基于DEM的黄土高原重点水土流失区流域信息树的构建及其应用

摘要

流域地貌是陆地上普遍存在的地貌类型，除了极地和雪线以上地区，陆地上所有地区几乎都存在流水作用，地表流水侵蚀作用又是以不同形式及不同级别的流域进行的，因此，以嵌套的流域为切入点进行分析研究具有重要的意义。虽然前人已对流域地貌系统展开过大量的研究，但是现有的研究方法忽略了流域系统的嵌套结构特征与不同尺度流域对象间的纵向关联信息。传统单一信息层面的研究方法，难以整体、宏观的把握流域的层次结构，揭示流域地貌系统的本质特征，未能实现流域地貌系统整体与局部分析的有效结合。本论文以数字地形分析理论和方法为基础，首次提出了流域信息树概念模型，建立了流域信息树量化指标体系，以及流域信息树的构建处理流程，并以流水侵蚀作用明显的黄土高原地区的小流域为研究对象，深入研究了流域地貌系统层次结构的自相似性、多尺度特征、黄土地貌类型分区和地形简化等方面的内容。本论文的主要内容如下:
　　1.提出了流域信息树的概念模型。流域信息树是指由不同尺度的流域构建而成的“树”形层次组合，是一种可定量分析流域地貌系统树形层次嵌套结构的数据分析模型，是对流域层次嵌套结构的高度凝炼与抽象，是对流域等级嵌套“骨骼”结构的直观反映。由于可在树的各结点上融入对应流域的多种信息指标，因而成为流域指标信息有序组织的“容器”，具有分析视角整体性、组织结构层次性、信息容量可变性、分析结果可度量性等特征。在此基础上，本文还对流域信息树的地学含义、存在条件、影响因素和不确定性进行了研究。
　　2.研究了流域信息树形态结构与属性的量化表达方法。提出了复杂度β指数、连通度γ指数、层次梯度S指数等流域信息树形态结构量化指标，并实现了对流域信息树的构建。论文还对流域信息树尺度效应和量化指标算法等方面进行了研究。结果表明，流域信息树模型及其定量化指标等内容是对流域地貌系统相关研究的有效补充，丰富了流域地貌系统研究的理论体系与分析方法。
　　3.基于流域信息树理论模型，分别从黄土高原地区流域结构自相似、多尺度流域的形状特征和黄土地貌类型分区等方面，对黄土流域地貌系统展开了研究。研究结果表明，自相似性从北到南呈现出先升后降低的态势，嵌套流域有逐级变圆的趋势，流域信息树有效的解决了黄土地貌类型分区的问题。流域信息树可作为分析流域地貌系统的有力理论模型和分析工具。
　　4.基于流域信息树理论，提出了树剪枝W8D地形简化算法，并对阈值确定和评价方法问题进行了讨论。以1∶5万DEM作为地形简化目标尺度，重点探讨了W8D算法阈值的确定，最后结合常用的其他地形综合算法对W8D法地形简化效果进行了纵向对比和综合评价。研究表明，流域信息树进行地形简化可以有效保留地形骨架特征，可以满足不同层次地形建模和表达要求。
　　本论文的创新点总结如下:
　　1.首次明确提出了流域信息树理论的概念模型、指标体系和分析框架。流域信息树以“树”形结构和信息结点的层次组织方式，实现了流域及其流域内部指标参数和属性的有机非线性组合。
　　2.在地形分析方法上，以流域信息树为研究切入点，引入形态结构指数、结点属性指数等量化指标，为流域信息树的量化分析奠定了基础，提出了流域结构自相似分析、多尺度流域形状分析及地貌类型分区等流域地貌分析的新方法。
　　3.基于流域信息树理论的树形结构DEM地形综合方法，提出了树剪枝八方向射线剖面简化法(W8D法)进行DEM地形简化的新方法。
　　上述理论与方法创新，完善了数字地形分析的理论和方法体系。

目录

声明

论文说明

摘要

图索引

表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状分析

1．3．1 流域地貌与地貌类型分区研究现状

1．3．2 DEM数字地形分析与地形简化研究现状

1．3．3 树型结构研究现状

1．4 研究目标与内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．5 研究方法与技术路线

1．6 论文结构

第2章 研究区概况与实验数据

2．1 实验样区

2．1．1 研究区概况

2．1．2 研究样区选择原则

2．2 实验数据

2．3 数据预处理

2．4 小结

第3章 流域信息树的构建与量化表达

3．1 流域信息树概念

3．1．1 流域信息树的定义与地学含义探讨

3．1．2 流域信息树的特征与性质

3．2 流域信息树构建

3．2．1 流域信息树构建流程

3．2．2 影响流域信息树构建的因素

3．3 流域信息树量化指标体系

3．3．1 量化指标构建原则

3．3．2 形态结构指数及其算法

3．3．3 结点属性信息指数及其算法

3．3．4 流域信息树的存储与组织结构

3．4 小结

第4章 基于流域信息树的黄土流域地貌形态特征研究

4．1 流域结构白相似分析

4．1．1 流域结构自相似与分形

4．1．2 基于流域信息树的黄土高原流域自相似分析

4．1．3 小结

4．2 基于信息结点的流域形状研究

4．2．1 流域信息树结点属性信息序列化分析原理

4．2．2 基于结点属性信息序列化的流域形状特征分析

4．2．3 小结

4．3 基于流域信息树的黄土地貌类型分区研究

4．3．1 黄土地貌类型分区的原理和方法

4．3．2 基于流域信息树形态结构的黄土地貌分区研究

4．3．3 小结

第5章 基于流域信息树的地形简化研究

5．1 DEM地形简化常用方法概述

5．2 流域信息树剪枝八方向射线剖面简化算法原理

5．2．1 流域信息树剪枝八方向射线地形简化处理流程

5．2．2 信息结点消去与流域信息树全局剪枝

5．2．3 简化阈值设定与信息结点八方向射线剖面简化

5．3 基于流域信息树剪枝八方向射线剖面简化算法的地形简化

5．4 地形简化效果分析与评价

5．5 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论与创新

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研成果

致谢