基于DEM的流域信息树研究——以黄土高原小流域为例

Watershed information tree is a multi-scale and tree-like hierarchical structure dataset which contains the complex morphologies,characteristics, and evolvement of the watershed in loess plateau. The research explores the fundamental theories and methods of watershed information tree from a new perspective. Based on multi-dimension angles, such as construction and serialization of watershed information tree, data mining in the semi-structured data and in the structure of information tree, quantification description, graphical representation and principle analysis, the study gives a new insight into the hierarchical structure features and spatial differentiation rules of loess plateau. It realizes enrichment of theories and methods for digital terrain analysis as well as further application of watershed information tree and bioinformatics analysis method, which is one of the innovative research findings on loess landform.The distinguishing feature of the research lies in the fact that it investigates watershed characteristics of loess plateau with a new approach- - - - the adoption of watershed information tree analytical method. The innovations of the research are listed as follows.Firstly，the main cause of loess plateau- - water erosion- - is fully taken into account in the study. It based on the basic watershed unit of water erosion, probes into watershed information tree from a brand-new research perspective. It proposes basic concepts and mathematical model of watershed information tree in a systematic manner. It is a rewarding and innovative exploration, which will undoubtedly lead to more profound understanding of space distribution and formation rules of loess landform. Secondly，by means of DNA gene sequence analysis, subgraph and sequence pattern recognition of bioinformatics and data mining method of semi-structured data model, the research takes advantage of watershed information tree to acquire morphological and structural characteristics of loess landform with the ultimate aim to probe into the space distribution and formation rules of watershed in loess plateau.

流域信息树是指在流域地貌体系中，以流域为基本研究对象，由一系列对流域形态、特征和发育具有标定指示作用的多元指标构建而成的信息结点的多层次、多尺度、立体式树型组合。流域信息树空间形态与结构在流域不同发育阶段的规律变化，在较高层次上体现、抽象了流域地貌独特的发育过程，映射了流域地貌的形成机理。流域信息树的定量和定性指标在不同黄土地貌区的相似性与差异性，又从一个重要侧面揭示着黄土高原流域地貌形态的空间分异规律。本项目首先提出流域信息树的基本定义，并分析其形态特征、层次级别、存在条件及类型；研究以多尺度DEM为基本信息源，建立与描述黄土高原地区流域信息树的方法；在此基础上，通过黄土高原多样区和多期模拟小流域的实验，研究黄土高原不同地貌类型区流域信息树的空间分异规律和发育演化过程，试图揭示黄土高原流域地貌的形态与组合的时空演化格局。该研究是基于流域信息树方法研究黄土高原流域地貌特征的一次创新探索。

流域地貌是陆地上普遍存在的地貌类型，除了极地和雪线以上地区，陆地上所有地区几乎都存在流水作用，地表流水侵蚀作用又是以不同形式及不同级别的流域进行的，因此，以嵌套的流域为切入点进行分析研究具有重要的意义。虽然前人已对流域地貌系统展开过大量的研究，但是现有的研究方法忽略了流域系统的嵌套结构特征与不同尺度流域对象间的纵向关联信息。传统单一信息层面的研究方法，难以整体、宏观的把握流域的层次结构，揭示流域地貌系统的本质特征，未能实现流域地貌系统整体与局部分析的有效结合。本研究以数字地形分析理论和方法为基础，首次提出了流域信息树概念模型，建立了流域信息树量化指标体系，以及流域信息树的构建处理流程，并以流水侵蚀作用明显的黄土高原地区的小流域为研究对象，深入研究了流域地貌系统层次结构的自相似性、多尺度特征、黄土地貌类型分区和地形简化等方面的内容。本论文的主要内容如下：（1）提出了流域信息树的概念模型。流域信息树是指由不同尺度的流域构建而成的“树”形层次组合，是一种可定量分析流域地貌系统树形层次嵌套结构的数据分析模型，由于可在树的各结点上融入对应流域的多种信息指标，因而成为流域指标信息有序组织的“容器”，具有分析视角整体性、组织结构层次性、信息容量可变性、分析结果可度量性等特征。在此基础上，本文还对流域信息树的地学含义、存在条件、影响因素和不确定性进行了研究。（2）研究了流域信息树形态结构与属性的量化表达方法。提出了复杂度β指数、连通度γ指数、层次梯度S指数等流域信息树形态结构量化指标，并实现了对流域信息树的构建。论文还对流域信息树尺度效应和量化指标算法等方面进行了研究。结果表明，流域信息树模型及其定量化指标等内容是对流域地貌系统相关研究的有效补充，丰富了流域地貌系统研究的理论体系与分析方法。（3）基于流域信息树理论模型，分别从黄土高原地区流域结构自相似、多尺度流域的形状特征和黄土地貌类型分区等方面，对黄土流域地貌系统展开了研究。研究结果表明，自相似性从北到南呈现出先升后降低的态势，嵌套流域有逐级变圆的趋势，流域信息树有效的解决了黄土地貌类型分区的问题。（4）基于流域信息树理论，提出了树剪枝W8D地形简化算法，并对阈值确定和评价方法问题进行了讨论。研究表明，流域信息树进行地形简化可以有效保留地形骨架特征，可以满足不同层次地形建模和表达要求。