基于原型理论的坡位空间渐变信息定量方法

目前基于栅格DEM提取坡位空间渐变信息的方法多仅在属性域中进行，忽略了空间信息，此外还存在难以提取出现频率低的坡位等明显问题。本项目基于原型理论，假设坡位的典型位置可以作为原型，充分利用其易于提取、内含丰富地形信息的特点，同时在属性域和空间域中进行模糊计算，定量提取坡位空间渐变信息，解决现有方法的问题。为此拟研究：1）以典型位置构建坡位原型，建立定量提取坡位渐变信息的模糊推理方法；2）分析新建方法对典型位置以及DEM栅格大小的敏感性。在此基础上，以精细尺度下的土壤空间信息获取为例进行应用，比较新建方法与现有方法所提取的坡位空间渐变信息的实际应用效果，以进一步评价新建方法的有效性及实用性。本研究可推动数字地形分析研究的深入，促进对坡位空间渐变特征影响地理现象的理解。所建立的方法及开发的软件工具有助于提高土壤空间信息推理等应用模型的效果。

坡位（如坡肩、背坡）的空间变化通常是渐变的，这种特征反映了地表过程在坡面上的综合效应，因此对精细尺度下的地理建模（如土壤空间信息推理）有重要作用。虽然此前对坡位空间渐变特征已有若干定量化方法，但这些方法仅在属性域中进行计算、忽略了空间信息，且难以提取出现频率低的坡位。与此同时，定量化后以相似度向量形式表达的多维模糊坡位信息还缺乏实际应用。针对上述问题，项目组以坡位空间渐变信息定量化为核心内容，开展了三方面的研究并取得了阶段性成果：. 1）在坡位空间渐变信息定量方法研究方面，建立了一整套基于原型理论利用典型位置的坡位空间渐变信息定量化方法，该方法可同时考虑坡位的空间和属性信息，提取出各类坡位的空间渐变信息。不但本项目组对新建方法在不同研究区进行了初步的有效性评价，近三年中，新建方法也已被国内外同行实际应用于其他类型的研究区，评价结果也表明了该方法的有效性。. 2）在新建方法所得坡位空间渐变信息的应用研究方面，项目组首次将模糊坡位信息直接应用于对平缓小流域内土壤属性空间分布的推测。其中，模糊坡位信息一方面用于指导目的性土壤采样，另一方面用于对这些目的性样点的土壤属性进行加权平均，从而建立应用模型推测土壤属性空间分布。结合土壤验证样点进行的定量评价结果表明了实际应用模糊坡位信息推测土壤属性空间分布的有效性。. 3）在应用新建方法所需的数字地形分析算法及软件工具研发方面，项目组针对所需区域地形属性的现有算法不能随局域地形条件自适应的问题，建立了新的区域地形属性算法并进行了算法误差的多尺度定量评价；针对所需的区域地形属性算法传统以串行计算方式实现为递归或迭代算法时运行效率低、难以满足时间响应需求的问题，基于图形处理器（GPU）设计出新的并行计算策略，并开发了高效并行算法；针对应用新建方法时一整套复杂工作流构建过程如何简化、易用的问题，研发了可视化建模环境原型系统，用以提高新建方法的易用性，并用于开展基于蒙特卡洛模拟的不确定性评价工作。. 在本项目的资助下，近3年项目组在国内外学术期刊上发表了9篇论文，其中包括4篇SCI文章，发表的期刊包括GIS领域的顶级期刊《IJGIS》与代表性期刊《Computers & Geosciences》、土壤学领域的代表性期刊《Geoderma》，以及《地理研究》、《地理科学》、《地理科学进展》等。取得软件著作权2项。