基于DEM的黄土高原地表蚕食度及空间分异研究

A striking feature of loess landform is the occurrence of positive and negative terrains. Positive terrain is eroded by negative terrain and shoulderlines approaching watershed dividing lines, these are core phenomenon of the modern erosion on Loess Plateau. Based on an integrated analysis of a series of contradictions between quantitative and qualitative, microcosmic and macroscopic, prototype and model, phenomenon and mechanism, this study firstly proposes the conception model of loess landform eroded degree, and establishes a terrain indexes subset for delineating the spatial combination characteristics between positive and negative terrains, shoulderlines and watershed dividing lines respectively. Digital Elevation Models (DEM) with high resolution and precision in different landform types on Loess Plateau will be used as the basic data resource. Three issues will be discussed in this project. Firstly, the advantages and disadvantages of eroded degree acting as regional-scale topography indicators will be investigated by comparative analysis in different landform sites. Secondly, the correlation ship between eroded degree indicators and loess landform morphology and development process will be carefully tested, and the correlation mechanism will also be discussed. Thirdly, the spatial distribution rules of eroded degree indicators on study area will be summarized and spatial heterogeneity of the loess landform will be discussed by using of multi-sites DEM data. The object of this project is to establish quantitative indicators for regional-scale topography. The proposed theory and methodology is hope to be an important supplement to GIS spatial analysis and Digital Terrain Analysis and innovative results would be obtain in the research on Loess Plateau.

本课题紧紧围绕黄土地貌发育的核心因素- - 地面沟蚀以及由于沟蚀所造成的现代侵蚀核心表象- - 正负地形此消彼长、沟沿线逐渐逼近流域分水线的特点，从两线、两面的空间组合特征入手，以高空间分辨率、高数据精度、高密度试验样区的数字高程模型（DEM）为基本信息源，在综合分析定性与定量、微观与宏观、原型与模型、表象与机理多重矛盾的基础上，提出黄土高原地表蚕食度概念模型，并构建其描述指标体系。通过在黄土高原不同地貌类型样区的对比分析实验，研究蚕食度指标作为区域地形量化因子的优势与不足，研究其与黄土地貌形态及其发育进程的映射机制，挖掘地表蚕食度所蕴含的深层次的地学知识，深入分析地表蚕食度指标在黄土高原地区的空间分异规律，揭示黄土地貌形态的空间异质性特征。通过本研究，可望丰富DEM数字地形分析理论与方法，并在黄土高原研究中取得创新性研究成果。

本课题围绕黄土地表沟蚀以及由于沟蚀所造成的正负地形此消彼长特征入手，分析沟沿线、水蚀性沟谷线、分水线、正地形、负地形的空间分布特点，以高空间分辨率数字高程模型（DEM）及遥感影像为基本信息源，利用GIS空间分析技术，研究均匀分布于黄土高原水土保持重点治理区的107个小流域样区蚕食度指标的空间分异特征。主要得到如下研究结论：.1. 建立黄土地表蚕食度概念模型。在分析黄土坡面结构及沟道发育特征的基础上，提出地表蚕食度的概念模型。.2. 利用改进snake模型，设计了基于高分辨率DEM的连续沟沿线提取方法。该方法立足于数字地形分析思想，基于黄土坡面形态特征，首先识别沟沿线点，继而利用改进的snake模型实现沟沿线断点的自动连接，从而实现连续沟沿线的自动生成，在黄土峁梁状丘陵沟壑区小流域提取结果较好。.3. 构建蚕食度量化指标体系并研究指标相关性。分别从从沟沿线、分水线、水蚀性沟谷线、正地形、负地形之间空间结构和对比关系入手，构建地表蚕食度量化指标体系，并在此基础上分析了蚕食度指标以及传统地形指标间的相关性，研究表明，蚕食度指标在黄土高原地区较传统的沟谷密度指标更具有合乎逻辑的地学意义，其中正负地形面积比指标与水蚀性沟谷密度以及侵蚀模数相关性较高。.4. 基于黄土坡面流线转折特征，系统性提出一套利用沟沿线约束的黄土水蚀性沟谷识别方法。在宁夏回族自治区固原市刘家沟流域实验结果表明：该方法可准确区分水蚀性沟谷和继承性沟谷；提取的水蚀性沟谷在偏移距离与沟谷密度指标方面，与目视解译结果对比，精度分别为84.01%，96.98%。.5. 实现了黄土高原水土保持重点治理区蚕食度指标的空间分异分析。基于107个小流域样区蚕食度因子，利用GIS空间插值方法，制作了研究区内蚕食度因子特征空间分异专题地图。其中，正负地形面积对比指标空间分异呈现由东偏北向四周逐渐递减的态势，最大值出现在陕西延安、山西临县、吉县构成的三角地带以及河曲、保德一带。并利用多尺度分割方法，实现了基于蚕食度指标特征的黄土地貌分区。.6. 蚕食度指标在描述黄土高原地貌特征上表现出较大的优势与潜力。本文所构建的蚕食度模型和分析方法体系，是发现黄土高原地表形态空间分异自然规律的有效切入点，丰富了黄土高原地区数字地形分析方法体系，是地学信息图谱分析思想的有益实践，可为黄土高原地区水保措施制定提供重要参考依据。