基于DEM的黄土沟壑种群特征及空间异质性研究

Loess gullys are the most dynamic and changeable parts in loess landform, which influence the morphological characteristics,development and evolution of loess landform. Previous researches of loess gullys paid more attention on their individual features, but relatively ignored group characteristics on their multi-level hierarchy, spatial morphology and systematic development which are formed in a certain geographical environment. By using the ecological theory and method, this project first propose that loess gullys and their development have a biological population characteristics based on a systematic analysis of the similarities between loess gullys and biological organisms. With the high data accuracy and multi-spatial scale of digital elevation models (DEMs)from a large number of experimental areas, we first study a loess gully classification system and extraction method from DEMs for population analysis. Then, from the perspectives of qualitative and quantitative, individual and group, static and dynamic, distribution and pattern, this research will conduct series of quantitative indexes for the loess gullys' population characteristics and develop the corresponding terrain analysis method. Furthermore, through geostatistics and interpolation analysis, the spatial heterogeneity of loess gullys' population characteristics will be discussed. This study is to explore the essential characteristics and machanism of loess gullys and their development from a brand new perspective;it would be a new instance of interdisciplinary intergration between the geomorphology and ecology, and be expected to make a breakthrough in field of the Loess Plateau research.

黄土沟壑是黄土地貌中最有活力及最具变化的部分，直接影响着黄土地貌的形态特征及发育过程。以往对黄土沟壑的研究较多的注重其个体特征，相对忽略其在不同地理环境下形成的多层次结构、多空间形态、系统化发育的群体特征。本项目借鉴生态学理论与方法，在系统分析黄土沟壑的类似生命体特性基础上，首次提出黄土沟壑及其发育具有生物种群特征。本课题以高数据精度、多空间尺度、高密度采样的数字高程模型（DEM）为基本信息源，综合定性与定量、个体与群体、静态与动态、分布与格局的多重视角，研究面向种群分析的黄土沟壑分类体系及基于DEM的提取方法，构建种群特征的定量描述指标及地形分析方法，探索黄土沟壑的种群特征在地理空间上的分异规律，深入挖掘黄土沟壑集群空间异质性的机理。本研究是从一个全新的视角探究黄土沟壑及其发育演化的本质特征与科学内涵，是地貌学与生态学理论及方法相结合的一次有益尝试，期望在黄土高原的研究上取得新的突破。

黄土沟壑系统是由细沟、浅沟、切沟、冲沟以及河沟等一些列不同类型的沟谷组成。其发育演化直接塑造着黄土高原的地貌形态，决定着土壤侵蚀和水土流失程度，影响着黄土生态环境。以往对黄土沟壑的研究多注重个体或某一类沟谷，相对忽视沟壑在不同地理环境下形成的多层次结构、多空间形态、系统化发育的群体特征。本研究从系统化视角出发，借鉴生态学理论与方法，在对比分析黄土沟壑与生物种群的相似性和差异性基础上，提出了黄土沟壑虽不是生物种群，却具有与生物种群极为相似的特征。以数字高程模型和遥感影像为信息源，以黄土丘陵沟壑区小流域为例，提出了基于DEM的黄土切沟自动识别方法以及基于高分辨率遥感影像的黄土浅沟提取算法，实现了不同类型黄土沟谷的自动提取。黄土切沟的分类精度达到87%，黄土浅沟的提取精度为56-86%。在此基础上，构建了黄土沟壑种群特征的定量描述指标，从一个新的视角解析了黄土沟壑群体的生态学特征，获得了黄土沟壑形态及发育演化新的认识。主要结论如下：①沟壑的种群数量密度随沟壑级别减小而迅速增大，符合生态学中指数增长模式，反映了该流域系统内沟壑数量的爆发式增长趋势；②沟壑的长度密度以切沟最为显著，说明该区域以切沟的侵蚀占主导地位；③黄土沟壑的年龄结构呈现出种群生态学中的金字塔型，说明该流域正处于发育的早中期；④浅沟的空间分布具有明显的坡向选择性，大多数浅沟分布阴坡，而阳坡的浅沟已被切沟所取代，进一步证实了该地区切沟侵蚀的主导地位；⑤沟壑的汇流关系体现了沟壑间竞争和协作关系，各级沟壑所携带的物质能量主要被下一级沟壑竞争，且随着沟壑级别增加，竞争该级别沟壑的能力逐渐减小；⑥浅沟-切沟-冲沟的空间分布呈现出的从集聚到随机的分布态势，且占据不同的高程位置。. 该课题出版专著1部，发表科研论文17篇，其中SCI/SSCI 检索6篇，期刊论文8篇，ISTP检索2篇，EI检索1篇。获国家测绘局地理信息科技进步三等奖1项，高等学校科学研究自然科学二等奖1项。主办数字地形分析国际会议1次，全国数字山地研讨会1次、GIS博士生学术论坛两届，参加国内外会议10余次；3名博士研究生分别赴美国麦迪逊大学、奥地利萨尔茨堡大学和香港理工大学开展学术交流活动；培养毕业博士研究生3人，硕士研究生5人。