用于区域土壤侵蚀评价的中低分辨率坡度变换方法研究

坡度是影响土壤侵蚀的主要地形因子。区域尺度土壤侵蚀研究中，坡度参数一般通过中低分辨率的DEM来提取。但随着DEM分辨率的降低，其上提取的坡度发生衰减，使之不能有效反映地形与土壤侵蚀的关系，进而降低区域土壤侵蚀模拟精度。本研究将DEM及其提取的坡度视为连续表面，将数字图像处理和数字地形分析理论有机结合，通过对坡度与分辨率关系的系统分析，认识坡度衰减机理并鉴别其主控因素，提出描述坡度衰减的量化表征指标和概念模型；研究并初步提出中低分辨率坡度变换模型和关键参数的确定方法，确定模型的边界条件；分析模型在不同分辨率间坡度变换和在相同地貌类型区不同面积区域的应用中表现的不确定性，初步确定模型适用的尺度域；以区域土壤侵蚀定量评价为例，对坡度变换的实用性做出评估。该研究对发展中低分辨率坡度研究乃至数字地形分析的新理论、新方法，促进地理尺度研究，科学有效利用中低分辨率DEM数据资源具有重要的理论和实际意义。

背景：坡度是影响土壤侵蚀的主要地形指标。随着DEM分辨率的降低，其上提取的坡度会发生衰减，使之不能有效反映地形对土壤侵蚀的影响，降低区域土壤侵蚀模拟分析精度。本项目的研究目标就是研究解决如何利用中低分辨率DEM数据提取比较高精度坡度专题层，更好支撑区域土壤侵蚀等现代地表过程分析。.研究内容：基于对坡度与分辨率关系的认识，研究中低分辨率坡度变换模型，分析模型的不确定性，初步确定模型适用的尺度域，并对坡度尺度变换在区域土壤侵蚀定量评价中的适用性做出分析和示范。.研究结果包括4个方面：.（1）完善了基于数字地形图建立Hc-DEM的方法，提出了利用1:1万、1:5万和1:25万数字地形图建立Hc-DEM的分辨率分别为5m、10m和50m。初步探讨了自然和人工突变地形在DEM表面的表达方法，形成了数字地形分析中的数据预处理工作流程。.（2）DEM数据的升尺度变换和多尺度表达，分别利用空间滤波、小波变换与多分辨率分析、基于大比例尺地形图的多重插值和基于高分辨率DEM（或者高密度离散高程点）的抽稀等四种方法，形成了DEM数据的升尺度变换和多尺度表达方法。.（3）坡度—分辨率关系分析及机理分析：小流域统计分析表明，分辨率在2.5m到200m范围内，流域平均坡度随分辨率衰减呈对数下降；分辨率对地形属性的影响，可区分为地形平滑程度和采样间距两个方面进行分析，在地形比较陡的地区地形平滑作用是坡度衰减的主导因素；粗分辨率坡度衰减的机理在于DEM表面高频率信息随分辨率降低不断降低。.（4）坡度变换方法及其分析：研究并初步建立了三种坡度变换模型，包括基于高-低分辨率坡度平均值和标准差别的简易快速变换模型，基于直方图匹配的模型和数值函数模型。粗分辨率坡度变换的最佳分辨率差异范围为粗分辨率的0.2 – 0.25倍；在小流域（县南沟）、中等流域（延河流域）和陕西省的变换均表明，分区变换效果优于整体变换。.（5）研究成果应用：“陕西省土壤侵蚀普查试点”和“全国坡度坡长因子计算分析与制图”项目得到全面应用。.（6）数据积累：在小流域、中尺度流域、省域和全国水平上，建立了多种分辨率的Hc-DEM数据，其中1:5万数字地形图和相应的DEM数据覆盖全国。