基于DEM的沟谷网络节点水流累积量研究

以陕西省境内黄土高原丘陵沟壑区绥德县韭园沟、延川和宜君三个典型地貌区作为实验样区,基于栅格数字高程模型(Digital Elevation Mode,DEM)沟谷网络自动提取技术以及沟谷网络节点及其自动提取技术,得到了各样区沟谷网络节点,从地貌形态学,沟谷成因学以及水文学原理出发,对不同级别沟谷网络节点水流累积属性进行了深入分析,结合数理统计方法获得了同一沟谷系统不同分辨率沟谷网络节点水流累积量均值分级统计规律,不同地貌类型样区沟谷系统相同分辨率节点水流累积量均值分级统计规律。该数理统计结论能够有效解释黄土高原丘陵沟壑区各级沟谷系统的形成机理及其空间分异规律,同时能够合理地说明沟谷系统发育与地表侵蚀、切割强度之间的相互关系。因此,本研究对整个黄土高原丘陵沟壑区地表形态的研究具有重要的参考意义。     

DEM随机噪声误差去除方法研究——以黄土沟沿线地形剖面为例

在黄土高原数字地形分析中,基于DEM提取的地形参数和地貌对象是研究黄土地形地貌特征的基础。但在使用这些对象和参数进行小流域尺度的数字地形分析时,DEM数据中隐含的噪声在一定程度上会影响分析结果的可靠性。该文以分别位于陕北黄土丘陵沟壑区(绥德)和黄土塬区(淳化)的两个小流域为试验区,以国家基础地理数据库5m分辨率DEM为实验数据,以黄土地貌中最具典型特征的沟沿线为研究对象,对其地形剖面所隐含噪声的特征、提取及去除方法进行了研究。实验中采用EMD-MFDFA和EEMD-MFDFA两种组合方法对上述两个小流域黄土沟沿线地形剖面数据进行了分析。实验结果显示,沟沿线地形剖面数据噪声与地形复杂程度有很大关系;同EMD-MFDFA方法相比,EEMD-MFDFA对去除噪声成分具有更好的效果;EEMD-MFDFA方法在上述两个样区的沟沿线原始剖面与降噪后重构地形剖面的RMSE分别为2.053m和3.188m。     

基于EEMD-瞬时频率变换的黄土高原典型地貌沟蚀活跃区识别研究

黄土沟谷是黄土高原物质和能量交换最频繁、形态和形状变化最剧烈的区域.黄土沟沿线作为沟蚀的重要地形特征线,是研究黄土沟蚀特征的重要切入点.该文以黄土峁区(窑家湾)、黄土梁区(安塞)和黄土塬区(长武)3个典型小流域为研究样区,以低空摄影测量生成的1 m分辨率DEM为实验数据,采用集合经验模态分解(EEMD)-瞬时频率变换方法分析各样区黄土沟沿线地形剖面的变化特征.结果表明,黄土高原不同地貌类型区沟沿线地形剖面变化特征差异明显,各样区的沟蚀活跃区多分布于沟头,沟蚀方式以沟头的溯源侵蚀最为活跃,反映了黄土高原地貌的发育进程和沟蚀活跃性,3个样区中黄土梁区(安塞)的沟蚀和沟谷发育最活跃,与实地调查结果一致.     

基于DEM的黄土高原丘陵沟壑区沟谷网络节点研究

选择黄土高原3个典型地貌类型区为试验样区,基于数字高程模型(DEM)沟谷网络与沟谷网络节点自动提取技术,得到了各样区沟谷网络节点,并从地貌形态学、沟谷成因学以及水文学原理出发,对不同级别沟谷网络节点水流累积属性进行了深入分析,结合数理统计方法获得了：(1)同一沟谷系统不同分辨率沟谷网络节点水流累积量均值分级统计规律;(2)不同地貌类型样区相同分辨率沟谷网络节点水流累积量均值分级统计规律。该结论能够有效解释黄土高原丘陵沟壑区各级沟谷系统的形成机理及其空间分异规律,同时能够合理地说明沟谷系统发育与地表侵蚀、切割强度之间的相互关系。     

典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形研究

黄土高原地貌形态与地形复杂度自南向北有序变化,构成了举世瞩目的独特的地理景观。选择陕西省南北剖面六个典型黄土地貌样区为基本实验区,以其1∶1万栅格DEM为数据源,探讨典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形与空间分异特征。首先提出的元分维模型方法,以计算得到的DEM元分维值作为特征指标,研究样区的地形复杂度问题。这种通过滑动窗口的扩展分维分析方法,既可以用于分析该区域不同尺度下的地形复杂度变化情况,也可以探讨区域的局部单元复杂程度及其空间分布,从而不再局限于对全区域的单一分维评价。以此为基础,进一步应用元分维谱方法,研究地貌网格单元的元分维分级分布情况。实验结果表明:以绥德和延川为代表的黄土峁状丘陵沟壑区最为复杂,以宜君和甘泉为代表的梁状丘陵沟壑区居中,而以淳化为代表的黄土塬区和以神木为代表的风沙黄土过渡区最为平缓。实验进一步证明了扩展分形方法在黄土地貌研究中的可行性。     

基于DEM的四川省低山丘陵区坡度提取不确定性分析

针对四川省低山丘陵区,以GIS为技术支撑,深入分析研究区坡度提取的不确定性.以平均坡度代表区域坡度的一般水平,采用6种地貌类型的12组不同分辨率的DEM数据,研究平均坡度与DEM空间分辨率、区域地貌特征的关系,定量分析基于DEM提取坡度的不确定性.结果表明,研究区不同地貌单元内,平均坡度随着DEM分辨率的减小而减小,呈现出很强的线性变化规律,其衰减速率基本不变;其回归方程的常数项与所在地貌单元的沟壑密度呈显著的二次曲线变化特征;坡度提取的精度与DEM的空间分辨率成正相关关系.     

黄土高原面积-高程分析及其侵蚀地貌学意义

黄土高原是中国乃至世界最为著名的水土流失区之一,黄河的泥沙主要来源于此.面积-高程积分(Hypsometric integral,HI)分析常被用于侵蚀地貌区的地貌发育阶段判定.通过探讨HI与DEM分辨率、分析窗口之间的尺度效应,分析了黄土高原HI空间格局和发育阶段性,并在此基础上揭示了侵蚀产沙和地貌发育关系.研究表明:利用不同分辨率DEM计算的HI具有很好的稳定性,HI对DEM分辨率不具有依赖性;然而,利用不同分辨率的分析窗口所计算的黄土高原原HI值,表现出随着分析窗口的增大,HI表现出按照乘幂函数关系下降的趋势.黄土高原HI具有显著的空间分异特征,即汾渭谷地、宁夏内蒙沿黄冲积平原等地堑凹陷区是HI低值区,而黄土丘陵沟壑区是HI的高值区;黄土高原丘陵沟壑区地貌发育处于幼年期、壮年期和老年期的面积分别占总面积的7.9%、83.4%和8.7%,整体来看处于地貌发育壮年期;黄土高原丘陵沟壑区侵蚀产沙强度和地貌发育过程关系密切,HI与输沙模数存在显著的正相关.当前,黄土高原强烈的侵蚀产沙是其地貌发育处于壮年期的自然表现,这将是一个非常漫长的自然过程.     

基于DEM的黄土高原沟谷提取汇流阈值自适应研究

基于DEM的沟谷网络提取过程中,汇流阈值的确定是其关键步骤。目前该阈值的确定大多是通过随机选择、经验判断或目视观察等方式,主观性较强。为解决沟谷网络提取汇流阈值不确定性问题,该文以黄土高原典型小流域样区的5m分辨率DEM为实验数据,提出一种基于沟头点群汇流分布的沟谷提取汇流阈值自适应确定方法。首先,基于DEM提取沟沿线;其次,依据汇流关系提取沟头点位;再者,基于汇流矩阵提取各沟头点位置的汇流值;最后,基于沟头点群的汇流频率分布确定沟谷网络自动提取阈值,并利用Horton定律的沟谷网络平均分枝比自适应确定阈值。结果显示,该方法所采用的阈值处于相对合理汇流值区间内,且利用该阈值提取的沟谷网络与实际吻合度较好,可应用于黄土高原不同地貌类型区。同时,基于DEM的沟头点位提取,并依据沟头点位的汇流特征,可自适应快速选择不同地貌类型的沟谷汇流阈值,并准确提取沟谷网络。     

黄河中游流域地貌形态特征研究

黄河中游流经黄土高原的核心区域,对黄河中游流域地貌形态特征的定量分析可以反映黄河中游流域地貌演化进程以及黄土高原侵蚀地貌形态特征。该文以黄土高原区域30m分辨率的DEM为信息源,首先提取了黄河中游7条典型一级支流及其纵剖面,然后计算了6种量化指标分析其流域地貌形态以及流域地貌演化进程,在此基础上,构建地貌特征综合评价指标反映黄土高原区域侵蚀地貌形态特征。实验结果表明,秃尾河、无定河以及延河发育至深切侵蚀期;窟野河发育至深切侵蚀和均衡调整之间的过渡期;汾河、洛河以及渭河发育至均衡调整期。流域地貌随河流侵蚀循环而相应演化,7条河流所在流域的地貌发育程度从北到南也基本呈现逐渐成熟的趋势。所计算的侵蚀地貌综合评价指标值显示,窟野河、秃尾河、无定河以及延河流域共同构成黄土高原强烈土壤侵蚀区;汾河、洛河以及渭河流域的土壤侵蚀程度较低。     

顾及地貌结构特征的黄土沟头提取及分析

沟头是黄土地貌中发育最活跃的地貌部位,沟头的个体与群体对黄土沟间地的蚕食,成为监测黄土高原地面侵蚀演化的重要标识。有效获取并分析沟头的空间分布特征,对于系统、深入地研究黄土地貌的空间形态结构具有重要的意义。以陕北黄土高原典型地貌类型区为实验样区,设计并实现了基于5 m分辨率DEM的沟头提取算法,获取了各实验样区的沟头空间信息;运用点格局分析方法,分析了沟头的空间分布特征。实验结果显示,所提出顾及沟沿线的沟头自动提取方法,具有较好的合理性与精确性;同时,从黄土塬区、黄土残塬区到黄土丘陵沟壑区,随着沟壑发育程度的增强,沟头逐步逼近分水线,其空间分布呈现“远分水线聚集—随机—近分水线聚集”的变化格局。     

陕北洛河流域地貌演化阶段的定量分析

根据洛河流域地貌南北纵向区域分布规律,并参考张宗祜先生(1986)编制的"中国黄土高原地貌类型图",将洛河流域由南至北依次划分为洛川黄土塬区、甘泉一志丹黄土梁状(为主)丘陵沟壑区及吴起黄土峁状(为主)丘陵沟壑区3个地貌区。借助于GIS的空间分析功能,对洛河流域3种不同地貌绘制了Strahler曲线,采用高程积分法、信息熵法、侵蚀积分值法进行计算。结果表明:3种地貌区均属于壮年期地貌发育数量特征值范围,说明洛河流域总体的发育状态已经开始进入壮年期,但不同地貌分区的发育阶段不尽相同;洛河流域不同地貌的面积-高程积分曲线的S值大小排列顺序为:吴起黄土峁状(为主)丘陵沟壑区< 洛川黄土塬区< 甘泉一志丹黄土梁状(为主)丘陵沟壑区,与理论情况不相符。分析认为,这可能是由于近年来洛川黄土塬区侵蚀强度增加对洛川黄土塬区的地貌发育产生了一定的影响。     

SRTM DEM高程精度评价

为了全面认识SRTM DEM数据精度特征并完善SRTM DEM数据精度评定方法,该文以我国1∶5万比例尺DEM为参考数据,以具有多种地貌类型的陕西省为实验样区,利用高程中误差模型及空间插值方法对SRTMDEM进行高程精度分析。结果表明:陕西省的SRTM DEM高程中误差在3.5~60.7 m,呈现出较为显著的空间分异特征;并且高程中误差与实验样区平均坡度有较强的指数相关性,拟合的指数函数具有较高的模拟精度。     

基于多重分形的黄土高原不同地貌类型区沟沿线起伏特征研究

黄土高原不同地貌类型区沟沿线地形起伏具有不同的特征,有必要从局部和整体两个视角对其进行量化分析。该文以沟沿线地形剖面为研究对象,采用多重分形方法对选取的黄土高原6个典型地貌样区沟沿线地形的起伏特征和变化趋势进行研究。结果表明,黄土高原6个典型地貌样区的沟沿线地形起伏在整个空间尺度均表现出标度不变性,呈现出完全不同的多重分形特征。进一步计算并对比6个样区的多重分形参数Δα和Δf(α),绥德样区的Δα(0.6479)最小、Δf(α)(0.4941)最大,表明绥德样区沟沿线全局地形起伏变化的奇异性最小,而局部地形以高值起伏为主;甘泉样区的Δα(0.8945)最大,其多重分形特征最强,沟沿线整体地形起伏变化的奇异性最大;淳化样区Δf(α)(-0.4881)最小,其沟沿线局部地形以低值起伏为主。多重分形谱参数可作为黄土高原不同地貌类型区沟沿线地形起伏变化特征描述和评价的综合定量指标,为分析黄土地貌地形变化特征提供了一种新途径。     

数字高程模型地形描述误差的量化模拟--以黄土丘陵沟壑区的实验为例

本研究以陕北黄土高原丘陵沟壑区为试验样区 ,综合运用统计分析及比较分析的原理与方法 ,通过数学模拟、对比分析、误差可视化分析 ,研究不同空间尺度下DEM地形描述误差的数学转换模型。实验结果证明 ,目前适用于欧洲地区的地形描述误差的模拟方程EtD=q·a·(EtD′) b,经过参数的修正 ,在我国黄土高原丘陵沟壑区具有较高的模拟精度。该模型的建立可以实现应用低空间分辨率的DEM数据在栅格水平模拟高空间分辨率DEM所提取的地形描述误差 ,从而 ,在一定精度范围内大大提高Et的计算速度和计算效率。并且 ,对我国其它地貌类型区类似模型的建立 ,都具有重要的参考意义     

地形复杂度的多因子综合评价方法

地形复杂度指标(Terrain Complexity Index,TCI)是评价地表起伏和褶皱程度的指标,广泛应用于DEM数字地形分析、数据综合和建模、地貌分类以及DEM精度研究等领域。然而目前地形复杂度指标多数采用单一地形指标或区域统计指标,缺乏局部的复合评价指标。为此,引入多因子分析方法和局部窗口分析方法,探讨一种基于格网DEM数据的复合地形复杂度指标(Compound Terrain Complexity Index,CTCI)的建模方法。首先利用多因子评价方法选取4种局部地形因子(局部高差、局部标准差、局部褶皱度、局部全曲率),之后利用局部窗口分析方法获取各指标的计算值,最后融合4种因子得到每个格网的CTCI。在实验分析中,选取了3个典型地貌样区和1个混合地貌样区,实验结果表明:CTCI能从整体上区分不同典型地貌区的地形复杂程度,同时CTCI在局部范围与混合地貌样区的等高线的密度和变化程度有较好的吻合,表明CTCI能从整体和局部反映地表的起伏和褶皱变化,是较好的地形复杂度评价指标。     

基于 SRTM DEM 的祁连山自然保护区地形特征研究

基于研究区的 SRTM DEM 模型,应用 ArcGIS10.5 空间分析模块及 Excel、SPSS 数据统计分 析功能,采用均值变点分析法确定地形起伏度的邻域分析最佳统计单元;提取了研究区高程、地形 起伏度、地形坡度、地表粗糙度和地表切割度 5 个地形因子,以分析研究区的地形特征。结果表明： 研究区地形起伏度最佳统计单元为 11 像元×11 像元（0.98 km²）,地形起伏度为 0～1 216 m。研究区 包含 13 种地貌类型,87.28%的区域为中海拔,中海拔平原、台地、丘陵为主要地貌类型。走廊南山、 冷龙岭、乌鞘岭和龙首山地平行分布,台地、丘陵穿插其中,地形复杂。研究结果为进一步探索自 然保护区的生态保护、开发利用等具体问题提供了基础数据支持。     

陕北黄土高原水蚀沟谷多维度侵蚀特征量化研究

沟谷地是黄土高原地貌形态特征变化最明显的区域,其发育对整个黄土高原地貌发育具有重要的控制性作用。论文基于5 m分辨率的DEM数据,在陕北黄土高原遴选包含15种地貌类型的42个样区,以沟谷密度、水平逼近度与切割深度作为纵向、横向与垂向3个维度的代表因子,分析了沟谷的多维发育进程、特征、空间分异及影响因素。研究结果显示：陕北黄土高原南北方向上沟谷发育呈现由溯源侵蚀主导转向横向溯源侵蚀主导、溯源下切侵蚀主导到横向溯源侵蚀主导,54.8%的样区各维度对整体发育进程的影响程度相近,且86.4%处于陕北黄土高原中部地区,即中部地区多维度发育均衡,南北两端以溯源侵蚀与横向侵蚀为主。结合面积—高程积分分析发现沟谷发育可划分为3个阶段：发育初期以溯源侵蚀为主,带动下切侵蚀伴有横向侵蚀;发育中期以溯源侵蚀为主,伴有持续性横向侵蚀与较强下切侵蚀;发育晚期以横向侵蚀为主,伴有一定程度的溯源侵蚀与轻微下切侵蚀。黄土厚度对沟谷系统垂向下切侵蚀的影响最大(Cv=0.164),土地利用类型对沟谷系统横向侵蚀的影响较大(Cv=0.0681),林地对于维护各个维度的抗侵蚀能力最强,生长茂密的草地和灌木林及作物次之,生长稀疏的牧草和作物较差。     

基于神经网络的地面坡度与其他地形定量因子关联性分析--以黄土高原丘陵沟壑区实验为例

不同的地形因子从不同侧面反映地面的起伏特征或空间变异，各因子之间所存在的相互关联、相互制约、相互影响的程度与特征，在很大程度上揭示了地形发育与空间变异的内在本质，因而是地形学研究的重要内容。他以黄土高原丘陵沟壑区的16个样本地区为实验样区，以高分辨率、高精度的1：1万比例尺DEM为基准数据，应用BP神经网络模型，探讨地面坡度与其他地形因子之间的关联性特征。实验结果表明，利用神经网络分析方法可以有效评价地形因子对地面平均坡度的关联性。该研究方法为进行地貌多定量指标的的选择和多因子之间关联性的量化提供了一种新的方法。     

黄土高原数字地形分析研究进展

黄土高原数字地形分析以我国黄土高原为研究对象,基于该区域不同尺度DEM数据提取各类坡面地形因子及特征地形要素,并通过对各种地形因子和特征要素的自身特点、空间分异规律及各因子与要素之间的相互关系建立地学统计模型,从更深层次探讨黄土地貌演化及其空间分异规律,深化对黄土高原的认识。该文总结了黄土高原数字地形分析的基本理论与分析方法,从该区域的DEM数据模型、地形特征要素、地形信息图谱、地形纹理、沟壑信息图谱和地貌发育演化机理等方面对黄土高原数字地形分析的研究成果进行较全面地梳理与分析。可以看出,黄土高原数字地形分析已成为数字地形分析领域独具特色的研究方向,其中很多方法均已成为地貌计量学的重要研究手段。     

一种基于改进双树复小波变换的地形纹理特征提取方法

地形纹理特征提取和识别是地形自动分类的关键。该文在分析已有地形纹理特征提取方法的基础上,提出一种基于双树复小波变换的地形纹理特征提取和识别方法。该方法将DEM地形垂直特征信息引入双树复小波变换模型,设计并实现了面向DEM地形数据特点的地形纹理特征提取方法。以陕北黄土丘陵沟壑区为实验样区,选取6个不同地貌特征共109个典型地形纹理样本进行特征识别实验,并将实验结果与常用的灰度共生矩阵(GLCM)模型及Gabor滤波结合PCA方法进行对比。研究显示,基于地形垂直特征改进的双树复小波变换模型对6类样本有较高的识别精度,同时消耗最短的纹理特征构建时间。