基于元胞自动机的小流域侵蚀产沙模型研究

动态模拟和预测土壤侵蚀的发育及演化过程具有十分重要的意义.传统土壤侵蚀模型从本质上来说是一种稳态模型,缺乏对土壤侵蚀发生、发展及演化过程的动态模拟能力.元胞自动机(cellular automata,简称CA)是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,具有模拟复杂地理系统时空演化过程的能力.利用元胞自动机理论和方法,提出了将CA应用于土壤侵蚀过程模拟的基本思想.以黄土高原丘陵沟壑区小流域为例,构建了基于元胞自动机的小流域侵蚀产沙过程模型.     

黄土高原小流域重力侵蚀数值模拟

为研究黄土高原小流域重力侵蚀机理,采用fish语言编写多层复杂地形建模的前处理程序,对多层复杂地形建模进行了二次开发。从力学稳定性角度,采用有限差分FLAC3D软件对黄土高原小流域概化模型进行重力侵蚀机理研究,分析了流域重力侵蚀的发育过程,并对小流域位移场和应力场进行了数值模拟。结果表明：建立的三维模型能真实地表现小流域地形、地貌,仿真效果良好。小流域重力侵蚀过程分为发育期、成熟期和稳定期3个阶段,沟头溯源区是小流域侵蚀最强烈的部位;凹形的边坡整体几何形态利于边坡稳定,减缓了重力侵蚀的发生程度。建模方法和数值模拟结果可应用到重力侵蚀研究中,为推动流域侵蚀产沙时空规律研究的深入发展和小流域水土流失综合治理以及生态环境建设提供科学依据。     

黄土丘陵沟壑区浅层滑坡和崩塌形态特征与发育临界地形

退耕还林(草)工程的深入实施有效遏制了黄土高原水土流失,但以浅层滑坡和崩塌为主的重力侵蚀在黄土高原广泛分布,且已成为小流域侵蚀泥沙主要来源之一.为探究黄土丘陵沟壑区浅层滑坡和崩塌的形态特征和发育临界地形,在陕西省安塞区纸坊沟小流域调查了 53处浅层滑坡和40处崩塌,记录其植被特征,同时进行无人机摄影测量.结果表明:浅层...     

坡面细沟自组织形成过程的CA模拟

细沟侵蚀作为由面蚀向沟蚀转化的重要环节,是坡面水蚀物理过程的一个重要组成部分,在坡面侵蚀产沙机理研究中具有重要意义.传统侵蚀模型很难精确地动态模拟和再现这一自组织现象的形成过程.元胞自动机是一种"自下而上"的动态模拟建模框架,通过元胞间的相互作用,能够在整体上表现出许多复杂的非线性行为和现象,具有模拟复杂地理系统时空演化过程的能力.运用元胞自动机理论和方法建立了黄土坡面细沟侵蚀时空演化过程模型--CA-Rill,对坡面细沟发育过程进行了动态虚拟实验,生动地模拟了坡面细沟自组织形成过程,并对结果进行了分析.研究突破传统试验方法的束缚,为细沟侵蚀研究提供了新的途径.     

黄土小流域不同发育阶段地形指数变异特征分析

基于人工降雨实验获取的黄土模拟小流域高解析度DEM数据,提取其不同发育阶段的地形指数,分析了黄土小流域降雨侵蚀过程中地形指数的空间分异特征、平均地形指数变化规律及地形指数频率分布曲线特征。研究证明,地形指数空间分布与地形呈现很强的相关性,地形指数均值与坡度均值呈现对数变化关系,地形指数频率分布图随地形变化呈现规律性变化。地形指数空间变异特征分析可为研究流域地形和流域水文相似性提供基础资料。     

元胞自动机在模拟土壤侵蚀时空演化过程中的应用

土壤侵蚀作为一个全球性的环境问题已经越来越受到人们的广泛关注。动态模拟和预测土壤侵蚀的发育及演化过程具有十分重要的意义。元胞自动机（Cellular Automata简称CA）是一种“自下而上”的动态模拟建模框架，具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力。从元胞自动机的概念和原理入手，介绍了CA模型的特征及其在土壤侵蚀学科中的应用情况和存在问题，对CA模型应用于土壤侵蚀过程的模拟、预测的可行性和可操作性进行了探讨。     

试论元胞自动机模型与LUCC时空模拟

对土地利用变化过程的模拟和预测,需要地理信息系统(GIS)等相关技术的支撑。但目前GIS不能完整地表达地理实体的时态信息和时空关系,缺乏时空分析和动态模拟的能力。元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)是一种自下而上的动态模拟建模框架,具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力。本文从元胞自动机的原理和特征入手,介绍了CA模型的构造方法,对CA模型应用于土地利用变化过程的动态模拟及预测的可操作性进行了探讨,并分析了其应用现状,存在的问题及前景。     

海岸带土地利用模拟结果对元胞邻域的响应研究

通过元胞自动机（Cellular Automata,CA）动态模拟能够重建和预测复杂系统的全局结构及其演变。海岸带土地利用变化模拟是CA应用研究的重要领域之一。元胞邻域及其组合作为CA的必要组成部分,对海岸带模拟结果有显著影响。以半径为1,2和3的Moore邻域为例,测试并分析了模拟结果对元胞邻域的响应。研究表明:这种影响表现在3个方面:分别是元胞数量、空间形态和不确定性。小范围邻域组合模拟结果形态真实、不确定性较低,但是模拟变化容易过早终止;大范围邻域组合模拟结果形态真实性较差、不确定性较高,但是模拟结果能够保持延续。针对具体的模拟案例,元胞邻域的选择需要结合影响系统演变的全局因素而确定。模拟结果的响应特征不仅适合海岸带土地利用模拟,也适合其他类型的空间系统演变模拟。     

DEM在研究黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀类型和过程中的应用

ＤＥＭ是通过计算机系统产生的数字高程模型，它是进行地形分析的有力工具，它能模拟地貌形态，直观显示地貌特征和地形部位，在ＩＤＲＩＳＩ地理信息系统的支持下，通过数字化地形等高线图，产生数字高程模型，并通过ＤＥＭ，计算派生出坡度图和坡向图，以其作为基本图件，结合土地利用图和相关资料，用地理信息系统进行综合分析，研究黄土丘陵沟壑区的土壤侵蚀类型和过程，指出了小流域土壤侵蚀类型和过程垂直分布的规律性。     

基于地形剖面线的陕北黄土高原地貌信息熵差分析

[目的]计算黄土高原地貌评价指标和剖面上高程数据信息熵,用以拟合地形起伏,评价地形,为地貌研究提供新理论依据。[方法]通过对研究区域进行剖面分析,获取地形剖面线,利用高程数据计算不同地貌类型中剖面线信息熵,绘制地形剖面线图和地形剖面线信息熵图,用来检验和评价地貌信息熵对地形的表达效果,统计两者离散程度指标,通过线性拟合找出两者相关性指标。[结果]将两图进行对比分析,发现两图走势具有一定的相似性,采用统计指标作为指示器,结果表明高程曲线与信息熵曲线具有较强的相关性,采用侵蚀模数验证,表明信息熵在表示地貌起伏或侵蚀方面具有可靠性。[结论]地貌信息熵可以用来模拟地形,且模拟效果良好,可以用于评价地貌类型。     

典型黄土地貌高程空间变异性研究

黄土高原地形与地貌自南向北有序变化,构成其独特的地理景观。为了研究不同黄土地貌之间高程的空间变异特征,选择7个典型黄土地貌样区,以其30 m分辨率DEM数据为数据源,使用变异函数模型特征参数定量地反映样区地貌的个体特征与空间分布特征。研究表明:4 000 m为最能突出高程空间变异规律的窗口,并在此尺度下分析得出不同样区高程空间分布规律:地貌越复杂、破碎,高程空间自相关性范围越小;高程的空间变化幅度随地貌的发育不断减小;高程具有较强的空间相关性,其变化为各向异性。5个指标按样区顺序从淳化向北到神木,按大—小—大或小—大—小的顺序变化,与黄土高原由南到北的地形复杂程度变化相吻合。     

黄河粗泥沙集中来源区区域地形因子比较研究

在黄河粗泥沙集中来源区的清水川流域,以1∶10 000比例尺地形图上的小流域为基本单元,在1∶250 000比例尺DEM上提取地表起伏度、高程变异系数和等高线密度等区域土壤侵蚀地形因子,以1∶10 000比例尺计算的地形因子为真值,拟合各区域土壤侵蚀地形因子的计算方法。结果表明,等高线密度是合适的区域土壤侵蚀地形因子计算指标。应用该方法在皇甫川下游进行检验,模拟结果误差小于10%,效果良好,可作为土壤侵蚀区域地形因子计算时指标选择的参考。     

基于深度学习与融合地形特征的黄土陷穴面向对象提取方法

黄土陷穴作为黄土高原地区一种特殊的地貌类型及地质灾害,其研究对指导黄土地区水土保持与工程建设工作具有重要意义。现阶段对陷穴的研究多基于传统野外调查,该方式成本高、效率低。为此,该研究开展面向对象与卷积神经网络（Convolutional Neural Networks,CNN）相结合的黄土陷穴自动化提取方法研究,并讨论融合地形特征对CNN模型提取精度的影响。研究选取黄土陷穴发育的典型区域,基于WorldView3遥感数据与ALOS高程数据,通过莫兰指数与灰度共生矩阵熵值确定影像的分割尺度,以面向对象的方式提取黄土陷穴的光谱、形状、纹理以及地形特征,制作融合地形特征与未融合地形特征的两类训练样本,进而训练两种CNN模型对同一区域内黄土陷穴进行提取,根据精确率、召回率以及F1分数评价模型的提取精度、分析对比两种CNN模型的提取结果,并建立支持向量机（Support Vector Machine,SVM）模型与CNN模型进行比较。研究结果表明,融合地形特征进行训练的CNN模型精确率达94.62%,召回率达86.27%、F1分数达90.26%,综合提取性能最好,相较于未融合地形特征训练的CNN模型,黄土陷穴的错分量大大减少,精确率提升18.10个百分点,F1分数提升9.15个百分点;两种CNN模型F1分数均达80%以上,比SVM模型分别高出6.94个百分点,16.09个百分点,提取结果均优于SVM模型;综上,融合地形特征的CNN模型可快速、精确地提取黄土陷穴,从而为黄土地区陷穴防治工作提供支持。     

新构造运动对黄土高原环境变迁的影响

新构造运动是黄土高原区域环境变迁的主导性因素。25Ma以来青藏高原的阶段性强烈隆升,导致了东亚季风气候的形成和加强,黄土高原乃至整个西北地区气候向干旱化趋势演化。黄土高原及其周边地区的阶段性隆升或沉降与气候演化的共同作用,导致了黄土堆积沉积的跳跃式阶段性扩展。黄土高原的地貌演化可以黄河水系的诞生为界限(1.67～1.43MaB.P.)划分为二个阶段:古湖泊低地阶段和高原河流阶段。     

黄土落水洞初步研究

黄土落水洞,是低凹地带湿陷性黄土长期遭受机械潜蚀和溶蚀作用的结果,它可分为黄土碟、黄土陷穴和黄土井三类。落水洞广泛分布于黄土高原,年降水量在450mm左右的湿陷性黄土地区陷穴、黄土井十分发育;黄土塬边及高阶地前缘陷穴、黄土井发育程度较好,粱区落水洞沿冲沟或小支沟呈串珠状分布;黄土丘陵地区峁坟上落水洞以陷穴为主,黄土碟次之,峁间宽缓的掌形地冲沟两侧及沟头陷穴和黄土井较为发育。黄土落水洞在滑坡、泥石流发育过程中起着重要作用,它是黄土高原地区地下水补给的重要通道。     

基于DEM的流域坡度坡长因子计算方法研究初报

流域尺度的坡度坡长(LS)因子计算是区域土壤侵蚀评价的重要基础.基于坡面水文学和土壤侵蚀学,对流域坡度坡长因子计算的基本原理、方法和工作流程进行了讨论.以黄土丘陵区的安塞县县南沟流域为例,对LS因子进行了实例计算,并对计算结果进行了初步分析,同时提出了目前亟待研究的问题.     

米脂县黄土滑塌分布及其对流域产沙的影响

<正> 土壤重力侵蚀在黄土高原流域产沙中占有很大比重。黄土重力侵蚀主要有滑坡、滑塌、泻溜和崩塌四种方式,其中以滑坡发生规模最大,分布也比较普遍。但是,滑坡并不是经常发生的,而且,由于滑坡产生后土体地貌条件由不稳定变得相对稳定,反而对流域产沙产生抑制作用。因此,如果将重力侵蚀看作影响黄土高原流域产沙的重要因素,那么主要指的应该是黄土滑塌、泻溜和崩塌。本文利用遥感方     

水文地貌关系正确DEM的建立方法

 水文地貌关系正确DEM(hydrologically correct DEMs,Hc-DEM),是指符合水文地貌学基本原理,正确反映水文要素(水流方向、水流路径、水系网络、流域界线等)与地貌特征发生和位置关系的DEM。区域尺度水文和土壤侵蚀等研究中,地形因子参数只能利用DEM来提取,为了准确反映地面形态,有效提取地貌和水文特征因子,建立Hc-DEM是必需的。笔者对Hc-DEM的概念、建立方法进行了讨论和介绍;以黄土高原为例,提出了利用多种比例尺数字地形图和ANUDEM软件建立DEM的关键参数;通过与TIN方法建立的DEM的比较,对所建立的DEM进行了简要评价。研究表明,利用我国已有的数字地形图和ANUDEM软件,可以建立Hc-DEM,为流域水文和区域尺度水土流失定量分析模拟、区域尺度植被适宜性评价等研究提供更加直接的数据支持。     

黄土丘陵沟壑区坡体稳定性影响因素分析

选取黄土丘陵沟壑区纸坊沟小流域为研究区,利用高精度遥感影像(分辨率0.068 m)和DEM (分辨率0.34 m)数据,结合野外调查,对崩塌、滑塌、滑坡、脱落和陷穴等失稳体进行识别,通过统计学、敏感系数方法,利用识别失稳体数据,分析不同类型失稳体空间分布状况,定量研究不同类型失稳体的影响因子敏感程度,揭示不同类型失稳体的主控因子,进一步阐明流域坡体失稳体的空间分布规律和影响坡体稳定性的主控因子。结果表明:(1)利用高精度遥感影像,获取流域失稳体,主要是以小规模和浅层的脱落、崩塌和滑塌为主,三者面积合计为0.417 km²,占流域总面积的5.04%。(2)评价因子内部中,土壤母质的红黏土、土地利用的天然灌木林地和草地、地貌部位的沟坡、坡度＞35°、地形起伏度为0.74~3.34 m是坡体失稳发生的高敏感区域,也是崩塌、滑塌、脱落和陷穴发育共有的敏感区域。(3)影响坡体稳定性主控因子权重由大到小为土壤母质、地形起伏度、坡度、土地利用和坡向。崩塌、滑塌和脱落的主控因子与整体坡体稳定性的主控因子相同,但因子内部权重存在差异。崩塌与整体坡体稳定性影响因子顺序分布一致。滑塌主控因子权重由大到小为土壤母质＞地形起伏度＝坡度＞土地利用＞坡向＞地貌部位。脱落主控因子权重由大到小为土壤母质＞土地利用＞地形起伏度＞坡度＝坡向＞地貌部位。滑坡的主控因子为坡度和地形起伏度。陷穴的主控因子权重由大到小为土壤母质＞地形起伏度＞坡度＞坡向。