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。     

黄土高原洛河流域地貌发育特征与形成演化

黄土地貌形态特征、发育机理及演化过程等一直是地学研究的热点和前沿。选取黄土高原洛河流域作为研究对象,从坡面尺度、流域尺度、区域尺度分类选取14项地貌因子,较为全面地构建了流域地貌发育形态定量参数体系;提取646个小流域为分析单元,利用主成分分析法,获得了描述流域黄土地貌形态特征的4个主因子;这4个主因子分别反映了4种地貌形态空间格局,即南北渐变型、单中心扩散型、东西过渡型、多中心扩散型。结合流域地貌类型和地貌发育程度特征,认为黄土地貌地形起伏和垂直侵蚀特征反映了研究区的总体地貌空间格局,洛河流域黄土地貌主要是在多种因素影响下,随着水系由下游向上游不断地溯源侵蚀、下切扩展,最终形成了现今形态空间分异格局。     

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。     

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。     

基于DEM的黄土地貌类型提取与制图——以黄土高原丘陵沟壑实验样区为例

以陕北绥德县刘家沟流域为实验样区 ,从地貌成因、形态和土地利用角度出发 ,分析了黄土高原丘陵沟壑区 3种典型地貌类型的区域特征 ;以不同地貌类型的区域特征为基础 ,在地理信息系统平台软件 Arc View的支持下 ,利用数字高程模型 (DEM)自动提取黄土丘陵区 3种基本地貌类型的方法和技术。研究分析结果证明 :利用 DEM自动提取地貌类型是一种快速、高效的技术方法 ,对指导退耕还林、防治水土流失和进行土地利用动态监测都具有重要意义。     

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。     

黄土高原地貌形态分形算法三维表达应用

黄土高原是我国乃至全世界的一个十分独特的地貌单元,对其复杂多样的地貌形态的研究和可视化表达一直备受关注。本文概述了地形地貌的传统表达方法,之后介绍了曲面建模、DEM模型和分形技术等常用的三维地形地貌建模方法,重点介绍了分形技术。并使用分形地形建模算法中最常用的随机中点位移法模拟生成了几类主要的黄土高原地貌形态．取得了较好的效果。     

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。     

中国1∶100万数字地貌图符号与注记系统库的设计和应用

中国1:100万地貌图符号系统库和注记系统库的设计,是在对中国区域地貌的形态与成因类型特征全面综合分析研究的基础上,针对中国1:100万地貌图的基本专题内容、图例系统、幅面负荷等的要求,从定量制图符号的基本问题出发,根据不同地貌形态和成因类型,设计各种点状、线状、面状符号和注记,建立了地貌符号库。同时,构建了满足1:100万地貌图制图和出版要求的地貌注记库。它们均应用于《中华人民共和国地貌图集(1:100万)》中,达到了预期设计效果,该地貌符号和注记库的设计和内容对其他相关专题图集的编制具有很好的借鉴意义。     

DEM分辨率对黄土侵蚀沟形态特征表达的不确定性分析

黄土侵蚀沟的地形表达是开展黄土沟谷侵蚀研究的基础工作,利用数字高程模型(DEM)定量描述侵蚀沟特征有助于研究侵蚀沟的形态变化和发育过程。基于DEM数据计算多种指标对黄土侵蚀沟特征进行描述是目前侵蚀沟研究中最为常用的方法。但是,受到格网DEM数据结构的限制,其计算结果会存在一定的不确定性。在侵蚀沟地形表达时,对形态特征的表达会受到DEM数据分辨率的影响,进而造成表达结果的不确定性。尤其在黄土高原地区,地形特征更为破碎,地形要素更为复杂,其表达结果受DEM分辨率的影响更为明显。本文以黄土高原典型样区为例,基于点云数据建立不同分辨率的DEM数据集,通过不同地形因子对侵蚀沟特征进行表达,分析DEM分辨率在黄土侵蚀沟形态特征表达时的不确定性。结果显示,分辨率的降低对主沟支沟比和纵比降等侵蚀沟形态特征因子产生了较大影响,且指标与分辨率多呈现线性变化关系。但是,随着侵蚀沟的横向扩张,DEM分辨率对其特征表达的影响逐渐被削弱。此外,在使用固定分析窗口进行侵蚀沟特征计算时,由于分辨率的降低,格网尺寸增大,其实际分析半径随之增大,使得计算范围内地表形态变化增加,导致沟谷切割深度随着分辨率的降低反而增加。同时,侵蚀沟主沟道区域受分辨率影响较小,沟头区域指标与分辨率的关系较弱。     

基于DEM的黄土高原地形纹理概念模型

黄土高原"千沟万壑"的地貌形态,在多尺度空间下表现出显著自相似性,具有"局部无规则,宏观有规律"的纹理特征.目前,黄土高原地形纹理的提取方法及应用已经得到初步发展,但依然缺乏在理论层面的框架体系.本文在已有学者研究成果的基础上,限定黄土高原为研究范围,明确提出黄土高原地形纹理的概念模型,即内涵、特征、分类及表达.将内涵...     

Rural landscape types and recreational value spatial analysis of valley area of Loess Plateau: A case of Hulu Watershed,Gansu Province,China

Rural landscape is a complex of natural landscape and human landscape, with various values. The recreational value of rural landscape is a kind of comprehensive benefit with economic, social and ecological, which is provided by the rural landscape as a recreational resource. Loess Plateau is located at the junction of northern and northwestern of China, with serious water and soil erosion and fragile ecological environment. Jingning County is the national poor county, belonging to Liupanshan concentrated poverty areas. Hulu Watershed in Jingning is the typical valley area of Loess Plateau. In the past few decades, Jingning facing the fragile ecology and poverty, has been focusing on apple industry, forming unique rural landscape, exploring an ecological development path, and making much progress in green industrialization and urbanization. The author, according to the apple tree's growing stages, divided the rural landscape of Hulu Watershed into 15 types and analyzed its spatial patterns. The recreational value of Hulu Watershed was evaluated at 1.8 × 10~8–3.6 × 10~8 yuan(RMB) in 2014, by Travel Cost Method and Contingent Valuation Method. The territorial differentiational features of recreational value were that the higher value landscape types concentrated in the surrounding areas of towns and central villages, and the areas along the traffic and river had more development potentiality. The main influence factors were the construction of rural landscape and the development of recreation industry. And the development paths of different landscape types were also proposed. The research conclusions can provide reference for the landscape exploration and recreation industry development in the similar underdeveloped areas in the valley area of Loess Plateau with fragile ecology and poverty.     

Landscape pattern evolution processes of alpine wetlands and their driving factors in the Zoige Plateau of China

Zoige Plateau wetlands are located in the northeastern corner of the Qinghai-Tibet Plateau.The landscape pattern evolution processes in the Zoige Plateau and their driving factors were identified by analyzing the dynamic changes in landscape modification and conversion and their dynamic rates of alpine wetlands over the past four decades.The results showed that the landscape conversion between wetlands and non-wetlands mainly occurred during the period from 1966 to 1986.The marsh wetland area converted from lake and river wetlands was larger because of swamping compared to other wetland landscapes.Meanwhile,the larger area of marsh wetlands was also converted to lake wetlands more than other types of wetlands.The modification processes mainly occurred among natural wetland landscapes in the first three periods.Obvious conversions were observed between wetland and nonwetland landscapes(i.e.,forestland,grassland,and other landscapes) in the Zoige Plateau.These natural wetland landscapes such as river,lake and marsh wetlands showed a net loss over the past four decades,whereas artificial wetland landscapes(i.e.,paddy field and reservoir and pond wetlands) showed a net decrease.The annual dynamic rate of the whole wetland landscape was 0.72%,in which the annual dynamic rate of river wetlands was the highest,followed by lake wetlands,while marsh wetlands had the lowest dynamic rate.The integrated landscape dynamic rate showed a decreasing trend in the first three periods.The changes in wetland landscape patterns were comprehensively controlled by natural factors and human activities,especially human activities play an important role in changing wetland landscape patterns.     

集成虚拟森林环境与景观指数计算模型的森林景观格局分析

森林景观格局分析是森林景观优化配置与实施规划的基础。本文以森林资源二类调查数据为基础,采用森林景观定量空间分析方法,在自主开发而成的森林景观可视化系统VisForest支持下,利用VS2008开发平台、ArcEngine组件与OSG图形渲染引擎,集成景观指数计算模型和地理信息系统的分析方法,形成森林景观格局分析与景观三维可视化模拟系统,实现了景观格局分析的定量化和景观可视化;并以闽侯县白沙国有林场2013年的数据为例,按优势树种划分森林景观类型,计算分析了景观组成结构、斑块特征和景观异质性等。结果表明,杉木林、马尾松林、湿地松林、木荷林、非林地是白沙林场的优势景观类型,总体景观类型丰富、景观异质性较高;木荷作为隔离带树种,以小面积狭长斑块居多,其形状指数和分形维数最大,斑块形状复杂而不规则;森林景观的三维可视化模拟为研究景观格局提供了一个直观、交互的展示平台。     

Sediment Delivery across Multiple Spatio-temporal Scales in an Agriculture Watershed of the Chinese Loess Plateau

There is a consensus that sediment delivery ratio in the Chinese Loess Plateau is close to 1at the inter-annual timescale. However, little information is available about the sediment delivery at finer timescales. We evaluated the sediment delivery from plots to watersheds at the event or intra-annual, annual, and inter-annual timescales within the Wudinghe river basin, a 30,261 km2 basin in the Loess Plateau. We calculated the ratio of sediment output to sediment input and presented the temporal change of the channel morphology to determine whether sediment deposition occurs.Although a single flood event frequently has a sediment yield exceeding 10,000 t km-2, sediment deposition rarely occurs except during some small runoff events(sediment yield 5000 t km-2) or dry years(sediment yield 10,000 t km-2) when moving from slopes up to the main channels of the Wudinghe River. This observation suggests a sediment delivery ratio close to 1 even at the event or intra-annual and the annual timescales, but not necessarily at the interannual timescale. Such a high sediment delivery ratio can be related to hyper-concentrated flows, which have very strong sediment transport capacity even at low flow strength. Because hyper-concentrated flows are well-developed in the whole Loess Plateau, a sediment delivery ratio close to 1 below the interannual timescale possibly remains true for other rivers in the Loess Plateau.     

多尺度土地利用现状图缩编方法探讨

多尺度土地利用现状图缩编,是将比例尺跨度大、尺度多的地形图和地类图套合在一起,使地形、地物、地类等相关位置保持一致,各个要素分层明确,属性齐全。该文通过南京市多尺度土地利用现状图缩编,认为利用G IS方法与传统绘图方法相结合进行比例尺大跨度缩编地形图和土地利用现状图是行之有效的。     

Automatic extraction of valley boundary from dems in the hilly Loess Plateau

1 INTRODUCTION The most remarkable topographical features in the severely eroded hilly Loess Plateau are positive (inter valley residual tablelands) and negative (valleys) landforms. They are separated by valley boundary. Topographic features above the boundary are called plateau (yuan) and narrow hillock. Below the boundary are gully walls and valley bottoms. This boundary lies along rapidly developing rills, grooves and gullies. The dynamic variation in valley boundary is indicative …     

一种单机多屏的时序三维地理场景同步可视化系统

三维地理场景的可视化是虚拟地理环境研究中展示各类复杂地学过程与现象的重要技术。目前,现实中地理场景大多具有复杂度高、规模大、交互性强等特点, 故采用传统的单个计算机单屏显示方式, 已无法满足用户对沉浸感、大视野、高分辨率的可视化应用需求, 而多屏显示技术是一个解决该问题的有效途径。本文以福建长汀县水土流失治理过程中植被覆盖变化为例, 开展了时序三维地理场景的单机多屏同步可视化技术和漫游系统研究。提出了系统的软件架构和开发流程, 并引入多线程同步机制, 实现了三视图场景的构建、三屏同步显示、三屏同步路径漫游、矢量图的差异符号化和三维场景实景图片嵌入播放等技术, 设计并实现了一个以单个计算机控制三个显示屏幕的时序同步可视化漫游系统。采用3 个时相的彩色遥感卫星影像,叠加数字高程模型形成反映不同时期水土流失程度变化的三维地理场景, 在水土流失治理过程成果展示中得到了应用。系统除了三维场景沉浸感强、震撼力大之外, 还具有动态变化、信息量大、表现力强等特点, 在地理场景动态可视化方面有独特的应用前景。