世界双遗产地景区系统空间结构的分形特征研究

利用分形理论中的计盒维数、信息维数和关联维数,采取变换取样空间的方式研究了武夷山双遗产地景区系统分形特征的多尺度效应.结果表明:在A取样尺度上,武夷山双遗产地景区系统A的空闻结构计盒维数达到了1.474,信息维数为1.415,关联维数为1.048,3种维数的相关系数R值分别为0.994、0.999、0.969;在B取样尺度上,系统空间B1～B4的计盒维数范围为0.825～1.200,R值均达0.961以上,信息维数范围为0.919～1.302,R值均达0.964以上,关联维数范围为0.822～1.364,R值均达0.941以上;在C取样尺度上,系统空间C1～C16(去除空集及景点个数为1系统空间,下同)计盒维数范围为0.175～0.931,R值在0.775以上,信息维数范围为0.200～1.039,R值在0.771以上,关联维数范围为0.506～1.929,R值在0.704以上.说明武夷山世界双遗产地景区系统的空闻结构具有明显的分形特征,其分形维数对取样空间尺度有较强的敏感性.     

基于GIS的流域土地利用/土地覆被分形特征

该文以西安市沪灞河流域为例,结合遥感数据成图与GIS空间分析建模,开发了流域土地利用/土地覆被斑块形状分维数、空间结构盒维数、空间分布信息维数与区域形态半径维数的计算脚本,并对各种分形维数的特征与意义进行了研究.结果表明:土地利用/土地覆被斑块形状分维数、空间结构盒维数、空间分布信息维数与区域形态半径维数是几种性质不同功能各异的分形维数,四者能够表征土地利用/土地覆被在斑块水平、斑块类型水平以及景观水平3个层次的分形特征;斑块形状分维数体现了不同地类斑块形状的复杂程度及其所受人类活动干扰的强度;空间结构盒维数反映了不同地类空间结构的复杂程度和不规则程度;空间分布信息维数反映了不同地类斑块空间分布的均衡程度;形态半径维数反映了不同地类区域形态针对某一中心点的聚散特征.     

牛肉大理石花纹计盒维和信息维的测定

对牛肉大理石花纹几何特征进行定量描述，是牛肉大理石花纹等级自动判定系统的关键技术。通过对牛肉大理石花纹图像分形特征的分析及分形维数的测定，试图以分形维对牛肉大理石花纹的分布特征进行定量描述。作者以中国及美国牛肉分级系统中的大理石花纹标准图版为研究对象，通过图像预处理，将其转化为二值数字图像，然后根据变粗视化程度的像素点覆盖法，编写出计盒维和信息维的测定程序，计算出上述每一幅图像在不同标尺下的非空盒个数及信息量，再根据标尺与非空盒个数及信息量的关系，分析图像的分形特征；通过回归分析的方法，测定出图像的计盒维数和信息维数。试验结果显示，在一定的标度范围内，牛肉大理石花纹标准图像具有分形性，并且显示出多重分形特征；图像的计盒维数和信息维数均呈现出随着牛肉大理石花纹等级的增加而增大的变化趋势。     

基于图像分析的杂草分形维数计算

介绍了分形维数的理论计算公式和试验公式，分析了计盒维数的计算方法，运用Matlab软件设计了图像的处理和基于图像的计盒维数的计算程序。随机地选择了4种双子叶杂草和两种单子叶杂草共6种杂草作为研究对象，运用自行设计的程序分别计算了杂草叶的RGB三色图像的分形维数并以其平均值作为杂草叶的分形维数。研究结果表明该文给出的分形维数的计算方法可靠；研究结果也验证了杂草叶具有分形特征；研究结果还说明不同种类的杂草 ，其叶的分形维数明显不同，可以用分形维数为特征参数识别杂草。     

基于GIS的安徽省表层土壤颗粒分形特征研究

以第二次全国土壤普查数据为基础,运用分形模型,计算了安徽省表层(0-20 cm)土壤颗粒的分形维数;结合安徽省1:50万土壤数据库,利用GIS空间分析技术.探讨了表层土壤颗粒分形维数的空间分布特征及其与环境因子的关系,得出以下几点主要结论:(1)表层土壤颗粒分形维数变化较大,从2.290 3～2.933 2,变幅达0.642 9;从空间分布上看,沿江江南和淮河以北地区分形维数较大,而江淮丘陵地区和大别山区分形维数相对较小.分形维数2.766 4～2.844 7之间的土壤,分布面积最大,达到65 349 km2,占安徽省总面积的48.28%;(2)不同土壤类型下的土壤颗粒分形维数差别较大.分形维数最大的土壤类型为石灰岩土,达到2.859 7;最小的为粗骨土,只有2.598 1.(3)不同土地利用方式下的土壤颗粒分形维数差别明显.分形维数从大到小的顺序为:草地>耕地>园地>林地.(4)不同海拔下的土壤颗粒分形维数显著不同.随着海拔高度的增加,分形维数有逐渐减小的趋势.     

古尔班通古特沙漠西南缘柽柳沙包土壤粒度分布特征

柽柳(Tamarix chinensis)沙包是古尔班通古特沙漠地区特殊的生物地貌景观,对维持区域生态环境稳定具有重要作用。采用野外调查与室内分析相结合的方法,对古尔班通古特沙漠西南缘柽柳沙包0—500 cm层土壤粒度特征进行分析。结果表明:(1)该地区柽柳沙包土壤粒度组成以细粒物质为主,其中粉粒含量最高,其次为极细沙粒,两者含量达到80%以上,且50μm以下土壤粒度含量在57%以上。(2)随着土层深度的增加,黏粒、粉粒、平均粒径及分形维数总体呈先升高后降低再升高的变化趋势,极细沙粒、细沙粒及分选系数总体呈先降低后升高再降低的变化,土壤总体分选性较差,偏度呈正偏态,峰态呈中等峰态。分形维数、平均粒径与黏粒、粉粒呈显著正相关,与极细沙粒、细沙粒呈显著负相关,表明分形维数和平均粒径能够较好地反映柽柳沙包土壤粒度组成特征。(3)柽柳沙包土壤粒度的形成受土壤含水量、pH、全磷、有机质及电导率等土壤特性的影响。研究结果表明,平均粒径和分形维数能够较好地反映柽柳沙包土壤粒度分布特征,柽柳沙包土壤粒度组成是荒漠—绿洲过渡带土壤形成中不可忽视的潜在物质基础。     

基于GIS与RS的大理河流域植被格局分形维数时空变化特征

为掌握大理河流域植被格局时间和空间分布特征,构建了基于分形布朗运动理论的流域植被格局量化模型。该文利用自1990年至2006年共计5期TM/ETM影像为基础信息源,在ARCGIS平台下计算得到大理河流域各时相的像元归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI),建立了流域像元尺度的栅格结构数字植被模型(digital vegetation model,DVM),并逐个计算得到各子流域植被格局分形维数。结果显示分形维数都大于2.5,介于2.7311~2.8499之间,各下一级子流域植被覆盖分形维数的大小都没有超过其所在的更大流域的分形维数。植被格局分形维数(fractional brownian motion,FBM)从下游到上游随着离出口点距离的增大而逐渐变小,植被格局自下游到上游逐渐趋于破碎复杂。各子流域从1990年至2006年植被格局分形维数基本随着时间的变化呈现了先减小后增大的趋势。该文建立的流域植被格局分形量化模型在综合量化流域植被格局破碎程度等方面具有一定的优越性。     

基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测

果园精细管理中,苹果树冠层结构决定了叶幕期光照分布情况,而叶幕期光照分布又是关系到果实产量和质量的重要因素之一。该文以纺锤体苹果树为研究对象,提出了基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测方法。在冠层尺度内,按照网格法划分休眠期苹果树冠层三维点云数据,通过分析该数据构成的果树冠层空间结构,提出用计盒维数量化果树冠层结构的方法;通过分析休眠期冠层结构特征和叶幕期冠层相对光照分布特点,研究了休眠期苹果树三维冠层网格空间计盒维数与叶幕期冠层光照空间分布之间的关系,预测了叶幕成形期苹果树冠层光照分布。通过连续3 a的数据分析,叶幕期苹果树冠层阳面光照分布平均预测精度为76.11%,阴面平均光照分布预测精度为74.10%,该方法可为苹果树自动化修剪合理性评判提供技术支持。     

黄河三角洲人类活动强度的湿地景观格局梯度响应

为了研究黄河三角洲湿地景观格局沿人类活动强度的梯度变化规律,该文基于土地科学和景观生态学原理,在RS、Arc GIS和FRAGSTATS软件支持下,以1989、1999、2009和2014年四期遥感影像为数据源,利用人工目视解译方法构建研究区景观类型图。基于解译结果,选取耕地、工矿用地、居民点和交通用地等土地利用指标来反映人类活动强度,采用自然间断法将人类活动强度从强到弱分带。文章分析了黄河三角洲不同人类活动强度样带不同时期的湿地景观格局变化特征,以及2014年主要景观类型的格局特征对人类活动强度的梯度响应。结果表明:人类的干扰活动使得不同景观类型在人类活动强度各样带表现出明显的空间差异。在景观水平上,随着人类活动强度的降低,样带景观的丰富度和斑块数增加,2009年斑块数量达到8 000个;多样性和均匀度指数呈先增后减趋势,景观聚集度和连通性持续增加,在第10样带达到99.42%,破碎化程度不断降低;在类型水平上,水库坑塘、水产养殖场、盐田和未利用地在梯度带中较好地反映了景观格局的变化特征,其中各景观类型的形状指数和分维数随人类活动强度的梯度变化呈现明显的变化趋势,景观形状趋于复杂化,面积比例、斑块密度和最大斑块指数的梯度变化较大,波动明显,盐田在人类干扰最大时斑块指数达到26%。该文揭示了景观格局沿人类活动强度的梯度变化规律,可为研究区湿地生态恢复及可持续利用提供参考。     

石羊河尾闾水面形成区土壤颗粒的分形特征

青土湖是石羊河的尾闾湖,观测分析了距青土湖水面边缘0-500m范围内的土壤颗粒粒径分布、分形维数及其与土壤颗粒含量的关系。结果表明,0-20cm和20-40cm土层土壤颗粒的分形维数范围分别在2.3708~2.8796和2.3590~2.7509。在0~150m范围内,0-20cm土层土壤粒径分形维数与水面间距呈缓慢增加趋势,在150m处达到最大(2.8796),随后逐渐降低而20-40cm土层在0~100m范围内呈缓慢增加趋势,在100m处分形维数达到最大(2.7509)土壤颗粒分形维数大小与土壤质地的细粒化有一致的变化趋势,且与大于0.05mm粒径含量呈极显著负相关关系,而与黏粒含量、粉粒含量呈极显著正相关关系。小于0.05mm粒径物质含量的增加和>0.05mm粒径物质含量的降低共同导致了土壤颗粒分形维数在水面形成150m范围内的增大,说明水面形成对土壤粒径的影响范围在0~150m。     

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。     

广元市不同土地利用类型土壤的分形特征

以8个植被类型、2个农地和2个退耕地的土壤颗粒组成数据为基础，运用分形模型计算这12个土地利用类型土壤颗粒的分形维数，研究了土壤颗粒分形维数与土壤性状的关系。结果表明：（1）12个土地利用类型表层土壤颗粒的分形维数介于2．8185～2．9249之间。与退耕地和玉米地相比，各林地土壤颗粒分形维数小；与1990年的2．8633相比，2006年土壤颗粒分形维数（2．8592）减小；各团聚体分形维数规律不明显。（2）决定土壤颗粒分形维数大小的首先是〈o．002mm的含量，其次是0．05～0．25mm和0．0020．02mm的含量；决定团聚体分形维数大小的粒级含量由大到小的顺序是：2～5mm，0．5～1mm和1～2mm，其余粒级含量对分形维数影响较小。（3）土壤颗粒分形维数与团聚体分形维数可作为侵蚀指标，前者与土壤可蚀性因子相关关系显著，后者也可作为渗透蓄水指标。（4）在坡耕地基础上的退耕地比生态退化后的营林地具有更有利于水土保持的土壤分形特征。     

土壤样本分形几何特征的图像分析方法

土壤水分的持留与水分和溶质的运移,在很大程度取决于土壤孔隙的几何性质,而用数字图像处理方法能够较准确地加以识别。本文采用面积法和周长法分别计算了土壤样本图像的孔隙分形维数和多重孔隙轮廓线分形维数,并分析了它们同土壤质地之间的关系。结果表明,土壤孔隙空间在一定尺度范围内才存在明显的分形特征,土壤质地越细(粘粒含量越高)分形维数越大。与周长法相比较,用面积法计算的孔隙分形维数对土壤质地更为敏感。     

冻融作用对土壤微团聚体特征及分形维数的影响

为了研究冻融作用对土壤微团聚体特征和分形维数的影响,本试验以东北地区典型土壤-棕壤为研究对象,通过室内人工控温冻融培养,测定分析不同含水量条件下,不同冻融频次处理后土壤水稳性微团聚体组成、平均质量比表面积(MWSSA)、平均质量直径(MWD)和分形维数(D)等特征指标.结果表明:供试土壤经冻融循环处理后,不同粒级微团聚体含量的变化趋势不尽相同,除0.005 ～0.001 mm外,含水量对其他粒级微团聚体含量的影响均达到了显著或极显著影响,冻融次数对各级微团聚体含量均达到了显著或极显著影响;土壤平均质量比表面积随着冻融次数和土壤含水量的增加先减小后增加;土壤平均质量直径随冻融次数的增加先增加后减小,随土壤含水量的增加先减小后增加;分形维数随着冻融次数的增加先减小后增加,随土壤含水量的增加呈波动式变化.冻融处理使土壤微团聚体的稳定性先增强后减弱,适宜含水量可增加土壤微团聚体的稳定性.     

荒漠-绿洲边缘区生态过渡带的土壤颗粒分形特征

通过实地采样和实验室分析,测定了黑河中游荒漠绿洲边缘区生态过渡带的土壤粒级分布、有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)和速效磷(AP)的含量,并采用1993年杨培岭等提出的用粒径的重量分布代替数量分布的土壤分形模型,计算了土壤颗粒分形维数;最后利用统计分析法,研究了颗粒分形维数与土壤粒级分布及各养分指标的关系.结果表明:从荒漠边缘向绿洲延伸的过渡带,土壤中砂粒含量占绝对优势,粉粒居中,黏粒最少,采样区土壤质地较粗;土壤颗粒分形维数在2.105～2.609之间变动,处于极低水平,与土壤各养分指标具有相似的变化趋势,除靠近绿洲区存在一个"生态裂谷"外,整体呈上升趋势;利用相关分析法得出,土壤颗粒分形维数与砂粒含量呈显著负相关,与黏粉粒及各养分指标均呈显著的正相关;利用回归分析法进行定量分析,砂粒含量每增加1g/kg,颗粒分形维数D降低0.0019个单位;粉粒和黏粒含量每增加1g/kg,颗粒分形维数D分别增加0.002和0,023个单位,对土壤颗粒分形维数变化幅度的影响依次为黏粒>粉粒>砂粒,分形维数对黏粒含量的变化最为敏感.因此,可以将土壤颗粒分形维数作为衡量荒漠-绿洲边缘区土壤养分变化状况的指标之一,用于反映荒漠绿洲区土壤的退化状况.     

PAM对黄土高原主要土壤类型水稳性团聚体的改良效果及机理研究

通过室内土柱培养,研究PAM对黑垆土、黄绵土、风沙土水稳性团聚体的改良效果,并探讨其作用机理和合理的施用浓度.结果表明,在浓度为0.05%～0.4%,PAM均可促进3种土壤＞0.25 mm水稳性团聚体的形成,并有效降低3种土壤团聚体分形维数,改善土壤结构;方差分析表明,PAM改良3种土壤结构的机理是一致的,将＜1mm的水稳性团聚体聚合为更大粒径的水稳性团聚体,使＞1mm的水稳性团聚体含量增加.PAM改良黑垆土、黄绵土和风沙土土壤水稳性团聚体达到显著水平时的浓度也不相同,其适宜浓度分别为0.2%～0.4%,0.05%,0.05%.3种土壤的黏粒含量和有机质含量的差异,可能是影响PAM对不同土壤的水稳性团聚体的改良效果差异的主要原因.     

分维与土壤特性时空变异性研究进展

论述了几种经典分维的定义及计算方法,阐明了传统分析土壤特性时空变异性不足之处,介绍了近几年来用分维度量土壤特性时空变异性的一些成果,并对分维在今后土壤特性时空变异性中的应用前景作了展望。