基于DEM的黄土塬坡地形特征量化分析研究

系统梳理并界定了塬坡的概念,基于5 m分辨率DEM及0.6 m分辨率快鸟影像,以塬坡为主体,构建地形统计特征、空间展布特征和侵蚀发育特征指标体系,深入分析黄土塬区的地形特征,量化塬区小流域及其内部各级子流域的侵蚀发育程度。结果显示：(1)塬坡在7个流域中面积占比约10%～35%,地形统计特征表明侵蚀程度和粗糙度等自塬面到沟谷逐渐加剧;(2)空间展布特征说明塬坡是沟坡系统中最为复杂的地形单元,塬面对塬坡的邻接性较沟谷对塬坡的邻接性弱;(3)侵蚀指标是塬区小流域侵蚀发育的重要指征,其揭示了流域内部的侵蚀分异规律：侵蚀程度随子流域级别增大而加剧,侵蚀程度越严重的流域,其内部子流域的侵蚀程度也越严重。各侵蚀指标的相关性随子流域级别增加而增强,在0.01置信水平下,侵蚀指标间的最低相关性由0.33提高至0.80。     

基于ANN-CA模型的黄土小流域正负地形演化模拟

黄土高原正负地形的不同组合特征反映了黄土地貌的发育程度,黄土小流域正负地形的演化则是黄土高原地貌形态发育的缩影。该文采用地理元胞自动机的建模方法,对室内黄土小流域正负地形的演化过程进行建模与模拟。实验通过多次训练神经网络,自动获取转换规则,简化了构建元胞自动机模型的难度,同时,模拟的结果总精度达88.5%。研究表明,该方法可以反映黄土小流域正负地形演化过程中其沟谷扩张、沟头向前以及黄土陷穴的发育特点,对黄土高原地貌发育研究具有重要意义和可鉴性。     

黄土高原小流域重力侵蚀稳定可靠度分析

在应用有限差分FLAC3D软件对黄土高原小流域概化模型塑性屈服区分布规律进行数值模拟的基础上,采用基于FLAC3D的有限元强度折减法和简化一次二阶矩法相结合的方法研究了小流域概化模型重力侵蚀稳定可靠度和破坏概率。结果表明：小流域剪切塑性区域主要分布于坡面和沟坡大部分区域,张拉塑性区域主要分布于梁峁顶和梁峁坡上部;小流域边坡整体破坏概率达到28.6%,高于1%,表明流域重力侵蚀处于高破坏概率范畴之内,处于不可接受的风险水平,需采取适当的工程措施以提高其稳定性;采用安全系数法和可靠度相结合的二元指标评价体系分析和评价边坡稳定性,能获得更为合理、可靠的分析结果。相关数值模拟和稳定可靠度分析结果可应用于流域重力侵蚀研究中,为推动流域侵蚀产沙时空规律研究的深入发展和小流域水土流失综合治理提供科学依据。     

黄土侵蚀沟稳定性监测与初步分析

黄土侵蚀沟是黄土高原地貌的重要组成部分,是黄土高原侵蚀泥沙的主要来源。对侵蚀沟的稳定性进行监测与分析,对于黄土高原土壤侵蚀及地貌学研究意义重大。该文探讨了黄土侵蚀沟稳定性研究的主要内容与技术手段,并通过对黄土高原6个典型小流域的18条支毛沟进行的两期观测,对侵蚀沟动态监测的技术方法与分析手段进行了初步尝试。监测结果表明,尽管目前黄土高原的植被恢复良好,水土保持工程措施较为完备,但在有利于侵蚀发生的条件下,仍会有侵蚀沟继续发育。根据对监测实验结果的分析,初步认为降水、植被与水保措施、地形因素是侵蚀沟发育的主要影响因素。而黄土侵蚀沟的变化机理是侵蚀沟稳定性研究的关键问题,提高侵蚀沟动态监测精度是稳定性研究的基本保障。     

基于SWAT模型的无资料流域产流产沙模拟

准确预报无资料地区的产流产沙,对土壤侵蚀治理具有重要的实践意义。为了研究南方红壤侵蚀区无观测资料流域的产流产沙情况,以福建省长汀县朱溪小流域为研究区,其次一级流域游屋圳子流域和高陂塅子流域分别为参证流域和无观测资料流域。采用相对误差(Re)、决定系数(R2)以及Nash-Sutcliffe效率系数(Ens)评价了SWAT模型在游屋圳子流域的产流产沙模拟的适用性,基于地形指数判定了两子流域的水文相似性。结果表明:SWAT模型适用于游屋圳子流域的产流产沙模拟;游屋圳子流域与高陂塅子流域具有水文相似性,说明两子流域间可以进行模型参数移植;经模型参数移植,模拟得2010年高陂塅子流域年径流量为1.32×107m3,年产沙量为2 200 t。模拟结果不仅为小流域的水土保持治理提供参考,也为其他无资料流域的产流产沙模拟提供方法借鉴。     

基于势能信息熵的黄土小流域沟谷网络演化特征研究

沟谷网络是黄土高原流域地貌的重要侵蚀产沙区和最主要的产沙运移通道,深入了解沟谷网络的形成过程和演化特征,对黄土高原小流域的水土保持综合治理、生态恢复和流域地貌演化过程研究具有重要意义.然而,流域内部沟谷网络的发育演化过程与整个流域地貌演化过程的相互作用机制尚未得到有效揭示.该文基于室内人工降雨试验条件下获取的9期人工模拟黄土小流域DEM数据,提出一种表征流域地貌系统内部沟谷网络演化有序程度的方法,并利用小流域地貌系统的势能信息熵及其熵变规律对沟谷网络演化过程及其变化特征进行研究.结果表明:在该实验条件下,以侵蚀为主的均质黄土小流域在地貌发育的幼年期,势能信息熵呈不断减小态势,沟谷网络有序性不断增强,在幼年期末达到最高;进入壮年期后,势能信息熵呈缓慢增加态势,沟谷网络有序性受到一定程度破坏,演化特征与该系统势能信息熵的熵变特征及流域地貌侵蚀发育阶段高度一致,流域地貌的势能信息熵和沟谷网络有序演化特征能有效指示流域地貌的侵蚀发育阶段.     

古地形对黄土区岩土侵蚀趋势的控制作用

利用高精度的GPS(卫星全球定位系统)结合RS(遥感)与GIS(地理信息系统)重建了陕北府谷黄土区一个小流域的侏罗纪(J)、第三纪(N)时期古地形数字模型(DTM),与该区现代小流域地形和土壤侵蚀的现状进行了分析对比,发现府谷黄土区经历了古准平面-古湖泊洼地-高原沟谷三大地貌发育过程,而且该小流域现代地形与侏罗纪、第三纪古侵蚀面之间具有很高的继承性,可见古地形在陕北黄土地区的岩土侵蚀过程中有着重要的控制作用,研究结果可以更好地为水土保持提供科学依据。     

基于势能信息熵的黄土小流域地貌演化特征

黄土高原流域地貌系统的地貌演化特征十分复杂,尚有诸多科学问题有待进一步深入研究。以往研究大多集中在流域地貌演化的侵蚀和发育特征等某一方面,缺乏从流域地貌系统及其势能信息熵的视角深入剖析野外多岩土层黄土小流域地貌演化特征的研究。为此,基于系统论的观点和方法,构建多岩土层黄土小流域地貌系统及其势能信息熵的数学模型,并以辛店沟小流域为例,对其地貌演化特征进行研究。结果表明：（1）构建的野外多岩土层黄土小流域地貌系统的概念模型及其势能信息熵的数学模型能够有效对辛店沟小流域进行数值模拟。（2）以黄土侵蚀作用为主的辛店沟小流域从2000—2019年的地貌演化过程是其势能信息熵的熵减过程和黄土地貌不断侵蚀的过程。（3）辛店沟小流域的势能信息熵能较好地反映该小流域的地貌演化阶段和地貌侵蚀过程。     

基于多方位DEM地形晕渲的黄土地貌正负地形提取

以陕北绥德县韭园沟流域5 m分辨率DEM数据为基础,在数字地形分析、多元统计和数据挖掘方法的基础上,提出利用多方位DEM地形晕渲、坡度等多元指标,以主成分分析消除多重共线性和约减维数,并以Logis-tic回归模型提取黄土高原正、负地形的方法。研究结果表明:模型提取精度为82.1%,Kappa统计量为0.629;模型在6个不同流域测试样本上正、负地形的平均精度分别为77.6%,84.9%,加权平均精度为81.3%,模型具有较好的一致性和泛化能力,正、负地形提取效果良好。     

模拟流域地貌发育过程的空间数据获取与分析

运用数字摄影测量与GIS技术对人工模拟降雨条件下小流域模型地貌发育过程进行了动态监测研究,获得了小流域模型不同发育阶段地貌形态高精度、高分辨率的DEM数据、等高线、纵横剖面等数据,计算出了流域模型各种地貌形态参数,并利用GIS技术进行流域发育过程的空间形态进行了可视化和空间分析.研究表明,数字摄影测量与GIS技术可准确快速获取流域地貌形态的相关参数及小流域土壤侵蚀的空间定量分布,对于黄土高原小流域降雨侵蚀产沙过程与地貌形态特征定量作用关系研究及小流域土壤侵蚀预报模型建立具有重要科学意义.     

末次间冰期以来黄河中游黄土高原沟谷侵蚀-堆积过程初探

以陕西洛川北汉寨小流域为基础，建立末次间冰期以来黄河中游黄土高原的沟谷侵蚀－堆积模式，并定量计算流域不同时期侵蚀模数或堆积速率，初步恢复了末次间冰期以来黄土高原中部地区的沟谷侵蚀－堆积过程。计算结果表明，末次间冰期公来，黄土高原中部地区的自然侵蚀作用可能在逐渐加剧。侵蚀－堆积是黄土区沟谷发育的基本过程，并与气候变化密切相关。侵蚀期相当于湿润期，也就是降雨量大的时期；沉积黄土层的时期沟谷发育大大减缓甚至停止，并且在原来的谷底、谷坡上还可堆积黄土。     

基于DEM的黄土高原面积高程积分研究

面积高程积分(Hypsometric Integral,HI)是通过统计流域地表的高程组合信息,从而揭示流域地貌形态与发育特征的重要指标。本文以1:10000比例尺5 m分辨率DEM数据分析流域面积高程积分计算时的影响因素,以SRTM数字高程模型数据为基本信息源,研究黄土高原重点水土流失区的面积高程积分空间分异特征。研究工作首先讨论并总结了面积高程积分的地学含义,明确了DEM分辨率以及分析面积对于面积高程积分计算的影响,并分析各地貌对象面积高程积分的相关性;然后,面向黄土高原重点水土流失区,采用面向多尺度分割的方法,基于小流域面积高程积分,实现了黄土高原重点水土流失区地貌分区。研究结果表明,DEM分辨率对于小流域面积高程积分计算影响较小,当小流域面积阈值达到10 km2时,面积高程积分趋于稳定;各地貌对象中,流域面—正地形—沟沿线、山顶点—山脊线—流域边界这两组组内面积高程积分值相关性非常强;基于面积高程积分的地貌分区,与黄土高原地区水土流失分区图和输沙模数分区图具有相当程度的耦合关系,并细化了原有分区结果。     

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。     

东北漫岗黑土区浅沟侵蚀发育特征

东北黑土区是中国重要商品粮基地之一,沟道恶性扩张,已成为导致该区土地退化主要原因之一.利用全球定位系统和传统方法测量浅沟形态参数,结合地理信息系统(GIS)平台计算流域尺度的沟蚀现状,分析东北黑土区浅沟侵蚀发育特征,并对比分析其与黄土高原浅沟侵蚀发生的地貌因子之间的异同.研究表明,研究区浅沟分布密度0.56～0.93 km、km2,年侵蚀模数达到118～199 m3/km2,浅沟破坏面积占流域面积比例达0.11%～0.19%,浅沟沟壑密度已经达到中度和强度侵蚀,处于快速发展时期;研究区浅沟的临界汇水面积大于黄土高原,分布的临界坡度小于黄土高原,这主要由黑土区坡长坡缓的特点决定.     

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.     

地貌发育阶段的定量研究

文章提出用临界侵蚀积分值作为划分流域发育阶段的定量指标,是对经典理论的发展,主要表现在:1)将地貌发育阶段纳入开放系统的概念之中;2)避免高程积分法在划分发育阶段上的不确定性;3)建立地貌发育阶段与流域物质迁移之间的定量关系;4)区分自然侵蚀和加速侵蚀。用文中的临界侵蚀方程对黄土高原丘陵沟壑区分析计算,得到临界侵蚀积分值为0.30和0.70,即当侵蚀积分值小于0.30寸,流域处于侵蚀早期;当侵蚀积分值大于0.30,小于0.70时,流域处于侵蚀中期;当侵蚀积分值大于0.70时,流域处于侵蚀晚期。对于纯自然侵蚀过程,与临界侵蚀积分值相对应的年代及侵蚀模数为7万年前,7008t/km~2·a和距今7.2万年以后,7008t/km~2·a。目前黄土高原丘陵沟壑区加速侵蚀所占比例为30％。     

地形和遥感图像融合技术在冲沟参数提取中的应用——以栖霞市庵里水库东缘流域为例

受图像的空间分辨率和反立体现象等因素的影响,单纯基于二维遥感图像提取冲沟参数精度较低。以山东省栖霞市庵里水库东岸流域为研究区,建立一种地形和遥感图像融合技术,并用于提取沟沿线、坡底线等冲沟参数,以期为沟蚀参数的大量、快速提取提供一种新方法。结果表明：① 基于HSV变换,高斯标准化地表粗糙度作为地形图像融合的权重,建立了地形与遥感图像融合方法,增强和丰富了图像中的地形信息。② 基于融合数据,结合沟沿线和沟底线坡度阈值处理,在研究区内提取了144条冲沟,总面积为1.699 km²,占流域总面积的29.89%,为强烈侵蚀。③ 选择张家沟—北丁家沟流域作为检验区,以RTK-GPS实测数据为参照,地形融合法提取冲沟的准确率和沟头平均偏移量分别为98.413%和4.12 m,其精度明显高于传统的遥感图像目视解译法（73.016%和9.61 m）。     

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。     

流域地形景观系统的复杂网络描述

人工作用下流域地形景观系统研究是流域地貌水文研究的重要内容。该文采用复杂网络理论研究黄土高原丘陵沟壑区小流域系统,借助数字地形分析方法从DEM数据中提取网络要素,建立流域地形景观复杂网络模型;选取度、平均路径长度、集聚系数等指标,分析得到网络具有小世界特征,网络中度-度关联性呈现负相关性,负地形中沟谷网络呈现无标度特征;地理尺度对流域地形景观网络拓扑结构影响不大,在人工作用下的地形景观网络呈现平均度减小、集聚系数增大;网络中关键节点的变化影响着网络拓扑结构,改变了小流域系统的地貌水文特征。复杂网络理论为研究流域地形景观系统演化提供了一种新方法。     

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.