加那爾，陳川，吾克依拉·吾鐵樸

（1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆烏魯木齊830047；

2.新疆大學新疆中亞造山帶大陸動力學與成礦預測重點實驗室，新疆烏魯木齊830047）

基于DEM的空間數(shù)據(jù)信息挖掘及其應用

加那爾*1，2，陳川1，2，吾克依拉·吾鐵樸1，2

（1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆烏魯木齊830047；

2.新疆大學新疆中亞造山帶大陸動力學與成礦預測重點實驗室，新疆烏魯木齊830047）

基于ArcGIS應用平臺，選擇和什托洛蓋鎮(zhèn)白楊溝地區(qū)為研究范圍，從Aster衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)上提取DEM（數(shù)字高程模型），進行空間數(shù)據(jù)信息挖掘，建立適于研究區(qū)的空間數(shù)據(jù)處理流程，并將其結(jié)果應用到水文流域特征的自動提取中。通過對比研究和野外調(diào)研，證明選擇該套空間數(shù)據(jù)信息挖掘技術(shù)方法能有效提取DEM數(shù)據(jù)中隱含信息，提高工作效率。

數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）；空間數(shù)據(jù)信息挖掘；ArcGIS

隨著空間技術(shù)在各個行業(yè)的應用以及數(shù)據(jù)挖掘、空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的迅速發(fā)展，對從空間數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)隱含知識的需求日益增長，出現(xiàn)了用于在空間數(shù)據(jù)庫中進行知識發(fā)現(xiàn)的嶄新研究領(lǐng)域——空間數(shù)據(jù)挖掘［1-3］。

空間數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)這一學科起源于國際GIS會議。1994年，我國學者李德仁院士在加拿大渥太華舉行的GIS國際學術(shù)會議上提出了從GIS數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識的概念［4］，并系統(tǒng)分析了空間知識發(fā)現(xiàn)的特點和方法［5］。目前空間數(shù)據(jù)挖掘己成為國際研究的一個熱點，滲透到數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)、地球空間信息學和一些綜合性的學術(shù)活動中，成為眾多著名國際學術(shù)會議的重要研究專題。Koperski，Adhikary和Han［6］總結(jié)了空間數(shù)據(jù)挖掘的發(fā)展，認為巨量的空間數(shù)據(jù)來自從遙感到GIS、計算機制圖、環(huán)境評價和規(guī)劃等各種領(lǐng)域，空間數(shù)據(jù)的累積已經(jīng)遠遠超出人們的分析能力，數(shù)據(jù)挖掘已經(jīng)從關(guān)系數(shù)據(jù)庫和交易數(shù)據(jù)庫擴展到空間數(shù)據(jù)庫。

1　研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

勘查區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部托里縣、額敏縣、和布克賽爾蒙古自治縣、克拉瑪依市四個行政區(qū)交界處。地勢北高南低，北部為低山、丘陵，南部為古爾班通古特沙漠，中部為山前沖積平原；調(diào)查區(qū)處于天山—興蒙造山系，東西準噶爾弧盆系，賽米斯臺—三塘湖復合島弧帶與唐古巴勒—卡拉麥里復合俯沖增生雜巖帶過渡地帶。區(qū)內(nèi)沉積巖、火山巖、侵入巖廣泛發(fā)育，區(qū)內(nèi)斷裂以北東—南西向、近東西向為主，地質(zhì)構(gòu)造十分復雜。

本文以Aster衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中提取的和什托洛蓋鎮(zhèn)白楊溝地區(qū)15m×15m空間分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）為主要數(shù)據(jù)源，空間數(shù)據(jù)挖掘信息引用到水文流域特征提取中。

2　空間數(shù)據(jù)挖掘的流程

空間數(shù)據(jù)挖掘是空間數(shù)據(jù)庫中知識發(fā)現(xiàn)過程的一個基本步驟。主要步驟是通過將有趣的模式提供給用戶，或者新的知識存儲在知識庫中，與用戶和知識庫交互的方式來進行的知識發(fā)現(xiàn)過程的最重要的一步，因為它可發(fā)現(xiàn)隱藏的不為人知的模式；是一個多步驟相互連接、反復進行的交互過程。一般可以分為數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果的解釋與評價3個部分［7］，本文建立了適于研究區(qū)的空間數(shù)據(jù)處理流程，如圖1所示。

3　空間數(shù)據(jù)挖掘及數(shù)據(jù)分析

3.1洼地填充處理

洼地指的是低于周圍柵格的區(qū)域。研究者普遍認為，被高程較高的區(qū)域圍繞的洼地是使用DEM進行水文分析的一大障礙，因為這些洼地的存在會阻礙自然水流朝流域出口流動，因此，在DEM提取水系特征之前要進行“填洼”預處理。其原理是：掃描每個網(wǎng)格時，比較該網(wǎng)格與相鄰的8個網(wǎng)格的高程，如果中心網(wǎng)格的高程比相鄰的8個網(wǎng)格的高程都低，則將相鄰8個網(wǎng)格中高程最低的那個網(wǎng)格的值賦予中心網(wǎng)格。

圖1　研究區(qū)空間數(shù)據(jù)處理流程

3.2水流方向提取

在填洼后的DEM中，每個柵格單元都有一個可以定義的水流方向值，某一個柵格單元的水流方向是指水流離開此單元格時的指向［8］。這一概念最早是由Mark等提出的［9］。

地表徑流在流域內(nèi)總是從地勢高處流向地勢低處，最后經(jīng)流域出口排出流域。流向的確定建立在流域3×3的DEM格網(wǎng)的基礎(chǔ)上。水流方向是指水流離開每一個柵格單元時的指向。它決定著地表徑流的方向及格網(wǎng)單元間流量的分配，是基于DEM的分布式水文模型中的一個十分關(guān)鍵的問題。水流的流向是通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差（即取距離權(quán)落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格）來確定。如果鄰域柵格對中心柵格的方向值為2、8、32、128，則柵格間的距離為2的開平方根，否則距離為1。在ArcGIS中通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼，水流方向便可以其中的某一值來確定。

3.3河網(wǎng)的提取

得到每個網(wǎng)格流向與水流累計值后，以flowacc數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成河網(wǎng)。預先設(shè)定一個閾值，該閾值表示河網(wǎng)中點的最小積水面積，將水流方向累計矩陣中數(shù)據(jù)高于此閾值的網(wǎng)格連接起來，便可形成排水網(wǎng)絡(luò)，當閾值減少時，網(wǎng)絡(luò)的密度便相應增加［10］。河網(wǎng)的生成基于如下假設(shè)：如果某單元格的匯流累積量大于閾值，則該單元格是河網(wǎng)的一部分［11］。閾值的設(shè)定在河網(wǎng)的提取過程是很重要的，并且直接影響到河網(wǎng)的提取結(jié)果。首先應該考慮到研究的對象，研究對象中的溝谷的最小級別，不同級別的溝谷所對應的不同的閾值；其次考慮到研究區(qū)域的狀況，不同的研究區(qū)域相同級別的溝谷需要的閾值也是不同的。柵格河網(wǎng)的形成是利用所設(shè)定的閾值進行整區(qū)域的分析并生成一個新的柵格圖層，是利用設(shè)定一個河網(wǎng)生成閾值來計算出所有大于設(shè)定閾值的柵格，這些柵格就是河網(wǎng)的潛在位置。最終提取矢量形式的河流網(wǎng)格。

3.4河網(wǎng)分級的生成

河網(wǎng)分級的建立在提取的河網(wǎng)基礎(chǔ)上［12］，分級的時候首先確定流域的出水點，找到出水點之后，沿水流向上游搜索，一直搜索到了流域邊界［13］，生成整個流域的河網(wǎng)系統(tǒng)后，不同的支干流連接怎樣用數(shù)字表示帶入分布式水文模型計算，即河網(wǎng)計算優(yōu)先順序問題，就要考慮河網(wǎng)分級問題。河網(wǎng)分級是對一個線性的河流網(wǎng)絡(luò)進行分級別的數(shù)字標識，利用地表徑流模擬的思想，不同的級別的河網(wǎng)首先是它們所代表的匯流累積量也不同，級別越高的河網(wǎng)，其匯流累積量也越大，那么在水文研究中，這些河網(wǎng)往往是主流，而那些級別較低的河網(wǎng)則是支流。

流域河網(wǎng)的分級編碼方法有多種［14］，本文采用Strahler［15］的河網(wǎng)分級系統(tǒng)對產(chǎn)生的河道進行分段和分級處理。

根據(jù)STRAHLER分級法可知，該區(qū)域河網(wǎng)分布較密集，河流等級可分為5級，河流方向主要為北西向至東南向。區(qū)域南部由于第四系隱伏斷層的影響，河流方向發(fā)生變化，形成似三角形。

3.5流域的提取

流域又稱集水區(qū)域，是流經(jīng)其中的水流和其他物質(zhì)從一個公共的出水口排出而形成的一個集成的排水區(qū)域［16］。提取子流域的第一步是確定子流域的出水口位置，出水口即流域水流的出口，是整個流域的最低處［16］。ArcGIS中以2個河道的交匯點作為流域出口，從出口沿河道向上游搜索每一河道的上游給水區(qū)，分別對搜索到的上游給水區(qū)邊界進行勾畫就得到了各個小流域的邊界。

3.5.1流域盆地（大流域）的確定

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域。它通過對水流方向數(shù)據(jù)的分析確定出所有相互連接并處于同一流域盆地的柵格。利用流域盆地分析，可以從很大的一個研究區(qū)域選擇感興趣的流域并將該流域從整個研究區(qū)域分割出來進行單獨的分析［17］。

在實際情況下，河流等級高低并不能準確表示河流流量的多少，還需要計算流域盆地的分布情況。流域盆地值8500～10500區(qū)間是河流網(wǎng)絡(luò)最發(fā)育的地段，但其中可能包括一些時令河流，主要匯水區(qū)域主要分布在流域水系等級最高的部分，反映了該處流域盆地是研究區(qū)內(nèi)較優(yōu)化的候選地。

3.5.2集水域（Watershed）的生成

在ArcGIS中，對于低級的集水區(qū)的生成，可以使用hydrology工具集中的watershed工具以水流方向和河網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)作為輸入，輸出分割后的集水區(qū)域。

集水水域是指地表水及地下水分水線所包圍的集水區(qū)域的總稱。根據(jù)計算結(jié)果，研究區(qū)集水水域值為98～170區(qū)域，分布在研究區(qū)的南部，呈東西走向的矩形。與實際野外調(diào)查結(jié)果一致。

4　結(jié)語

從GIS中發(fā)現(xiàn)知識是GIS研究的一個重要方向，本文對空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)進行系統(tǒng)的研究和探討的基礎(chǔ)上，結(jié)合地理信息系統(tǒng)的空間分析功能和數(shù)據(jù)管理功能及空間數(shù)據(jù)挖掘的特點，通過對比研究和野外調(diào)研，進行空間數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)了從GIS中進行空間數(shù)據(jù)挖掘的具有可行性技術(shù)方法。

本文利用DEM提取流域水文特征可以較快地提高工作效率并保證結(jié)果的準確性，為野外工作開展提供了極大的指導意義與科學依據(jù)。在此，以水流方向數(shù)據(jù)和自然水系的分級標識數(shù)據(jù)為依據(jù)，將同一級別每一條水系回水盆地內(nèi)的柵格自動識別出來。然后根據(jù)不同水系回水盆地的柵格的標識數(shù)據(jù)，自動搜索回水盆地的邊界柵格。

該計算結(jié)果反映了該區(qū)域河網(wǎng)分布較密集，河流的等級，河流方向主要為北西向至東南向，區(qū)域南部由于第四系隱伏斷層的影響，河流方向發(fā)生變化，形成似三角形，計算出了流域盆地的分布情況來反映了該處流域盆地是研究區(qū)內(nèi)較優(yōu)化的候選地，與實際野外調(diào)查結(jié)果一致。本次論文采用的Arc GIS軟件的分析模塊較依賴DEM數(shù)據(jù)的準確性，并且無法準確地分析出研究區(qū)內(nèi)某些河流的時令性，在今后的工作中需要在研究區(qū)內(nèi)開展野外驗證工作。

［1］Shashi Shekhar，Yan Huang.Discovering Spatial Co-Location Pattens：A Summary of Results［A］.In：Proceedings of the Seventh International SymPosium on SPatial and TemPoral Databases，Redondo Beaeh，CA，USA，2001：236-256.

［2］邸凱昌，李德仁，李德毅.空間數(shù)據(jù)發(fā)掘和知識發(fā)現(xiàn)的框架［J］.武漢測繪科技大學學報，1997（4）：27-31.

［3］劉君強.海量數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究［D］.浙江大學，2003.

［4］Li D R，Cheng T.kdg-Knowledge Discovery from GIS.The Canadian Conference on GIS，Ottawa，Canada，1994：1001-1012.

［5］李德仁，程濤.從GIS數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識［J］.測繪學報，1995（1）：37-44.

［6］Koperski K，Adhikary J，Han J.Spatial Data Mining：Process and Challenges Survey Paper.SIGMOD.96 Workshop on Research Issues on Data Mining and Knowledge Discovery（DMKD.96），Montreal，Canada，1996.

［7］Fayyad U M.Advances in Knowledge Discovery and Data Mining.Menlopark CA：AAAI/MIT Press，1996.

［8］JENSON S K，D.J.O.，Extracting Topographic Structure from Digital Elevation Data for Geographic Information System Analysis.1988：1593-1600.

［9］MARKS D M，D.J.F.J.Atomated Basin Delineation from Digital Elevation Data.1984：299-311.

［10］葉愛中，等.基于數(shù)字高程模型的河網(wǎng)提取及子流域生成［J］.水利學報，2005（5）：531-537.

［11］TARBOTON D G，B.R.L.R.On the Extraction of Channel Networks from Digital Elevation Data，1991：81-100.

［12］馮杰，解河海，成麗婷.基于子流域的TOPMODEL模擬研究［J］.長江科學院院報，2009（4）：4-8.

［13］黃娟，申雙，殷劍敏.基于DEM的江西潦河流域河網(wǎng)信息提取方法［J］.氣象與減災研究，2008（1）：49-53.

［14］李鐵鍵，王光謙，劉家宏.數(shù)字流域模型的河網(wǎng)編碼方法［J］.水科學進展，2006（5）：658-664.

［15］Strahler，AN.Quantitive Analysis of Watershed Geomorphology.Trans.Am.Geophys.Union.1957.

［16］唐從國，劉叢強.基于Arc Hydro Tools的流域特征自動提取——以貴州省內(nèi)烏江流域為例［J］.地球與環(huán)境，2006（3）：30-37.

［17］劉淑春，李晶，張征，朱建剛，牟向玉.基于DEM的太湖流域水文特征提?。跩］.環(huán)境科學與管理，2009，34（5）.

P31

A

1004-5716（2016）10-0154-03

2015-11-09

2015-11-18

自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項目，項目編號：S12-1-XJ02。

加那爾（1991-），女（哈薩克族），新疆木壘人，新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院在讀碩士研究生，研究方向：地球探測與信息技術(shù)。