侵蚀学坡长提取中的沟道截断方法研究

Slope length is an important topographical indicators in the research of soil and water conservation, soil erosion etc. When the slope decreased enough or a well-defined channel reached, slope length will stop accumulating in erosion rescarch area. Slope changed can be obtained using the comparation of slope gradient, however few studies in channel cutoff method. The purpose of this project is to make comprehensive use of the basic theory and technical methods of slope erosion, digital terrain analysis, pattern recognition to research the cutoff method of the extraction of slope length based on a high-precision and high-resolution DEM. Pattern recognition will be used to extract the slope length calculation units which was analysised for the spatial distribution of slope length. Then, combined by experts knowledge, a clear distinction between channel and slope will be extracted. Finally, channel cutoff model in the extraction of erosion slope length was builded by analysising the relationship of structure and topographic factors of slope-channel. This study is an important step forward in conducting accurate large-scale erosion evaluation and building watershed erosion prediction model. It is also a useful attempt for combining of the digital terrain analysis and pattern recognition technology.

坡长是水土保持、土壤侵蚀等研究的重要地形指标。侵蚀学研究中，当坡度下降较多时或者到达沟道处，坡长截断。在流域尺度上的坡长提取方法中，坡度下降引起的截断可通过坡度对比获得，而沟道截断的研究较薄弱，尚无明显的控制指标，亟待解决。本项目将综合运用坡面侵蚀、数字地形分析、模式识别等学科的基本理论与技术方法，以高精度、高分辨率DEM为基础，对坡长的沟道截断进行研究。采用模式识别的方法提取坡长的计算单元，对多个可识别的最小流域单元，进行坡长的空间分布分析，通过统计基本计算单元内的坡长分布和空间结构特征，辅助专家先验知识，明确区分沟和坡，最终分析坡沟结构与地形因子关系，建立适合坡长提取的沟道截断模型。本研究对提高流域土壤侵蚀评价结果的精度、建立流域侵蚀预报模型具有重要意义，同时是数字地形分析技术与模式识别技术的结合的有益尝试。

本研究基于前期研究方法，将多流向算法集成与LS-TOOL中，开发了更加有效的地形因子计算工具，该工具可以进行大规模DEM计算，目前已经开发集成完毕，相关方法已经撰写新的论文并投稿，未来论文的刊出，一定会使得该工具得到大面积应用。同时根据算法过程，优化坡长提取算法效率，提出了新的平地流向确定方法；坡长提取受坡度变化和沟道的截断影响较大，坡度截断主要是受分辨率影响，沟道截断主要是受河网阈值影响；从研究样区来看，坡度变化引起的截断主要集中在坡面上。本研究给出了一个初步计算公式用于计算不同分辨率下的坡度变化比例及河网阈值。沟道截断影响主要集中在汇水区域；合理的坡度变化和沟道阈值是坡长提取准确性。分布式土壤侵蚀学坡长提取结果受沟道网络阈值变化引起的截断影响主要集中在汇水区域，阈值设定越小，坡长截断的位置越早，因此对于复杂地形（如黄土高原）地区影响较大；对于本研究的两个研究区的地形复杂情况不同，沟头出现较早的地区，坡长平均值越短，但坡长最大值越长；沟道阈值对坡长的影响正相关，阈值越小平均坡长越短，反之越长；从坡长平均值的变化统计规律来看，在设定的步长条件下，当坡长变化率降为4%左右时与实际沟道阈值能够达到吻合。非梯田区，坡度整体呈现衰减趋势，坡长呈现增长趋势，LS先小幅增加，后衰减，与相对应范围的梯田地区变化不同，且变化幅度相对较小。同时本文通过无人机航空摄影测量技术，获取高精度梯田DEM，研究表明梯田区：地形因子分布特征与地形特征吻合，大值集中于梯田过渡的陡坡处，小值集中于田面；分辨率降低，梯田地区较小和较大的坡度单元均减少，平均坡度降低，坡长增大，LS增长较显著，因此低分辨率下，LS因子被高估。项目研究结果一定能够为区域土壤侵蚀评价中的地形因子研究提供了理论支持。