基于DEM的山西黄土高原面积高程积分研究

面积高程积分(Hypsometric Integral,HI)是刻画流域地貌形态与发育阶段的重要地理指标。为了探究山西省黄土高原重点水土流失区的面积高程积分空间分异特征,以30 m分辨率的SRTM数据为基本信息源,采用积分曲线法计算研究区的面积高程积分值。研究工作首先分析了DEM分辨率与流域稳定面积对HI值的影响,然后进一步研究流域内各地貌对象高程积分值的相关性,最后得到研究区面积高程积分空间分布结果。结果表明:小流域面积高程积分受DEM分辨率的影响较小,面积高程积分趋于稳定的小流域面积阈值为0.04 km~2;研究区HI值相关性较强的地貌对象组合为山顶点—山脊线—沟谷网络;区域内面积高程积分值的地域差异性从北到南,表现出大—小—大的空间分布趋势。山西省黄土高原重点水土流失区的HI值整体处于0.35～0.6,区域内流域基本处于发育的壮年期,表现为强烈的水系扩张分支,应加强水土保持工作的力度。     

基于M-DEM的黄土人工锄耕坡面水系分维特征研究

该文旨在微观尺度上对地表微地形水系形成过程及其几何分形特征进行研究与分析,为研究坡面流水侵蚀过程及其防治提供科学依据。通过构建90mm/h雨强、15°坡度下不同水蚀阶段(雨前—溅蚀—片蚀—细沟侵蚀)黄土人工锄耕坡面微地形数字高程模型,设置不同集水面积阈值提取微地形水系,并基于格网法计算相应的水系分维值。结果表明:(1)分形理论用于研究微地形水系及其形成过程具有可行性;(2)降雨前、溅蚀、片蚀和细沟侵蚀阶段的最适集水面积阈值分别为15,20,25,30cm2,对应的最佳分维值分别为1.067,1.088,1.068,1.079;(3)人工锄耕坡面在各侵蚀阶段均处于侵蚀发育的幼年期。该研究不仅为微观层面研究黄土耕作坡面水系分维提供方法指导,也可为进一步揭示土壤侵蚀机理提供数据支持。     

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DEM的山东沂沭泗河流域地貌演化与水土流失研究

水土流失其实是一种主要的侵蚀地貌演化过程。本文以戴维斯提出的地貌侵蚀循环学说和斯特拉勒(N.Strahler)提出的高程—面积分析法为基础,把高程—面积分析法运用到流域地貌发育研究之中,把山东沂沭泗河流域山丘区地貌发育阶段分为壮年期和老年期。各流域土壤侵蚀模数平均值、土壤侵蚀强度综合指数的大小与其地貌发育阶段呈良好的对应关系,说明尽管人类活动是加剧土壤侵蚀的重要原因,但地貌发育过程对土壤侵蚀的影响同样重要。     

嘉陵江流域水系形态特征与侵蚀产沙响应

流域水系形态指示着流域地貌发育和水文过程,研究其形态特征有助于流域水力开发、生态保护、水土流失治理等规划的制定。基于DEM数据,运用分形维数、河段蜿蜒度、灰色关联度和非线性响应模型分析了嘉陵江流域水系形态特征以及侵蚀产沙与水系形态的关系。结果表明:嘉陵江流域内各子流域水系形态差异显著,其中,渠江子流域水系形态分形维数为5.102,水系分叉总数增加最快,分枝形态最复杂,溯源侵蚀能力最强。其余4个子流域水系形态分形维数分别为白龙江子流域3.706,干流上游子流域3.605,干流中下游子流域3.576,涪江子流域3.548。各子流域河段均以低蜿蜒度为主,约占河段总数的73%~82%;中蜿蜒度河段数约占总数的12%~20%。平均输沙量和泥沙淤积量与水系分形维数间的关联度分别为0.618,0.641,与河段平均蜿蜒度的关联度分别为0.588,0.591。河段蜿蜒度和分枝结构复杂度对输沙量的相对贡献率分别为21%和79%,对泥沙淤积量的相对贡献率分别为18%和82%。     

济南山丘区地貌演化与水土流失研究

水土流失,其实是一种主要的侵蚀地貌演化过程。本文以戴维斯提出的地貌侵蚀循环学说为基础,把高程-面积分析法运用到流域地貌发育研究之中,把济南山丘区地貌发育阶段分为壮年期和老年期。各流域土壤侵蚀危险度平均值、土壤侵蚀强度综合指数的大小次序与其地貌发育阶段呈现良好的对应关系,说明尽管人类活动是加剧土壤侵蚀的主要原因,但地貌发育过程对土壤侵蚀的影响同样不可忽视。     

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。     

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。     

风水两相侵蚀条件下流域泥沙粒径分布分形维数特征——以黄河上游内蒙古段西柳沟为例

[目的]研究在风水两相侵蚀条件下流域泥沙粒径分布分形维数特征,为风水两相侵蚀产沙和高含沙水流侵蚀产沙的治理等问题的研究提供理论和试验依据。[方法]选取位于黄河上游内蒙古段的西柳沟流域为例,采集沉积物表层样,利用激光粒度仪对43个样点的泥沙粒度组成进行分析,采用分形理论,结合方差分析以及K均值聚类法进行分析和研究。[结果](1)不同沉积环境下泥沙粒径分布分形维数不同,以水力侵蚀为主的丘陵沟壑区分形维数平均值最大,为2.48;以风力侵蚀为主的沙漠区分形维数平均值最小,为1.95。(2)对于西柳沟流域,泥沙颗粒组成中粒径在0.05mm以下的含量越高,粒径越离散,分维值越高;粒径在0.05~1mm之间的颗粒含量越高,分形维数越低;粒径在1mm以上的颗粒含量与分形维数关系不明显。相对来说,粉粒含量对于分形维数的影响大于黏粒含量。[结论]地貌条件主要影响的是河床样的泥沙粒径组成,产沙层土样的颗粒组成不受地貌条件的影响,河滩样的泥沙粒径组成受地貌条件和沉积环境的双重影响。     

岔巴沟流域地貌形态分形特征量化研究

分形理论和方法为地貌学的非线性研究开辟了新的思路。本文基于分形基本理论和GIS技术,对地处黄土高原丘陵沟壑区第一副区的岔巴沟流域地貌形态分形特征进行了量化研究,提出了流域地貌形态特征分形信息维数的计算模型和方法,并依此获得了岔巴沟流域及各支流域的地貌形态特征分形信息维数。研究表明,岔巴沟流域及各支流域的地貌形态特征分形信息维数均小于1,且与流域面积保持很强的正相关;分形信息维数揭示了流域地貌形态复杂本质的量化特征,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量化提供了新的思路和方法。     

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。     

纸坊沟流域水系最佳集水面积阈值确定方法研究

为更加准确判定流域水系最佳集水面积阈值,以陕西省安塞县纸坊沟流域30 m DEM为例,采用均值变点分析方法对流域水系分维值、DEM分辨率与集水面积阈值之间的关系进行了分析。结果表明:(1)集水面积阈值与分维值的关系:不同分辨率DEM,随着集水面积阈值的增加,分维值呈先增后减趋势,且其下降速度由急剧变为缓慢;(2) DEM分辨率与分维值的关系:在最佳集水面积阈值条件下,随着DEM分辨率的减小,分维值整体趋于下降,且其下降速度越来越缓慢;(3)纸坊沟流域水系分维值为1.20,所对应的最佳集水面积阈值、DEM分辨率分别为100,15 m。均值变点分析方法可用于最佳集水面积阈值和DEM分辨率的快速确定,且可靠性较高,判定系数达0.99。研究结果为流域河网水系提取时集水面积阈值的确定提供了方法参考依据。     

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.     

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。     

贵州省典型变质岩地区地表水系结构特征研究

变质岩地区土层深厚、半风化层极为发育,一旦植被遭到破坏,水土流失程度将大大加剧。研究该类地区的土壤侵蚀环境,准确量化复杂的流域地貌特征,对变质岩地区土壤侵蚀预测评价及水土保持规划具有重要意义。以贵州省雷山县作为变质岩地区的典型代表,从不同级别水道数目、平均长度、长度比、频度、密度及分支比等方面研究了该类地区的水系结构特征,结果表明:变质岩地区水道密度达6.80 km/km2,水道频度达21.19条/km2,水道平均分支比为4.373,水道平均长度比为2.053,水道分形维数为2.051。与喀斯特地区相比,变质岩地区水系具有水道密集、长度较短,分支能力较强、结构复杂,水系成熟、完善的特点。     

基于7Be示踪和细沟沟网分形维数研究坡面土壤侵蚀

本文试图结合7Be示踪和分形理论定量化描述降雨对坡面的侵蚀过程。7Be示踪结果显示,降雨初期,坡面细沟间侵蚀贡献率高,细沟侵蚀贡献率低,随着降雨的进行,细沟间侵蚀贡献率降低,而细沟侵蚀贡献率增大并处优势,在降雨后期,细沟间侵蚀贡献率又有增大的趋势。整个降雨过程坡面细沟沟网分形维数整体呈增大趋势,在细沟发育中前期增加快,后期增加变缓,中间有波动。细沟沟网分形维数与总侵蚀量和细沟侵蚀量均呈正相关,分维变与相对应总侵蚀量和细沟侵蚀量也均呈正相关,但与细沟侵蚀量的相关性最好,说明细沟沟网分形维数可表征细沟发育过程和坡面侵蚀强度的变化。     

基于DEM的黄土高原沟谷节点分形特征研究

以ASTER GDEM为主要数据源,在黄河中游多沙粗沙区提取22个小流域的沟谷节点(channel junctions,CJs),采用计盒、关联维2种方法对比研究CJs分形特征,并讨论其分形的内涵与影响因素;基于CJs分形特征的聚类分析,探讨样区的侵蚀程度差异。结果表明:(1)黄土高原CJs分形特征明显,不同分形方法度量的几何维数变化相同,盒维数大的样区关联维数也大;(2)CJs分形特征与黄土地貌的发育相关,不同地貌类型呈现出不同的分形维数;但2种分形方法度量出的分维值差异均能与地貌类型保持对应,分形维数排序为:黄土梁峁状丘陵沟壑黄土破碎塬黄土梁状丘陵沟壑黄土塬黄土山地黄土峁梁状丘陵沟壑黄土风蚀沙丘;(3)依据CJs盒维数、关联维数对样区进行聚类分析,结果表明22个样区划分为4种类型,大致对应剧烈侵蚀区、强烈侵蚀区、中度侵蚀区、轻度侵蚀区。研究表明分形方法能较好的刻画黄土高原不同地貌沟谷节点特征,并能在一定程度上反映沟谷侵蚀状况。     

基于分形理论的农村居民点空间分布特征定量研究

农村居民点分形特征作为农村居民点自主演化研究的重要内容,可以很好地反映其发育情况及空间占据能力。以晋城市长河流域为例,通过对农村居民点空间分布主要影响因素的分形分析,探讨了农村居民点分维与其之间的关系,并引入证据权模型量化了各因素的影响程度,在此基础上对该区农村居民点空间分布特征进行了定量评价。结果表明:（1）晋城市长河流域农村居民点分维数值随着高程和坡度的增加总体呈降低趋势,农村居民点分维数值显著高于交通维数与水系维数,长远来看,农村居民点与交通维数将会升高,而在采煤的影响下,水系维数则会降低;（2）社会经济因素中的农村人均居民点用地面积与农民人均纯收入可以直接影响居民点维数值,且与居民点维数变化趋势一致;（3）用证据权模型计算出的各指标影响程度排序为:坡度>道路>高程>水系>农民人均纯收入>人均居民点占地面积,研究结果与分形理论研究得出的结论具有一致性。该研究可为丘陵山区农村居民点土地整理与空间布局优化提供参考。     

基于双向地形阴影法的黄土侵蚀沟自动提取技术

沟蚀严重危害着土地资源和生态环境,研究高分辨率数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）的侵蚀沟自动提取技术进行侵蚀沟动态监测,以期望能替代目视解译提取。双向地形阴影法是一种兼顾提取精度和效率的侵蚀沟提取方法,但仅针对黄土台/塬地貌,在其他地貌下其提取结果会产生较多误提区和漏提区。为使其适应不同地貌,该研究以陕西吴堡县3.2 m DEM为试验数据,综合沟谷线缓冲区填充法、膨胀腐蚀法以及面积阈值法消除误提区和漏提区,并通过模块化编程及数据分块计算,实现侵蚀沟自动提取,最后在全县范围内均匀选取10个小流域为样本,使用0.65 m影像目视解译的结果进行精度验证。结果表明：1）实现了误提区和漏提区的自动消除,得到了吴堡县侵蚀沟分布图;2）在10个验证小流域中,该研究方法提取侵蚀沟的精度为81.1%～86.3%,平均精度为83.8%。该研究综合应用沟谷线缓冲区填充法、膨胀腐蚀法和面积阈值法消除误提区和漏提区,使该方法能适应非黄土台/塬地貌,并在此基础上研发了能实现大区域侵蚀沟提取的算法及软件。