TOPMODEL中地形指数ln 的新算法

TOPMODEL中地形指数ln (α/tanβ)被用来近似表征流域径流源面积和地下水水位的空间分布特征,目前广泛使用的计算地形指数的方法为多流向算法 (FD8算法)。本文首先介绍了多流向算法的基本原理,并基于此对流动累积分配中的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,同时改进了传统的地形指数中单位等高线汇流面积α的计算方法,增强了多流向算法对DEM中异常栅格的处理能力。改进后的地形指数新算法在两个不同流域和不同分辨率DEM上与传统多流向算法进行了对比分析。结果表明新算法在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中其计算结果更准确。这种地形指数新算法的提出对于流域水文过程机理分析及陆面过程定量化研究具有一定的现实意义。     

TOPMODEL中地形指数ln(α/tanβ)的新算法

TOPMODEL中地形指数ln(α/tanβ)被用来近似表征流域径流源面积和地下水水位的空间分布特征,目前广泛使用的计算地形指数的方法为多流向算法(FD8算法).本文首先介绍了多流向算法的基本原理,并基于此对流动累积分配中的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,同时改进了传统的地形指数中单位等高线汇流面积α的计算方法,增强了多流向算法对DEM中异常栅格的处理能力.改进后的地形指数新算法在两个不同流域和不同分辨率DEM上与传统多流向算法进行了对比分析.结果表明新算法在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中其计算结果更准确.这种地形指数新算法的提出对于流域水文过程机理分析及陆面过程定量化研究具有一定的现实意义.     

基于地形特征的流域水文相似性

流域地形控制着地表径流的路径和累积水量的空间分布。地形指数ln(a/tanβ)反映了径流在流域中任一点的累积趋势以及重力使径流顺坡移动的趋势,流域地形可以用地形指数的空间分布来表示。地形指数可用作水文相似性指数,即具有相同地形指数的点对降雨具有相同的水文响应。TOPMODEL利用地形指数频率分布计算流域径流过程,可以认为:具有相同地形指数频率分布的流域具有水文相似性。分析认为长江流域上游的沿渡河流域与香溪河流域具有水文相似性,利用香溪河流域率定的模型参数计算的沿渡河流域径流过程,与实测过程拟合较好     

基于DEM的地形湿度指数及其应用研究进展

地形湿度指数以数字高程模型（DEM）为基础,综合考虑了地形和土壤特性对土壤水分分布的影响,在流域土壤水分空间分布的研究中具有重要的理论与应用价值。根据对汇流面积时空变化的分析,地形湿度指数可分为静态、半动态和动态地形湿度指数等类型。在利用该指数评价土壤水分空间分布状况时,需要考虑计算方法与DEM网格单元大小的影响及其普遍适应性等问题。同时,针对黄土高原干旱半干旱区实际的水分循环过程和产流机制与现有地形湿度指数假设条件的差异,提出了地形湿度指数在黄土高原地区的研究设想与应用途径,以期为该区的水土保持和植被恢复研究提供理论和实践支持。     

基于改进型多流向算法的地形指数空间尺度变化分析

地形指数ln(α/tanβ)是流域径流源面积和地下水水位空间分布特征的近似表征,是地形特征参数化的重要指标。基于改进后的地形指数多流向计算方法,在0.5×0.5°的区域气候模式尺度框架下,探讨了地形离散和平滑效应分别对地形指数尺度变化的影响程度;研究了地形指数在100和1000m栅格尺度上的相关性,给出两者在空间尺度上的转换关系;分析区域尺度和全球尺度下地形指数尺度转换的差异及原因。研究结果可以增强地形信息在大尺度水文模型及陆面水文过程中的适用能力。     

芦山地震重灾区地形因子分析

地形条件与山地灾害的发育密切相关,是山地灾害危险性评价的重要因子.以四川省芦山县“4·20”7.0级强烈地震灾区的芦山、宝兴、天全3县为研究区,应用GIS技术计算研究区坡度、地形位指数与地形起伏度,通过流域水文分析方法实现宝兴县子流域划分并提取沟床纵比降,分析灾区地形因子特征,结合灾后崩塌滑坡遥感解译结果,探讨次生山地灾害分布与地形因子的关系.结果表明,研究区坡度大于25°的面积占区域总面积的73.89％,地形位指数大于0.4的区域面积占总面积的85.92％,起伏度大于500 m的占87.41％,各地形因子面积比率最大的区段分别为坡度35°～40°、地形位指数0.648 ～0.666、起伏度500～1 000 m;宝兴县子流域沟床纵比降数值集中于100‰ ～ 300‰范围内.坡度30°～50°的区域为崩塌滑坡的高发地段;崩塌滑坡的优势地形位处于地形位指数0.228～0.246和0.34～0.61之间的区域;起伏度在500～1 000m的区域为崩塌滑坡的集中分布区.研究结果可为灾害评估及灾后恢复重建提供参考依据.     

快速城市化地区景观组分在地形梯度上的分布特征研究

采用地形位指数综合描述深圳市龙华地区的地形差异，并在此基础上，利用无量纲的分布指数对景观组分的空间分布特征进行了半定量分析，结果表明，地形位指数可以综合地反映地形条件的空间分布和差异信息，分布指数用于描述某各组分的实际分布与标准分布的差异，可以排险面积的干扰，为各种经较分析创造了条件，研究时段内龙华地区景观组分在地形位梯度上整体分布格局的复杂性显著增加，人为景观改造活动主要表现为一种中尺度土地利用结构调整行为，并有助于对不同地形条件下的土地利用进行加严格的分工，地形差异则是大尺度景观整体格局形成的基本骨架。     

城市化过程中地形因素对城市空间结构演变的影响——以乌鲁木齐市为例

利用起伏度指数与分布比例指数模型,将地形与城市土地利用类型有机地结合在一起,探讨了地形对乌鲁木齐城市空间结构发展的影响.研究结果表明:两个模型多年相关数据的变化能反映城市空间结构的演变过程.居住用地的增长区从起伏度指数为7～8的地形空间上逐渐开始向起伏较高地形发展.其分布在起伏度指数上的区间扩大了9个单位.由于经济的快速发展,生产建设用地始终在不断地扩大,并表现出工业用地向外扩张和商业用地向内收缩两个变化过程.扩张的方向指向低地形地区,收缩则向金融商业中心.农用地面积始终在减少,并趋向消失,且起伏度低的地区减少得快,而高地形区减少得慢.未利用地分布区域向高地形空间退缩,市区内的未利用地通常被开发为绿地或公园.各种土地利用类型在起伏度指数梯度上分布的整体变化反映出大地形特征仍然是城市空间结构的发展框架.     

平缓地区地形湿度指数的计算方法

地形湿度指数( topographic wetness index) 可定量模拟流域内土壤水分的干湿状况, 在流域 的土壤及分布式水文模型等研究中具有重要的意义。但现有的地形湿度指数计算方法在应用于 地形平缓地区时会得到明显不合理的结果, 即在河谷地区内, 地形湿度指数仅在狭窄的汇水线上 数值较高, 而在汇水线以外的位置则阶跃式地变为异常低的地形湿度指数值。本文针对此问题对 地形湿度指数的计算方法提出改进: 以多流向算法MFD- fg 计算汇水面积, 相应地以最大下坡计 算地形湿度指数, 再基于一个正态分布函数对河谷平原地区内的地形湿度指数进行插值处理。应 用结果表明, 所得地形湿度指数的空间分布不但能合理地反映平缓地区坡面上的水分分布状况, 并且在河谷地区内地形湿度指数值也都比较高, 其空间分布呈平滑过渡, 因而整个研究区域的水 分分布状况得到了比较合理的反映。     

水文循环模拟中下垫面参数化方法综述

针对水文循环模拟中地形、土地利用覆被等流域下垫面参数化方法众多,且模拟效果相差较大的现状。本文首先根据水文循环模拟中产汇流原理,对常用水文循环模拟中产汇流模拟方法进行汇总和分类;在此基础上,对产流模拟中的降水径流相关系数法、蓄满产流和超渗产流等及汇流模拟中的等流时线、单位线、圣维南方程、马斯京根法等主要模拟方法中地形、土地利用覆被和土壤类型参数化方法进行分析和讨论;根据其中流域地形、土地利用覆被和土壤类型参数化方法对机理过程的描述程度,将其分为无明确表示类、率定型参数类、确定型参数类、物理过程表达类;进而阐明不同参数化方法中流域地形、土地利用覆被和土壤类型对水文循环模拟结果的响应和贡献。最后回归模型本质,阐述水文循环模拟中流域下垫面参数化方法中存在经验关系对复杂机理简单表述的合理性和物理机理过程描述的欠缺性问题,并预估未来水文循环模拟中下垫面参数化方法朝着简洁实用化和复杂机理化两个方向发展。     

A study on DEM-derived primary topographic attributes for hydrologic applications: Sensitivity to elevation data resolution

Primary topographic attributes play a critical role in determining watershed hydrologic characteristics for water resources modeling with raster-based digital elevation models (DEM). The effects of DEM resolution on a set of important topographic derivatives are examined in this study, including slope, upslope contributing area, flow length and watershed area. The focus of the study is on how sensitive each of the attributes is to the resolution uncertainty by considering the effects of overall terrain gradient and bias from resampling. Two case study watersheds of different gradient patterns are used with their 10 m USGS DEMs. A series of DEMs up to 200 m grid size are produced from the base DEMs using three commonly used resampling methods. All the terrain variables tested vary with the grid size change. It is found that slope angles decrease and contributing area values increase constantly as DEMs are aggregated progressively to coarser resolutions. No systematic trend is observed for corresponding changes of flow path and watershed area. The analysis also suggests that gradient profile of the watershed presents an important factor for the examined sensitivities to DEM resolution.     

模糊坡位信息在精细土壤属性空间推测中的应用

坡位的空间渐变特征影响着小流域及坡面尺度上的土壤、水文、地貌等现象和过程,因此对精细尺度下的地理建模(如土壤空间信息推理)有重要作用。虽然目前已有多种模糊坡位信息定量提取方法,但所得到的模糊坡位信息还缺乏实际应用。本文以精细尺度下的土壤属性空间分布推测为例,对此展开探索。应用模型假设:(1)在小流域内,地形因素主导着土壤属性空间分布的变化;(2)典型坡位上对应分布着典型的土壤属性值,土壤属性与坡位之间存在协同变化关系。据此建立以模糊坡位信息对各类典型坡位上土壤样点属性值的加权平均模型,推测土壤属性的空间分布。模型应用于黑龙江省嫩江流域一个地形平缓的小区(面积约60 km²),通过一个以坡位典型位置作为原型的模糊坡位定量方法提取5类坡位(山脊、坡肩、背坡、坡脚、沟谷)的空间渐变信息,对土壤表层有机质含量的空间分布进行推测。推测结果通过研究区70个土壤采样点进行评价,以推测结果与评价样点集之间的相关系数、平均绝对误差、均方根误差作为定量评价指标,与使用常用地形属性的多元线性回归模型推测结果进行对比。评价结果表明,仅使用极少建模点的加权平均模型的推测结果优于多元线性回归模型的推测结果。     

坡向和微地形对大型土壤动物空间分布格局的影响

尽管在景观和区域尺度上对土壤动物空间分布格局的研究已较多,但在小尺度上对局部微生境条件如何影响土壤动物多样性及其空间分布格局的研究还很少。以典型温带次生林为研究对象,采用样方法系统调查了林地阴坡和阳坡4个不同地形部位大型土壤动物群落的密度,并测定了不同地形部位的生境条件。采用三因子方差分析和对应分析等方法定量研究了坡向和地形部位对大型土壤动物群落密度的空间分布格局的影响。主要表现在：①在采集到的160个土壤样品中共检测到动物个体4 148个,分别隶属于26个不同的土壤动物类群;②坡向和地形部位对土壤动物的空间分布格局有显著的影响,但不同土壤动物类群对坡向和地形部位的响应模式存在一定的差异,这种差异的形成可能与不同土壤动物类群的生活习性和生物学特征密切相关。其结论是：在小尺度上,林地的坡向和微地形条件主要通过影响局部小生境的生物和非生物因子组合特征而对土壤动物的空间分布格局产生重要影响。     

白龙江中游干旱河谷水土流失与地理环境

基于实地调查研究，结合现有资料和研究成果，总结分析白龙江中游地理环境结构特点，调查研究该区水土流失性质、带状分异特征以及小流域形态结构，剖析地理环境与水土流失作用关系，提出以小流域为单元，以其空间结构有序和区段功能有序特征，配置水土保持防治措施体系，为建立综合治理模式提供有效参考。     

Hillslope-to-valley transition morphology: New opportunities from high resolution DTMs

The search for the optimal spatial scale for observing landforms to understand physical processes is a fundamental issue in geomorphology. Topographic attributes derived from Digital Terrain Models (DTMs) such as slope, curvature and drainage area provide a basis for topographic analyses. The slope–area relationship has been used to distinguish diffusive (hillslope) from linear (valley) processes, and to infer dominant sediment transport processes. In addition, curvature is also useful in distinguishing the dominant landform process. Recent topographic survey techniques such as LiDAR have permitted detailed topographic analysis by providing high-quality DTMs. This study uses LiDAR-derived DTMs with a spatial scale between 1 and 30 m in order to find the optimal scale for observation of dominant landform processes in a headwater basin in the eastern Italian Alps where shallow landsliding and debris flows are dominant. The analysis considered the scaling regimes of local slope versus drainage area, the spatial distribution of curvature, and field observations of channel head locations. The results indicate that: i) hillslope-to-valley transitions in slope–area diagrams become clearer as the DTM grid size decreases due to the better representation of hillslope morphology, and the topographic signature of valley incision by debris flows and landslides is also best displayed with finer DTMs; ii) regarding the channel head distribution in the slope–area diagrams, the scaling regimes of local slope versus drainage area obtained with grid sizes of 1, 3, and 5 m are more consistent with field data; and iii) the use of thresholds of standard deviation of curvature, particularly at the finest grid size, were proven as a useful and objective methodology for recognizing hollows and related channel heads.     

黄河中游多沙粗沙区流域坡面水保措施变化特征

选用Landsat TM、环境星CCD、SPOT4 和资源三号卫星影像等多源地学数据,通过人机交互式解译和修订土地利用与梯田数据,提出用相邻图幅递进回归分析法消除NDVI时相差异后反演植被盖度,构建起退耕还林还草面积比例、植被盖度均值变化量和有效梯田累计保存面积比例3 个坡面特征变化指示参数后,运用综合聚类分析和多要素贡献率模型研究黄河中游多沙粗沙区的流域坡面水保措施变化特征。结果表明：（1） 1998-2010 年间研究区内流域坡面水保措施变化显著,平均退耕还林还草面积比例为5.55%,平均林草植被盖度均值增加20.63%,平均有效梯田累计保存面积比例达6.25%;（2） 多要素水保措施变化共同作用下的流域坡面变化特征主要有7 种类型,即植被盖度变化主导型、植被—土地变化主导型、土地—植被变化主导型、植被—梯田变化主导型、梯田—植被变化主导型、梯田面积变化主导型和多要素变化共同主导型;（3） 不同类型的空间分布存在一定的地貌背景差异,后续研究应结合流域坡面变化特征及其地貌格局来优化配置水保措施,并合理估计水沙模型模拟的敏感性参数。