基于神经网络的地面坡度与其他地形定量因子关联性分析--以黄土高原丘陵沟壑区实验为例

不同的地形因子从不同侧面反映地面的起伏特征或空间变异，各因子之间所存在的相互关联、相互制约、相互影响的程度与特征，在很大程度上揭示了地形发育与空间变异的内在本质，因而是地形学研究的重要内容。他以黄土高原丘陵沟壑区的16个样本地区为实验样区，以高分辨率、高精度的1：1万比例尺DEM为基准数据，应用BP神经网络模型，探讨地面坡度与其他地形因子之间的关联性特征。实验结果表明，利用神经网络分析方法可以有效评价地形因子对地面平均坡度的关联性。该研究方法为进行地貌多定量指标的的选择和多因子之间关联性的量化提供了一种新的方法。     

1:50000 DLG建立DEM适宜栅格尺寸的确定

利用数字线划图(Digital Line Graphic,DLG)插值建立数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)时,栅格尺寸影响对所生成的DEM质量,并且不同地形类型区DEM的适宜栅格尺寸应该是不同的,如何确定不同地形类型区适宜的栅格尺寸成为亟须解决的问题。本文以1∶50 000 DLG数据为基础,在东北漫岗丘陵区和黄土丘陵沟壑区选择典型样区,基于信息含量和采样定理两种方法确定DEM适宜栅格尺寸,并通过地形形态分析、等高线套合分析和水文地貌关系分析三种方法对结果进行验证。实验结果表明,基于1∶50 000 DLG建立DEM时,东北漫岗丘陵区适宜栅格尺寸可设为20 m,黄土丘陵沟壑区可设为10 m。本研究为通过DLG插值建立DEM时适宜栅格尺寸的确定提供了参考。     

喀斯特山地土壤侵蚀和产水量的最优解释力

喀斯特生态系统服务主导影响因子识别是科学治理石漠化的前提,然而环境因子对生态系统服务空间分布的解释力受尺度变换的影响,其尺度效应的定量研究仍需进一步加强。为定量厘定环境因子解释力的尺度效应,本文从多尺度视角出发,利用地理探测器定量分析不同空间分辨率下环境因子对土壤侵蚀和产水量的解释力,并探求其在不同地貌形态类型区的差异性规律。结果表明,坡度和植被覆盖度是影响土壤侵蚀空间分布的主导因子,两者的交互作用对土壤侵蚀空间分布的解释力更强。受研究区地形起伏普遍性和景观破碎化的影响,坡度和土地利用类型在低分辨率下解释力最优。降水、海拔和土地利用类型是产水量空间分异的主导因子。降水和土地利用类型的交互作用对产水量的解释力达95%以上,海拔在不同地貌形态类型区的空间变异性影响其最优解释力水平。具体表现为：在台地、丘陵类型区海拔空间变异性较小,在高分辨率下其解释力最优;在山地类型区,海拔空间变异性较大,在低分辨率下其解释力更强。本文通过多尺度分析定量甄别生态系统服务变量的最优解释力,以期为喀斯特山地生态系统服务的主导因子精准辩识和分区优化提供途径和依据。     

典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形研究

黄土高原地貌形态与地形复杂度自南向北有序变化,构成了举世瞩目的独特的地理景观。选择陕西省南北剖面六个典型黄土地貌样区为基本实验区,以其1∶1万栅格DEM为数据源,探讨典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形与空间分异特征。首先提出的元分维模型方法,以计算得到的DEM元分维值作为特征指标,研究样区的地形复杂度问题。这种通过滑动窗口的扩展分维分析方法,既可以用于分析该区域不同尺度下的地形复杂度变化情况,也可以探讨区域的局部单元复杂程度及其空间分布,从而不再局限于对全区域的单一分维评价。以此为基础,进一步应用元分维谱方法,研究地貌网格单元的元分维分级分布情况。实验结果表明:以绥德和延川为代表的黄土峁状丘陵沟壑区最为复杂,以宜君和甘泉为代表的梁状丘陵沟壑区居中,而以淳化为代表的黄土塬区和以神木为代表的风沙黄土过渡区最为平缓。实验进一步证明了扩展分形方法在黄土地貌研究中的可行性。     

数字高程模型地形描述误差的量化模拟--以黄土丘陵沟壑区的实验为例

本研究以陕北黄土高原丘陵沟壑区为试验样区 ,综合运用统计分析及比较分析的原理与方法 ,通过数学模拟、对比分析、误差可视化分析 ,研究不同空间尺度下DEM地形描述误差的数学转换模型。实验结果证明 ,目前适用于欧洲地区的地形描述误差的模拟方程EtD=q·a·(EtD′) b,经过参数的修正 ,在我国黄土高原丘陵沟壑区具有较高的模拟精度。该模型的建立可以实现应用低空间分辨率的DEM数据在栅格水平模拟高空间分辨率DEM所提取的地形描述误差 ,从而 ,在一定精度范围内大大提高Et的计算速度和计算效率。并且 ,对我国其它地貌类型区类似模型的建立 ,都具有重要的参考意义     

基于地理探测器的喀斯特不同地貌形态类型区土壤侵蚀定量归因

土壤侵蚀形成机制与影响因素识别是当前研究的核心与前沿议题,然而从多因素综合作用的角度进行定量归因仍需加强。以喀斯特典型峰丛洼地流域为研究区,基于GIS手段和RUSLE模型模拟土壤侵蚀,综合土地利用、坡度、降雨、高程、岩性、植被覆盖度等影响因子,应用地理探测器方法针对喀斯特不同地貌形态类型区进行土壤侵蚀的定量归因研究。结果表明,各影响因子对土壤侵蚀的解释力及因子间耦合作用程度在不同地貌形态类型区差异显著,其中土地利用和坡度是决定土壤侵蚀空间异质的主导因子,但在山地丘陵区,随着地形起伏度的升高,坡度的控制作用下降,即地理探测器q值表现为中海拔丘陵>小起伏中山>中起伏中山;生态探测器显示土地利用对土壤侵蚀的影响相比于其他因子有显著差异;双因子交互作用有助于增强对土壤侵蚀的解释力,土地利用与坡度的协同作用对土壤侵蚀的解释力达到70%以上;对于土壤侵蚀空间分布的差异性检验,风险探测器显示在小起伏中山、中起伏中山等地貌形态类型中,具有显著差异的影响因子分层组合数占比至少55%。因而,喀斯特地区土壤侵蚀的治理应综合考虑不同地貌形态类型区土壤侵蚀影响机制的空间异质性。     

DEM提取黄土高原地面坡度的不确定性

选择陕北黄土高原6个典型地貌类型区为试验样区,采用野外实测及高精度的1:1万比例尺DEM为基准数据,研究栅格分辨率及地形粗糙度对DEM所提取地面平均坡度精度的影响。结果显示,对于1:1万比例尺DEM,5 m是保证该地区地形描述精度的理想分辨率尺度;多要素逐步回归模拟的方法进一步揭示了DEM所提取的地面平均坡度误差E与栅格分辨率X以及地形起伏的代表性因子-沟壑密度S之间存在的量化关系为E = (0.0015S2+0.031S-0.0325)X-0.0045S2-0.155S+0.1625,该结果也为确定适用的DEM分辨率提供了理论依据。     

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.     

无定河流域不同地貌区水沙过程对比

为了查明人为影响程度较低时期无定河流域内不同地貌区的水沙过程及其变化规律,选取1970年以前一段时期该流域内风沙区和黄土丘陵沟壑区河流的有关水文站的水文泥沙实测数据进行对比分析。结果表明,风沙区河流的流量变率较黄土丘陵沟壑区的小;风沙区河流的含沙量远小于黄土丘陵沟壑区河流的含沙量。黄土丘陵沟壑区河流具有极高的输沙率,而风沙区河流的输沙率微不足道。风沙区和黄土丘陵沟壑区河流的产流模数基本相近,但产沙模数非常悬殊,前者的产沙模数很小,为118.58~725.38t /km² · a,而后者的达到1879.36~25112.15t /km² · a。显然,无定河流域黄土丘陵沟壑区的河流是侵蚀产沙的主要来源区,因而是水土保持工作的重点区域。     

基于DEM的四川省低山丘陵区坡度提取不确定性分析

针对四川省低山丘陵区,以GIS为技术支撑,深入分析研究区坡度提取的不确定性.以平均坡度代表区域坡度的一般水平,采用6种地貌类型的12组不同分辨率的DEM数据,研究平均坡度与DEM空间分辨率、区域地貌特征的关系,定量分析基于DEM提取坡度的不确定性.结果表明,研究区不同地貌单元内,平均坡度随着DEM分辨率的减小而减小,呈现出很强的线性变化规律,其衰减速率基本不变;其回归方程的常数项与所在地貌单元的沟壑密度呈显著的二次曲线变化特征;坡度提取的精度与DEM的空间分辨率成正相关关系.     

DEM不同分辨率对地形因子提取的不确定性

地形因子的提取对水土流失、土地利用、土地资源评价、城市规划等方面的研究起着重要的作用,通过对地形因子计算和分析,为以上研究提供一定的参考。基于DEM(数字高程模型)的ASTER GDEM V2_30m数据,以云南省保山市隆阳区为研究区,提取该区的坡度与坡向等地形指标,分析不同分辨率(30 m、60 m、90m、120 m)下的地形因子的差异性。结果表明:随着分辨率降低,隆阳区坡度向中等级坡度集中,陡坡区域缩小,即坡度从集中在35°~45°区域向≤5°和15°~25°区域集中;不同空间分辨率对坡向提取也有不确定性的变化,但影响程度没有坡度大。因此在土壤侵蚀等模型中对地形因子进行估算时,需要充分考虑分辨率的影响。     

闽东北沿海罗源县土地利用空间分布格局的多尺度分析

在不同的空间尺度上,制约土地利用空间分布的影响因子及其影响程度并不相同,因此区域空间分布格局分析应优先考虑制约空间分布的影响因子识别及其影响程度的尺度依赖性的研究。本文以闽东沿海的罗源县为研究区域,采样统计方法与GIS技术,选取20个候选影响因子,研究了该县主要土地利用空间分布格局的影响因子及其空间尺度相关性。研究表明模型的解释能力、影响因子及其影响系数均会随研究尺度发生不同程度的变化,回归模型的解释能力以及主要影响因子的制约程度总体上均随研究尺度增大呈增强趋势。除受坡度、海拔高程等地形条件的严格制约外,罗源县主要地类均在一定程度上受到人口因素以及若干可达性因素的影响。     

顾及数据特性的格网DEM分辨率计算

水平分辨率是格网DEM的决定性变量之一,直接决定着DEM对地形的逼近程度和地形参数计算、地学模拟的精度。基于地统计学理论和非参数密度估计方法,提出了地形宏观变异和微观变异相结合的DEM适宜分辨率计算方法。即首先按系列支撑对采样数据进行格网划分,形成具有不同尺度的支撑域;然后利用正则化理论,对高程点数据进行正则化变换,通过不同支撑上正则化变量的半变异函数分析,探索不同支撑尺度上的地形宏观变异规律,从而确定地形宏观变异的最佳支撑尺度;第三,在所确定的宏观变异最佳支撑尺度内,借鉴非参数密度估计中直方图的理论方法,从微观角度计算DEM适宜分辨率。最后通过陕北黄土高原的实际采样数据,对本文提出的方法进行了验证。     

山区地形开阔度的分布式模型

 地形开阔度是影响山地辐射平衡及其分量的重要地形因子,是山区散射辐射、地形反射辐射等计算的重要参数。在复杂的地形条件下,地形开阔度的计算很难用数学公式描述。 利用数字高程模型（DEM）,全面考虑了坡地自身遮蔽和周围地形相互遮蔽的影响,提出了山区地形开阔度的分布式模型和算法。以1 km×1 km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,计算了起伏地形下中国地形开阔度的空间分布。同时,利用100 m和1 km两个分辨率的DEM数据,从不同DEM分辨率和不同地貌类型两个方面探讨了地形开阔度的空间尺度效应,阐明了区域地形开阔度随地形地貌和空间分辨率的变化规律。所提供的山地开阔度的数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

黄土高原沟壑区干旱阳坡的地域分异特征

针对黄土高原沟壑区干旱阳坡这种典型的困难立地进行因地制宜的植被恢复建设。本文选取甘肃西峰、山西吉县、陕西安塞、宁夏固原为研究区,采用25 m分辨率的DEM为数据源,基于GIS提取相关地形信息研究其干旱阳坡的地域分异特征。结果表明：①不同类型沟壑区干旱阳坡面积比例占45%～54%,表现为高塬沟壑区＞过渡地带＞丘陵沟壑区。②不同类型沟壑区干旱阳坡面积比例随坡度的变化规律不同,高塬沟壑区呈左偏态分布,其他样区均基本呈近似正态分布,且丘五区和过渡地带呈双峰现象。③不同类型沟壑区梁峁坡面积比例关系为：高塬沟壑区>过渡地带>丘陵沟壑区;沟坡面积比例为：丘陵沟壑区>过渡地带>高塬沟壑区;川台地面积比例为：丘五区＞过渡地带＞丘二区＞高塬沟壑。④不同类型沟壑区各立地类型组所占的面积比例各不相同,除高塬沟壑区外基本呈阳向缓坡组＞阳向陡险坡组＞坡顶或沟底。研究成果可为黄土高原地区开展抗旱造林与植被重建提供理论依据。     

基于DEM的地球与火星格状沙丘对比分析

沙丘是柴达木盆地可类比火星的重要地貌类型,沙丘形态是类火星风沙地貌研究的重要内容。基于数字地形分析（DTA）的方法,采用高程、坡度、坡向及地表复杂程度4个地形计量学指标对火星（北极地区）和地球（柴达木盆地）格状沙丘的地貌形态特征进行定量对比分析。结果表明：（1）两个研究区的高程剖面、坡度、坡向的地理学空间分布格局具有较大相似性;（2）高程、高程梯度、坡度和坡向的直方图相似度指数均大于0.7;（3）不同尺度上的分形维数近似相等,即地表复杂程度相似。用数字地形分析与直方图相似度指数结合的方法,定量或半定量地分析两个研究区沙丘地貌形态的相似性,这对类火星风沙地貌研究中科学选择试验点是一种新的尝试,以期为反演火星风沙地貌的形成与演化提供科学依据。     

基于RILBP的地形结构尺度稳定特征分析

地形结构描述着地表起伏的形态结构,而高低起伏的地形结构又组成了丰富多样的地貌景观。地表形态一般呈现出局部形态相似与区域有序分异的尺度特征。现有的地形尺度研究不能有效地刻画地形结构的尺度特征,地貌形态的适宜表达尺度及地形结构的尺度稳定特征仍值得进一步探讨。该文以黄土高原不同地貌类型区为例,以数字高程模型(DEM)为数据源,从刻画地表形态的局部特征入手,系统地选取了多类具有代表性的地貌形态样本数据,分析了典型地貌类型区域的局部二值模式(LBP)分布特征。考虑到地形结构与RILBP之间一对多的对应关系,利用顾及旋转不变特性的LBP(RILBP)算法探究地形结构的尺度稳定特性,发现随着分析窗口增大,LBP显示出逐渐趋于稳定的尺度特征。研究结果表明,RILBP能够有效地表达地形结构,地形结构稳定单元能够有效地反映适宜的地形分析尺度,地形结构对地形多尺度信息的挖掘具有独特的优势。     

黄土丘陵沟壑区地形定量因子的关联性分析

不同地形因子虽然在语义概念、计算方法等方面均有明显的差异,但各地形因子之间并不是绝对孤立的,它们之间相互关联、相互影响。这种关联的强弱与趋势,都从不同角度揭示着地形起伏变化与地貌发育的本质及内在规律,同时,还在一定程度上映射着地表形态的发育过程。文章以黄土高原丘陵沟壑区的15个样本地区为实验样区,以高分辨率、高精度的1:1万比例尺DEM为基础数据,应用BP神经网络模型,探讨地形定量因子与地面坡度之间的关联性特征,并将神经网络的方法与传统的多元回归方法进行比较。结果表明,相对于传统的多元回归方法,带隐含层的BP神经网络分析方法能更为有效地反映地形因子间隐含的关联特征。该研究方法为进行地貌多定量指标的的选择和多因子之间关联性的量化提供了一种新的方法。     

小尺度地形因子对农地土壤质量的影响研究

地形差异是土地利用结构和空间分布格局分异的重要影响因子,也是土地质量的重要参评因素.选择泰山东麓多种地貌类型过渡区,利用数字高程模型(DEM)提取研究区坡度、高程等地形因子信息,通过GIS空间分析划分研究区农地土壤质量等级,利用SPSS统计分析高程、坡度等地形因子对土壤质量的影响.结果表明:土壤质量等级随地形变化呈规律性演替,坡度和高程与土壤质量呈极显著相关关系,且坡度对土壤质量的影响大于高程;随着坡度的上升,土壤质量分值呈抛物线趋势,而随着高程的上升,土壤质量呈降低趋势,且各高程段内不同坡度等级土壤质量分值也呈抛物线走势;土壤质量的最高分值位于坡度2°～5°、高程0～150 m的地形部位.     

基于直方图匹配的地面坡谱尺度下推模型研究——以陕北韭园沟样区为例

建立坡谱的尺度下推模型,有利于揭示地面坡谱的尺度依赖性.以5 m、25 m两种分辨率DEM为实验数据,应用遥感数字图像处理中直方图匹配的原理,对两种分辨率DEM获得的坡谱进行尺度下推.实验采用按不同Douglas压缩阈值(不同简化程度)得到的5 m、25 m两种分辨率的DEM数据,获得不同压缩阈值的DEM坡谱下推模型系数与地形因子之间的关系,最终建立两种分辨率DEM数据的坡谱尺度下推模型.将这种方法在陕北黄土丘陵沟壑区韭园沟样区进行验正,同时将模拟结果与原始5 m分辨率DEM数据所得的坡谱进行比较,试验结果表明,该模型能够比较理想的将25 m分辨率DEM的坡谱直接转换为5 m分辨率DEM的坡谱,方法简单易行,精度良好.