基于分形信息维数的流域地貌形态与侵蚀产沙关系

流域地貌形态的科学准确量化是建立具有广泛适用性的流域尺度土壤侵蚀预报模型的关键科学问题之一，分形理论的提出为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文基于分形理论，利用GIS技术和多元回归统计方法，以黄土高原丘陵沟壑区第一副区的岔巴沟流域为例，对该流域以分形信息维数为量化指标的流域地貌形态与降雨侵蚀产沙耦合关系进行了初步探讨。研究表明，引入地貌形态分形信息维数的岔巴沟流域降雨侵蚀产沙与地貌形态耦合关系模型可将岔巴沟各支流域差异明显的水沙关系简化为统一的数学表达，消除了由于地貌形态等下垫面因素导致的空间变异性；基于该耦合关系模型的西庄和蛇家沟流域次降雨输沙模数预测值和观测值相对误差较小、总体吻合较好；将地貌形态分形信息维数作为流域土壤侵蚀预报模型中地貌形态因子量化指标不仅可行，而且可靠。     

基于GIS的流域地貌形态分形盒维数测定方法研究

流域地貌形态分形维数测定是目前地貌分形研究的薄弱环节,对于流域水土流失预报模型中地貌因子量化具有重要科学意义。依据分形盒维数测定原理,结合流域地貌的复杂三维立体特性,提出了以地形等高线为基本数据源,以GIS技术作为主要实现手段的流域地貌形态分形盒维数测定方法,编制出了相关测算程序,并以岔巴沟流域为例进行了实证研究。结果表明,该方法快速、准确、数据可靠,可实现不同尺度流域地貌形态分形盒维数的测定。     

岔巴沟流域三维地貌多重分形特征量化

流域三维地貌形态的科学量化研究是地貌学研究和流域土壤侵蚀模型研究中的热点问题之一。该文针对流域三维地貌所具有的明显各向异性和三维立体特征,根据多重分形理论,构建了基于GIS的流域三维地貌多重分形计算模型及其实现方法;并以此为基础,结合流域数字高程模型(DEM),计算分析了岔巴沟5个研究子流域的三维地貌多重分形谱及其主要参数,探讨了流域三维地貌多重分形特征及其流域地貌表征意义。研究结果表明,该文建立的基于GIS的流域三维地貌多重分形计算模型可实现流域三维地貌多重分形谱及其特征参数的直接量化;岔巴沟5个研究子流域的三维地貌具有显著的多重分形特征;流域三维地貌多重分形谱及其主要参数可以更加敏感、更加全面地对流域三维地貌的总体特征进行描述,能够分层次地刻画流域内部的精细结构,从而更加突出地表现异常局部地貌变化特征。该文研究成果为流域三维地貌复杂形态的科学准确量化研究提供了一种新思路和新方法。     

流域地貌分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系试验研究

流域地貌形态科学、准确和综合量化成为建立具有广泛适用性的流域土壤侵蚀预报模型的关键科学问题之一。分形理论的提出为流域地貌形态定量研究开辟了新的思路。本文依据分形理论，在建立小流域概化模型基础上，采用模拟降雨试验、高精度摄影测量和GIS技术，对流域模型地貌形态分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系进行了研究。结果表明，基于消除了降雨特征影响的相对输沙率，可将流域模型侵蚀产沙过程划分为初期、活跃期和稳定期3个阶段；在不同侵蚀产沙时段，流域模型地貌形态分形信息维数Di呈现与相对输沙率Sr基本类似的变化趋势，即先增大再减小、最后趋于平稳；流域模型相对输沙率Sr与地貌形态分形信息维数Dr以乘幂形式呈显著正相关，相关指数r^2为0．7423；地貌形态分形信息维数Dr较好反映了地貌形态特征对流域模型侵蚀产沙过程的影响，可以作为流域模型侵蚀产沙过程预报地貌形态特征综合量化指标。     

黄土高原丘陵沟壑区临界地貌侵蚀产沙特征

深入研究流域临界地貌形态对侵蚀产沙的作用机制至关重要,也是建立流域侵蚀产沙预测模型的关键所在。该研究以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟为研究对象,开展了流域次降雨侵蚀产沙的BP人工神经网络(back propagation artificial neutral network,BPANN)模型与多重线性回归(multiple linear regression,MLR)模型比较研究,定量分析了流域侵蚀产沙的敏感因子及影响程度,并使用分形信息维数临界值和相对应的变量建立临界地貌侵蚀产沙预测模型,阐明临界地貌侵蚀产沙特征。结果表明,在侵蚀产沙模数预测方面,BPANN模型较MLR模型具有更好预测性能,能够有效表征综合条件下侵蚀产沙的动态变化过程。径流深和径流侵蚀功率对侵蚀产沙以及水文响应的影响程度受地貌形态因素制约。当分形信息维数大于地貌临界值时,采用径流侵蚀功率的预测精度高于径流深;相反,分形信息维数小于地貌临界值时,采用径流深的预测精度高于径流侵蚀功率。以分形信息维数为界,分别引入径流深或径流侵蚀功率所建立的临界地貌侵蚀产沙预测模型,具有较高的预测精度,具有一定的可行性、可靠性和普适性。     

流域地貌形态多尺度三维分形量化及尺度效应——以砒砂岩区二老虎沟为例

流域地貌形态的科学量化是地貌学研究和区域尺度土壤侵蚀模型研究中的热点问题之一。针对目前地貌形态分形量化模型中存在的地形模拟方法和模型结构不合理问题,基于GIS技术和分形理论改进了地貌形态分形量化模型,并使用无人机高分辨率DEM数据对砒砂岩区二老虎沟流域进行了多尺度地貌形态量化,进而研究了该区地貌形态三维分形量化的尺度效应。研究发现:(1)随着尺度的降低,该区三维分形维数呈线性降低趋势,即地形复杂度呈线性降低趋势;(2)砒砂岩区二老虎沟流域在10m尺度地形复杂度已大大降低;(3)根据多指标量化结果分析,地貌形态量化指标分为两类:地形复杂度指标和地形起伏度指标,前者具有明显的尺度效应,后者尺度效应不明显。     

黄土高原小流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型研究

建立具有广泛适用性的流域尺度侵蚀产沙预报模型是土壤侵蚀和水土保持研究的前沿领域。本文以黄土高原丘陵沟壑区第一副区岔巴沟流域为例,建立了流域侵蚀产沙人工神经网络模型,并运用缺省因子检验法分析各因子对流域侵蚀产沙的敏感程度;建立了基于敏感因子与分形信息维数的流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型,并加以验证。研究表明,人工神经网络模型具有较高的精度,能够很好地定量描述流域水沙耦合关系;径流侵蚀功率和径流深对流域次降雨侵蚀产沙的敏感程度与流域地貌形态的复杂程度有关;以分形信息维数为界限,分段引入径流侵蚀功率和径流深,当Di0.8308时,采用径流侵蚀功率预测精度要高于采用径流深的预测精度,当Di0.8140时,采用径流深预测精度要高于采用径流侵蚀功率的预测精度。该侵蚀产沙分段预报模型的建立和方法的提出具有一定的合理性和可靠性,对其他侵蚀产沙模型有一定的借鉴之处。     

基于DEM的流域地貌特征分形量化研究

为了科学描述地形特征的整体性和地貌过程的非线性,基于分形布朗运动理论(FBM)和地理信息系统平台(GIS),对地处黄土高原丘陵沟壑区第一副区的陈家畈流域地貌形态分形特征进行了量化研究,提出了基于DEM表面积的流域分形布朗运动FBM地貌因子计算模型,并进行了相关的GIS算法开发。研究结果表明:FBM地貌因子能够利用流域地貌形态特征量化指标的标度不变性,实现不同像元尺度下地貌形态特征的比较与评价。同时能够克服地貌形态单因子指标的不足,对流域地貌形态特征进行综合性表达,从而为流域地貌因子的量化研究提供新思路与新角度。     

大理河流域地貌分形特征空间变异研究

以1：5万地形图为数据源,通过建立流域数字高程模型,采用基于变分法的分形维数计算模型和ArcGIS的窗口分析功能,对大理河流域中的10条子流域地貌分形维数进行了计算,分析了其空间变异特点。结果表明,大理河流域地貌分形维数从上游至下游呈明显增加趋势,右岸流域地貌分形维数平均值大于左岸,地貌分形维数较好地揭示了大理河流域地貌破碎程度和复杂程度的空间变异特点。本研究对于促进地貌分形维数在地貌学及水土流失预报等领域的应用研究具有重要意义。     

植被格局特征对大理河流域侵蚀产沙的响应

为了进一步研究植被覆盖FBM(fractional brownian motion)分形维数在不同流域中对植被覆盖特征的综合效果及作为固定参数代替现有的植被量化指标在实际的水文、土壤侵蚀等预测模型中的应用,该文通过对大理河流域上中下游青阳岔、李家河和曹坪3个水文站控制流域的降雨、径流和产沙等资料的全面综合分析,以次降雨径流侵蚀功率作为侵蚀外营力输入,通过对站控流域地貌特征FBM分形维数、植被景观格局FBM分形维数和NDVI植被指数作为描述下垫面特征,以地理信息系统(GIS)为平台,利用GIS和RS技术,构建大理河流域侵蚀产沙量多元线性回归模型,并通过2组不同参数预测结果对比,结果表明:以植被格局分形维数为植被量化参数的模型输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差和绝对误差比以NDVI为植被量化参数的小;在38场次暴雨洪水中,基于植被格局分形维数为植被量化参数的模型次暴雨输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差小于10%、20%、50%的分别占总场次的34.21%、55.26%、86.85%;38场次暴雨输沙模数的模拟值和实测值之间的平均相对误差为25.19%,其中模拟值与实测值绝对误差小于300 t/km2有31场,植被格局FBM分形维数可以更好反映植被覆盖与水土流失之间的关系,并且分析得到植被格局分形维数与土壤侵蚀强度之间呈负相关关系,决定系数为0.5066,即土壤侵蚀强度随着植被格局FBM分析维数的增大呈减小趋势,说明植被格局FBM分形维数对土壤侵蚀强度的影响较大.     

黄土区小流域土壤侵蚀系统模拟的研究

中国黄土高原是世界上水土流失最严重的地区之一 ,土壤侵蚀量是正确评价综合治理的一个重要指标。本文对黄土区小流域土壤侵蚀系统进行计算机模拟 ,它是在与地理信息系统支持平台松散耦合的基础上 ,利用DEM提供地形特征的功能 ,运用水文模型进行流域径流水文分析 ,并在此基础之上 ,结合通用水土流失方程式的侵蚀泥沙模型及其沿程传递模型 ,建立了分布型小流域土壤侵蚀模拟模型 ,用它可以计算不同时间和空间的土壤侵蚀量。最后将研究成果应用于试验流域——宁夏西吉县黄家二岔小流域 ,经过验证 ,具有一定的可靠性 ,可以用于黄土区流域的土壤侵蚀量的模拟运算 ,这将进一步提高小流域综合治理的水平。     

基于归一化植被指数的流域植被覆盖分形维数研究

量化和表征植被覆盖空间分布的复杂性是研究植被与地表物质迁移关系的重要问题。为研究植被覆盖分形维数的表征特点及其在不同尺度上的变化特征,该文基于地理信息系统平台,利用分形布朗运动理论,结合像元归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)的空间分布,提出并计算了植被覆盖分形布朗运动(fractional brownian motion,FBM)分形维数。结果显示,流域植被覆盖的空间分布具有统计自相似性,可用分形维数表征,其值在2.5~3之间,越接近2.5,表示植被覆盖空间分布越复杂。植被覆盖FBM分形维数与流域内均值化NDVI值和NDVI值的变异系数无直接关系,与单位面积不同NDVI值的像元数呈极显著负相关(R=0.66,P0.01)。植被覆盖FBM分形维数具有尺度效应,随流域面积增大而增大,到一定尺度后趋于平稳。流域植被覆盖FBM分形维数能够克服NDVI像元点奇异值等对植被空间分布量化表征计算的干扰,相对传统表征植被覆盖的指数,其在水文、土壤侵蚀等模型中具有更广泛的应用意义。     

基于DEM的陕北黄土高原典型地貌分形特征研究

应用分形理论与方法,结合陕北黄土高原1∶5万DEM数据,通过河网分形维数和稳定性系数计算,研究了陕北黄土地貌空间分布特征。结果表明:(1)陕北黄土高原不同地貌类型分形结构复杂程度各异,表现出不同大小的水系分维值和稳定性系数,其中,黄土峁状、梁状丘陵沟壑区地貌结构最为复杂,分维值最大,稳定性系数最小。黄土残塬、黄土塬区分维值次之。黄土—风沙过渡区地形结构简单,地势相对平坦,分维值最低,稳定性程度最高。(2)以分形参数作为定量化指标进行黄土地貌特征研究是可行的,DEM数据集是研究过程中的核心和基础。分形值所描述的分形特征与地貌类型、地质结构等有一定的相关性。此外,对分形几何的地学机理还需要进一步分析。     

基于变分法和GIS的小流域模型三维地貌分形特征量化研究

实现具有三维立体特征的流域地貌分形维数直接准确计算,是目前分形地貌学研究所面临的主要问题之一。依据变分法求解三维表面分形维数的基本原理,以DEM栅格数据为基础,利用ArcGIS9.2中的窗口分析功能,对所建立的小流域模型不同发育阶段的三维地貌闵可夫斯基维数进行研究。结果表明,变分法和GIS的有机结合使三维地貌分形维数的直接计算成为可能,小流域模型不同发育阶段的三维地貌在各自无标度区内呈显著的分形特征,三维地貌闵可夫斯基维数不仅能有效表达小流域模型不同发育阶段地貌的差异性(变化范围达0.452),还可准确表达地貌动态变化特征,将其作为小流域模型三维地貌分形特征定量描述指标是可行的。     

黄河多沙粗沙区分布式土壤流失模型研究

以侵蚀动力学、地貌学、水文学、泥沙运动力学的理论为基础,以黄河多沙粗沙区岔巴沟流域为研究区域,以地理信息系统为平台,构建了黄河多沙粗沙区小流域分布式土壤流失数学模型,可用于计算小流域梁峁坡、沟坡和沟槽三部分的土壤流失量,并达到了产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合;提出了当量糙率系数的概念,初步解决了定量表达水土保持工程对产汇流的影响,使模型具备了预测评价不同水土保持治理方案效益的功能;利用3S技术实现了土壤流失预测模拟信息系统的自动提取。通过对岔巴沟流域和杏子河流域土壤流失实测资料的验证表明,本模型能基本正确反映黄河多沙粗沙区流域土壤流失规律。