侵蚀学坡长的理论模型研究

Slope length is an important topographical indicators in the research of soil and water conservation, soil erosion etc. Due to the existence of the cut-off features, the study of slope length is used to estimate or instead of by using the approximate characteristic parameters. Lack of basic theoretical model to support slope length calculation. With the maturity of the theoretical model of the unit contribution area, the precision technology of the slope line flow direction algorithm and high precision DEMs acquisition makes it possible to evaluate the applicability of the theoretical model of the erosion length with the cut-off characteristics. Based on the theoretical model of unit contribution area, combined with slope and channel cut-off characteristics, the theoretical model of erosion slope length is constructed by calculus, derivation and analysis. Based on the mathematical surface and the slope line, solving the theory of slope length. The applicability of the theoretical model of erosion length is studied by using high precision, large scale DEM, remote sensing image and field measurement as data source. In this study, the characteristics of soil erosion terrain as the research target, the erosion slope length theory model as the starting point for improving the accuracy of soil erosion evaluation, large scale erosion terrain factor mapping is of great significance, but also for erosion geomorphology and digital terrain analysis to provide the new theoretical methods and technical means.

坡长是水土保持、土壤侵蚀等研究的重要地形指标。由于截断特征的存在，以往对坡长提取的研究中，多对坡长进行估算或使用近似特征参数代替，缺少基础理论模型支撑。随着单位汇水面积理论模型的成熟、坡度线流向算法的日渐精准、高精度DEM获取技术的完善，使得具有截断特征的侵蚀学坡长理论模型、解算及适用性评价成为可能。本研究，基于单位汇水面积理论模型，结合坡度和沟道截断特征，通过演算、推导和分析，构建侵蚀学坡长的理论模型；以数学曲面模拟地形变化，结合坡度线等流向提取算法，解算坡长理论模型；以高精度、大尺度DEM、遥感影像和野外测量为数据源，研究侵蚀学坡长理论模型的适用性。本课题以土壤侵蚀地形特征因子为研究对象、以坡长理论模型为切入点，对于提高土壤侵蚀评价精度、大尺度侵蚀地形因子制图具有重要意义，也能够为侵蚀地貌学和数字地形分析提供新的理论方法和技术手段。

本研究以野外实测高精度DEM、SRTM全球1弧秒精度数据和理想数学曲面为数据基础，以土壤侵蚀地形因子为研究对象、以坡长理论模型为切入点，结合单位汇水面积理论模型、坡度线流向算法，探究具有截断特征的侵蚀学坡长理论模型、解算及适用性评价。项目主要完成了三部分的研究内容：①构建了侵蚀学坡长的理论模型：综合利用已有研究成果，结合单位汇水面积理论模型、坡度线流向算法，并充分考虑侵蚀学坡长的截断特征，为侵蚀学坡长理论模型的构建提供更合理的解决方案。研究重构了侵蚀学坡长的理论模型，结合侵蚀学坡长的基本定义以及在USLE/RUSLE模型中的适用意义，侵蚀学坡长理论模型的实质和地表形态学特征以及泥沙传输过程相适应，具有较强的物理解释性和地学意义。②土壤侵蚀学坡长的解算方法：基于侵蚀学坡长理论模型和数学曲面，解决适宜坡长提取的解算算法。研究在连续解空间中对侵蚀坡长的理论模型进行优化，提出了一种新的侵蚀学坡长提取方法（ITF方法），其兼顾了坡面二维形态的全局特征和局部特征，整体结果与地表的发散收敛关系相一致，相比于前期研究的传统流向算法的解算，提出的ITF方法结果和参考值误差最小，空间分布最合理，为土壤侵蚀制图提供更合理的解决方案。③探究了坡长理论模型的适用性：基于高精度DEM、结合野外调查观测、大尺度范围的SRTM研究坡长理论模型适用性，并进一步将相关方法集成于LS-TOOL软件中。开发的集成工具在领域中得到广泛应用，丰富数字地形分析的理论与方法，同时也为土壤侵蚀及制图的研究提供支持。