基于变分法的流域地貌形态分形特征量化研究

分形理论为流域地貌形态等复杂体系的定量化研究提供了一种有效T具.以室内流域模型人工模拟降雨试验和高精度摄影测量获得的模型流域不同发育时段的数字高程模型(DEM)数据为基础,采用变分法计算了流域地貌形态分形维数,并对分形维数与地貌因子沟谷密度和地面割裂度的关系进行初步探讨.结果表明:流域地貌形态在无标度区间内具有良好的分形特征,分形维数准确的反映流域地貌表面的复杂程度;流域地貌形态在流域发育的不同时段具有不同的分形维数,并且与沟谷密度和地面割裂度之间存在显著的线性关系:分形维数作为流域地貌形态分形特征的量化指标为黄土高原小流域侵蚀产沙预报模型中宏观地貌形态因子的选择提供了一种新的思路.     

不同地貌量化参数与流域降雨侵蚀产沙关联性模拟试验研究

由于不同地貌量化参数各具特色,流域土壤侵蚀预报模型中地貌因子量化参数选择目前还没有统一认识.从模拟试验人手,利用分形理论、灰色关联分析方法、GIS和高精度摄影测量技术,对小流域模型次降雨相对输沙模数及相对径流模数分别与地貌分形维数、平均坡度、沟壑密度、相对高差、地形起伏度和地面破裂度6个常用地貌量化参数的关联度进行研究.研究结果表明:地貌分形维数与小流域模型次降雨相对输沙模数及径流模数的关联度明显高于其他地貌量化参数,分别达到0.804和0.895;地貌分形维数与小流域模型次降雨侵蚀产沙的定量作用关系可用指数函数很好表达.对于促进地貌分形维数在流域土壤侵蚀预报研究中的应用,提高土壤侵蚀预报模型精度和适用性具有重要现实意义.     

小流域地貌不同发育阶段的多重分形特征模拟研究

流域地貌形态的科学量化是研究地貌学复杂问题和流域土壤侵蚀模型研究的热点问题之一。以定雨强模拟降雨作为主要驱动力,以小流域模型不同发育时段的DEM数据为基础,利用多重分形模型计算分析了小流域不同发育阶段地貌多重分形及其参数,探讨了小流域地貌不同发育阶段的多重分形特征及其表征的流域地貌意义。结果表明:在小流域地貌发育的幼年阶段,随着地貌的不断发育,地貌奇异指数分布范围△α从第2期的0.5085增至第4期的0.6716,呈增长变化趋势,平均增长幅度为16.04%,多重分形参数△f则呈现出递减趋势,降幅为29.96%,这表明在该阶段地貌发育比较活跃,沟谷发育迅速。在小流域模型地貌发育的壮年阶段,随着小流域地貌大坡度的地貌单元不断增加,地貌表面形态复杂性和差异性增大,地貌奇异指数分布范围△α和多重分形参数△f的变化趋势与地貌发育幼年阶段基本一致,△α呈增长趋势,平均增幅度5.94%,△f呈递减趋势,平均降幅为21.34%,但二者的变化幅度明显地减小,这表明壮年阶段流域地貌发育相对趋于稳定,地貌变化趋于缓和。表明多重分形参数可以科学定量表达小流域模型不同发育阶段地貌动态演化特征及地表形态的不均匀性和复杂性,对流域地貌形态的复杂体系进行定量化研究具有重要的意义。     

黄土高原典型流域次降雨径流侵蚀产沙规律研究

【目的】研究黄土高原地区小流域次降雨径流侵蚀产沙规律,建立适宜于该地区的侵蚀产沙预报模型。【方法】根据岔巴沟流域32年实测的水沙资料,采用径流侵蚀功率、地貌分形信息维数的计算模型及多元非线性回归方法,分析了黄土高原地区岔巴沟流域的次降雨径流侵蚀产沙规律。【结果】岔巴沟流域次降雨侵蚀产沙模数Ms与径流侵蚀功率E、地貌形态分形信息维数Di有很好的相关性,模型具有较高的精度和一定的适用性。【结论】基于流域径流侵蚀功率与地貌形态分形信息维数的岔巴沟流域次降雨侵蚀产沙预报模型,能够近似反映不同尺度流域次降雨径流侵蚀产沙特性及水沙传递的关系,为建立具有广泛适用性和较高预报精度的黄土高原流域次降雨径流侵蚀产沙预报模型提供了理论依据。     

土地利用/覆被变化下流域泥沙输移的分形特征及尺度转换

基于由WEPP模型提取的甘肃天水罗玉沟和吕二沟小流域单元侵蚀产沙及泥沙输移资料,采用分形维数理论,对流域泥沙输移比的空间分异规律、泥沙输移比的影响因子以及泥沙输移的尺度转换进行研究。结果表明:年均泥沙输移比有相当大的变幅,不同流域尺度上的泥沙输移比为0.03～1.00,对于一定尺度的流域,泥沙输移比是一个比较稳定的值;小流域泥沙输移过程具有分形特征;根据研究区流域泥沙输移比的分形特征,综合其他地区的研究结果,建立了小流域泥沙输移比尺度转换模型,同时建立了研究区适用尺度范围更广的流域泥沙输移比尺度转换模型。     

流域地貌形态特征量化研究进展

以流域地貌形态特征的量化方法为主题,分别从图纸描绘、数理统计、土壤侵蚀模型地貌因子、分形地貌等角度,详细论述了国内外流域地貌形态特征量化研究的现状及进展,阐明了当前流域地貌形态特征量化研究中存在的问题,并对其今后研究方向进行了初步探讨。     

晋中市农业人口分布的分形研究

本文运用分形理论,以山西省晋中市为研究区域,结合统计分析和GIS技术,测算了其农业人口分形维数的盒子维数和关联维数,讨论了晋中市内各县市的农业人口分布的分形特征和分形规律。结果表明,农业人口分布呈现了自然科学所特有的分形特征———人口分形;不同地域人口分布情况直接受当地地形地貌的影响。     

植物根系的分形及计算机模拟

基于计算机图像技术和分形理论,建立了植物根系分形度量的计算机模型,实现了对植物根系生长过程发育形态的计算机模拟。应用上述模型计算植物根系的分形维数与实际度量的维数基本一致,构造模拟的根系形态与实物不仅具有相近的分形维数,而且形态也非常相似。     

不同地貌类型及土地利用方式下土壤粒径的分形特征

【目的】研究不同地貌类型及土地利用方式下土壤粒径的分形特征,为黄土高原沟壑区土壤侵蚀的防治和种植业结构调整提供理论指导。【方法】对甘肃省南小河沟流域不同地貌(塬面、坡面、沟道)、不同土地利用方式(耕地、林地、荒地等)的土壤进行分层(0~20,20~60(或20~40,40~60),60~100 cm)取样,采用筛析法和吸管法相结合的方法,对样品的土壤颗粒含量和质量分形维数进行测定,利用土壤粒径分形原理,研究土壤分形维数与土壤质地、地貌类型和土地利用方式的关系。【结果】粘粒含量对土壤质量分形维数有显著影响,砂粒和粗粉粒含量的影响较小。土壤粘粒含量与土壤质量分形维数在不同地貌类型及土地利用方式的土壤剖面上表现出相同的变化规律。土壤质量分形维数与地貌和土地利用类型有关。【结论】土壤质量分形维数和土壤粘粒含量可以作为反映土壤物理性质和质量的潜在性指标。     

1995-2015年三峡库区土地利用变化分形研究

运用分形理论从空间形态视角基于分形维数模型对1995-2015年三峡库区土地利用变化进行分形研究.结果表明:①1995-2015年研究区土地利用斑块分形维数均小于临界值1.5,分形维数平均值由1.162 1下降至1.126 6,整体空间形态随时间变化趋于规则,空间结构趋于稳定;②1995-2015年,耕地斑块分形维数呈增加趋势,空间形态趋于不规则,空间结构趋于不稳定,林地、水域和草地分形维数呈降低趋势,空间形态趋于规则,空间结构趋于稳定;③建设用地和未利用地分形维数呈"先升后降"趋势,由于上升幅度均小于下降幅度,因而建设用地和未利用地空间形态整体趋于规则,空间结构趋于稳定.     

青海湖流域草地景观格局变化研究

应用3s技术与景观格局分析方法,研究了1977—2000年青海湖流域草地景观格局变化。结果表明：1977～2000年,青海湖流域草地景观格局变化呈现斑块数目减少,景观破碎度和分离度下降,平均斑块面积与分维数增加的趋势;从流域内县域景观变化分析,天峻、刚察、海晏县草地景观结构呈现出同样的变化趋势;但共和县1977—2000年草地斑块数目、景观破碎度与分离度增加,平均斑块面积减少,草地景观结构呈现出相反的变化趋势。     

分形理论的发展及其在农林业上的应用

分形理论是现代非线性科学的一个重要分支,是科学研究中一种重要的数学工具和手段。介绍了分形理论的发展概况、应用领域、研究前景,综述了分形理论在农林业多个方面的应用现状,并提出了分形理论可以解决传统方法无法或很难解决的诸多问题,从而推动农林科技的发展。     

图们江下游降水量时间序列变化特征研究

基于图们江下游流域1956—2010年近55年来河东、珲春、圈河3个水文站逐月降水量资料与同期太阳黑子数数据,运用统计学中的趋势分析、累计距平等方法针对图们江下游流域降水量的时间特性进行分析。结果表明:降水量主要集中在5～9月,占全年总降水量的78.0%～78.7%;季节降水量分配不均,夏季贡献率最大,为57.7%,从变化趋势来看,春冬季降水量呈上升趋势,夏秋季呈下降趋势;降水量的年际变化呈下降趋势。太阳黑子相对数出现极值的年份并不与图们江下游降水出现极值的年份相一致,但在太阳黑子峰值年的一两年附近,降水量出现异常的现象较常见。     

基于RS与GIS的闽江流域土地利用景观格局变化分析

以闽江流域为研究区域,Landsat TM遥感图像为主要信息源,遥感软件Erdas作为空间信息处理工具,采用斑块平均面积、平均形状指数、分维数、破碎度、香农多样性指数、均匀度指数和优势度指数等指标,对闽江流域1986-2003年土地利用景观格局变化进行了分析.结果表明:闽江流域整体景观斑块数目增加了111块,平均斑块面积减小0.7 km2,平均形状指数和分维数降低,破碎程度增加.人类活动对景观的有利与不利干扰的相互作用和影响使景观各要素发生了较复杂的结构变化和相互转化.从多样性指数来看,景观整体香农多样性指数由1.32降低到1.05,均匀度指数由0.89降低到0.72,表明优势组分林地对景观的控制作用不断增强,景观稳定性和异质性降低.     

洋河小流域土地利用景观空间格局垂直变化

以洋河小流域为研究对象,在地理信息系统软件MapGIS和arcview3.3以及景观格局分析软件fragstats的支持下,选取斑块类型面积、分形维数、多样性、均匀度、优势度、蔓延度、散布与并列等指标,对洋河小流域土地利用与景观格局的垂直变化进行研究.结果表明,洋河小流域的土地利用结构呈现出明显的垂直变化规律.各种土地类型的绝对数量在区域的低海拔段占绝对优势,随着海拔的升高,耕地、水域所占本高程带的百分比呈上升趋势,而林地和未利用地则呈相反趋势.园地呈现先升后降趋势,建设用地基本维持不变.土地利用影响景观格局的变化,景观格局同样呈现出明显的垂直分异规律.林地、未利用地和园地的分形维数呈现随海拔升高而增加的趋势,而建设用地呈现相反趋势.由于人类干扰程度的不同,多样性指数和均匀度指数呈现先升后降,优势度指数呈现先降后升的趋势.这与蔓延度指数与散布和并列指数所体现的景观类型的团聚程度和混杂情况的变化规律相一致.     

武夷山自然保护区水系景观分形特征

基于分形理论,对武夷山自然保护区4个管理区的水系分形特征进行比较研究,结果表明:4个管理区河长分维值的大小顺序为桐木区水系(1.216 3)>黄坑区水系(1.186 6)>坪山区水系(1.132 6)>大安区水系(1.061 3);4个管理区河网分维值为1.722 3-1.865 4;4个管理区河网密度值的大小顺序为桐木区水系(3.825 4 km.km-2)>大安区水系(3.052 2km.km-2)>黄坑区水系(2.566 1 km.km-2)>坪山区水系(2.020 5 km.km-2)。说明武夷山自然保护区水系景观发育现状良好。     

北京明长城森林景观空间结构的分形特征及稳定性

为了从整体上了解北京明长城沿线森林景观空间结构的分形特征及稳定性状况,基于分形理论,以北京市长 城普查数据和近期森林资源调查数据为主要数据源,以北京境内明长城两侧3 000 m 范围内的森林景观为研究对 象,在对研究区各景观类型的周长和面积统计的基础上,又对各景观要素类型斑块形状指数及周长-面积的标度和 频度关系进行了定量分析,并结合分维数以及稳定性指数对各景观要素类型的分形特征和稳定性进行研究分析。 结果表明,研究区内各景观要素类型斑块形状指数以及周长-面积的标度和频度关系是客观存在的。周长和面积 统计表明,研究区以有林地和灌木林地为主,二者面积比重之和达83.38%,而疏林地和无立木林地景观面积比重 较少,分别为0.76%和0.36%。平均斑块形状指数、分维数以及稳定性指数分析表明,农地和其他用地景观的斑块 形状最为不规则,复杂程度最高,空间占据程度最大,稳定性最低,而疏林地斑块形状最规则,稳定性最高。其中, 农地景观稳定性指数为-0.086 7,表现为在其复杂形态下的一种稳定性。从整体上看,研究区自然景观斑块形状 较人文景观更为规则,稳定性更高。地形地貌和人为干扰是影响景观斑块形状和稳定性的主要因子。