数学形态学在黄土地貌单元分类学上的应用

以黄土高原的遥感图像为基本信息源,利用数学形态学方法提取黄土高原地貌单元,分别计算出各个地貌单元的形状指数、面积周长比、分形分维指数和由形状复杂和边界扭曲引起的FD(分形分维)值变化数等6项数学形态特征,并进行统计分析,利用这些参数对每类地貌单元进一步分类,同时对各项数学形态特征在黄土高原地貌单元分类上作为分类特征的可靠性和可行性进行论证,并对黄土高原地貌单元分类进行定量化方面的探讨和研究,取得了较理想的结果。     

地貌形态类型的自动分类方法综述

地貌形态分类对于地貌研究、土壤制图、滑坡防治等诸多地学研究及应用领域都有着重要作用。数字地形分析领域的研究者将地貌形态分类知识与地理计算相结合,已开发出许多地貌形态自动分类方法。该文将现有的地貌形态自动分类方法分为3类进行讨论:基于聚类的方法、基于规则知识的自动分类方法和基于典型样点的自动分类方法。基于聚类的方法对地貌形态分类专家知识缺乏考虑,聚类结果常难以明确对应到目标地貌形态类型;基于规则知识的方法常需要显式给出分类规则,应用难度较大,扩展性较差;基于典型样点的方法具有较好发展前景,但还有待改善对隐含专家知识的利用程度。各类方法目前对复合形态类型均难以有效提取。对于可能的方法改进方向,该文从空间结构特征信息、隐性专家分类知识的来源两方面进行了讨论。     

面向DEM地形复杂度分析的分形方法研究

在基于栅格DEM数据的基础上,应用分形几何学方法,采用元分维模型理论,提出一种描述DEM地形复杂度的分形分析方法,并得出分析指标———地形分维指数(TFI)。实验证明,该指标可以有效描述栅格DEM数据反映的地形变化特征,分析窗口由小到大的规律性变化反映出地貌从微观到宏观的变化情况,因此其既可以作为对栅格DEM所描述地形进行评价的坡面因子,又可以作为基于DEM的地貌类型区自动划分的参照依据。     

基于DEM的地形单元多样性指数及其算法

在阐述地形信息表达研究进展的基础上,提出基于DEM地形单元多样性指数的概念和算法。地形单元多样性指数综合了高程、坡度、坡位、坡向、汇流量和水域信息等要素。其算法集成地形位置指数和地形湿度指数算法,采用图层叠加分析,设定分类、分级指标,进行重分类组合,划分地形单元类型,利用窗口分析法计算地形单元多样性指数。以四川省为试验区,利用精度为100 m的DEM数据和水域分布数据进行模拟计算,地形单元划分为13种典型类型,统计窗口半径设为900 m,计算出的多样性指数值小于0.5的区域仅占总面积的11%,大于0.75的区域达57%,符合实验区地形特征,并对算法进行了可行性分析和验证。结果表明,该算法提取的地形单元多样性指数可以有效反映地表形态的多样性特征及其变化。该研究结果为进一步探讨基于DEM地表形态信息的概念体系,以及从微观到宏观的地形信息空间分析研究创造了条件。     

北天山流域地貌特征及其构造活动分析

以流域为单位计算地貌参数有助于分析区域构造活动。该文以北天山山区为研究区,将其划分为805个流域,提取地势起伏度(RA)、分形维数(FD)、河流阶梯指数(SL)、面积-高程积分(HI)、圆度比(Rc)5个参数,并以此为基础构建相对构造活动强度(IRAT),以此分析北天山流域地貌特征及构造活动强度。研究表明北天山不同地貌分区内呈现不同地貌特征,高山区地势起伏度及河流阶梯指数整体较大,河谷区圆度比变化较大。相对构造活动强度空间分布表明,研究区域中间部分构造活动较为活跃,自中部向东西两侧,强度逐渐降低;低山丘陵区中,准噶尔南缘断裂带所在区域构造活动强度更高。以流域地貌指标反映的构造活动强度分布与地壳构造变形位移场所计算结果较为相似。     

陇东合水县塬梁峁地貌分类及演化

黄土地貌是按独特的演化模式形成当今复杂多样且有序分异的地貌形态组合。基于数学形态法将合水县地区黄土地貌分类并计算得出塬梁峁地貌单元的分类指标,再通过黄土地貌单元的形态特征及分类指标,对黄土塬梁峁地貌演化模式作出定量化和可视化表达,并预测塬即将消失的区域。研究发现：① 似圆度是界定黄土地貌单元演化进程的重要指标,黄土地貌单元在演化过程中,其形状规律程度逐渐增加;可用周长面积比和平均坡度界定塬梁的分界,可用边界临接指数界定梁峁的分界。② 塬向梁演化实质就是残塬向树杈梁演化。残塬是人类赖以生存的地貌单元,是固沟保塬工程的重点实施对象。     

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。     

侧面地貌景观量化指标构建探索

侧面地貌景观是现有基于水平正射视角的地貌学理论体系的有益补充,主要从与水平相垂直的侧面观察视角分析地貌景观在垂直空间中的格局特征与分异规律,深化人们对地貌景观的科学认知。现今,侧面地貌景观研究尚处在初步探索阶段,还没有构建科学的定量指标体系。因此,该文系统地分析和论述了侧面地貌景观量化的基本思路、原则及其数学意义;并结合相关的实验分析结果,详述了径流节点特征信息、地貌垂直形态特征、流域能量密度3个定量指标的构建方法。研究成果对于促进侧面地貌景观探索的深入和实践应用都具有积极的意义。     

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。     

地貌形态类型面向对象分类法的改进

提出一种改进的基于随机森林因子重要性分析和灰度共生矩阵纹理的地貌形态类型面向对象划分方法。以中国1∶100万DEM为数据源,利用相关分析和雪氏熵值法筛选确定地貌分类的地形因子组合,并利用随机森林分类树评价各地形因子的重要性,将求得的各因子重要性数值作为面向对象多尺度分割各图层的阈值,最后基于灰度共生矩阵纹理信息构成分类样本的知识库进行地貌分类。全国地貌分类以《中国及毗邻地区1∶400万地貌图》为精度评价标准,结果显示该文提出的分类方法总体精度为71.4%,比ISODATA非监督分类法精度提高5.7%,比常用的面向对象分类法精度提高15.7%;陕西省地貌分类以《中华人民共和国1∶100万地貌图》为精度评价标准,分类的总体精度为72.9%。通过分析该文方法对不同分辨率DEM分类精度的影响,得出分辨率越高总体精度越高。