基于DEM的地形自相似性区域分异特征研究

Self-similarity of terrain landscape is a key parameter in morphology Quantifying and analysis. It is a representation of natural regularity of terrain morphology. Increasing researches have found and proven this regularity. However, further investigations find that there exists apparent zonal differentiation law of terrain self-similarity due to variations of the physical environmental parameters. This project proposes a new framework of characterizing and analyzing self-similarity property of terrain morphology based on a thorough investigation of spatial pattern of landform morphology. A framework of Fourier domain based multi-scale digital terrain self-similarity characterizing method is proposed using the Digital Elevation Model (DEM) as source data. The method firstly investigates conditions, uncertainty and effect factors in the process of self-similarity characterizing. A representative test area is carefully chosen concerning with the diversity of landform morphologies in Northern China-namely Shannxi province. The method developed in this project is adopted to form a map of self-similarity in the test area. The the essential characteristics and machanism of spatial distributtion of terrain morphology self-similarity are explored by critical facters derived from correlation analysis between the terrain factors. This study is a primary explorer to application of geographical and zonal analysis method in terrain characteristics and quantifying morphology self-similarity. it is hopefully to enrich and improve theory and approaches in terrain self-organize regularity based on the Fourier domain analysis.

自相似性是复杂地表形态特征量化与分析的重要指标，也是地貌形态本质的体现，大量的研究已经发现并证明了这种自相似规律。然而，进一步的研究发现，地形自相似性随区域自然地理的条件不同而呈现出不同的区域分异规律。本课题在深入分析地表形态自相似特征及度量方法问题的基础上，利用数字高程模型作为基本数据源，采用频率域多尺度数字地形分析方法，研究地表形态自相似性的量化指标及其计算方法，分析地表形态自相似性的量化指标的计算条件、不确定性及其影响因子。课题以陕西省DEM为例，构建陕西省地表形态自相似性空间变异图，分析地表形态自相似规律的区域差异性及其主导影响因子，探究陕西省地表形态自相似性区域差异性的形成原因和内在机制。本课题是运用地学区域分析方法研究复杂地表形态自相似性及其空间变异规律的一次创新探索，可望进一步充实和完善复杂地表形态自组织规律研究的理论与方法，也是基于频率域数字地形分析方法的一次新的尝试。

地表形态呈现出自相似、多层次、多尺度的特征，采用多尺度方法对揭示地表形本质特征具有重要的科学意义。虽然前人已对地表形态相似性量化开展大量工作，但多被限制于地形衍生数据和有限尺度范围，难以揭示地表形态本质特征。本研究通过构建多尺度的地表形态自相似性特征度量方法，深入研究地表形态的自相似性、多尺度特征以及分类等内容。.主要内容如下：.（1）基于傅立叶频谱的地形尺度相似性研究.剖面线直观地刻画了地形的起伏特征，项目研究基于地形剖面数据的尺度相似性分析方法---傅立叶频谱法，项目研究了剖面线的数据预处理与选取方法，数据稳定统计的窗口以及采用傅立叶功率谱地形多尺度相似性量化方法，分析了研究样区地形尺度相似性特征在实验样区的空间分异特点。.（2）基于连续小波的地形尺度相似性研究.连续小波变换能够以尺度连续的方式刻画地形相似性特征。项目针对地形的空间各向异性，设计了面向一维小波分析的剖面线处理方法，构建了基于连续小波的地形尺度相似性度量模型，对比分析了不同小波基函数对于地形尺度相似性度量的影响。实验结果显示，二维连续小波变换模局部极值点不仅能够刻画地形尺度相似性，而且能反映局部地形变化的空间尺度。.（3）地形多尺度分析方法地学应用.项目研究的多尺度地形分析方法适用于对地形的特征识别、特征提取、特征尺度选择等问题。为此，项目研究了基于二维连续小波的月球地形撞击坑的多尺度自动识别方法，基于snake方法的黄土正负地形沟沿线的识别方法，表面形态量化等研究工作，验证了多尺度地表形态刻画的有效性。.（4）陕西省地形尺度相似性空间分异研究.项目在对比分析基于傅立叶频谱分析、连续小波分析结果基础上，研究了地形相似性的空间分布规律，结果显示：陕西省地形尺度相似性呈现有序的空间分异特征，两种方法结果均表现为在北部丘陵沟壑区和陕西省东南部的低山区较高，汉中盆地、安康一带次之，在北部的风沙过渡区、关中盆地一带较低，这种特征与地表形态的空间分异具有较高的相关性。