基于DEM的黄土高原沟蚀特征空间差异性研究

沟蚀是地表径流集中冲刷土壤和母质并切入地内形成沟谷的一种侵蚀方式。作为最主要的外营力，沟蚀在塑造黄土高原地表沟壑纵横、支离破碎、起伏不平的独特的地貌景观的过程中起到了重要的控制作用。 本课题在深入剖析沟蚀的类型、强度、空间结构等对黄土沟谷地貌的作用的基础上，构建了可有效描述区域沟蚀特征的定量指标体系，探讨了沟蚀与黄土沟谷形态及演化的关系，研究了沟蚀的空间差异性及沟蚀特征分区特征，取得如下主要进展：1）针对不同的应用目的，设计了基于高分辨率数据的高精度黄土侵蚀沟和基于中分辨率数据的黄土侵蚀沟提取方法，实现了整个研究区侵蚀沟的提取；2）分别从形态特征、地形统计特征及发育特征三个角度构建沟沿线量化指标体系，并分析了指标提取的尺度效应，并以重点样区为例，研究了相关指标在不同黄土地貌类型区的变异特征；3）对沟蚀（侵蚀沟）量化指标在黄土高原的空间分异规律进行了探讨，并制作了各因子空间分异专题地图，在此基础上，研究了黄土高原沟蚀特征和黄土高原沟谷发育程度分区特征，揭示了黄土高原沟蚀特征、沟谷发育特征和黄土地貌的密切关系；4）以模拟黄土小流域地形演变为基础，从微观的层次上研究了沟蚀的基本过程、黄土沟谷坡面的变化特征；5）在宏观视角研究了黄土沟谷发育与黄土下覆地形的关系，结果显示地貌继承性是控制黄土地貌演化的重要因素，对沟蚀、沟谷演化的区域变异性也有重要的影响。 在课题研究过程中，出版专著1部，教材1部；已发表科研论文13篇，其中SCI检索期刊论文10篇；授权发明专利1件；获教育部自然科学奖2等奖1项；主办国际会议1次，主办GIS博士生学术论坛两届；8人次分赴美国威斯康辛州立大学麦迪逊分校、奥地利萨尔茨堡大学和德国埃伯斯瓦尔德可持续发展应用技术大学开展学术交流活动；参加国内外会议20余次；培养毕业博士研究生1人，硕士研究生5人。 2100433B

沟蚀是地表径流集中冲刷土壤和母质并切入地内形成沟谷的一种侵蚀方式。作为最主要的外营力，沟蚀在塑造黄土高原地表沟壑纵横、支离破碎、起伏不平的独特的地貌景观的过程中起到了重要的控制作用。本课题拟在深入剖析沟蚀的类型、强度、空间结构等对黄土沟谷地貌的作用的基础上，构建可有效描述区域沟蚀特征的定量指标体系，并研究基于DEM的指标提取算法；然后，通过在黄土高原多样区的实验，研究沟蚀与黄土沟谷形态特征的映射机制，探索沟蚀的空间差异性及沟蚀特征分区；在此基础上，研究沟蚀地貌特征及其分区。通过本研究，可望实现黄土高原数字地形分析由表象到机理的深化，提升对黄土地貌成因、发育机理与地域分异规律的认识，并在黄土高原研究中取得具有创新性的研究成果。

黄土地貌继承性主要指黄土高原第三纪下伏古地形对黄土粉尘在堆积、侵蚀、搬运等过程中的控制与影响作用，特别是指黄土地貌形态特征对第三纪古地形的承袭关系。黄土地貌继承性研究是揭示黄土地貌二百余万年来发育、演化机理的关键环节，也是黄土地貌研究的重要关注点。本课题首先拟系统分析黄土地貌继承性的概念模型。其次，以高精度DEM、地质图以及钻孔物探资料为依据，拟重建不同空间尺度的黄土堆积前原始地形面的数字高程模型，实现多尺度古地形模型的融合与特征嵌入，进而构建地表地下一体化的“双层地形模型”。并据此模型，构建量化表达黄土地貌继承性的指标体系，分析黄土地貌继承性空间分异特征，深化对黄土地貌继承性的成因机理、影响程度及区域差异性特征等问题的认识，并在黄土高原研究中取得具有创新性的研究成果。项目研究可望成为基于国家基础地理数据及其它相关实测数据，以及GIS空间分析方法研究深层次地学问题的一次探索与实践。

黄土地貌继承性的研究是揭示黄土地貌二百余万年来发育、演化机理的关键环节，也是黄土地貌研究的重要关注点。本研究针对黄土地貌继承性认识与表达的不足研究现状，系统阐述并完善了黄土地貌继承性的概念模型。其次，以DEM、地质图、现代钻孔物探雷达探测数据以及数字地形分析方法为基本数据源与分析方法，构建了黄土高原重点水土流失区双层地形模型。从宏观、中观以及微观不同尺度实现了黄土地貌下伏古地形的重建，并提出了基于双层地形模型进行黄土地貌继承性研究的新方法。再者，依据地表地下双层地形模型，本研究系统分析了黄土地貌在统计高程、剖面形态、地形因子上的继承性规律，论述了黄土地貌继承性在不同空间尺度、相同空间尺度不同地域的空间分异特征，深化了对黄土地貌发育过程及其空间分异规律的认识。该研究是基于国家基础地理数据及其它相关实测数据，以及GIS空间分析方法研究深层次地学问题的一次探索与实践。整个研究过程使我们深刻认识到，研究思路、方法、数据的突破，带来对于黄土高原成因机理与地貌形态空间分异格局创新的认识。此外，课题还拓展了基于下伏古地形的黄土沟谷发育不对称性、基于古城遗迹的黄土原始地形重建与现代侵蚀沟壑模拟、与基于空代时的黄土地貌演化等研究。在课题执行过程中，已发表科研论文21篇（其中课题负责人以第一作者/通讯作者发表SCI/SSCI检索论文11篇）；且课题负责人第一作者在SPRINGER出版黄土地貌继承性全英文专著1部《Loess Landform Inheritance: Modeling and Discovery》（即：黄土地貌继承性—建模与发现）；发明专利3项；参加国内外会议9次，参与培养博士生1名，硕士生2名。 2100433B

数字高程模型是国家基础地理数据库的主要内容之一，在描述地形特征、揭示地貌空间格局上发挥着重要的作用。本研究以高数据精度、多空间尺度、高密度实验样区数字高程模型（DEM）为基本信息源，基于黄土地貌的沟沿线来探索黄土高原地貌的形态及空间分异，是应用国家基础地理数据解决基础地学问题的一次重要探索。 黄土高原的沟沿线是最能体现黄土地貌形态特征的地形结构线。沟沿线的形态结构、层次级别、空间展布、发育趋势，即是黄土地貌最显著的外在表象，又深刻地映射着黄土地貌发育的内在机理。沟沿线位于切沟、冲沟最发育的部位，在沟蚀作用下，无论是沟道长度的增加，还是沟谷面积的扩大都可以反映在沟沿线的动态变化上。本研究以沟沿线为切入点，在充分吸收借鉴前人研究成果的基础上，提取了黄土高原不同地貌类型区以及沟谷发育不同时期区域的沟沿线，构建了沟沿线分类体系以及量化指标体系，并基于沟沿线量化分析了黄土地貌的形态特征及空间分异，取得如下主要进展: 1）分别从形态特征、地形统计特征及发育特征三个角度构建了沟沿线的量化指标体系，并全面分析了指标提取的尺度效应；2）以均匀分布于黄土高原的166个样区为实验区域，通过GIS空间插值得到了黄土高原12个沟沿线特征指标的空间分异特征，并基于此量化分析了黄土地貌的空间结构特征，特别是黄土高原沟蚀的空间变异特征；3）以模拟小流域为参照，深入分析了在黄土地貌演化过程中沟沿线的动态变化特征，揭示了沟沿线时间变异与黄土地貌演化的耦合特征，所提出的ANN_CA模型显示了较高的模拟精度及可用性。本研究是黄土高原数字地形分析由表象深入到机理的有益探索，深化了对黄土高原土壤侵蚀、黄土地貌成因、发育机理与地域分异规律的再认识。 在课题研究过程中，出版专著1部，教材1部；已发表科研论文16篇，其中SCI检索期刊论文4篇，EI检索期刊论文3篇；取得软件著作权1项；获地理信息科技进步二等奖1项；主办数字地形分析国际会议1次，主办全国数字山地研讨会1次、GIS博士生学术论坛两届，参加国内外会议10余次；1名博士研究生分赴奥地利萨尔茨堡大学和香港理工大学开展学术交流活动；培养毕业博士研究生2人，硕士研究生5人。