CN101482612B - 基于地理信息系统技术的河网地区水系连通性测度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理信息系统技术的河网地区水系连通性测度方法，它包括获取研究区域河网水系的初始解译数据；建立河网水系初始解译数据的空间拓扑结构；获得河网水系的河链和节点的初步数据；识别并删除河网水系中的重复节点；计算河网地区水系连通性指标等步骤。本发明将GIS技术引入对河网地区水系连通性的测度，减少主观方法带来的失误；同时，利用ArcGIS的VB编程技术和拓扑重建技术，规避了现有GIS技术工具在获取河网水系的河链和节点数据时的不准确性问题，能较为科学地测度高密度河网地区的水系景观连通性，为区域景观生态规划提供定量参考。

Description

基于地理信息系统技术的河网地区水系连通性测度方法

技术领域

本发明涉及景观生态规划领域，具体是指采用地理信息系统技术(GIS)和遥感技术(RS)测度平原河网地区水系的景观连通性。

背景技术

河流廊道是重要的生态廊道之一，在区域景观生态规划实践中，河流廊道空间结构特征的度量分析指标一般包括廊道长度和宽度、廊道曲度、廊道连通性、廊道密度等，其中，河流廊道连通性是核心指标之一，对于河流水文调节、生物多样性保护等生态系统服务功能具有重要的表征意义。河网连通性一般是指河链与河网内所有节点的连接程度，参考图论理论，目前大多要采用水系网络的实际成环率α、连接率指标β、和实际结合度指标γ来加以测度和评价，各指标计算公式如下：

α＝(L-N+p)/(2N-5p)0≤α≤1(1)

β＝L/N 3＞β＞0(2)

γ＝L/[3×(N-2)]0≤γ≤1(3)

以上三式中，L是指河网中的河链数，N是指河网节点数，p是指河网中的子网数，即相互不发生水力联系的子水系数，在一个特定研究区域，水系一般都是相互连通的，取p＝1。可以看出，河链数L和河网节点数N是河网水系连通性测度所需要的关键参数。

近年来河网水系连通性测度方法的应用开始得到关注，例如：丁圣彦(2004)对清末一百年以来河南开封地区的水域景观连通性的测度(丁圣彦，曹新向.清末以来开封市水域景观格局变化.地理学报，2004，59(6)：956～963)；何晓蓉(2004)对青藏高原尼洋河流域水系连通性的测度(何晓蓉，李辉霞，范建容等.青藏高原流域廊道体系对生态环境的影响-以尼洋河流域为例，水土保持研究，2004，11(2)：97～99)；徐慧(2007)对江苏太仓地区水系现状和规划方案连通性的测度(徐慧，徐向阳，崔广柏.景观空间结构分析在城市水系规划中的应用.水科学进展，2007，18(1)：108～113)；卢涛(2008)对2004年中国东北三江平原3个矩形样区的网状沟渠的连通性的测度(卢涛，马克明，傅伯杰，等.三江平原沟渠网络结构对区域景观格局的影响.生态学报，2008，28(6)：2476～2452)。

应该指出，上述河网水系廊道连通性的研究区域大多为低密度河网地区，或是研究区域河网已经过概化，河网结构较为简单，一般仅存在1个子图网络，因而大多采用目视判断即可识别河流廊道中的节点和河链，虽然该方法的主观性较强，但所获得的N值和L值以及相应的水系连通性测度结果一般可较为准确。然而，一方面，平原河网地区水系高度发育，河道纵横交错，河网节点和河链较为复杂，两者数目可达数百个以上；另外一方面受城市化影响，往往研究区域的水系被相互隔断，可能存在多个相互不发生水力联系的网络子图，这都导致靠主观的目视方法将难以准确判断河网中的N值、L值、p值，河网水系连通性的测度方法也因而面临困惑。

发明内容

本发明的目的：采用GIS技术对平原河网地区水系连通性进行测度，解决当前依靠目视判读的主观方法存在的困惑。当前河网水系景观连通性测度多依赖于目视判读的主观方法，为突破这一技术方法的局限性，增加河网节点和河链识别方法的可靠性和准确性，尝试引入RS和GIS技术，对高密度河网地区的水系景观连通性进行科学测度。利用RS技术获得研究区域水系的遥感影像图，进一步进行GIS解译，利用ArcMap的高级编辑工具的打散功能(Explode Multi-Part Feature)获得河网中的河链空间位置和河链数L值，进一步依据线点转换功能(feature to point)获得河网中的节点空间位置和节点数N值。在判断区域网络子图数p值的基础上，获得表征平原河网地区水系连通性的α、β、γ等参数，并指出其中对表征水系廊道结构最具有物理意义的指标；提出水系连通性GIS测度方法中的关键技术，以解决GIS自带工具在判读河网水系节点和河链时存在的偏差。河流廊道连通性测度的关键环节在于识别河网中河链和河道节点(尤其是节点判读)，在实际操作中发现，一方面，由于初始的河网水系解译数据在相交、重叠等拓扑结构上往往存在疏漏，直接用于河流廊道节点和河链识别将造成偏差，因而根据河网结构中的可能存在的拓扑错误，应在一定容差限范围内重新建立河网水系的空间拓扑结构；另一方面，采用ArcMap的feature to point功能对河网水系进行线点转换之后存在河网节点发生重复问题(重复节点)，打散之后存在过短河链(伪河链)，如何去除重复节点和伪河链是要解决的问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于地理信息系统技术的河网地区水系连通性测度方法，包括以下具体步骤：

(a)获取研究区域河网水系的初始解译数据

以河网水系连通性测度的案例研究区域的遥感影像资料为数据源，采用ArcGIS 9.2软件进行配准校正、降噪增强、数据融合处理后，定量解译并获得研究区域shp格式的面状河道要素，通过工具箱中的数据管理模块的定义投影工具定义河道中心线的地理坐标系统；

利用ArcGIS 9.2工具箱中的转换工具，把shp格式的面状河道要素转换成Coverage格式，然后利用工具箱中的提取中心线工具(Collapse Dual LineTo Centerline)，产生河道中心线，获得河网水系的初始解译数据，其包含河流空间形态、河流长度、河流数量，以及地理坐标系统；其中河流长度和河流数量储存于自动生成的数据属性表中；

(b)建立河网水系初始解译数据的空间拓扑结构

在ArcGIS 9.2的目录管理模块(ArcCatalog)中新建一个个人文件目录(Personal Geodatabase)，在该目录中新建一个数据集(Feature Dataset)，将河网水系的初始解译数据的地理坐标系统作为该数据集的地理坐标系统，再将初始解译数据导入该数据集，在该数据集上建立一个拓扑结构，设置一定长度距离的容差限，确定拓扑规则，将初始解译数据作为拓扑结构的修改对象，识别其中的错误拓扑结构，并加以修正；

(c)获得河网水系的河链和节点的初步数据

在ArcMap 9.2中对经过拓扑结构修正的河网水系解译数据进行合并(Union)操作，即将全部的河道中心线合并为一个单要素，利用高级编辑工具里的打散工具将前述单要素数据进行打散操作，获得河网水系中的河链数据；进一步根据节点转换工具，选择顶点类型，获得河网水系中的节点数据；所获节点数据会存在同一节点位置多次重复出现相同节点；

(d)识别并删除河网水系中的重复节点

在ArcMap9.2中打开(c)步骤所获得的河网节点数据，在数据属性表中增加地理坐标X字段和Y字段，以及用于判断节点是否重复的IF_DUP字段；在X/Y两个地理坐标字段的字段计算器中进行VB编程，获得各节点的地理坐标；根据各个节点的地理坐标，在IF_DUP字段的字段计算器中进行VB编程，判断各个节点是否发生重复，对发生多次重复的河网节点予以删除，只保留一个节点，不发生重复的河网节点则保持不变；

(e)计算河网地区水系连通性指标

在ArcMap9.2中打开(c)步骤所获得的河链数据的属性表和(d)步骤获得的河网节点数据的属性表，查看河网水系的河链数和节点数，并判断河网中的子图数；根据网络结构测度公式，计算研究河网地区水系的景观连通性指标。

所述拓扑规则为“不能重叠”(must not overlap)，一定长度距离的容差限值设置为20m。

所述顶点类型选择为所有顶点(All ends)。

所述VB编程计算IF_DUP字段的值时，若节点在某一位置第一次出现，则程序设定IF_DUP＝0，若节点在该位置第二次或更多次出现，则设定IF_DUP＝1；对所有节点进行以上程序运算，然后对IF_DUP字段值进行排序操作，将IF_DUP＝0和IF_DUP＝1的节点加以区分，并将所有IF_DUP＝1的节点即并不是第一次出现的所有节点予以删除，同一节点位置只保留一个节点。

所述河网地区水系的景观连通性指标中选择连接率β指标为核心指标，其他为参考指标。

本发明将GIS技术引入对平原河网地区水系连通性的科学测度，试图避免目前依靠目视方法来判读河网水系中关键要素的不足，减少主观方法可能带来的失误。同时，本发明利用ArcGIS的VB编程技术和拓扑重建技术，规避了现有GIS技术在水系连通性测度时所存在的技术问题。总体来看，本发明能较为科学和准确地测度高密度河网地区的水系景观连通性，为区域景观生态规划提供定量参考。

附图说明

图1为上海中心城区河网水系的初始解译数据图

图2为上海中心城区河网初始解译存在的几类拓扑错误图

图3为上海中心城区河网水系初始解译数据的拓扑修正图

图4为经过拓扑修正的上海中心城区河网水系图

图5为经过union操作后被打散所得河网中的河链图

图6为根据feture vertices to points工具获得河网中的节点图

图7为基于GIS技术所获得的河网水系节点(包括重复节点)和河链示意图

图8为根据节点坐标进行VB编程识别河网水系中的重复节点图

具体实施方式

以2000年上海中心城区河网水系连通性的测度为例，对具体技术的实施步骤进行详细说明，其中关键步骤的实现可参阅相关附图。

(a)获取研究区域河网水系的初始解译数据

以2000年上海中心城区的遥感影像资料为数据源，采用ArcGIS 9.2软件进行配准校正、降噪增强、数据融合处理后，定量解译研究区域面状河道要素(polygon)，存储为shp格式。利用Arctoolbox中的conversion tools工具模块，把上海中心城区河道polygon格式数据转换成Coverage格式，然后利用Arctoolbox中的Collapse Dual Line To Centerline工具，产生上海中心城区所有河流的中心线，参阅图1。

(b)建立河网水系初始解译数据的空间拓扑结构

在ArcMap9.2中，通过无限放大等方法查看上海中心城区河网水系的初始解译数据可能存在的拓扑错误，发现其中可能存在三种拓扑问题，即应保持连续的同一条河流被分割、应相互交汇的两条或多条河流未能相交、应相互交汇的两条或多条河流的交叉发生过头现象等，参阅图2。

为解决上海中心城区河网水系初始解译数据存在的拓扑错误，在ArcCatalog中新建一个Personal Geodatabase文件目录，在该目录新建一个Feature Dataset，保证该数据集的地理坐标系统与线形河道解译数据相一致。将上海中心城区河网水系数据导入新建的Feature Dataset，在该数据集上新建一个Topology，对上海中心城区的河道解译数据进行拓扑结构修正，其中容差限值选择为20m，拓扑规则选择为“must not overlap”，参阅附图3、附图4。进行拓扑修正操作后可以发现，河网水系的初始解译数据中存在的拓扑错误已被得到修正，如附图2中存在的错误，以及河道的相互重叠问题等。

(c)获得河网水系的河链和节点的初步数据

在ArcMap9.2中，对经过拓扑修正的上海中心城区河网解译数据进行Union操作，将各个线性河道合并为同一个对象(注意union操作后，应在属性表里删除所有其他单个河道对象)，利用高级编辑工具里的ExplodeMultipart Feature功能将union文件中的数据进行打散，获得河网水系中的河链空间位置，参阅附图5，以及相应的河链数L，查看属性表L＝152。

以河链数据为对象，根据AarcToolbox的Feture Vertices to Points获得河网中的全部廊道节点，point type选择both ends，即可获得每一条河链的两端节点，参阅附图6、附图7，查看属性表发现，河网水系节点数N＝304。

(d)识别并删除河网水系中的重复节点

以河网节点数据为对象，在设属性表中增加横坐标和纵坐标字段名，依次为coordinate_x、coordinate_y，在这两个字段右键进行FieldCalculator，获得各个河网节点的x/y坐标。

1)获得全部河网节点的X坐标，点击字段名Field Calculator，选中advanced填入以下程序代码：

Dim Output As Double

Dim pPoint As IPoint

Set pPoint＝[Shape]

Output＝pPoint.X

X＝Output

2)获得全部河网节点的Y坐标，程序代码如下：

Dim Output As Double

Dim pPoint As IPoint

Set pPoint＝[Shape]

Output＝pPoint.Y

Y＝Output

点击field calculator中的ok按钮，运行上述程序，发现所有节点的X/Y坐标均已得到更新，对节点坐标进行排序操作，可以发现许多点的坐标是完全相同的，即存在一个节点位置重复存在多个节点的问题。

识别重复的河网节点，在属性表中增加字段IF_DUP，点击字段名FieldCalculator，选中advanced填入以下程序代码：

Static d As Object

Static i As Long

Dim iDup As Integer

Dim sField

sField＝[coordinate_x]&[coordinate_y]

If(i＝0)Then

Set d＝CreateObject(″Scripting.Dictionary″)

End If

If(d.Exists(CStr(sField)))Then

iDup＝1

Else

d.Add CStr(sField)，1

iDup＝0

End If

i＝i+1

“IF_Dup＝”框中输入iDup

点击field calculator中的ok按钮，运行以上程序，字段IF_dup若不存在重复，则值为0；若存在重复，首次出现要素值为0，其余重复出现要素值为1，即判断重复为真。可通过属性表options的SQL功能，选择重复记录(IF_dup＝1)，在属性表中予以删除。此时，属性表的所有节点将不再存在相互重复问题，参阅附图8，获得上海中心城区河网水系中的廊道节点数N，查看属性表，得到N＝149。

在ArcMap中查看上海中心城区河网水系中存在的子网络数p，即相互不发生水力联系的水系，经过简单目视判断得到p＝5。

(e)计算河网地区水系连通性指标

依据所获得的上海中心城区河网水系中的廊道节点数N值、河链数L值和水系子图数p值，根据图论中的网络结构测度公式，计算研究区域河网水系的景观连通性指标。2000年上海中心城区河网水系的廊道连通性的连接率指标β＝0.955。根据图论理论和连接率指标的物理意义推断，2000年上海中心城区河网水系为树枝状的廊道结构，总体来看已不具有平原河网地区的网格状水系结构特征。作为参考指标，实际成环率α＝0.007，实际结合度γ＝0.331。

Claims (5)

1.一种基于地理信息系统技术的河网地区水系连通性测度方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

(a)获取研究区域河网水系的初始解译数据

以河网水系连通性测度的案例研究区域的遥感影像资料为数据源，采用ArcGIS 9.2软件进行配准校正、降噪增强、数据融合处理后，定量解译并获得研究区域shp格式的面状河道要素，通过工具箱中的数据管理模块的定义投影工具定义河道中心线的地理坐标系统；

利用ArcGIS 9.2工具箱中的转换工具，把shp格式的面状河道要素转换成Coverage格式，然后利用工具箱中的提取中心线工具(Collapse Dual LineTo Centerline)，产生河道中心线，获得河网水系的初始解译数据，其包含河流空间形态、河流长度、河流数量，以及地理坐标系统；其中河流长度和河流数量储存于自动生成的数据属性表中；

(b)建立河网水系初始解译数据的空间拓扑结构

在ArcGIS 9.2的目录管理模块(ArcCatalog)中新建一个个人文件目录(Personal Geodatabase)，在该目录中新建一个数据集(Feature Dataset)，将河网水系的初始解译数据的地理坐标系统作为该数据集的地理坐标系统，再将初始解译数据导入该数据集，在该数据集上建立一个拓扑结构，设置一定长度距离的容差限，确定拓扑规则，将初始解译数据作为拓扑结构的修改对象，识别其中的错误拓扑结构，并加以修正；

(c)获得河网水系的河链和节点的初步数据

在ArcMap 9.2中对经过拓扑结构修正的河网水系解译数据进行合并(Union)操作，即将全部的河道中心线合并为一个单要素，利用高级编辑工具里的打散工具将前述单要素数据进行打散操作，获得河网水系中的河链数据；进一步根据节点转换工具，选择顶点类型，获得河网水系中的节点数据；所获节点数据会存在同一节点位置多次重复出现相同节点；

(d)识别并删除河网水系中的重复节点

在ArcMap9.2中打开(c)步骤所获得的河网节点数据，在数据属性表中增加地理坐标X字段和Y字段，以及用于判断节点是否重复的IF_DUP字段；在X/Y两个地理坐标字段的字段计算器中进行VB编程，获得各节点的地理坐标；根据各个节点的地理坐标，在IF_DUP字段的字段计算器中进行VB编程，判断各个节点是否发生重复，对发生多次重复的河网节点予以删除，只保留一个节点，不发生重复的河网节点则保持不变；

(e)计算河网地区水系连通性指标

在ArcMap9.2中打开(c)步骤所获得的河链数据的属性表和(d)步骤获得的河网节点数据的属性表，查看河网水系的河链数和节点数，并判断河网中的子图数；根据网络结构测度公式，计算研究河网地区水系的景观连通性指标。

2.根据权利要求1所述的测度方法，其特征在于所述拓扑规则为“不能重叠”(must not overlap)，一定长度距离的容差限值设置为20m。

3.根据权利要求1所述的测度方法，其特征在于所述顶点类型选择为所有顶点(All ends)。

4.根据权利要求1所述的测度方法，其特征在于所述VB编程计算IF_DUP字段的值时，若节点在某一位置第一次出现，则程序设定IF_DUP＝0，若节点在该位置第二次或更多次出现，则设定IF_DUP＝1；对所有节点进行以上程序运算，然后对IF_DUP字段值进行排序操作，将IF_DUP＝0和IF_DUP＝1的节点加以区分，并将所有IF_DUP＝1的节点即并不是第一次出现的所有节点予以删除，同一节点位置只保留一个节点。

5.根据权利要求1所述的测度方法，其特征在于所述河网地区水系的景观连通性指标中选择连接率β指标为核心指标，其他为参考指标。

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