷是指河流所流經的長條形凹地，可見河流是形成河谷的外部因素，也是必要因素。同時在不同降雨量、氣溫、蒸發量等氣候條件的影響下，河谷土壤及植被均表現出不同的特性，據此可將其分為干旱河谷、半干旱河谷、半濕潤河谷和濕潤河谷四類，從而得到了干旱河谷這個實體類型及其概念。

以干旱河谷為主要研究對象，對干旱河谷相關概念進行語義成分分析：山——[山頂]+[山坡]+[山麓]+[坡度]+[高度]+[地殼運動]+[河流切割]；山區——[山地]+[丘陵]+[高原]；山地——[山嶺]+[山谷]+[山間盆地]+[絕對高程]+[相對高程]+ [構造運動]+[外力侵蝕]；山谷——[山地河谷]+[冰川谷]+[外力侵蝕]+[構造作用]+[交通孔道]；河谷——[河流]+[長條形凹地]；干旱河谷——[干旱]+[河谷]。

2.2 岷江上游干旱河谷本體構建

干旱河谷本體屬于地理本體中的一種特殊的領域本體，既有地理本體的特征，也符合本體規律，因而可以借助本體與地理本體現有的構建原理和方法，建立適合于干旱河谷的特殊本體。建立干旱河谷本體的難點不在于對干旱河谷宏觀概念的方法描述，而在于如何確定領域內多種復雜因素之間的地理關系與概念之間的語義關系[14]。通過剖析干旱河谷相關概念，分析其層次關系，得出了干旱河谷的概念化模型(圖1)，利用protege 4.1本體建模軟件，對干旱河谷相關概念進行語義分析和邏輯推理，構建了岷江上游干旱河谷的本體模型，實現了理論到實例的構建過程，同時也驗證了概念化模型的準確性和可行性。

圖1 干旱河谷概念化模型

Fig.1 The conception model of arid valley

3 岷江上游干旱河谷范圍界定

3.1 岷江上游干旱河谷屬性及約束條件確定

從干旱河谷本體概念化模型及岷江上游干旱河谷本體模型可知，山、山區、山地、山谷、河谷、干旱河谷依次構成父子關系，且具有繼承特性，即子類概念繼承了父類概念的屬性特征和空間特征等，確定岷江上游干旱河谷具有坡度、高程、相對高程、植被、土壤、降水量、氣溫、蒸發量等屬性。而岷江上游干旱河谷作為一個個體實例具有自身區別于其他個體的特征，即自身的約束公理，如在氣候、土壤、植被等屬性方面都有不同于其他地理實體(包括其父類和兄弟類實體)的取值范圍及值域。

根據前期對岷江上游干旱河谷的綜合分析，歸納得出以下特征[15-20]：1)在地理位置上，岷江上游干旱河谷區域主要位于松潘鎮江關以下，經茂縣鳳儀鎮至汶川縣縣綿褫間的岷江干流，以及黑水縣西爾以下的黑水河谷和理縣雜谷腦以下的雜谷腦河谷等岷江支流的兩側；2)地形上，該區高程介于1 100～2 800 m，嶺谷相對高度為1 500～3 000 m，大部分位于坡度大于25°的陡坡；3)年降水量不足600 mm，年蒸發量是降雨量的2～3倍，平均氣溫10～11℃。區內土層薄、土壤貧瘠，土壤類型以山地褐土和山地棕壤土為主。由于氣候干旱，區內植被類型主要為干旱灌草植被，植被覆蓋度大多20%～30%；4)從影像表征上，該區域在遙感影像標準假彩色下呈灰白色，影像結構粗糙。綜合分析岷江上游干旱河谷的特征，確定其約束條件如表1所示。

表1 岷江上游干旱河谷的約束條件

Table 1 Constraint condition for the arid valley in the upper reaches of Minjiang River

屬性因子約束條件(符合的條件)約束條件(不符合的條件)A(地理位置)岷江上游其他區域B(高程)1100≤B≤2800B<1100或B>2800C(嶺谷相對高度)1500≤C≤3000C<1500或C>3000D(坡度)D>25°D≤25°E(年降水量)E<600mmE≥600F(平均氣溫)10℃≤F≤11℃F<10℃或F>11℃G(植被覆蓋度)20%≤G≤30%G<20%或G>30%H(土壤類型)以山地褐土和山地棕壤土為主其他類型I(影像特征)標準假彩色下呈灰白色，影像結構粗糙其他特征

3.2 岷江上游干旱河谷約束條件及數字化表達

3.2.1 數據來源與預處理 研究區信息提取來源于Landsat-8號衛星，該衛星是NASA于2013年發射，具有OLI和TIRS兩個傳感器，最高分辨率達15 m，可提供全球免費數據下載，廣泛應用于植被、土壤、水體等領域，對于生態環境的研究最有重要意義[21]。研究利用130/37、130/38、130/39三景OLI影像作為遙感源數據，拍攝時間為2013年8月17日。利用ENVI 4.8對OLI數據進行幾何校正、鑲嵌、融合、裁剪等操作，完成數據的預處理，得到研究區543波段組合影像(圖2，見封3)。另外，以ASTER GEDM 30 m分辨率的DEM數據作為基礎地形數據，在ArcGIS9.3軟件下通過幾何校正、拼接、裁剪等操作，得到研究區DEM數據如圖3所示。

圖3 岷江上游DEM

Fig.3 The DEM in the upper reaches of Minjiang River

3.2.2 岷江上游干旱河谷屬性因子提取 干旱河谷具有降水少、光照強、溫差大、地質災害頻發等特征，裸地作為干旱河谷區內最主要的土地類型，能綜合反映其降水、氣候、植被等信息。因此，在進行空間范圍界定過程中用裸地特征表征該區域內降水、氣候、植被等約束條件。首先在ENVI 4.8軟件下通過監督分類及分類后處理，提取出該區域裸地(包含少數植被覆蓋度較低的地區)因子，用J表示(圖4)；再利用岷江上游DEM，分別提取符合岷江上游干旱河谷約束條件的屬性因子DEM、坡度、土壤類型數據(圖5-圖7)；該區域的相對高程因子以DEM數據為基礎，通過ArcGIS水文分析模塊可提取出符合約束條件的相對高程數據(圖8)[22]。通過以上因子提取，實現了岷江上游干旱河谷約束條件的數字化表達。

圖4 裸地 圖5 DEM 圖6 坡度 圖7 土壤 圖8 相對高程

Fig.4 Bare land Fig.5 DEM Fig.6 Slope Fig.7 Soil Fig.8 Relative elevation

3.3 岷江上游干旱河谷范圍界定

將所有數據統一轉換為柵格格式，并對所有因子進行歸一化處理，滿足條件為1，否則為0。在因子提取中，嶺谷相對高度是基于高程數據利用水文分析方法提取的，坡度信息同樣來自于高程數據，因此嶺谷相對高度和坡度因子與高程都具有較大的相關性，根據主成分分析法，將這兩類因子歸為輔助因子，其他因子歸為主要因子。對所有因子進行臨界值分類，結果如表2所示。

表2 因子歸一化

Table 2 Factor normalization

因子類別符合條件不符合條件主要因子輔助因子A(地理位置)10J(裸地)10B(高程)10H(土壤類型)10C(嶺谷相對高度)10D(坡度)10

在范圍界定過程中，優先考慮主因子，當主因子不能準確判斷時，加入輔助因子進行綜合界定。首先滿足地理位置，保證正確的地理位置，這是先決條件。由于裸地涵蓋了多個屬性要素，便成為第二個必須滿足的因子。在此基礎上分別用高程、土壤類型兩個因子與裸地進行疊加分析，若范圍大于另一個因子則需要加入第三個因子進行疊加，即同時滿足三個因子；若小于第三個因子且在其范圍之內則可判斷為干旱河谷。最后利用輔助因子對提取出的干旱河谷范圍進行驗證。在ArcGIS9.3平臺下，利用柵格計算器和其他空間分析功能，結合上述干旱河谷范圍界定方法，生成岷江上游干旱河谷分布圖(圖9)。

圖9 岷江上游干旱河谷邊界示意

Fig.9 The boundary of arid valley in the upper reaches of Minjiang River

3.4 岷江上游干旱河谷結果分析

在ArcGIS軟件中利用面積統計工具定量統計得出岷江上游干旱河谷區域面積為118 515 hm2，與國內部分學者的研究結果比對如表3所示，利用地理本體思想和GIS技術提取的岷江上游干旱河谷區面積介于眾多研究結果之間。分析研究過程發現，研究選取的遙感影像時間為2013年8月17日，屬于雨季節氣，該時期降雨量較多、地質災害頻發。在汶川大地震劇烈擾動下，汶川縣境內河谷區域誘發大量滑坡、泥石流等地質災害，導致植被破壞、地面土壤巖石裸露，對干旱河谷區域定量判讀造成一定的干擾，致使干旱河谷范圍偏大。此外，干旱河谷的界定需要準確的降水、蒸發、氣溫、土壤類型、植被類型等數據，而在因子提取過程中，由于缺乏詳細的氣象表征數據，僅用裸地綜合反映降水、氣候、植被信息，存在一定的片面性和局限性，對研究結果造成一定的影響。

表3 岷江上游干旱河谷面積比對

Table 3 Area comparison of the arid valley of the upper reaches of Minjiang River

干旱河谷面積(hm2)研究人員及年份118515本文結果(2013)17000張榮祖(1992)100500何建社(2006)123078楊兆平(2007)138940袁輝(2007)92899楊德偉(2009)

4 結語

利用地理本體思想從干旱河谷相關概念特征分析入手，系統分析干旱河谷的屬性特征和空間特征，本質上剖析干旱河谷概念的內涵、概念之間的語義關系及概念分類體系，嘗試運用protege 4.1軟件構建岷江上游干旱河谷地理本體模型，在此模型驅動下選取表征語義關系的屬性因子，并利用GIS技術界定出岷江上游干旱河谷邊界范圍為118 515 hm2，介于眾多研究結果之間，主要由于裸地特征判讀分類過程中存在的季節性差異。該方法的實現為干旱河谷其他相關領域邊界范圍的科學界定和形象化概念分類表達提供了一種全新的解決思路。

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Definition Scope of Arid Valley in the Upper Reaches of Minjiang River Based on GIS and Geographic Ontology

ZHAN Jin-feng1,YANG Bin1，2,LI Mao-jiao1,GAO Gui-sheng1,WANG Shi-ju1

(1.SchoolofEnvironmentandResource,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010; 2.CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Based on geographic ontology application model,starting from the arid valley characteristics and formative mechanism of natural background,this paper uses ontology modeling software protege 4.1 for constructing ontology model of arid valley in the upper reaches of Minjiang River and extracts slope,DEM,relative elevation,soil,the bare land distribution data by using the basic geographic data.The research realizes digitization of the characteristics of the arid valley based on geographic ontology in ArcGIS and quantificationally defines the area of arid valley in the upper reaches of Minjiang River is 118 515 hm2by raster calculator.The result indicates that the method to quantificationally define the scope of arid valley by geographic ontology and GIS is feasible and operational,it provides a new solution to define scope and classify concepts visually for relevant field.

GIS;geographic ontology;the arid valley;scope definition;the upper reaches of Minjiang River

2014-07-24；

2014-09-27

國家自然科學基金項目“岷江上游干旱河谷區梯級水電開發對生態環境波動效應研究”(41201541)

詹金鳳(1989-)，女，碩士研究生，主要從事山區生態環境安全領域及3S技術與應用方面研究。*通訊作者E-mail:1007125977@qq.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.014

P237；P951

A

1672-0504(2015)02-0065-05