基于DEM的黄土高原流域边界剖面谱研究

流域边界剖面谱是以流域出水口为分割点，将流域边界高程剖面展开至平面得到的连续高程曲线，不同区域不同等级流域边界剖面线的系列组合构成流域边界剖面谱。在黄土高原的初步研究显示，不同的流域边界剖面对应着不同的地貌形态。流域边界剖面谱的空间分异，体现了黄土高原地貌形态与类型组合的空间分异。本项目拟综合运用微观与宏观分析、定性与定量分析、原型与模型分析相结合的方法，对基于流域边界剖面谱的数字地形分析理论与方法进行深入探索。通过剖析流域边界剖面谱与黄土高原地貌形态的内在联系与耦合关系，揭示流域边界剖面谱的科学内涵；以大比例尺高精度DEM为基本信息源，研究流域边界剖面谱的建立、存在条件与定量描述方式。通过在黄土高原多实验区分析，研究流域边界剖面谱的形态特征及多空间尺度分异规律，挖掘其所蕴含的深层次地学知识，揭示黄土高原地貌形态与组合的空间格局，丰富DEM数字地形分析的理论与方法。

本课题创新性的提出了流域边界剖面谱的概念，并对其进行了系统的研究。经过三年的研究工作，课题按计划完成了预定内容，并在此基础上进行了一定的扩展研究。. 首先，提出并论证了流域边界剖面谱的概念模型。研究显示流域边界剖面谱具有谱线稳定、地貌对应、尺度依赖以及内涵丰富等特性，进而提出了流域边界剖面谱的概念定义。重点研究了流域边界剖面谱的影响因素，结果显示虽然DEM分辨率的降低对剖面线的提取有一定影响，但是1:5万DEM提取结果与1：1万十分相近，可用于代替大面积、大范围流域边界剖面线的数据提取；汇流路径算法对流域边界剖面线影响很小；当集水区面积大于0.5Km2时，流域边界剖面谱的形态基本稳定。. 其次，通过对流域边界剖面线的形态解析，在明确剖面线特征点的地学意义基础上，从统计特征、形态特征以及频率特征三个方面构建了18个量化指标，并给出了每个指标的计算模型及地学含义。. 最后，在实现81个实验区各指标计算的基础上，从空间序列和尺度序列两个方面，展开了流域边界剖面谱的空间分异研究。结果显示，这些量化指标能反映出陕北黄土高原地貌特征的空间分布趋势，主要表现为1）西-东渐变型（2）南-北渐变型（3）单中心扩散型（4）多中心扩散型（5）交错渐变型等五种类型。它们在一定程度上对应着黄土高原地势梯度、地形复杂度、地形破碎度、地表粗糙度、地表纹理、形态自相似性、土壤侵蚀强度、地貌发育程度等方面空间宏观变化趋势。流域边界剖面谱尺度特征序列研究显示，5个指标与流域尺度存在正相关，4个指标存在负相关，其他指标则对流域尺度变化不明感。. 此外，针对流域边界剖面线侧重正地形、忽视负地形的不足，引入了沟沿线剖面线和主沟谷线剖面线两个流域地貌发育的重要特征线，通过对三者的有机耦合，将流域边界剖面谱拓展为流域剖面谱，并构建了描述地形复杂度和地貌发育特征的9个指标，实现了48个典型样区的计算与分析，研究结果显示所构建的某些指标与黄土高原景观单元、沟壑密度、土壤侵蚀强度以及土壤侵蚀类型等有一定的对应关系。. 该课题构建了一套基于剖面线的地形信息挖掘方法，其成果进一步丰富了数字地形分析方法，可为将来黄土地貌的演化模拟提供定量信息依据。