复杂网络理论在黄土高原沟谷地貌特征研究中的应用

沟谷侵蚀是塑造黄土地表侵蚀形态的主要动力,沟谷的发育过程深刻地影响着黄土地貌的发育及演化。本文在黄土高原选择6个典型地貌样区,以样区的数字高程模型为基本数据源提取沟谷系统。将沟谷系统中的沟谷节点、沟谷源点和流域出水口点作为网络节点,网络节点之间的空间拓扑关系为边,高程差为权值,构建黄土高原沟谷加权复杂网络模型。对黄土沟谷地貌的节点特征和空间结构进行定量刻画和分析,得到黄土高原不同地貌类型网络特征的空间格局及其变化,并进一步映射地貌的发育过程及演化机理。研究结果表明：① 黄土高原沟谷加权网络的点强度累积概率分布呈指数分布,相关性系数皆达到0.80以上,该网络正处于向无标度网络转化的过渡期;② 样区从南到北,沟谷特征点的点强度值呈现逐渐减小的态势,且点强度的分布具有不对称性,沟谷右侧侵蚀强度较高,点强度分布较多;③ 平均路径长度和网络结构熵值在绥德一带最大,分别为30.94、6.31,并向南北两侧呈减少的趋势,网络密度值的变化与之相反;3个指标分别从网络结构的连通性、稳定性和紧密性反映了不同沟谷地貌类型的侵蚀程度以及地貌系统的演化机理;④ 网络指标与传统地貌指标的相关性系数均超过0.85,其可以科学、准确地表达地貌形态的复杂性及地貌的发育阶段,有望作为沟谷地貌地学特征研究的参数。该方法考虑了沟谷地貌的空间拓扑关系以及系统的整体性,为复杂表面形态的地貌研究提出了一种新的思路和方法。     

基于随机森林的黄土地貌分类研究

地貌分类在指导人类建设活动的规模与布局中有着重要的意义。然而,传统的基于数字高程模型(DEM)的地貌分类方法使用的地形因子和考虑到的地貌特征往往比较单一。本文提出了一种基于流域单元的地貌分类方法,该方法考虑了流域单元的多方面特征,包括基本地形因子统计量、地形特征点线统计量、小流域特征和纹理特征。本研究首先基于DEM进行水文分析将研究区域划分成不同的小流域。然后利用数字地形分析提取29个不同方面的特征来表征流域的形态,并基于随机森林(RF)算法进行了特征选择和参数标定。RF是一种基于决策树算法的集成分类器,能有效地处理高维数据,分类精度高。最后选择训练集小流域对RF分类器进行训练,使用训练完成的分类器对整个研究区域的地貌进行分类,研究地貌分异的规律。该实验在我国陕北黄土高原典型黄土地貌区域的地貌分类中取得了较好的结果,结果表明不同的地貌之间存在明显的区域界线,特定的地貌类型在空间上表现出明显的聚集性。通过人工判读进行验证的分类精度达到了85%,Kappa系数为0.83。     

黄土高原地貌类型界线划定研究进展

区分地理实体最直接有效的方式在于对其界线作出划定。目前,黄土高原地貌类型界线划定多是在分类基础上按照分类界线、自然区划界线来界定。基于不同数据源及其表达方式,本文追踪前人对黄土高原地貌类型界线划定的研究进展,从形态成因的地貌分类、数字地貌分类等分类体系中总结了黄土地貌类型界线的内涵,分析了基于自然语言和数字环境下定量描述的优缺点和存在的问题;并梳理了黄土地貌类型界线的表示方法以及基于数字地形分析技术的地貌类型定量识别及其划分方法;从地貌界线确定与分类体系的关系、地貌界线划定的理论与方法参考、地貌界线划定的尺度效应3个方面对地貌类型界线做出了讨论分析与展望,以期为黄土地貌区划的相关理论研究提供背景基础,为当地实践工作等提供理论依据和支撑。     

黄土地貌类型的坡谱自动识别分析

地貌形态特征识别与分类,对生态环境、水文研究及地质构造分析等地学研究具有重要意义,已成为现代地貌学的一个研究热点。传统的统计模式识别方法精度较低,难以解决线性不可分的模式分类问题。人工方法虽然识别精度高,但因各人认知偏差导致的识别误差难以控制。人工神经网络作为一种动态信息处理系统,能有效解决线性不可分的地貌类型识别问题。坡谱是利用微观地形定量指标来反映宏观地形特征的有效方法,在地貌学研究中正受到广泛的关注。本文以陕北黄土高原8个不同地貌类型区的数字高程模型（DEM）为实验数据,以流域为分析单元,提取坡谱及其特征指标作为描述地形特征的定量因子,并通过BP神经网络的构建与学习,进行黄土地貌类型自动识别。实验结果表明,在8种地貌类型的样本数据中,第1次实验正确识别率平均值达70%;第2次和第3次实验中,去除相似度较高的峁状丘陵沟壑或峁梁状丘陵沟壑任一种地貌类型后,正确识别率平均提升为80%和85%。经Kappa系数验证,该方法能以DEM数据有效识别不同类型的黄土地貌。     

坡谱信息熵尺度效应及空间分异

选取陕北黄土高原48个不同地貌类型区,以其对应的1∶10000及1∶50000数字高程模型(DEM)为数据源,运用比较分析与数理统计的方法,分析了坡谱信息熵在陕北黄土高原的空间分异特征及尺度效应。结果显示,坡谱的信息熵在一定程度上可以反映地表的复杂度,坡谱信息熵和沟壑密度间有较好的幂函数关系,随着坡谱信息熵的增大,样区沟壑密度也增大。坡谱信息熵的空间分异和陕北黄土高原的黄土地貌形态在空间上的变异是相关的,可将其作为地貌类型划分的判别因子之一。     

论黄土地貌的特征及其发育

文章主要介绍了黄土地貌的形成、分类和各种类型地貌的特征,及其黄土地貌的发育过程和特点等,黄土地区在不同的外营力作用下形成了不同的地貌类型,不同地貌的发生、发展和形态特征,黄土地貌发育及其分布。     

中国“数字黄土地貌”分类体系探讨

黄土地貌属中国典型地貌之一,其分类体系是制图的基础。过去各种黄土地貌分类研究方案由于标准不统一,在实际应用中没有形成公认的地貌分类系统。本文将形态和成因有机地结合在一起,采用分层分级方法,借助于地理信息系统技术,分析并提出适用于遥感影像数据(LandsatTM和ETM)的1:100万黄土地貌分类体系,拟定出相应的编码体系,建立了典型地貌的遥感图谱。该研究为利用中高分辨率卫星遥感数据编制中国1:100万黄土地貌类型图奠定了坚实的基础,该分类方案可充分反映黄土地貌的特征,也能与全国数字地貌分类方案保持一致,同时该分层分级分类方案可满足地貌类型的扩充性。     

基于DEM的黄土崾岘提取及其地形特征分析

崾岘是将要被切穿的鞍部,是正负地形矛盾斗争的结果,也是重要的地形控制点。典型的崾岘多位于黄土高原黄土地貌区,又称黄土崾岘,其对识别沟间地与沟谷的斗争程度有一定的指示作用。本文以黄土高原样区为例,基于1:1万DEM（5 m分辨率）和影像分辨率为0.95 m的遥感影像,利用流域边界算法和缓冲区标定,分析窗口选择5×5,实现了崾岘点位的半自动化提取。并对各崾岘点位求取坡度等地形因子,总结崾岘的空间格局和地形特征。结果显示,崾岘多分布在主流域边界和垂直于主沟道的最宽部分,地形控制作用明显。崾岘的坡度、起伏度、切割深度等值均大于鞍部值,同时,高级流域区的崾岘值大于低级流域区的崾岘值,反映出崾岘具有侵蚀程度强、表层完整性低、地表破碎度高的特点。总体而言,崾岘受沟道蚕食度高,从侧面反映了黄土地貌的发育阶段,是黄土地貌发育到中期的标志性产物。     

基于DEM的黄土地貌逼近度因子构建及特征分析

沟谷源点作为沟沿线上最为活跃的部位,其分别到上游分水线、下游沟谷线的流线空间比对关系,是表征三线空间结构的重要突破口。它在空间上向流域分水线逼近的程度,是量化黄土流域地貌系统发育程度的重要切入点。为探究黄土地貌区流域沟谷源点向流域分水线逼近的程度,揭示黄土流域地貌发育进程及该进程所表现的主要侵蚀方式,本文从水平和垂直2个维度,构建量化三线空间结构关系的核心因子--逼近度(PI),其中包括水平逼近度(HPI)和垂直逼近度(VPI),基于5 m分辨率数字高程模型,在陕北黄土高原遴选了包含16种地貌类型的42个样区,利用数字地形分析方法,探讨其平均值(MHPI, MVPI)的空间分异规律。另外,选择其中南北序列分别代表黄土塬、残塬、梁状丘陵沟壑和峁状丘陵沟壑区的淳化、宜君、甘泉和绥德4个地区,完备包含一至五级别沟谷的典型流域为重点实验样区,探讨陕北黄土高原流域尺度平均逼近度变异指数(MPIV)序列性特征。实验结果表明:①陕北黄土高原平均逼近度(MPI)存在强烈的空间自相关,MHPI在南北序列上先增大后减小,东西方向上逐渐减小,在黄河沿岸峡谷丘陵区MHPI达到最大;MVPI由西南-东北先减小后增加,由西北-东南逐渐减小,在渭北黄土台塬区达到最小;②在流域尺度上,MPIV值的正负与黄土塬区、丘陵沟壑区敏感相关;③4个重点样区MHPI、MVPI与其它地形因子存在南北序列上的一致性。104个外部汇流区平均水平逼近度与平均坡度相关性较好(P=0.43, a<0.001),平均垂直逼近度与面积高程积分强烈相关(P=0.75, a<0.001)。平均逼近度指标综合考量了黄土高原地区最典型的三条具有结构控制意义特征线的空间关系,对黄土地貌的发育程度有明显的指示性意义。     

中国地貌基本形态DEM的自动划分研究

我国1∶100万的数字高程模型,是在1∶5万及1∶10万基本地形图上,高精度采集方里网交点高程所构建的1km分辨率地面高程数字矩阵。本文利用该DEM数据及其所派生的多种地貌信息进行地貌形态类型自动划分的技术方法。实验提取地形起伏度、地表切割度、地表粗糙度、高程变异系数、平均坡度、平均高程6个地形因子,并将各因子置于不同的信息层面中,通过主成分分析,ISODATA非监督分类法与Bayesian最大似然监督分类法相结合,对中国地貌的基本形态进行了多维信息综合分类。研究结果表明:①我国1∶100万比例尺DEM在宏观地貌分类方面具有重要的价值和应用潜力;②所提取的地形因子能宏观地反映我国地形的起伏特征,为地貌形态分类提供重要的依据;③采用ISODATA非监督分类法与Bayesian最大似然监督分类法,能有效地实现我国地貌基本形态类型的定量化、自动化划分;④依据数据的统计特征进行分类,较合理地解决了类型模糊的形态实体的归类问题。实验结果不仅揭示了此项技术在地貌形态分类中的巨大潜力,同时对于完善DEM数字地形分析的理论与方法也具有重要的意义。     

中国陆地地貌基本形态类型定量提取与分析

中国陆地地貌基本形态类型由海拔和地势起伏度两个指标组合划分而成,其中海拔分4级,地势起伏度分7级,组合后的基本形态类型共25类。按照数字地貌分类体系,海拔和起伏度拥有全国普适性的分级指标,基于DEM数据可获得两指标的分级类型。试验表明,基于SRTM-DEM(水平分辨率90m,相当于1:25万比例尺)数据可得出全国普适性的采用单元为4km²,利用1:10万、1:400万等比例尺数据进行DEM试验,得出我国存在0.4、4、12、18、21km²五种不同规模的采样单元,并分别对应着不同的比例尺。因我国地貌复杂多样,仅利用DEM数据所获得的海拔和地势起伏度分级数据不能完全反映不同地域的地貌特征,故利用遥感等多源数据,综合多种信息获得的地貌类型,可很好地反映出我国的海拔4级分级特征和地势起伏度7级空间分布,进而获得全国陆地的25种基本形态类型的面积及空间分布格局。     

黄土高原沟谷地貌发育演化研究进展与展望

黄土沟谷是黄土地貌中最有活力、最具变化、最富特色的对象单元,黄土高原千沟万壑的地貌形态以及触目惊心的侵蚀状态也让区域内沟谷地貌的形成、发育及演化问题成为研究中焦点及前沿性科学问题。近年来,诸多学者采用地学测年法、特征表达法、监测模拟法力图实现对黄土沟谷发育演化进程中“过去-现代-未来”的科学认知。这些研究在相当程度上丰富了黄土沟谷发育过程的认知。本文梳理了黄土高原沟谷地貌演化相关研究的现状,并从黄土高原地貌演化、黄土沟谷发育、基于DEM的沟谷信息提取与表达等研究进行了系统的回顾、梳理与分析。此外,本文提出“黄土沟道剖面群组”概念与方法,试图从新的视角审视黄土沟谷地貌发育演化过程。沟道剖面在黄土沟谷发育演化进程中传递物质能量和累积地形动力,并通过径流节点的串联实现剖面群的连接与组合,形成独特的剖面“群组”模式;该沟道剖面群组是集黄土沟谷地貌特征与过程于一体的综合信息集成体,其三维空间结构是对黄土沟谷地貌发育演化的高度抽象与映射,并可望进一步丰富黄土高原数字地形分析理论与方法体系,为黄土高原黄土地貌成因机理与空间分异格局带来创新的认识。     

雅鲁藏布江高能洪水沉积特征及地貌效应

青藏高原东南缘雅鲁藏布江流域的气候、水文、构造与地形条件具有发育超大冰川或滑坡堰塞湖及高能洪水的潜力。对高能洪水沉积特征的研究进展进行简要回顾,以青藏高原雅鲁藏布江流域广泛分布的高能洪水地貌和沉积证据为主要研究对象,探讨了该流域高能洪水沉积物的主要沉积特征及其形成原因,最后对该流域高能洪水的地貌效应进行了简要分析。结果表明：雅鲁藏布江流域高能洪水形成的巨型边滩以涡流型边滩居多,其次为点状边滩和吊坠型边滩,未见牵引型边滩;就沉积特征而言,该流域高能洪水巨型边滩的内部沉积以水平叠层为主,波纹及交错层理层、粉砂层、斜坡沉积和粗砾平行层理层亦见分布;高能洪水等极端地表过程在青藏高原及雅鲁藏布江的泥沙输移及地貌演变中发挥着关键作用。     

基于DEM小流域复杂网络的黄土高原地貌自动识别研究

地貌识别,对于人类建设,地质构造研究,环境治理等相关领域都有着重要意义。传统的基于像素单元或面向对象的地貌识别方法存在局限性。由于流域小单元具有表面形态的完整性,在地貌演化中具有明确的地理意义,基于流域小单元的地貌识别成为了该领域的一个新热点。然而,基于传统地形因子的地貌识别方法使用的因子往往较为单一或者在地学描述上存在重复性,目前尚无针对流域小单元进行空间结构描述和拓扑关系特征量化的地貌识别研究。基于此,本文基于DEM进行水文分析并通过坡谱方法解决了小流域稳定面积难以确定的问题,在黄土高原样区提取了181个稳定小流域。根据复杂网络理论和地貌学原理提出了流域加权复杂网络的概念和相应的8个定量指标用于流域空间结构的模拟和量化描述。最后采用了基于决策树的XGBoost机器学习算法进行地貌识别,实验对于黄土高原主要地貌类型的识别显现出较好的效果,Kappa系数为86.00%,总体精度达到了88.33%。对于地貌形态特征明显的地貌,复杂网络方法其顾及空间结构和拓扑特征的特性导致了其较高的识别性能,精度和召回率都在90%~100%之间。通过与前人的研究进行对比,其识别结果亦呈现出较高的精度,这些都验证了流域加权复杂网络是一种基于流域小单元地貌识别的高精度且有效的方法。     

风蚀地貌形态与过程研究进展

辨析了雅丹、风蚀坑等主要风蚀地貌的概念,雅丹是典型的风蚀正地貌形态,通过回顾雅丹地貌形态与过程的研究历史与进展,发现目前对其发育过程的认识尚不清楚,并且只关注了对残存土墩的观测和分析,没有充分重视凹槽的形态动力学过程;风蚀坑是典型的风蚀负地貌形态,特别是草原景观转变为沙地景观的临界阈现象,目前已经对独立风蚀坑的形态、气流特征、沉积物粒度以及植被演替过程等方面进行了初步研究,但由于风蚀坑形态是多因素共同作用的结果,需要由单因素观测转向综合分析其形态动力学过程.认为对风蚀过程机理及其模拟的研究中,在利用风洞模拟实验、野外观测等手段对风蚀过程微观尺度进行研究的同时,也需要加强通过遥感和GIS手段从景观尺度对风蚀地貌发展变化过程进行分析.     

石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段古地貌对沉积的控制

为解决渤海海域石臼坨凸起西南缘陡坡带东三段沉积体系展布规律及控制因素等问题,综合利用钻井、测井和地震资料,恢复石臼坨凸起西南缘的古地貌,研究古凸起、古沟谷、沉积区底型等地貌单元,解析陡坡带不同位置扇体分布规律的差异性,阐明古地貌格局对沉积的控制作用。结果表明:东三段物源区古地貌呈西部高隆、中部过渡、南部阶地、东部平缓的地貌格局,沟谷大量发育,且发育类型自西向东由深V型向宽缓的U型和W型演化。沉积区古地貌受同沉积断裂控制形成4类沉积底型,并形成洼槽与脊梁相间格局,西部和东部洼槽可容纳空间比中部的大。扇三角洲主要沿古凸起发育的沟谷进入湖盆,在可容纳空间较大的洼槽带分布,具有西部极富集、东部相对富集、中部贫砂的规律。物源区宏观古地貌对应的供给方式控制扇体的发育样式,沟谷规模和数量控制扇体的展布范围,沉积区底型控制扇三角洲富集程度。剥蚀区古沟谷发育且边界断层活动性强形成的洼槽带,是陡坡带寻找富砂沉积体的有利方向。     

基于地形剖面的黄土塬梁峁地形各向异性奇异强度研究

黄土高原不同地貌类型对应的地形起伏变化特征各不相同,地形起伏在不同方向上的变化特征具有很大差异性,即地形各向异性。本文引入多重分形谱参数描述不同地貌类型地形各向异性的变化规律,以反映不同黄土地貌地形各向异性的局部和整体变化格局。本研究以5 m分辨率的DEM数据为基础,选取淳化、甘泉、绥德3个典型黄土塬梁峁地貌类型研究样区,对其地形各向异性的变化特征进行分析。研究表明:①3种黄土地貌类型地形各向异性变化具有显著的多重分形特征,地形各向异性变化的奇异强度由强到弱依次为淳化、绥德、甘泉;②淳化样区地形各向异性奇异强度在1.4的概率最大,在奇异强度为2.2附近又有一个小的峰值,总体以奇异强度1.4为主;③甘泉样区的奇异强度在1.8有一个小的峰值,总体以奇异强度0.7为主;④绥德样区奇异强度为0.8的概率最大,且较为均匀地分布在0.8附近,地形各向异性的概率分布呈现为对称分布。研究结果为黄土塬梁峁地形各向异性变化奇异强度为黄土塬最大,黄土峁次之,黄土梁最小。该研究可为黄土地貌的精确分类提供定量信息支持,为区域水土侵蚀评价提供地形指标。     

试论河流地貌学的新进展和趋势

河流地貌学研究河流动力的侵蚀-搬运-堆积过程(源-汇系统)、河流地貌的时空演化,及其与地球内部构造活动和地球表层气候和环境之间的相互关系。介绍了河流地貌学与表层地球系统科学的关系、研究内容和发展趋势、前沿问题和研究机遇。河流侵蚀、搬运和堆积在构造-气候相互作用中起着重要的媒介作用,是地球内部和外部相互作用的重要纽带。随着高精度数字地形模型定量分析、地表侵蚀速率的定量测定、沉积物测年以及地貌演化数值模拟等新技术和新方法的应用,促进了不同时间和空间尺度流域地形、水系发育、河流地貌动力过程、河流地貌空间分布特征及其对构造、气候和人类活动等的响应和反馈的研究。未来除了更深入地理解流域尺度物质和形态的变化规律和机制外,加强河流地貌过程的定量表达,将流域地貌研究与表层地球系统的热点科学问题相联系,进一步开展学科交叉,服务于国家战略,才能提高河流地貌学、乃至地貌学科的竞争力。     

川藏铁路雅安—昌都段地灾景观格局空间分析

为深入研究川藏铁路沿线地灾景观格局的决定因素,针对雅安—昌都段地形起伏大、构造活动强烈、地质灾害发育的特点,计算得到地灾与致灾因子空间格局的13个景观指数,对比变量相关矩阵分析方法,运用主成分变换结合夹角测量的手段,探究致灾因子影响灾害空间分布特征的主次关系.本文方法可以有效地避免因景观指数之间的数值差异度大,不同数据集间景观描述相近带来的相关性研究失效等问题,让分析结果更为准确.研究发现:川藏铁路雅安—昌都段地质和地形坡度要素主导控制着地灾分布;冰川积雪融水作用影响地灾分布,使得降水影响不明显;未检测出高程、流域和土壤与地灾的分布特征有相关性.     

古地貌恢复及其对重力流沉积砂体的控制作用: 以鄂尔多斯盆地三叠系延长组长73亚段为例

鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7₃亚段沉积体系和砂体成因类型及展布特征受湖盆底部形态控制明显,不同地区砂体类型、成因及空间展布各异。根据岩心、钻井、测井等资料运用印模法与沉积学方法精确地恢复了鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7₃亚段的古地貌,并对微古地貌单元进行精细刻画,在此基础上分析了古地貌对盆地延长组长7₃亚段沉积体系和砂体成因类型及展布特征的控制作用。研究表明:长7₃期古地貌整体呈东缓西陡的不对称坳陷形态,明确了研究区发育高地、坡折带、湖底深洼（凹）、湖底平原、湖底古隆、湖底古脊和古沟道7个微古地貌单元。研究区延长组长7₃亚段重力流沉积体系受古地貌控制较明显,从湖盆边缘至湖盆中心依次发育三角洲前缘沉积、沟道型重力流沉积、半深湖-深湖沉积,从坡折带至湖盆中央,重力流沉积类型逐渐从砂质碎屑流沉积转换为浊流沉积。古地貌形态控制着研究区延长组长7₃亚段重力流砂体的整体展布,而高地、坡折带及古沟道等微古地貌单元则进一步控制重力流砂体的物源方向、成因类型、运输方向、横向连通性及展布形态等。