計(jì) 偉,江曉波

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川成都 610041;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100041）

湖南省山區(qū)范圍劃分初探

計(jì) 偉1,2,江曉波1＊

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川成都 610041;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100041）

山地和山區(qū)范圍的界定是山區(qū)數(shù)據(jù)庫建設(shè)和數(shù)字山地戰(zhàn)略實(shí)施的基礎(chǔ)。該文在GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的支持下,選取高程、道路密度、林草地比例、耕地比例、人口密度和 GDP 6個(gè)因子,通過構(gòu)建基于柵格單元的邊緣生長模型,計(jì)算非山地的柵格單元被劃分為山區(qū)的概率,并設(shè)定一個(gè)閾值以區(qū)分山區(qū)和非山區(qū),在湖南省山地范圍的基礎(chǔ)上探討其山區(qū)范圍的劃分。計(jì)算得到湖南省山區(qū)面積占總面積的64.52%,相對(duì)于山地面積增長了43.47%,且將原本孤立的山地連接成片,山區(qū)更具連續(xù)性和完整性。

湖南;山區(qū);山地;數(shù)字山地;地理信息系統(tǒng);數(shù)理統(tǒng)計(jì)

山地和山區(qū)是相似但不同的兩個(gè)概念。山地強(qiáng)調(diào)區(qū)域的自然屬性,其界線清晰明確;山區(qū)側(cè)重于區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性,其界線具有模糊性和不確定性。在數(shù)字山地戰(zhàn)略的實(shí)施過程中,山地和山區(qū)范圍的確定是構(gòu)建各類山地(區(qū)）數(shù)據(jù)庫的前提,也是山地信息化的基礎(chǔ)工作之一[1]。國內(nèi)外關(guān)于山地范圍劃分的研究較多,如 Kapos等在研究全球森林資源分布時(shí)對(duì)山地進(jìn)行了定義和劃分[2];Meybeck等利用地表起伏度對(duì)全球山地進(jìn)行了分類[3];江曉波采用兩種方案量化了中國的山地范圍[4]等。而山區(qū)范圍強(qiáng)調(diào)空間上的連續(xù)性和完整性,它的量化涉及人文和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等諸多因素,與山地范圍的量化相關(guān)但又有差別。郭紹禮等在縣級(jí)行政單元基礎(chǔ)上將中國劃分為山區(qū)縣、丘陵縣和平原縣[5];江曉波等在著重考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的基礎(chǔ)上,采用基于柵格的邊緣生長模型計(jì)算了四川省的山區(qū)范圍[6]。中國的中東部地區(qū)山地的分布較為破碎和孤立,利用邊緣生長模型計(jì)算中東部的山區(qū)范圍是否合適?湖南省作為我國中東部的山區(qū)大省,山區(qū)范圍的界定能為山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及和諧社會(huì)構(gòu)建提供決策依據(jù),從而對(duì)湖南山區(qū)甚至全省的可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。故本文以湖南省為例,對(duì)這一問題進(jìn)行探討。

1 湖南省山區(qū)范圍劃分方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖南省土地面積21.18萬km2,占全國國土面積的2.21%,地貌以山地、丘陵為主。全省東南西三面環(huán)山,湘北為洞庭湖平原,海拔多在50 m以下,湘中地區(qū)大多為丘陵、盆地和河谷沖積平原,形成從東南西三面向北傾斜開口的馬蹄形狀[7]。本研究采用聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署世界保護(hù)與監(jiān)測(cè)中心(UNEPWCMC）標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于山地的定義,即把海拔2 500 m以上以及海拔介于300～2 500 m、但表現(xiàn)出較陡坡度或在小范圍內(nèi)高程變化很大的區(qū)域都劃為山地。根據(jù)文獻(xiàn)[6],湖南省山地范圍在1 km分辨率時(shí)為73 392 km2,占全省總面積的21.05%。山地主要分布在湘西部和湘東南,主要山脈有西北部的武陵山、中西部的雪峰山、南部的南嶺、東南部的羅霄山和東北部的幕阜山。除西北部相對(duì)集中的平行山脈之外,其他區(qū)域的山地分布均較為零散。

1.2 基本思路

本研究所采用的基于柵格單元的邊緣生長模型主要由 GIS的空間分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析(聚類分析和多元回歸分析）構(gòu)成,即在確定山地是山區(qū)核心的基礎(chǔ)上,計(jì)算非山地的柵格單元被劃分為山區(qū)的概率,并設(shè)置一定的閾值以區(qū)分山區(qū)和非山區(qū)。基本流程如圖1所示。

湖南省山地分布相對(duì)分散,斑塊較為破碎,根據(jù)柵格邊緣生長模型的原理,山地斑塊周邊將有更多的柵格單元參與模型計(jì)算,從而可能使山區(qū)的范圍相對(duì)于山地范圍出現(xiàn)較大的增長。

1.3 數(shù)據(jù)采集

研究數(shù)據(jù)主要有:1）DEM和山地范圍數(shù)據(jù),DEM數(shù)據(jù)源自熱帶農(nóng)業(yè)國際中心(International Center of Tropical Agriculture）,山地范圍由DEM數(shù)據(jù)按照UNEP-WCMC的山地定義計(jì)算出,兩類數(shù)據(jù)空間分辨率均為86 m;2）道路數(shù)據(jù),源于國家測(cè)繪局,比例尺為1∶25萬;3）2000年土地利用數(shù)據(jù),由地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)西南山地分中心(http://im de.geodata.cn）提供,比例尺為1∶10萬;4）2000年人口和GDP柵格數(shù)據(jù),由地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.geodata.cn）提供,空間分辨率為1 km。將以上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的投影和坐標(biāo)系統(tǒng)下,采用SPSS完成統(tǒng)計(jì)分析,用A rcGIS完成數(shù)據(jù)處理和制圖。

圖1 湖南山區(qū)范圍計(jì)算流程Fig.1 Stream line of computing mountainousarea of Hunan

1.4 模型的確定

1.4.1 因子提取 根據(jù)山區(qū)兼有自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性且偏重于社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性的特點(diǎn),本研究選取高程、道路密度、林草地比例、耕地比例、人口密度和GDP 6個(gè)因子參與邊緣生長模型的運(yùn)算,并采用1 km2的柵格作為基本分析單元。因子的提取過程如下:1）高程因子采用DEM數(shù)據(jù)重采樣為分辨率1 km的數(shù)據(jù)。2）道路密度因子采用A rcGIS的空間分析功能,計(jì)算出1 km×1 km范圍內(nèi)道路的加權(quán)長度,即道路密度。首先根據(jù)等級(jí)對(duì)道路賦不同的權(quán)重,如高速公路和國道為一級(jí),省道、縣道、鄉(xiāng)村道分別為二、三、四級(jí);其次利用A rcGIS的線密度計(jì)算工具計(jì)算1 km×1 km范圍內(nèi)的道路密度。為了增加道路對(duì)周邊的影響范圍,采用柵格窗口分析方法將10 km×10 km范圍內(nèi)道路密度的最大值賦給窗口內(nèi)各個(gè)柵格,以此結(jié)果作為道路密度因子參與模型運(yùn)算。3）林草地和耕地面積比例因子。以林草地為例,首先將矢量土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0.5 km分辨率的柵格數(shù)據(jù),將林草地柵格賦值為1,其余為0;其次利用A rcGIS的柵格合并工具計(jì)算相鄰4個(gè)柵格值的和,有0、1、2、3、4五種類型,分別表示在1 km×1 km范圍內(nèi)林草地所占面積比例為0、25%、50%、75%、100%。同理計(jì)算耕地面積比例。4）人口密度和GDP因子可直接利用原柵格數(shù)據(jù)。

根據(jù)山地范圍數(shù)據(jù),在非山地區(qū)域提取以上6個(gè)因子的數(shù)據(jù),導(dǎo)出每個(gè)因子在每個(gè)柵格上的值,并在EXCEL中組成二維數(shù)據(jù)表。

1.4.2 模型運(yùn)算 柵格邊緣生長模型的核心是由SPSS的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析建立的邏輯回歸方程:

式中:F為山區(qū)概率,X1為高程因子,X2為道路因子,X3為林草地因子,X4為耕地因子,X5為人口因子,X6為 GDP因子,a、b、c、d、e、f為各因子的系數(shù), g為常量。

將6個(gè)因子組成的數(shù)據(jù)表導(dǎo)入SPSS進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。首先對(duì)其進(jìn)行聚類分析,確定由因子自動(dòng)聚類生成的山區(qū)和非山區(qū);其次進(jìn)行二值回歸分析,將聚類結(jié)果作為回歸的因變量,6個(gè)因子作為自變量,計(jì)算邏輯回歸方程的系數(shù)(表1）。

表1 二值回歸因子系數(shù)Table 1 Values of constant and coefficients of themodel

在A rcGIS中利用柵格計(jì)算方法構(gòu)建并運(yùn)算回歸方程,計(jì)算每個(gè)非山地柵格被劃為山區(qū)的概率,由于概率值在[0,1]內(nèi)呈兩極分布,故設(shè)定0.5為判定山區(qū)和非山區(qū)柵格的概率閾值。觀察圖斑面積數(shù)據(jù)的分布發(fā)現(xiàn),100 km2是圖斑面積分布的拐點(diǎn),故設(shè)定100 km2作為閾值對(duì)山區(qū)和非山區(qū)內(nèi)部的小圖斑進(jìn)行處理,將面積未達(dá)閾值的小圖斑并入周圍的主要類型中,結(jié)果如圖2所示。

圖2 湖南省山區(qū)范圍Fig.2 Mountainousarea in Hunan

2 湖南省山區(qū)范圍劃分結(jié)果及其驗(yàn)證

2.1 湖南省山區(qū)范圍

邊緣生長模型計(jì)算結(jié)果顯示,湖南省山區(qū)范圍為136 814 km2,占湖南省總面積的64.52%,比山地范圍增長了43.47%;原本孤立的山地被連接成片,山區(qū)大致沿著山脈的走向分布在湘西以及湘南、湘東的邊緣地區(qū),更具連續(xù)性和完整性。這在湘西地區(qū)表現(xiàn)突出,以東北-西南向的武陵山和雪峰山的平行山脈為核心,拓展出的山區(qū)包括絕大部分湘西地區(qū),只沿沅江和灃水分布著若干狹長的非山區(qū)地帶;湘東南的羅霄山脈及東北的幕阜山經(jīng)模型計(jì)算后,不但將原本分散的山地連接起來,山區(qū)還向湘中和湘北的丘陵和平原地區(qū)延伸了一定范圍。在衡陽市西南部有一孤立的山區(qū),面積636 km2,海拔65～214 m。分析各因子數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),這一地區(qū)林草地覆蓋度較高,但人口、GDP、道路密度等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子的值均偏低。從整體看,該地區(qū)受南嶺支脈陽明山的影響,在各方面均表現(xiàn)出山區(qū)的特點(diǎn),因此將其劃入陽明山的山區(qū)范圍。

2.2 結(jié)果驗(yàn)證

采用做剖面線的方法,選用29°緯線對(duì)山地山區(qū)以及各個(gè)因子做剖面分析(圖3）?？梢钥闯?在剖面線的東西兩端,以山地為核心,山區(qū)有了較大的增長;尤其西部增長明顯,原本離散的山地被連接成片,表現(xiàn)出較好的連續(xù)性和完整性。6個(gè)因子中, DEM、林草地、耕地面積比例在山區(qū)和非山區(qū)的數(shù)據(jù)分布表現(xiàn)出明顯的差異性。山區(qū)范圍與因子之間的相關(guān)性在剖面圖上也得到了直觀的表達(dá),如DEM、林草地面積比例與山區(qū)范圍呈正相關(guān),其他因子與山區(qū)范圍呈負(fù)相關(guān)。

圖3 剖面驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Transect validation

丘陵地區(qū)在土地利用、道路交通等方面受山地的影響,表現(xiàn)出與山地相似的特征,因此山區(qū)范圍除包括所有的山地外,還包括絕大部分丘陵和部分崗地。將山區(qū)范圍與統(tǒng)計(jì)資料對(duì)比可知,大部分地級(jí)市的山區(qū)范圍與山地丘陵的面積之和一致(表2）,這也從另一方面驗(yàn)證了山區(qū)計(jì)算結(jié)果的有效性。

表2 山區(qū)面積比例和統(tǒng)計(jì)資料Table 2 Percentage of mountainousarea in Hunan and the statistics

3 問題分析

與山地相鄰的一定范圍內(nèi)的地區(qū)因受山地的影響,在人文和社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面表現(xiàn)出與山地相似的特征。因此,可將山地周圍擴(kuò)展出的區(qū)域作為山地和平原之間的緩沖區(qū)。一般在面積和緩沖寬度相同的情況下,越復(fù)雜的圖形,其分形維數(shù)越大,周長越長,緩沖區(qū)面積也越大。在山區(qū)范圍的計(jì)算過程中,當(dāng)山地的分布較為分散和破碎時(shí),核心斑塊的周長更長,意味著山地周邊有更多的柵格單元參與邊緣生長模型的運(yùn)算,因此生長出的山區(qū)范圍涵蓋了山地周邊的丘陵、崗地及部分谷地和平原,在空間上更具連續(xù)性和完整性,其較山地范圍有大幅度增加。

所選6個(gè)因子中,林草地和耕地面積比例是與山地范圍相關(guān)性最高的兩個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子,其中林草地面積比例與山地范圍呈正相關(guān),耕地面積比例與山地范圍呈負(fù)相關(guān);在回歸模型中二者的系數(shù)也較高,是對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大的兩個(gè)因子。對(duì)于山地周邊的柵格而言,耕地比例越低,林草地比例越高,被劃為山區(qū)的概率越大。以四川省和湖南省對(duì)比,二者2000年的耕地面積和林草地面積比例相當(dāng),但在非山地區(qū)域內(nèi),湖南省的耕地面積比例遠(yuǎn)低于四川省,而林草地面積比例卻較高。因此,在湖南省的非山地區(qū)域運(yùn)行邊緣生長模型會(huì)使大量柵格單元被劃為山區(qū),這也是湖南省山區(qū)范圍增長遠(yuǎn)多于四川省的一個(gè)主要原因(四川省的山區(qū)面積比山地面積僅增長了3.21%[6]）。

在湘西、湘南和湘中,山區(qū)范圍的計(jì)算結(jié)果包括較多的平原和河谷地區(qū),個(gè)別地區(qū)的山區(qū)范圍甚至超過了山地、丘陵、崗地三者之和。例如,湘東南的郴州和湘西北的張家界兩地區(qū)的山地丘陵面積約占總面積的3/4,但計(jì)算結(jié)果中郴州市83.65%的面積被山區(qū)覆蓋,張家界的山區(qū)面積達(dá)90.22%。造成這種過量增長的原因主要有兩方面:1）在山地分布較為離散和破碎的中東部地區(qū),數(shù)據(jù)的精度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響更顯著。首先在山地范圍的計(jì)算過程中,相對(duì)高度的計(jì)算方法直接影響到計(jì)算結(jié)果,但這方面至今沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。其次,本研究中由于人口和GDP數(shù)據(jù)的精度限制,采用1 km2的柵格作為計(jì)算單元,精度較高的土地利用、道路等數(shù)據(jù)在處理過程中不斷降低分辨率,造成信息丟失。最后,為了突出道路對(duì)周圍社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響范圍,對(duì)道路密度進(jìn)行了10 km×10 km的平滑,但在實(shí)際中高速公路的影響范圍不止10 km,普通農(nóng)村道路的影響范圍可能不到10 km,對(duì)不同等級(jí)的道路用同樣的平滑范圍也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差。2）與分布集中的山地相比,分布分散的山地與非山地地區(qū)在人口資源等方面的交流更加便利和頻繁,山區(qū)和非山區(qū)間人文和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的差異相對(duì)較小,因此選用以上6個(gè)因子建立模型來區(qū)分山區(qū)和非山區(qū)的顯著性要低于山地集中的地區(qū)。例如,這6個(gè)因子與山地范圍的相關(guān)性,除高程因子呈顯著相關(guān)外,其余因子的相關(guān)性都偏低,如人口和GDP與山地的相關(guān)性分別僅有0.121和0.075。這一方面與數(shù)據(jù)精度較低有關(guān),另一方面也受到山區(qū)和非山區(qū)間差異性減小的影響。

4 結(jié)論

1）湖南省山地分布較為破碎和分散,與我國西部山地集中的情況有較大的差異。根據(jù)邊緣生長模型計(jì)算得到的湖南省山區(qū)范圍約為136 814 km2,占湖南省總面積的64.52%,一方面突出了山區(qū)的人文和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn),另一方面也實(shí)現(xiàn)了山區(qū)在空間上的連續(xù)性和完整性。2）湖南省山區(qū)范圍比山地范圍增長了43.47%,一方面是由于山地分布的分散性,造成參與邊緣生長模型運(yùn)算的柵格單元增加;另一方面是湖南省非山地區(qū)域內(nèi)林草地面積比例較高而耕地面積比例較低。3）由于數(shù)據(jù)完備性和精度方面的限制,利用邊緣生長模型計(jì)算結(jié)果在個(gè)別地區(qū)與實(shí)際情況存在一定差別,需探索新的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)因子影響力或貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化,使其所代表的信息更接近實(shí)際。例如,對(duì)道路密度數(shù)據(jù)處理時(shí)可以生成可變半徑的緩沖區(qū),在主要道路和道路交匯點(diǎn)處增加緩沖區(qū)半徑,以表現(xiàn)其影響程度和影響范圍。進(jìn)一步的研究是繼續(xù)改進(jìn)邊緣生長模型,并將此計(jì)算方法推廣到其他山地分布分散的省區(qū),進(jìn)而獲得全國的山區(qū)范圍。

[1] 周萬村,江曉波.地理信息系統(tǒng)的發(fā)展軌跡與數(shù)字山地構(gòu)建[J].山地學(xué)報(bào),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,V?R?SMARTY C.A new typology fo r mountains and other relief classes[J].Mountain Research and Development,2001,21(1）:34-45.

[4] 江曉波.中國山地范圍界定的初步意見[J].山地學(xué)報(bào),2008,26 (2）:129-136.

[5] 郭紹禮,張?zhí)煸?中國山地分區(qū)及其開發(fā)方向的初步意見[J].自然資源學(xué)報(bào),1986,1(1）:28-40.

[6] 江曉波,曾鴻程.量化中國山區(qū)范圍——以四川省為例[J].山地學(xué)報(bào),2009,27(1）:24-32.

[7] 湖南省統(tǒng)計(jì)局.湖南統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計(jì)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

中國科學(xué)院西部之光項(xiàng)目“山區(qū)小城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展決策支持系統(tǒng)”;國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2007CB411507）;國家科技支撐計(jì)劃(2006BAB04A 08）;中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所前沿項(xiàng)目“數(shù)字山地原型研究”

計(jì)偉(1984-）,女,碩士研究生,研究方向?yàn)檫b感、GIS應(yīng)用和數(shù)字山地。＊通訊作者E-mail:jxb@imde.ac.cn