黄土高原严重水土流失区多尺度DEM地形因子分析

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地形作为影响水土流失的重要因素之一,决定了土壤侵蚀的方式和侵蚀强度。目前,地形因子的提取基本都是基于DEM来完成的,但是DEM自身的数据特征决定不同尺度的DEM数据对地面的表达能力不同,基于不同尺度DEM数据进行地形因子的提取分析其结果也不同,对多种尺度上的地形因子进行分析,是水土流失评价的重要性基础工作。本文在总结前人研究成果和研究经验的基础上,选取地形起伏度、沟壑密度、地面粗糙度和高程变异系数这4个宏观地形因子作为区域尺度土壤侵蚀研究的地形指标,利用地理信息系统、地貌学和水土保持学等方面的基本理论和方法,以我国土壤侵蚀最严重的黄土高原地区为实验样区,以25m分辨率DEM为基本信息源,研究各地形因子随DEM分辨率变化的规律,并对研究区1:5万DEM的最佳分辨率进行了研究。研究的内容和结论主要有:(1)根据地貌学与水土保持学的理论,分析了地形因子对水土流失的影响,基于国内外主要土壤侵蚀预报模型中有关地形定量指标的研究成果,从影响区域水土流失的地形因素中,找出具有代表性且能够从DEM提取出来的关键指标,作为区域尺度水土流失评价的地形指标进行研究。最终选取地形起伏度、沟壑密度、地面粗糙度和高程变异系数这4个宏观因子作为本文的研究对象,并对各地形指标与土壤侵蚀的关系及其在区域土壤侵蚀研究中的作用进行了阐述。(2)采用国家测绘部门编制的1:50000地形图作为基本信息源,对研究样区采用交互式跟踪矢量化的方法进行等高线数据的获取,利用获得的等高线数据通过构建不规则三角网(TIN)的建模方法来建立不同栅格尺寸的DEM。借助DEM中误差的思想,对通过地形图数字化所获取的DEM数据的精度进行了检验,结果表明,通过地形图矢量化所获得的DEM数据精度较高,可以应用到后续的研究中。(3)探讨了地形因子随着DEM分辨率变化而产生的尺度效应,在各研究样区,通过25m、50m、75m、100m、150m和200m不同分辨率DEM提取上述4个地形因子,比较分析得到,本文所选地形因子均能不同程度的反映样区的地表特征,描述不同的地貌类型状况,反映样区的土壤侵蚀状况。随着DEM分辨率的降低,地形起伏度和高程变异系数递增,而沟壑密度和地面粗糙度递减。为了定量的表达地形因子随DEM分辨率变化所产生的尺度效应,更准确的分析因子与DEM分辨率之间的关系,本文利用SPSS软件中的曲线拟合回归分析工具,通过统计各个地形因子值与DEM分辨率的散点图,得到各地形因子与DEM分辨率的相关系数,并利用回归方程定量的表示它们之间的关系,结果表明,随着DEM分辨率的降低,地形起伏度和高程变异系数均呈现出二次函数递增趋势,沟壑密度呈倒数递减趋势,地面粗糙度呈S型递减趋势。(4)研究了样区1:50000DEM的最佳分辨率。本文借鉴Hutchinson方法的思想,选取区域地形起伏度和地面粗糙度两个定量指标来综合分析确定研究区1:5万DEM的最佳分辨率。通过计算地形起伏度和地面粗糙度,分别点绘地形起伏度和地面粗糙度随DEM分辨率变化趋势的曲线图,曲线出现明显拐点时所对应的DEM分辨率即可认为是最佳的DEM分辨率。综合研究区地形起伏度和地面粗糙度确定最佳DEM分辨率的分析结果,将24m确定为1:5万DEM的最佳分辨率,这时既可以保证DEM对样区地表的模拟逼近程度最好,又使DEM的数据量适中。这种方法能够避免土壤侵蚀研究中DEM分辨率确定的随意性和盲目性,为相关研究提供了重要的参考价值。
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