湖南省山区范围划分初探

计 伟,江晓波

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都 610041;2.中国科学院研究生院,北京 100041）

湖南省山区范围划分初探

计 伟1,2,江晓波1＊

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都 610041;2.中国科学院研究生院,北京 100041）

山地和山区范围的界定是山区数据库建设和数字山地战略实施的基础。该文在GIS空间分析和数理统计分析技术的支持下,选取高程、道路密度、林草地比例、耕地比例、人口密度和 GDP 6个因子,通过构建基于栅格单元的边缘生长模型,计算非山地的栅格单元被划分为山区的概率,并设定一个阈值以区分山区和非山区,在湖南省山地范围的基础上探讨其山区范围的划分。计算得到湖南省山区面积占总面积的64.52%,相对于山地面积增长了43.47%,且将原本孤立的山地连接成片,山区更具连续性和完整性。

湖南;山区;山地;数字山地;地理信息系统;数理统计

山地和山区是相似但不同的两个概念。山地强调区域的自然属性,其界线清晰明确;山区侧重于区域的社会经济属性,其界线具有模糊性和不确定性。在数字山地战略的实施过程中,山地和山区范围的确定是构建各类山地(区）数据库的前提,也是山地信息化的基础工作之一[1]。国内外关于山地范围划分的研究较多,如 Kapos等在研究全球森林资源分布时对山地进行了定义和划分[2];Meybeck等利用地表起伏度对全球山地进行了分类[3];江晓波采用两种方案量化了中国的山地范围[4]等。而山区范围强调空间上的连续性和完整性,它的量化涉及人文和社会经济等诸多因素,与山地范围的量化相关但又有差别。郭绍礼等在县级行政单元基础上将中国划分为山区县、丘陵县和平原县[5];江晓波等在着重考虑社会经济要素的基础上,采用基于栅格的边缘生长模型计算了四川省的山区范围[6]。中国的中东部地区山地的分布较为破碎和孤立,利用边缘生长模型计算中东部的山区范围是否合适?湖南省作为我国中东部的山区大省,山区范围的界定能为山区的经济发展、生态环境保护以及和谐社会构建提供决策依据,从而对湖南山区甚至全省的可持续发展起到积极的促进作用。故本文以湖南省为例,对这一问题进行探讨。

1 湖南省山区范围划分方法

1.1 研究区域概况

湖南省土地面积21.18万km2,占全国国土面积的2.21%,地貌以山地、丘陵为主。全省东南西三面环山,湘北为洞庭湖平原,海拔多在50 m以下,湘中地区大多为丘陵、盆地和河谷冲积平原,形成从东南西三面向北倾斜开口的马蹄形状[7]。本研究采用联合国环境规划署世界保护与监测中心(UNEPWCMC）标准关于山地的定义,即把海拔2 500 m以上以及海拔介于300～2 500 m、但表现出较陡坡度或在小范围内高程变化很大的区域都划为山地。根据文献[6],湖南省山地范围在1 km分辨率时为73 392 km2,占全省总面积的21.05%。山地主要分布在湘西部和湘东南,主要山脉有西北部的武陵山、中西部的雪峰山、南部的南岭、东南部的罗霄山和东北部的幕阜山。除西北部相对集中的平行山脉之外,其他区域的山地分布均较为零散。

1.2 基本思路

本研究所采用的基于栅格单元的边缘生长模型主要由 GIS的空间分析和数理统计分析(聚类分析和多元回归分析）构成,即在确定山地是山区核心的基础上,计算非山地的栅格单元被划分为山区的概率,并设置一定的阈值以区分山区和非山区。基本流程如图1所示。

湖南省山地分布相对分散,斑块较为破碎,根据栅格边缘生长模型的原理,山地斑块周边将有更多的栅格单元参与模型计算,从而可能使山区的范围相对于山地范围出现较大的增长。

1.3 数据采集

研究数据主要有:1）DEM和山地范围数据,DEM数据源自热带农业国际中心(International Center of Tropical Agriculture）,山地范围由DEM数据按照UNEP-WCMC的山地定义计算出,两类数据空间分辨率均为86 m;2）道路数据,源于国家测绘局,比例尺为1∶25万;3）2000年土地利用数据,由地球系统科学数据共享网西南山地分中心(http://im de.geodata.cn）提供,比例尺为1∶10万;4）2000年人口和GDP栅格数据,由地球系统科学数据共享网(http://www.geodata.cn）提供,空间分辨率为1 km。将以上数据转换到统一的投影和坐标系统下,采用SPSS完成统计分析,用A rcGIS完成数据处理和制图。

图1 湖南山区范围计算流程Fig.1 Stream line of computing mountainousarea of Hunan

1.4 模型的确定

1.4.1 因子提取 根据山区兼有自然和社会经济属性且偏重于社会经济属性的特点,本研究选取高程、道路密度、林草地比例、耕地比例、人口密度和GDP 6个因子参与边缘生长模型的运算,并采用1 km2的栅格作为基本分析单元。因子的提取过程如下:1）高程因子采用DEM数据重采样为分辨率1 km的数据。2）道路密度因子采用A rcGIS的空间分析功能,计算出1 km×1 km范围内道路的加权长度,即道路密度。首先根据等级对道路赋不同的权重,如高速公路和国道为一级,省道、县道、乡村道分别为二、三、四级;其次利用A rcGIS的线密度计算工具计算1 km×1 km范围内的道路密度。为了增加道路对周边的影响范围,采用栅格窗口分析方法将10 km×10 km范围内道路密度的最大值赋给窗口内各个栅格,以此结果作为道路密度因子参与模型运算。3）林草地和耕地面积比例因子。以林草地为例,首先将矢量土地利用数据转换为0.5 km分辨率的栅格数据,将林草地栅格赋值为1,其余为0;其次利用A rcGIS的栅格合并工具计算相邻4个栅格值的和,有0、1、2、3、4五种类型,分别表示在1 km×1 km范围内林草地所占面积比例为0、25%、50%、75%、100%。同理计算耕地面积比例。4）人口密度和GDP因子可直接利用原栅格数据。

根据山地范围数据,在非山地区域提取以上6个因子的数据,导出每个因子在每个栅格上的值,并在EXCEL中组成二维数据表。

1.4.2 模型运算 栅格边缘生长模型的核心是由SPSS的数理统计分析建立的逻辑回归方程:

式中:F为山区概率,X1为高程因子,X2为道路因子,X3为林草地因子,X4为耕地因子,X5为人口因子,X6为 GDP因子,a、b、c、d、e、f为各因子的系数, g为常量。

将6个因子组成的数据表导入SPSS进行数理统计分析。首先对其进行聚类分析,确定由因子自动聚类生成的山区和非山区;其次进行二值回归分析,将聚类结果作为回归的因变量,6个因子作为自变量,计算逻辑回归方程的系数(表1）。

表1 二值回归因子系数Table 1 Values of constant and coefficients of themodel

在A rcGIS中利用栅格计算方法构建并运算回归方程,计算每个非山地栅格被划为山区的概率,由于概率值在[0,1]内呈两极分布,故设定0.5为判定山区和非山区栅格的概率阈值。观察图斑面积数据的分布发现,100 km2是图斑面积分布的拐点,故设定100 km2作为阈值对山区和非山区内部的小图斑进行处理,将面积未达阈值的小图斑并入周围的主要类型中,结果如图2所示。

图2 湖南省山区范围Fig.2 Mountainousarea in Hunan

2 湖南省山区范围划分结果及其验证

2.1 湖南省山区范围

边缘生长模型计算结果显示,湖南省山区范围为136 814 km2,占湖南省总面积的64.52%,比山地范围增长了43.47%;原本孤立的山地被连接成片,山区大致沿着山脉的走向分布在湘西以及湘南、湘东的边缘地区,更具连续性和完整性。这在湘西地区表现突出,以东北-西南向的武陵山和雪峰山的平行山脉为核心,拓展出的山区包括绝大部分湘西地区,只沿沅江和灃水分布着若干狭长的非山区地带;湘东南的罗霄山脉及东北的幕阜山经模型计算后,不但将原本分散的山地连接起来,山区还向湘中和湘北的丘陵和平原地区延伸了一定范围。在衡阳市西南部有一孤立的山区,面积636 km2,海拔65～214 m。分析各因子数据发现,这一地区林草地覆盖度较高,但人口、GDP、道路密度等社会经济因子的值均偏低。从整体看,该地区受南岭支脉阳明山的影响,在各方面均表现出山区的特点,因此将其划入阳明山的山区范围。

2.2 结果验证

采用做剖面线的方法,选用29°纬线对山地山区以及各个因子做剖面分析(图3）。可以看出,在剖面线的东西两端,以山地为核心,山区有了较大的增长;尤其西部增长明显,原本离散的山地被连接成片,表现出较好的连续性和完整性。6个因子中, DEM、林草地、耕地面积比例在山区和非山区的数据分布表现出明显的差异性。山区范围与因子之间的相关性在剖面图上也得到了直观的表达,如DEM、林草地面积比例与山区范围呈正相关,其他因子与山区范围呈负相关。

图3 剖面验证结果Fig.3 Transect validation

丘陵地区在土地利用、道路交通等方面受山地的影响,表现出与山地相似的特征,因此山区范围除包括所有的山地外,还包括绝大部分丘陵和部分岗地。将山区范围与统计资料对比可知,大部分地级市的山区范围与山地丘陵的面积之和一致(表2）,这也从另一方面验证了山区计算结果的有效性。

表2 山区面积比例和统计资料Table 2 Percentage of mountainousarea in Hunan and the statistics

3 问题分析

与山地相邻的一定范围内的地区因受山地的影响,在人文和社会经济方面表现出与山地相似的特征。因此,可将山地周围扩展出的区域作为山地和平原之间的缓冲区。一般在面积和缓冲宽度相同的情况下,越复杂的图形,其分形维数越大,周长越长,缓冲区面积也越大。在山区范围的计算过程中,当山地的分布较为分散和破碎时,核心斑块的周长更长,意味着山地周边有更多的栅格单元参与边缘生长模型的运算,因此生长出的山区范围涵盖了山地周边的丘陵、岗地及部分谷地和平原,在空间上更具连续性和完整性,其较山地范围有大幅度增加。

所选6个因子中,林草地和耕地面积比例是与山地范围相关性最高的两个社会经济因子,其中林草地面积比例与山地范围呈正相关,耕地面积比例与山地范围呈负相关;在回归模型中二者的系数也较高,是对计算结果影响较大的两个因子。对于山地周边的栅格而言,耕地比例越低,林草地比例越高,被划为山区的概率越大。以四川省和湖南省对比,二者2000年的耕地面积和林草地面积比例相当,但在非山地区域内,湖南省的耕地面积比例远低于四川省,而林草地面积比例却较高。因此,在湖南省的非山地区域运行边缘生长模型会使大量栅格单元被划为山区,这也是湖南省山区范围增长远多于四川省的一个主要原因(四川省的山区面积比山地面积仅增长了3.21%[6]）。

在湘西、湘南和湘中,山区范围的计算结果包括较多的平原和河谷地区,个别地区的山区范围甚至超过了山地、丘陵、岗地三者之和。例如,湘东南的郴州和湘西北的张家界两地区的山地丘陵面积约占总面积的3/4,但计算结果中郴州市83.65%的面积被山区覆盖,张家界的山区面积达90.22%。造成这种过量增长的原因主要有两方面:1）在山地分布较为离散和破碎的中东部地区,数据的精度对计算结果的影响更显著。首先在山地范围的计算过程中,相对高度的计算方法直接影响到计算结果,但这方面至今没有统一的标准。其次,本研究中由于人口和GDP数据的精度限制,采用1 km2的栅格作为计算单元,精度较高的土地利用、道路等数据在处理过程中不断降低分辨率,造成信息丢失。最后,为了突出道路对周围社会经济的影响范围,对道路密度进行了10 km×10 km的平滑,但在实际中高速公路的影响范围不止10 km,普通农村道路的影响范围可能不到10 km,对不同等级的道路用同样的平滑范围也会导致计算结果出现一定的误差。2）与分布集中的山地相比,分布分散的山地与非山地地区在人口资源等方面的交流更加便利和频繁,山区和非山区间人文和社会经济水平的差异相对较小,因此选用以上6个因子建立模型来区分山区和非山区的显著性要低于山地集中的地区。例如,这6个因子与山地范围的相关性,除高程因子呈显著相关外,其余因子的相关性都偏低,如人口和GDP与山地的相关性分别仅有0.121和0.075。这一方面与数据精度较低有关,另一方面也受到山区和非山区间差异性减小的影响。

4 结论

1）湖南省山地分布较为破碎和分散,与我国西部山地集中的情况有较大的差异。根据边缘生长模型计算得到的湖南省山区范围约为136 814 km2,占湖南省总面积的64.52%,一方面突出了山区的人文和社会经济特点,另一方面也实现了山区在空间上的连续性和完整性。2）湖南省山区范围比山地范围增长了43.47%,一方面是由于山地分布的分散性,造成参与边缘生长模型运算的栅格单元增加;另一方面是湖南省非山地区域内林草地面积比例较高而耕地面积比例较低。3）由于数据完备性和精度方面的限制,利用边缘生长模型计算结果在个别地区与实际情况存在一定差别,需探索新的数据处理方法对因子影响力或贡献率进行量化,使其所代表的信息更接近实际。例如,对道路密度数据处理时可以生成可变半径的缓冲区,在主要道路和道路交汇点处增加缓冲区半径,以表现其影响程度和影响范围。进一步的研究是继续改进边缘生长模型,并将此计算方法推广到其他山地分布分散的省区,进而获得全国的山区范围。

[1] 周万村,江晓波.地理信息系统的发展轨迹与数字山地构建[J].山地学报,2006,24(5）:620-627.

[2] KAPOSV,RH IND J,EDWARDSM,et al.Developing amap of the world′smountain forest[A].PRICE M F,BU TTS N.Forest in Sustainable Mountain Development:A State of Know ledge Repo rt for 2000[R].Commonwealth Agricultural Bureau (CAB）International,Wallingford,U K,2000.4-9.

[3] M EYBECK M,GREEN P,VÖRÖSMARTY C.A new typology fo r mountains and other relief classes[J].Mountain Research and Development,2001,21(1）:34-45.

[4] 江晓波.中国山地范围界定的初步意见[J].山地学报,2008,26 (2）:129-136.

[5] 郭绍礼,张天曾.中国山地分区及其开发方向的初步意见[J].自然资源学报,1986,1(1）:28-40.

[6] 江晓波,曾鸿程.量化中国山区范围——以四川省为例[J].山地学报,2009,27(1）:24-32.

[7] 湖南省统计局.湖南统计年鉴[M].北京:中国统计出版社, 2000.

Study on Delineating M ountainous Areas of Hunan

JIWei1,2,JIANG Xiao-bo1
(1.Institute of M ountain Hazards and Environment,CAS,Chengdu 610041;
2.Graduate University of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100041,China）

Mountain and mountainous area are two impo rtant concep tsw hich are similar but different in fact.Mountain emphasizes the natural environment and has a clear and definite boundary,w hile mountainous area focuses on the socio-economic phenomenon and the range of it is indistinct and uncertain.The quantification of mountains and mountainous areas is foundational wo rk for the establishment of mountainous area databases and Digital Mountain.Supported by the spatial analysis functions in geographical info rmation system(GIS）and the statistical analysis,an edge grow ingmodel(EGM）was built up to discussmountainous areas in Hunan Province based on the area of mountains.The p robability of mountainous area determination was calculated for each non-mountain cell on the basisof natural environment factors and socio-economic facto rs,including elevation,road density,forest-grass land p ropo rtion,cultivated land p roportion,population density and GDP.A threshold of the p robability was also set to differentiatemountainousarea from non-mountainous area,and consequently mountainous areas could be generated around mountain cells.As a result,mountainousareasof Hunan Province was64.52%of the total area,w hich was 43.47%mo re than mountains.The cause of such increase was analyzed,it turned out that the dispersed distribution of mountains and high percentage of fo rest-grass land in non-mountain area were the two main reasons.

Hunan;mountainous area;mountains;digitalmountains;GIS;statistical analysis

P931;P208

A

1672-0504(2010）01-0059-04

2009-09-28;

2009-12-28

中国科学院西部之光项目“山区小城镇可持续发展决策支持系统”;国家重点基础研究发展计划(2007CB411507）;国家科技支撑计划(2006BAB04A 08）;中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所前沿项目“数字山地原型研究”

计伟(1984-）,女,硕士研究生,研究方向为遥感、GIS应用和数字山地。＊通讯作者E-mail:jxb@imde.ac.cn