GIS和地理本体在岷江上游干旱河谷范围界定中的应用研究
2015-06-07詹金凤，杨斌，2*，李茂娇，高桂胜，王世举
詹 金 凤，杨 斌，2*，李 茂 娇，高 桂 胜，王 世 举
(1.西南科技大学环境与资源学院， 四川 绵阳 621010；2.北京师范大学水科学学院，北京 100875)
GIS和地理本体在岷江上游干旱河谷范围界定中的应用研究
詹 金 凤1，杨 斌1，2*，李 茂 娇1，高 桂 胜1，王 世 举1
(1.西南科技大学环境与资源学院， 四川 绵阳 621010；2.北京师范大学水科学学院，北京 100875)
基于地理本体应用模型，从干旱河谷自然本底特点及其形成机制入手，利用本体建模软件protege 4.1构建岷江上游干旱河谷领域本体模型，利用该区域基础地理数据分类提取出DEM、坡度、相对高程、土壤、裸地分布数据，在ArcGIS平台下实现基于地理本体的干旱河谷特征数字化表达，并利用栅格计算器定量界定出岷江上游干旱河谷区面积为118 515 hm2。研究表明，利用地理本体深入剖析干旱河谷概念特征，在GIS技术支持下定量界定干旱河谷区域范围的方法具有一定的可行性，为相关领域边界范围的科学界定和形象化概念分类表达提供了一种全新的解决思路。
GIS；地理本体；干旱河谷；范围界定；岷江上游
0 引言
干旱河谷是横断山区一种特殊的自然景观，亦是整个川西地区人口和城镇分布集中的核心地带，其自然环境表现为高蒸发、低降水、干湿季明显、昼夜温差大、土壤贫瘠、植被稀少，是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发地区，其敏感脆弱的生态环境条件严重影响当地工农业生产和群众生活[1]。特殊的自然条件导致干旱河谷范围波动较大，对该区土地利用分类研究及干旱河谷范围界定干扰严重。岷江上游干旱河谷区位于横断山区与四川盆地过渡带，在地形、地貌、气候植被状况方面，可视为横断山区干旱河谷的一个缩影。因此，科学界定岷江上游干旱河谷范围对该区生态系统脆弱性与敏感性分析至关重要。
目前针对干旱河谷的研究主要集中在土壤养分、土地利用、植被状况、生态脆弱性及区域生态环境恢复与重建等方面[2-6]，关于干旱河谷概念的定义较为模糊，也没有明确统一的界定方法[7-9]。地理本体主要研究地理信息科学领域内不同层次和不同应用方向上的地理空间信息概念的详细内涵和层次关系，并给出概念的语义标识，解决地理概念分类及概念之间的相互关系问题。本研究尝试运用地理本体概念化模型，在本体建模软件protege 4.1驱动下剖析干旱河谷本质特征，利用GIS技术和方法科学定量界定岷江上游干旱河谷边界范围，为干旱河谷及其他相关领域定量化界定提供全新的解决思路和研究方案。
1 地理本体逻辑结构分析
本体(Ontology)是对某种概念化体系的规范说明，用来获取感兴趣领域的知识。地理本体是空间信息科学中具体应用领域里共享的一个概念化知识系统的形式化和显式的说明规范，常用于地理空间信息挖掘、概念体系分类、概念语义分析及语义关系表达、空间数据重用及共享等[10-12]。不同研究领域和不同应用方向的地理本体可以有不同的逻辑结构，常见的逻辑结构有：三元组O=
根据岷江上游干旱河谷区领域特征的复杂性和多变性，结合地理本体的逻辑结构，采用修订后的五元组结构表示干旱河谷本体，即O=
2 岷江上游干旱河谷本体构建
2.1 识别和分析干旱河谷领域相关概念
干旱河谷属于地理学范畴，是自然地理环境领域的一部分，可直观地理解为“干旱”的“河谷”，其中“干旱”属于自然现象，是由气象、植被、土壤等因素共同决定的，“河谷”则源于“山”这个自然地理实体。在地理学词典[13]中将狭义的山定义为：高度较大、坡度较陡的高地，多为地壳上升地区经受河流切割而成，自上而下分为山顶(或山脊)、山坡和山麓三部分。可见，山是由于地壳运动形成的，具有高度、坡度等属性，许多山聚集在一起便成了山区。根据地理学词典记载，山区是指山地、丘陵以及较崎岖的高原地区，其中山地又包括山岭、山谷、山间盆地，它具有较大的绝对高程和相对高程、切割深、切割密度大等特点，通常位于构造运动和外力侵蚀作用活跃地区，地质结构复杂，如我国西部的一些山地。山地中较大的条形低凹部分称为山谷，主要是构造作用、水流、冰川等侵蚀的结果，常常成为通过高山大岭的交通孔道；山谷按构造作用可分为断层谷、向斜谷、背斜谷等，按外力作用可分为山地河谷、冰川谷。通过剖析与“山”这个实体相关的概念，得出了河谷。地理学词典中关于河谷的描述为：河谷是指河流所流经的长条形凹地，可见河流是形成河谷的外部因素，也是必要因素。同时在不同降雨量、气温、蒸发量等气候条件的影响下，河谷土壤及植被均表现出不同的特性，据此可将其分为干旱河谷、半干旱河谷、半湿润河谷和湿润河谷四类，从而得到了干旱河谷这个实体类型及其概念。
以干旱河谷为主要研究对象，对干旱河谷相关概念进行语义成分分析：山——[山顶]+[山坡]+[山麓]+[坡度]+[高度]+[地壳运动]+[河流切割]；山区——[山地]+[丘陵]+[高原]；山地——[山岭]+[山谷]+[山间盆地]+[绝对高程]+[相对高程]+ [构造运动]+[外力侵蚀]；山谷——[山地河谷]+[冰川谷]+[外力侵蚀]+[构造作用]+[交通孔道]；河谷——[河流]+[长条形凹地]；干旱河谷——[干旱]+[河谷]。
2.2 岷江上游干旱河谷本体构建
干旱河谷本体属于地理本体中的一种特殊的领域本体，既有地理本体的特征，也符合本体规律，因而可以借助本体与地理本体现有的构建原理和方法，建立适合于干旱河谷的特殊本体。建立干旱河谷本体的难点不在于对干旱河谷宏观概念的方法描述，而在于如何确定领域内多种复杂因素之间的地理关系与概念之间的语义关系[14]。通过剖析干旱河谷相关概念，分析其层次关系，得出了干旱河谷的概念化模型(图1)，利用protege 4.1本体建模软件，对干旱河谷相关概念进行语义分析和逻辑推理，构建了岷江上游干旱河谷的本体模型，实现了理论到实例的构建过程，同时也验证了概念化模型的准确性和可行性。
图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围界定
3.1 岷江上游干旱河谷属性及约束条件确定
从干旱河谷本体概念化模型及岷江上游干旱河谷本体模型可知，山、山区、山地、山谷、河谷、干旱河谷依次构成父子关系，且具有继承特性，即子类概念继承了父类概念的属性特征和空间特征等，确定岷江上游干旱河谷具有坡度、高程、相对高程、植被、土壤、降水量、气温、蒸发量等属性。而岷江上游干旱河谷作为一个个体实例具有自身区别于其他个体的特征，即自身的约束公理，如在气候、土壤、植被等属性方面都有不同于其他地理实体(包括其父类和兄弟类实体)的取值范围及值域。
根据前期对岷江上游干旱河谷的综合分析，归纳得出以下特征[15-20]：1)在地理位置上，岷江上游干旱河谷区域主要位于松潘镇江关以下，经茂县凤仪镇至汶川县县绵褫间的岷江干流，以及黑水县西尔以下的黑水河谷和理县杂谷脑以下的杂谷脑河谷等岷江支流的两侧；2)地形上，该区高程介于1 100～2 800 m，岭谷相对高度为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，年蒸发量是降雨量的2～3倍，平均气温10～11℃。区内土层薄、土壤贫瘠，土壤类型以山地褐土和山地棕壤土为主。由于气候干旱，区内植被类型主要为干旱灌草植被，植被覆盖度大多20%～30%；4)从影像表征上，该区域在遥感影像标准假彩色下呈灰白色，影像结构粗糙。综合分析岷江上游干旱河谷的特征，确定其约束条件如表1所示。
表1 岷江上游干旱河谷的约束条件
Table 1 Constraint condition for the arid valley in the upper reaches of Minjiang River
属性因子约束条件(符合的条件)约束条件(不符合的条件)A(地理位置)岷江上游其他区域B(高程)1100≤B≤2800B<1100或B>2800C(岭谷相对高度)1500≤C≤3000C<1500或C>3000D(坡度)D>25°D≤25°E(年降水量)E<600mmE≥600F(平均气温)10℃≤F≤11℃F<10℃或F>11℃G(植被覆盖度)20%≤G≤30%G<20%或G>30%H(土壤类型)以山地褐土和山地棕壤土为主其他类型I(影像特征)标准假彩色下呈灰白色，影像结构粗糙其他特征
3.2 岷江上游干旱河谷约束条件及数字化表达
3.2.1 数据来源与预处理 研究区信息提取来源于Landsat-8号卫星，该卫星是NASA于2013年发射，具有OLI和TIRS两个传感器，最高分辨率达15 m，可提供全球免费数据下载，广泛应用于植被、土壤、水体等领域，对于生态环境的研究最有重要意义[21]。研究利用130/37、130/38、130/39三景OLI影像作为遥感源数据，拍摄时间为2013年8月17日。利用ENVI 4.8对OLI数据进行几何校正、镶嵌、融合、裁剪等操作，完成数据的预处理，得到研究区543波段组合影像(图2，见封3)。另外，以ASTER GEDM 30 m分辨率的DEM数据作为基础地形数据，在ArcGIS9.3软件下通过几何校正、拼接、裁剪等操作，得到研究区DEM数据如图3所示。
图3 岷江上游DEM
Fig.3 The DEM in the upper reaches of Minjiang River
3.2.2 岷江上游干旱河谷属性因子提取 干旱河谷具有降水少、光照强、温差大、地质灾害频发等特征，裸地作为干旱河谷区内最主要的土地类型，能综合反映其降水、气候、植被等信息。因此，在进行空间范围界定过程中用裸地特征表征该区域内降水、气候、植被等约束条件。首先在ENVI 4.8软件下通过监督分类及分类后处理，提取出该区域裸地(包含少数植被覆盖度较低的地区)因子，用J表示(图4)；再利用岷江上游DEM，分别提取符合岷江上游干旱河谷约束条件的属性因子DEM、坡度、土壤类型数据(图5-图7)；该区域的相对高程因子以DEM数据为基础，通过ArcGIS水文分析模块可提取出符合约束条件的相对高程数据(图8)[22]。通过以上因子提取，实现了岷江上游干旱河谷约束条件的数字化表达。
图4 裸地 图5 DEM 图6 坡度 图7 土壤 图8 相对高程
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围界定
将所有数据统一转换为栅格格式，并对所有因子进行归一化处理，满足条件为1，否则为0。在因子提取中，岭谷相对高度是基于高程数据利用水文分析方法提取的，坡度信息同样来自于高程数据，因此岭谷相对高度和坡度因子与高程都具有较大的相关性，根据主成分分析法，将这两类因子归为辅助因子，其他因子归为主要因子。对所有因子进行临界值分类，结果如表2所示。
表2 因子归一化
Table 2 Factor normalization
因子类别符合条件不符合条件主要因子辅助因子A(地理位置)10J(裸地)10B(高程)10H(土壤类型)10C(岭谷相对高度)10D(坡度)10
在范围界定过程中，优先考虑主因子，当主因子不能准确判断时，加入辅助因子进行综合界定。首先满足地理位置，保证正确的地理位置，这是先决条件。由于裸地涵盖了多个属性要素，便成为第二个必须满足的因子。在此基础上分别用高程、土壤类型两个因子与裸地进行叠加分析，若范围大于另一个因子则需要加入第三个因子进行叠加，即同时满足三个因子；若小于第三个因子且在其范围之内则可判断为干旱河谷。最后利用辅助因子对提取出的干旱河谷范围进行验证。在ArcGIS9.3平台下，利用栅格计算器和其他空间分析功能，结合上述干旱河谷范围界定方法，生成岷江上游干旱河谷分布图(图9)。
图9 岷江上游干旱河谷边界示意
Fig.9 The boundary of arid valley in the upper reaches of Minjiang River
3.4 岷江上游干旱河谷结果分析
在ArcGIS软件中利用面积统计工具定量统计得出岷江上游干旱河谷区域面积为118 515 hm2，与国内部分学者的研究结果比对如表3所示，利用地理本体思想和GIS技术提取的岷江上游干旱河谷区面积介于众多研究结果之间。分析研究过程发现，研究选取的遥感影像时间为2013年8月17日，属于雨季节气，该时期降雨量较多、地质灾害频发。在汶川大地震剧烈扰动下，汶川县境内河谷区域诱发大量滑坡、泥石流等地质灾害，导致植被破坏、地面土壤岩石裸露，对干旱河谷区域定量判读造成一定的干扰，致使干旱河谷范围偏大。此外，干旱河谷的界定需要准确的降水、蒸发、气温、土壤类型、植被类型等数据，而在因子提取过程中，由于缺乏详细的气象表征数据，仅用裸地综合反映降水、气候、植被信息，存在一定的片面性和局限性，对研究结果造成一定的影响。
表3 岷江上游干旱河谷面积比对
Table 3 Area comparison of the arid valley of the upper reaches of Minjiang River
干旱河谷面积(hm2)研究人员及年份118515本文结果(2013)17000张荣祖(1992)100500何建社(2006)123078杨兆平(2007)138940袁辉(2007)92899杨德伟(2009)
4 结语
利用地理本体思想从干旱河谷相关概念特征分析入手，系统分析干旱河谷的属性特征和空间特征，本质上剖析干旱河谷概念的内涵、概念之间的语义关系及概念分类体系，尝试运用protege 4.1软件构建岷江上游干旱河谷地理本体模型，在此模型驱动下选取表征语义关系的属性因子，并利用GIS技术界定出岷江上游干旱河谷边界范围为118 515 hm2，介于众多研究结果之间，主要由于裸地特征判读分类过程中存在的季节性差异。该方法的实现为干旱河谷其他相关领域边界范围的科学界定和形象化概念分类表达提供了一种全新的解决思路。
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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
国家自然科学基金项目“岷江上游干旱河谷区梯级水电开发对生态环境波动效应研究”(41201541)
詹金凤(1989-)，女，硕士研究生，主要从事山区生态环境安全领域及3S技术与应用方面研究。*通讯作者E-mail:1007125977@qq.com
10.3969/j.issn.1672-0504.2015.02.014
P237；P951
A
1672-0504(2015)02-0065-05
