修改稿 基于GIS的大连旅顺口区地形起伏度分析-w (1).doc

基于GIS技术的大连旅顺口区地形起伏度测算研究（修改稿）基金项目：国家科技支撑计划(2008BAH31B06) [Foundation item: national science and technogy support program,No.2008BAH31B06]
第一作者简介:王慧鹏(1988—），男，山西省阳曲人，硕士研究生，研究方向为城市与区域规划。
通讯作者：王利(1965—)，男，辽宁省建平人，博士，教授，博士生导师。主要研究方向为区域发展规划与地理信息系统应用。

王慧鹏1,王 利1，2
（1. 辽宁师范大学城市与环境学院，中国 大连 116029；2.辽宁师范大学海洋经济与可持续发展研究中心，中国 大连 116029）

摘要:依据地形起伏度研究的理论和方法，充分运用地理信息系统软件的分析功能和制图技术，以1:5万DEM数据为基础，利用0.01km2的动态格网以街道为评价单元进行空间信息的处理和分析，计算大连旅顺口区的地形起伏度，制成地形起伏度专题地图,划分相应起伏区。分析得出旅顺口区局部地区地形起伏度较大，起伏度指数以中低值为主，并测算出各街道实际用地情况，为本区域经济发展和城市建设提供参考，也为区域制定科学的发展规划提供依据。
关键词:GIS；地形起伏度；旅顺口区

Measurement and Research of Relief Amplitude of Lyvshunkou District based on GIS
Wanghui Peng1, Wang Li 1, 2,
(1. College of Urban and Environment, Liaoning Normal University, Dalian, China, 116029; 2.Research Center
for Marine Economy and Sustainable Development, Liaoning Normal University, Dalian, China, 116029)
Abstract:This article fully uses analytical function and cartographic technique of geographic information system software according to theory and method for relief amplitude research. On the basis of Lyvshunkou District 1:50000 data, proceed processing and analysis of spatial information making use of 0.01km 2dynamic grid and township as statistical unit. The relief amplitude of Lvshunkou district is extracted and thematic map is drawn and divide the relief amplitude region . A conclusion is reached through analysis of relief amplitude index of local fluctuation is bigger which mainly focus on middle and low value. Kinds of topographic relief area and corresponding land using situation in various villages and towns are measured. This measured data can be reference in aspects of economic development, urban construction and establishment of regional scientific development planning.
Key words: GIS; Relief amplitude; Lyvshunkou district
1 引言
地形分析是地理信息系统空间分析中的重要组成部分，也是各类空间规划的基础。近年来随着GIS技术的不断发展及《全国主体功能区规划》的公布实施，关于地形起伏度的研究逐渐得到了许多专家学者的关注与重视，对地形起伏度的概念也存在多种表述，如朱红春等认为地形起伏度是指在所指定的分析区域内所有栅格中最大高程与最小高程的差，是反映地形起伏的宏观地形因子[1]；刘新华等认为地形起伏度是指地面一定距离范围内最大的高程差，其实质仍是坡度概念的一个延伸，可以作为区域水土流失评价的地形指标[2]；封志明等把地形起伏度又称为地表起伏度，是指区域海拔高度和地表切割程度的综合表征[3]。由此可见，地形起伏度仍然需要继续深入地研究。
旅顺口区位于辽东半岛最南端,属大连市辖区。东临黄海，西濒渤海，南与山东半岛隔海相望，北依大连，地理坐标为东经120°8′至121°35′之间，北纬38°7′至39°之间，是北抵俄罗斯、南达我国三亚的重要欧亚大陆桥，境内港口众多，区域位置优越。旅顺口区陆地南北纵距26.1公里，东西横距31.2公里，总面积506.8平方公里，海岸线长169.7公里。全境属长白山余脉构成的沿海丘陵地带，多山地丘陵，少平原低地，地势东高西低(参见图1)。当前对旅顺口区的研究主要集中在区域产业生态链构建研究[4]、自然旅游资源开发研究[5]、生态农业建设规划研究[6]及区域生态环境可持续发展研究[7]等方面，还没有专门关于旅顺口区地形起伏度方面的研究。
所以本文基于GIS技术的支持，应用1:5万DEM数据，对大连旅顺口区地形进行详细研究，分析旅顺口区的地形起伏度特征，为在较小区域内的地形起伏度研究提供一定的方法，同时也为区域规划的制定提供参考。

图1 旅顺口区行政区划图 图2 旅顺口区60米等高线地形图
Fig.1 The administrative division map of LyvShunKou Fig.2 The 60 meters terrain contour map of LyvShunKou
2 研究思路与方法
2.1 研究思路
地形起伏度的研究最早起源于1948年苏联科学院地理研究所提出的割切深度[8]。近年来，许多学者从各自的研究领域出发，在较大范围内提取大尺度的DEM数据分析其地形起伏度的空间分布特征及其对区域人口分布的影响[9-11]；把地形起伏度同滑坡、泥石流等地质灾害相联系，为区域防灾减灾提供方法[12-14]；将地形起伏度与城市土地利用类型结合起来，探讨地形对城市空间结构发展的影响[15]；通过对区域地形起伏度的计算和分析，把区域划分为不同的起伏区，指出区域经济发展的方向[16]。此外，把地形起伏度作为地图绘制和地貌特征分析的重要组成部分正日益成为地形研究的基本发展方向[17]。从国内外的研究进展来看，关于地形起伏度研究主要集中在对较大区域宏观地形状况的研究上，而在小范围内提取高分辨率的地形起伏度并进行分析研究的还为数不多。
根据大连城市规划、土地规划和发展规划等的用地要求，即“沿海地区60米等高线，坡度25度”，作为建设用地限制区，但把沿海和内地两部分综合起来看，这项指标并不太适宜，需要用一个更加客观的指标——地形起伏度来衡量(参见图2)。目前为止所获得的DEM数据及地形分析基础不能满足大连旅顺口区区域规划编制的要求。本文基于GIS技术的支持，应用1:5万DEM数据，利用高程、高差、坡度与坡向以及地形起伏度等参数对本区域地形做详细分析，为发展区域经济和编制区域规划提供参考。
2.2 研究模型与方法
地形起伏度的计算方法有多种：早期计算地形起伏度的公式是从地形起伏度的定义出发，进行宏观上的地形起伏度计算，其公式如下：
(1.1)
(1.1)式中R—地形起伏度，—单位面积内最大高程值，—单位面积内最小高程值。
牛文元等考虑了地形起伏度对生态环境脆弱的影响因素，把平地比重[9]引入地形起伏度的公式中，但利用此公式计算的结果较为粗糙，各分析单元差异也不显著，其公式如下：
(1.2)
(1.2)式中RDLS—地形起伏度指数，max(h)—地区的最高海拔高度，min(h)—地区的最低海拔高度，max(H)—全国陆地最高海拔高度，min(H)—全国陆地最低海拔高度，P(A)—地区平地所占面积，A—地区总面积[18]。
封志明等将500m作为中国基准山体高度，在原有基础上更新了计算模型，分析了地形起伏度与人口分布的关系，但在小范围的区域里没有得到运用。其公式如下：
(1.3)
(1.3)式中RDLS—地形起伏度指数,max(H)—区域内最高海拔，min(H)—区域内最低海拔，P(A)—区域内的平地面积,A—区域总面积[9]。
杜鹏等根据国家人口与计划生育委员会计算人居环境适宜性评价中地形起伏度指数的计算方法，结合了营口市的具体情况进一步改进了计算地形起伏度的公式，使其适合于较小区域内的地形起伏度分析。其公式如下：
(1.4)
(1.4)式中：ALT—以某一栅格单元为中心一定区域内的平均海拔，Max(H)—该区域最高海拔，Min(h)—该区域最低海拔,P(A)—区域内平地面积，A—区域总面积，AVG(H)—区域平均高程，AVG(H)-AVG(h)—区域内平均高程差[16]。
通过比较和分析关于计算地形起伏度的各种方法的优缺点以及区域适宜性，并且充分考虑到大连旅顺口区区域范围较小的实际情况，本文将采用(1.4)式来计算旅顺口区各评价单元的地形起伏度指数。
3 技术运用
3.1 研究过程
对地形起伏度的研究主要包括地形数据的收集和整理、数据空间运算以及对研究结果的分析与讨论等过程，具体研究流程如下：
基础数据准备
行政区划图
等高线地形图

制作街道边界
提取等高线节点

插值(IDW)

DEM
转出高程点

制作格网
数据空间运算

起伏度专题地图
划分地形起伏区
分析地形起伏度

图3 地形起伏度分析流程图
Fig. 3 The flow diagram based on the relief amplitude
3.2 研究步骤
地形起伏度的研究步骤主要是对MapInfo、Vertical Mapper等地形分析软件的配合使用；是对插值运算、赋值运算等数据运算的综合应用以及专题地图的绘制和分析。具体步骤如下：
第一步：数据准备。采用MapInfo软件进行数据格式转换及等高线矢量化，匹配坐标系为大连旅顺口区坐标系。
第二步：点集提取。Vertical Mapper(VM)是一套具备完整系统架构的3D(三维)分析系统工具集，主要采用MapInfo Professional的宏语言MapBasic开发而成的MBX扩展工具，密切配合MapInfo Professional使用。VM主要用于分析空间上连续数据的趋势，通过多重插值路径(TIN、IDW、Kriging等定制点估计)，可以生成渲染效果的图像(Grid格式)，也可以生成3D效果图，进而实现高程分析以及坡度、坡向等地形参数提取[19]。利用VM3.5制作大连旅顺口区数字高程模型，设定精度为10m，并利用其POLY—TO—POINT命令，提取等高线节点。
第三步：插值运算。插值的方法有多种，如反距离加权插值法(IDW)、克里格插值法(Kriging)和不规则三角网插值法(TIN)等。反距离加权插值法(IDW)是以插值点为中心，在一定范围内搜索待插值点，根据实测点与待插值点之间的距离分配权重系数[20]。反距离加权法使用预测区域内已知的样点值来预测区域其他位置的值，离预测点近的样点在预测过程中所占权重大于离预测点远的样点权重。这种插值方法操作比较简单，插值效率高且结果更具直观性，适合在旅顺口区这样较小区域内使用。其一般公式为:
(2.1)
(2.1)式中，为待测点S0的预测值，N为计算过程中要使用的预测点周围样点的数量；为计算过程中使用的各种点的权重，该值随着样点与预测点之间距离的增加而减少；是在处获得的测量值。确定权重的计算公式为：
(2.2)
(2.2)式中，p为参数，可以通过求均方根预测误差的最小值确定其最佳值。由公式可知，权重与预测点和已知样点间距离的p次幂成反比，因此，随着距离的增加，权重迅速减小；权重减少的速度取决于p值的大小[21]。
第四步：栅格矢量化，输出点。利用VM3.5中的EXPORT命令导出TAB文件，生成矢量化高程点图层。
第五步:矢量格网制作，完善属性字段。矢量格网的大小直接关系到地形分析的精确度和有效性，鉴于旅顺口区域面积较小，若设定的格网面积过大会影响地形起伏度的显著性，所以设定0.01 km2为每个格网的面积。运用MapInfo的GRIDMAKR.MBX工具完成全区域0.1km×0.1km格网制作，制成0.01 km2网格41655个，生成基础数据的承载层。利用“旅顺口区行政区划图”对区内各个街道的边界进行矢量化，以8个街道为基本评价单元。
第六步：表间交互赋值运算[22]。利用已生成的DEM数据通过赋值技术实现MapInfo下各表间相关数据的计算和更新。计算大连旅顺口区的平均高层和平均高层差；计算各个网格单元和街道单元的最高海拔、最低海拔以及平均海拔；计算每个网格的平地面积，由于本文选定的格网面积很小仅有0.01 km2，所以设定P(A)=0；计算每个网格的地形起伏度并计算每个街道单元的地形起伏度。
第七步：专题地图制作与汇总。制作“旅顺口区地形起伏度专题地图”(参见图4)。
第八步：各街道用地情况及地形起伏度指数计算。在MapInfo中计算旅顺口区各街道的用地情况和地形起伏度指数(参见表1)。依据《省级主体功能区划分技术规程》并综合考虑旅顺口区的总体地形特征，本文初步划定三个阀值，并根据其阀值划分为三个相应的起伏区域，即地形起伏度指数(RDLS)<1为低地形起伏区，1≤RDLS<5为中等地形起伏区，RDLS≥5的为高地形起伏区。

图4 旅顺口区地形起伏度格网图
Fig.4 The relief amplitude grid mapof LyvShunKou
4 地形分析结论
(1)旅顺口区地形起伏度整体呈东高西低，南高北低的空间格局，随着海拔高度的增加，地形起伏度呈逐渐升高的趋势。区域内各街道的地形起伏度指数以中低值为主，地形总体较为平缓，其中属于低起伏区和中等起伏区的街道各有3个；但局部地区地形起伏度较大且个别街道之间的起伏度指数相差很大，如铁山街道的地形起伏度指数为13.89，而北海街道的起伏度指数仅为0.25。
(2)旅顺口区的建设用地限制区与其所处的地形起伏区基本相对应。城市规划中规定“沿海地区60米等高线，坡度25度”，作为城市建设用地限制区，本区域中建设用地限制区面积比重较大的街道如长城街道和铁山街道，它们的限制建设区面积比分别为62.96%和46.10%，这两个街道都属高地形起伏区，而限制用地面积比仅为17.08%的三涧堡街道则属低地形起伏区。
(3)旅顺口区部分街道的实际用地情况与其所属的地形起伏区不协调一致。其中属于高地形起伏区的街道耕地和建设用地面积占街道总面积的比重偏高，如长城街道的耕地面积比和建设用地面积比分别为28.47%和15.84%，但由于高起伏区的地形起伏程度大，并不适宜进行大规模城市建设和发展种植业，而应降低城市开发建设强度，减少农业耕地面积，改变粗放式的种植方式，着力发展林果业和生态农业，实现经济和生态的协调发展。

表1 旅顺口区各街道用地情况及地形起伏度表
Tab.1The table of the township land use situation and relief amplitude
街道
名称
总面积/km2
限制建设区面积比/%
耕地面积比/%
建设用地面积比/%
林地面积比/%
起伏度指数
划分
区域
旅顺市区
70.58
30.04
20.08
47.76
14.91
3.61
中等起伏区
铁山街道
60.33
46.10
20.60
18.51
31.94
13.89
高起伏区
江西街道(开发区)
54.89
26.45
28.31
20.48
29.17
0.98
低起伏区
双岛湾街道
53.14
19.81
24.41
8.81
30.07
4.41
中等起伏区
三涧堡街道
47.14
17.08
36.83
27.17
8.12
0.88
低起伏区
长城街道
33.26
62.96
28.47
15.84
32.08
8.45
高起伏区
龙头街道
39.49
40.85
17.04
23.42
39.15
4.42
中等起伏区
北海街道
28.35
27.27
25.71
18.94
21.41
0.25
低起伏区

5 讨论
(1)采用本文的研究思路和方法，获得一定精度的DEM数据,成功地测算了大连旅顺口区各街道的用地情况和地形起伏度指数，为较小区域的地形研究提供了方法；但也存在如格网面积较小及运算速度慢等缺点，还有待在今后的研究中进一步改进。
(2)本研究结论为更加深入地分析大连旅顺口区的地形状况提供了一定的方法，对该区域的发展方向及区域规划的制定具有指导意义。

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