Land-surface segmentation as a method to create strata for spatial sampling and its potential for digital soil mapping

Sampling efforts are constrained by limited availability of resources. Therefore, methods to reduce the number of samples, while still achieving reasonable accuracy are needed. Land-surface segmentation (LSS) has proven a powerful technique to partition digital elevation models (DEMs) and their derivatives into relatively homogeneous areas, which can be further employed as support in soil sampling. Though topography is one of the main soil forming factors, a robust assessment of the potential of this technique to digital soil mapping (DSM) is still missing. In this study, we aimed at evaluating the potential of LSS in stratifying a landscape into relatively homogeneous areas, which can be used as strata for guiding the selection of sampling points in DSM. The experiments were carried out in two study areas where soil samples were available. Land-surface derivatives were derived from DEMs and segmented with a tool based on the multiresolution segmentation algorithm, into objects considered as homogeneous soil-landscape divisions. Thus, one sample was randomly selected within each segment from the existing sample data, based on which predictions of soil classes/sub-orders and properties, i.e. soil texture and A-horizon thickness, were made. Results were compared with predictions based on simple random sampling (SRS) and conditioned Latin hypercube (cLHS). The segmentation-based sampling (SBS) scheme performed better than SRS and cLHS schemes in predicting the A-horizon thickness, soil texture fractions and soil classes, showing a high potential of LSS in stratifying a landscape for the purposes of DSM. The novelty of this study is in the way strata are constructed, rather than in the sampling design itself. Further research is needed to demonstrate the value of a SBS design for practical use. The analyses presented here further highlight the importance of considering locally adaptive techniques in optimization of sampling schemes and predictions of soil properties.     

AS350B3型直升机在中高山航空物探测量中的优势

中高山地区作业的航空地球物理勘探飞行器需要有高原适航性。通过对比空中国王350ER在起降条件、最大升限、最大续航能力及高原机动能力等特点,提出了在中高山地区的低高度、大比例尺的航空地球物理勘探飞行器的选型原则及飞行方法。通过甘肃某测区的实际测量飞行验证了该原则和方法的可行性。分析结果显示,AS350B3型直升机在中高山地区作业时表现出的实际飞行性能满足在该类型区域低高度、大比例尺的航空地球物理勘探的要求。     

北京“623”大暴雨的强降水超级单体特征和成因研究

本文利用雷达、加密地面自动站等高时空分辨率的观测资料,结合NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测等资料,对2011年6月23日发生在北京城区的极端强降水事件开展了细致的观测和诊断分析。结果表明,这次极端强降水事件,主要是由向东南移动的东北—西南走向的飑线右端的强降水超级单体（High Precipitation Supercell,简称HPS）造成的,这是目前已有文献记载的中国发生纬度最高的HPS。HPS在移动方向的右后侧和右前侧均有明显的“V”型入流,这不同于已有HPS模型,表明中、低层干冷空气和低层暖湿气流特征显著。在环境条件方面,存在对流层低层逆温层,其能量存储盖作用使得雷暴具有爆发性增强的潜势,但该逆温层是在08:00～14:00（北京时,下同）的6小时内形成的,对业务预报极具挑战性。相对其他大气层结热动力参数, 风暴相对螺旋度和粗理查逊数在14:00较08:00显著增大,对HPS的发生具有一定指示作用。高空偏西风急流和低层偏东风活动显著,使得北京地区的水平风垂直切变增强,形成上干下湿的对流不稳定以及次级环流圈。高空急流造成强烈的相当位温差动平流,促进对流不稳定度发展加强。结合复杂地形作用,在北京西部100 m地形高度线附近形成显著的平原暖湿空气与山地干冷空气的干湿分界线以及风场辐合线。水汽供应主要源自低层偏东风和本地水汽积累。当飑线从西北方向侵入北京并向东南方向移动时,在北部山区,由于条件不足,雷暴没有显著发展加强;然而,在西部山区,在湖面、城市热岛、低层偏东风、冷池出流共同作用下,加之其他有利的环境条件,飑线右端雷暴强烈发展加强,特别是当经过100 m地形高度线附近时发展成为HPS,进而造成石景山区模式口站的大暴雨中心。     

定量研究雅安地形坡向坡度对降水分布的影响

利用四川省雅安市30 m分辨率基础高程数据,提取栅格的坡向和坡度参数,将雅安307个区域自动站在2017年汛期(6—9月)共50次的降水天气个例,分为16次大尺度降水和34次中小尺度降水,使用对应时次的欧洲中心细网格0.25°×0.25°再分析风场资料,根据不同的站点地形高度将风场合成平均风场,和各站点地形的坡向和坡度计算出其动力抬升作用,同时使用当天日照和天文太阳辐射值来计算地形的热力抬升作用,与对应降水过程的降水分布进行多元线性回归,根据回归的标准系数的大小确定各自变量对降水分布的影响,得出以下结论:(1)中小尺度降水中,地形的热力抬升作用对降水分布的影响作用最大,其次是海拔高度,地形的动力抬升作用在三者中对降水分布的影响最小;(2)在大尺度降水中刚好相反,地形的动力抬升对降水的分布影响作用最大,海拔次之,热力抬升作用在三者中影响作用最小;(3)日降水量最大值的站点海拔高度基本位于1 000 m左右,与抬升凝结高度对应较好;(4)从长期的统计来看,地形的动力作用和地表的植被情况对降水分布的影响最大。在实际预报工作用,根据不同的降水类型,关注不同的动力和热力作用对于判断降水分布大值区的位置有较好的参考作用。     

延庆-张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析

基于2016年12月—2017年2月和2017年12月—2018年2月两年冬季的近地面自动气象站逐时观测数据以及张家口探空数据分析延庆-张家口一带（包括张家口崇礼、赤城、海坨、小五台山区,延怀、怀涿、洋河、蔚县盆地以及北京延庆、昌平、怀柔部分平原地区）复杂地形的风场精细化时、空分布特征,揭示不同复杂地形下局地风场的时、空变化规律,加深对复杂地形动力、热力作用对近地面风场影响的认识,为冬季山区风场预报以及复杂地形数值模式改进提供参考。结果表明:晴朗小风天风持续性作为矢量平均风速和标量平均风速的比值,可以作为研究风场变化规律的重要参数。根据风持续性的日变化特征,可以将研究区域内所有站点分为10种类型,分别代表不同局地地形特征的影响,风持续与风向变化的相关也很强。研究区域主要有3种类型的地形风:斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风。不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征,山风和谷风相互转化的时间也不同,山区最早,盆地次之,平原区最晚;山风时段持续时间较谷风时段长,风速小;晴朗小风天实测风反映了实际风场的特征,而排除环境背景风场,弱化地形动力作用后整个冬季的局地风作为理论山谷风,更能反映热力作用下的山谷风特征。      

四川地形扰动对降水分布影响

引入一维加权平均的谱分析方法定量研究四川地形强迫对该区域降水分布的影响。结果表明:纬向地形和冬季降水谱峰锁相于同一波长（475.8 km）,呈共振关系,地形与其他季节降水呈漂移关系,这与经向和纬向上环流变动有关,即冬季纬向环流占主导,纬向地形触发的大气波动对冬季降水策动作用大;夏季降水是各种不同尺度系统相互作用的结果,地形是重要因素之一。经向和纬向地形特征尺度分别为296.8 km和475.8 km,反映了地形强迫的中尺度特征,且纬向地形谱峰比经向大1个数量级,纬向强迫更明显。夏季降水谱峰比冬季大2个数量级,降水系统纬向特征尺度比冬季小约150 km,说明夏季在纬向地形强迫下,降水系统尺度减小的同时其强度大大增加,这在一定程度上可以解释中尺度对流性降水在夏季偏多。四川夏季最大降水位于雅安地区,其地形扰动比四川整体扰动更明显,故产生的降水也更大。夏季降水和经向地形锁相于同一波长（37.1 km）,经向地形对雅安夏季强降水起关键作用。     

新公式计算岩层真厚度的Excel算法

使用软件1,将岩层序号、导线的方位和倾角、岩层的倾向、倾角和两层面切割导线处的读数分别输入A、F、G、H、I、J、K列,先后分别沿M、N列从第2行单元格开始拖动鼠标,岩层真厚度数据和累积厚度即刻计算出来,进一步可计岩组或岩性段的真厚度;将导线的序号、方位、倾角、长度分别输入W、X、Y、Z列,先后分别沿AB、AC、AD、AE、AF、AG、AH列,从第2行单元格开始拖动鼠标,导线的水平投影长度、纵座标增量及其累积值、横座标增量及其累积值、高程增量及其累积值即刻计算出来。使用软件2,在输入原始数据的同时,结果便计算出来。     

三维真实感地形建模与可视化

研究了三维真实地形建模与可视化的整个流程,利用OpenGL通用图形程序接口实现了基于DEM数据与遥感影像的三维地形的快速生成与仿真;并将三维地形生成技术应用到了天山公路三维地质灾害场景可视化中。详细阐述了以遥感影像作为地形纹理的处理方式与流程以及构建真实地形场景技术的方法和优化方案,提出了在实际应用中建立个性化三维地形系统的重要性。     

基于DEM分形特征的坡度尺度变换模型

利用DEM提取坡度具有明显的尺度依赖性,探求DEM在不同尺度下表现出的规律关系,建立多尺度变换模型,以实现不同尺度间的转换是地形分析研究的热点和难点。本文阐释了DEM表面与地表粗糙度分形维数值的地学意义及内在关系,并利用分形对象的自相似性原理,建立了一种基于DEM分形特征的坡度尺度变换模型。选取四川丘陵地区某小流域为研究区,进行坡度尺度变换实验和误差分析,结果表明该模型能有效实现坡度尺度变换:在非平坦地区(坡度>1°)一般重采样方法变换得到的坡度误差为该方法的1.86倍;从信息熵理论分析,经该方法转换后的坡度信息得到了显著恢复。对于无1︰1万及以上精度地形数据的西南山区,利用该方法获取高精度坡度数据具有重要的理论价值和现实意义。     

沟道偏转地形对滑坡碎屑流运动的影响研究

在沟谷地形中,滑坡碎屑流的运动常受到地形的影响,导致其运动方向发生改变,进而影响到滑坡运动速度和堆积特征。本文利用三维离散元素法,对四川都江堰三溪村高速远程滑坡进行模拟,研究滑坡体不同部位的块体失稳后,在沟道偏转地形主导下的滑坡碎屑流前缘的运动速度、各部位滑体的速度变化过程和堆积特征,并提出沟道偏转地形耗能模型分析了地形偏转造成的动能消耗。研究结果显示:滑坡前缘在地形偏转位置运动方向发生变化,导致运动速度突降;由于滑坡不同部位的滑块相对于地形偏转点具有不同的撞击角度,导致其撞击后产生不同的偏转角度,滑块的偏转角度越大,速度变化越大;由沟道偏转地形导致的滑坡运动速度减小反映了偏转地形对滑坡的动能产生的耗散,动能耗散率与cos2θ(θ为偏转地形在水平面上的偏转角度)成反比;不同部位滑块的堆积长度随偏转角度的增大而减小。本研究分析了沟谷地形偏转对滑坡碎屑流运动速度作用机制及不同部位岩土体堆积范围的影响,可为该类地形条件下滑坡的运动机制研究和防灾减灾工作提供参考。