基于地形特征基元的地貌模式识别研究

The aim of landform pattern recognition is to descript and discriminate different types of landforms through analysis and research based on landscape morphology. At certain scale, the permutations and combinations of similar geomorphological units show significant self-similar and nonlinear characteristics in a visual way. However, conventional methods based on differential principle can not effectively describe the macroscopic characteristics of landforms due to the chaotic characteristic of landforms. Therefore, in order to connect DEM grids and geomorphological units, this study presents DEM based terrain feature parcel as the medium. Take Loess Plateau region as the study area, this study propose the concept of terrain feature parcel and build build a conceptual model through the parcel’s basic definition, properties and existence conditions. On this basis, using the slope and terrain elements characteristic feature as the data, we extract the terrain feature parcels by means of spatial clustering technology. At last, this study is going to achieve the goal of landform pattern recognition by building relationships between terrain feature parcels and geomorphological units through spatial distribution patterns of these parcels. This study tries to find new methods of digital terrain analysis, and look forward to promoting the development of geographic information science and technology.

地貌模式识别是通过对地貌形态特征的分析和研究，实现对不同地貌类别的描述和判别。在一定尺度下，同类地貌单元按照一定的排列组合，表现为自相似性的特征，这在视觉上呈现出自然地形的纹理形态，具有“局部无规则，宏观有规律”的特征。然而，常规的基于微分原理的地形分析方法不能有效描述其宏观特征。因此，本研究提出基于DEM的地形特征基元这一中间语义目标，用以连接DEM栅格单元和地貌单元，并以其格局特征表征地貌形态。本研究拟以黄土丘陵沟壑区为研究区，提出地形特征基元的概念，通过其基本定义、属性、存在条件及类型划分等，构建概念模型。在此基础上，以坡面特征和地形要素特征为基础，使用空间聚类技术，实现地形特征基元的提取。综合以上两点，通过研究地形特征基元的空间展布模式，与不同地形特征类型间构建匹配关系，利用地形特征基元的空间特征实现地貌形态特征的模式识别。本研究力图发展数字地形分析新方法，推动地理信息科学与技术。

在一定尺度下，同类地貌单元按照一定的排列组合，表现为自相似性的特征，这在视觉上呈现出自然地形的纹理形态，具有“局部无规则，宏观有规律”的特征。本研究以黄土丘陵沟壑区为研究区，提出地形特征基元的概念，通过其基本定义、属性、存在条件及类型划分等，构建概念模型。在此基础上，以纹理基元为基础，实现地形特征基元的提取、度量，并基于黄土丘陵沟壑区进行地貌识别和地形分类。该项目主要针对两个方面进行研究：（1）纹理特征基元的提取和度量方法研究。构建基于改进归一化距离匹配函数( INDMF) 的纹理周期自动提取方法，能有效提取自然纹理的结构周期，并具有更好的抗噪声和抗畸变能力。并基于INDMF，结合波峰波谷特征分析，构建累加距离匹配函数(SDMF)提出一种纹理图像规则度计算方法。（2）基于纹理特征基元的黄土地貌模式识别。基于DEM的特征及纹理基元，形成一套对径流结点，沟沿线的识别方法，并形成地形特征点、线、面的格局模式。以纹理基元为基础，实现地形特征基元的提取、度量，并在黄土丘陵沟壑区能够进行有效的地形识别和分类。本研究得到以下结论：（1）黄土丘陵沟壑区所呈现出的纹理状态，在视觉上是由地貌单元组合排列形成的空间格局，地貌单元可以抽象为由某种地形特征所构成的区域，地形纹理就可以简化为由地形特征基元构成的空间分布模式。（2）地形特征基元具有尺度依赖性。基元的定义是基于地形特征的，也是多尺度、多级别的。基于不同的研究尺度，基元可以分为不同等级，其中最简单、最小的基元便是DEM栅格单元。此外，本研究表明在一定空间尺度和区域尺度下，黄土丘陵沟壑区的地形纹理是由基本地形基元排列形成的一种空间分布模式，是周期性与随机性的统一。对于基于DEM的地形纹理，最基本的地形纹理基元即单个像素，其次是具有相似属性的基本的地形单元如单个塬、梁、峁等，再者是一个区域内的单元组合。