基于DEM的黃土地貌溝沿線研究

數(shù)字高程模型是國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)的主要內(nèi)容之一，在描述地形特征、揭示地貌空間格局上發(fā)揮著重要的作用。本研究以高數(shù)據(jù)精度、多空間尺度、高密度實(shí)驗(yàn)樣區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）為基本信息源，基于黃土地貌的溝沿線來(lái)探索黃土高原地貌的形態(tài)及空間分異，是應(yīng)用國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)解決基礎(chǔ)地學(xué)問題的一次重要探索。 黃土高原的溝沿線是最能體現(xiàn)黃土地貌形態(tài)特征的地形結(jié)構(gòu)線。溝沿線的形態(tài)結(jié)構(gòu)、層次級(jí)別、空間展布、發(fā)育趨勢(shì)，即是黃土地貌最顯著的外在表象，又深刻地映射著黃土地貌發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理。溝沿線位于切溝、沖溝最發(fā)育的部位，在溝蝕作用下，無(wú)論是溝道長(zhǎng)度的增加，還是溝谷面積的擴(kuò)大都可以反映在溝沿線的動(dòng)態(tài)變化上。本研究以溝沿線為切入點(diǎn)，在充分吸收借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，提取了黃土高原不同地貌類型區(qū)以及溝谷發(fā)育不同時(shí)期區(qū)域的溝沿線，構(gòu)建了溝沿線分類體系以及量化指標(biāo)體系，并基于溝沿線量化分析了黃土地貌的形態(tài)特征及空間分異，取得如下主要進(jìn)展: 1）分別從形態(tài)特征、地形統(tǒng)計(jì)特征及發(fā)育特征三個(gè)角度構(gòu)建了溝沿線的量化指標(biāo)體系，并全面分析了指標(biāo)提取的尺度效應(yīng)；2）以均勻分布于黃土高原的166個(gè)樣區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，通過GIS空間插值得到了黃土高原12個(gè)溝沿線特征指標(biāo)的空間分異特征，并基于此量化分析了黃土地貌的空間結(jié)構(gòu)特征，特別是黃土高原溝蝕的空間變異特征；3）以模擬小流域?yàn)閰⒄眨钊敕治隽嗽邳S土地貌演化過程中溝沿線的動(dòng)態(tài)變化特征，揭示了溝沿線時(shí)間變異與黃土地貌演化的耦合特征，所提出的ANN_CA模型顯示了較高的模擬精度及可用性。本研究是黃土高原數(shù)字地形分析由表象深入到機(jī)理的有益探索，深化了對(duì)黃土高原土壤侵蝕、黃土地貌成因、發(fā)育機(jī)理與地域分異規(guī)律的再認(rèn)識(shí)。 在課題研究過程中，出版專著1部，教材1部；已發(fā)表科研論文16篇，其中SCI檢索期刊論文4篇，EI檢索期刊論文3篇；取得軟件著作權(quán)1項(xiàng)；獲地理信息科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；主辦數(shù)字地形分析國(guó)際會(huì)議1次，主辦全國(guó)數(shù)字山地研討會(huì)1次、GIS博士生學(xué)術(shù)論壇兩屆，參加國(guó)內(nèi)外會(huì)議10余次；1名博士研究生分赴奧地利薩爾茨堡大學(xué)和香港理工大學(xué)開展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)；培養(yǎng)畢業(yè)博士研究生2人，碩士研究生5人。

黃土高原的溝沿線是最能體現(xiàn)黃土地貌形態(tài)特征的地形結(jié)構(gòu)線。溝沿線的形態(tài)結(jié)構(gòu)、層次級(jí)別、空間展布、發(fā)育趨勢(shì)，即是黃土地貌最顯著的外在表象，又深刻地映射著黃土地貌發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理。本課題擬在深入剖析溝沿線的成因機(jī)制、演化方式、空間分布及形態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，制定溝沿線的科學(xué)分類系統(tǒng)，建立定性與定量描述相結(jié)合的指標(biāo)體系；研究以DEM為數(shù)據(jù)源，兼顧成因與形態(tài)的局部保真、全局高效的溝沿線提取新算法；通過在黃土高原多樣區(qū)和多期模擬小流域的實(shí)驗(yàn)，研究溝沿線與黃土地貌形態(tài)及演化的映射機(jī)制，探索溝沿線的空間分異規(guī)律和發(fā)育演化過程，以揭示黃土地貌形態(tài)的空間分異規(guī)律和地貌演化機(jī)理。本課題是以線對(duì)象數(shù)字地形分析為切入點(diǎn)，研究深層次地學(xué)問題的一次有益探索。通過本研究，可望豐富黃土地貌定量研究的理論與方法體系，深化對(duì)黃土地貌成因、發(fā)育機(jī)理與地域分異規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并在黃土高原研究中取得具有創(chuàng)新性的研究成果。

黃土地貌繼承性的研究是揭示黃土地貌二百余萬(wàn)年來(lái)發(fā)育、演化機(jī)理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是黃土地貌研究的重要關(guān)注點(diǎn)。本研究針對(duì)黃土地貌繼承性認(rèn)識(shí)與表達(dá)的不足研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)闡述并完善了黃土地貌繼承性的概念模型。其次，以DEM、地質(zhì)圖、現(xiàn)代鉆孔物探雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)字地形分析方法為基本數(shù)據(jù)源與分析方法，構(gòu)建了黃土高原重點(diǎn)水土流失區(qū)雙層地形模型。從宏觀、中觀以及微觀不同尺度實(shí)現(xiàn)了黃土地貌下伏古地形的重建，并提出了基于雙層地形模型進(jìn)行黃土地貌繼承性研究的新方法。再者，依據(jù)地表地下雙層地形模型，本研究系統(tǒng)分析了黃土地貌在統(tǒng)計(jì)高程、剖面形態(tài)、地形因子上的繼承性規(guī)律，論述了黃土地貌繼承性在不同空間尺度、相同空間尺度不同地域的空間分異特征，深化了對(duì)黃土地貌發(fā)育過程及其空間分異規(guī)律的認(rèn)識(shí)。該研究是基于國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及其它相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及GIS空間分析方法研究深層次地學(xué)問題的一次探索與實(shí)踐。整個(gè)研究過程使我們深刻認(rèn)識(shí)到，研究思路、方法、數(shù)據(jù)的突破，帶來(lái)對(duì)于黃土高原成因機(jī)理與地貌形態(tài)空間分異格局創(chuàng)新的認(rèn)識(shí)。此外，課題還拓展了基于下伏古地形的黃土溝谷發(fā)育不對(duì)稱性、基于古城遺跡的黃土原始地形重建與現(xiàn)代侵蝕溝壑模擬、與基于空代時(shí)的黃土地貌演化等研究。在課題執(zhí)行過程中，已發(fā)表科研論文21篇（其中課題負(fù)責(zé)人以第一作者/通訊作者發(fā)表SCI/SSCI檢索論文11篇）；且課題負(fù)責(zé)人第一作者在SPRINGER出版黃土地貌繼承性全英文專著1部《Loess Landform Inheritance: Modeling and Discovery》（即：黃土地貌繼承性—建模與發(fā)現(xiàn)）；發(fā)明專利3項(xiàng)；參加國(guó)內(nèi)外會(huì)議9次，參與培養(yǎng)博士生1名，碩士生2名。 2100433B

黃土地貌繼承性主要指黃土高原第三紀(jì)下伏古地形對(duì)黃土粉塵在堆積、侵蝕、搬運(yùn)等過程中的控制與影響作用，特別是指黃土地貌形態(tài)特征對(duì)第三紀(jì)古地形的承襲關(guān)系。黃土地貌繼承性研究是揭示黃土地貌二百余萬(wàn)年來(lái)發(fā)育、演化機(jī)理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是黃土地貌研究的重要關(guān)注點(diǎn)。本課題首先擬系統(tǒng)分析黃土地貌繼承性的概念模型。其次，以高精度DEM、地質(zhì)圖以及鉆孔物探資料為依據(jù)，擬重建不同空間尺度的黃土堆積前原始地形面的數(shù)字高程模型，實(shí)現(xiàn)多尺度古地形模型的融合與特征嵌入，進(jìn)而構(gòu)建地表地下一體化的“雙層地形模型”。并據(jù)此模型，構(gòu)建量化表達(dá)黃土地貌繼承性的指標(biāo)體系，分析黃土地貌繼承性空間分異特征，深化對(duì)黃土地貌繼承性的成因機(jī)理、影響程度及區(qū)域差異性特征等問題的認(rèn)識(shí)，并在黃土高原研究中取得具有創(chuàng)新性的研究成果。項(xiàng)目研究可望成為基于國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及其它相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及GIS空間分析方法研究深層次地學(xué)問題的一次探索與實(shí)踐。

溝蝕是地表徑流集中沖刷土壤和母質(zhì)并切入地內(nèi)形成溝谷的一種侵蝕方式。作為最主要的外營(yíng)力，溝蝕在塑造黃土高原地表溝壑縱橫、支離破碎、起伏不平的獨(dú)特的地貌景觀的過程中起到了重要的控制作用。本課題擬在深入剖析溝蝕的類型、強(qiáng)度、空間結(jié)構(gòu)等對(duì)黃土溝谷地貌的作用的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可有效描述區(qū)域溝蝕特征的定量指標(biāo)體系，并研究基于DEM的指標(biāo)提取算法；然后，通過在黃土高原多樣區(qū)的實(shí)驗(yàn)，研究溝蝕與黃土溝谷形態(tài)特征的映射機(jī)制，探索溝蝕的空間差異性及溝蝕特征分區(qū)；在此基礎(chǔ)上，研究溝蝕地貌特征及其分區(qū)。通過本研究，可望實(shí)現(xiàn)黃土高原數(shù)字地形分析由表象到機(jī)理的深化，提升對(duì)黃土地貌成因、發(fā)育機(jī)理與地域分異規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并在黃土高原研究中取得具有創(chuàng)新性的研究成果。