（生态学专业论文）黄土丘陵沟壑区沟谷面积估算方法研究——以皇甫川为例.pdf

内蒙古大学硕士论文 摘要 不同等级、不同发育阶段的沟谷是黄土地貌的重要特征。沟谷的发生、发育与发展与 整个黄土高原的演变息息相关。沟谷的形成发育受到地形、植被、降水等诸多因素的影响， 而它的存在又会反作用于地形、植被、水热等因素，逐渐形成一些隐域性的小生境，从而 影响到整个区域的生态过程。 由于沟谷曲折起伏的独特地貌结构，因此在研究中如何高效准确的获得沟谷的实际面 积( 即沟谷的表面积) 成为研究工作中的迫切需要。本项研究通过对黄土丘陵沟壑区典型 流域皇甫川流域内的典型试验区，五分地沟小流域的高分辨影像及d e m 数据的分析研 究，提出了一种基于遥感影像的沟谷表面积简易估算方法，并对研究区相关沟谷发育的情 况以及沟谷实际面积对流域生物量和生态用水的影响进行了初步研究，其结构如下： 1 皇甫川流域，全部沟道可分为七级。为是关系表达式更为简洁，将沟道等级倒序排 列，则其与沟道总长度、沟谷数目的关系可以表示为： y 1 _ 3 5 1 8 e o 6 融，r 2 = 0 。9 9 9 y 2 = 0 2 5 6 e 1 5 撖，r z = 0 9 9 7 式中，y ，是某一级沟道总长度，y ：是某一级沟谷的数目，x 是相应的沟谷倒序等级。 沟谷发育的这些内在规律是本研究所建立的估算公式得以成立的内在因素。 2 提出了基于遥感影像信息的沟谷面积的估算公式： l n ( s p ) = 1 0 1 2 幸l n ( l ) + 5 0 7 9 l n ( s s l - 1 0 1 2 l n ( l ) + 5 2 3 4 式中s 。为沟谷投影面积，s 。为沟谷表面积，l 为沟谷长度。 通过对这一公式的推导，得出沟谷表面积的估算系数为1 1 6 7 7 ，沟坡表面积的估算系 数为1 2 0 0 8 。利用估算系数计算皇甫川流域表面积比投影面积增加2 7 6 5 2 平方公里。模型 应用时可以采用人工识别的办法，提取遥感影像中相应流域的沟谷长度，用以估算相应的 沟谷面积。在已知流域切割裂度的情况下，可以使用估算系数计算流域表面积。在已知具 体沟坡斑块投影面积的情况下，可使用沟坡表面积估算系数计算相应斑块的表面积。 3 利用所建立的估算方程与估算转换系数，对研究区内几种主要沟坡植被进行了简单 的估算，结果表明，估算沟谷表面积后，全流域的干物质产量增加了1 9 1 1 8 6 吨，生态用 水量增加了4 6 7 2 万吨，可见沟谷的生态效应极为显著。 i 内蒙古大学硕士论文 关键词：黄土丘陵沟壑区、沟谷、表面积、估算 内蒙古大学硕士论文 a b s t r a c t d i f f e r e n tl e v e l sa n dd e v e l o p m e n t a ls t a g e sa r et h ei m p o r t a n c ef e a t u r eo fl o e s sp h y s i o g n o m y , t h ea r i s e so fh r l l - d u l l yd e v e l o pa n dg r o w t hh a v ec l o s er e l a t e dt ot h e ev o l v e m e n to fl o e s s p l a t e a u e n g e n d e ra n dd e v e l o po fh r l l - d u l l yh a v e b e e ne f f e c tb ym u c hc o m p l i c a t i o nf o re x a m p l e l a n d f o r mv e g e t a t i o n p r e c i p i t a t i o na n d s oo n b u th r l l d u l l yc o u l dc o u n t e r a c t i v e e dl a n d f o r m v e g e t a t i o np r e c i p i t a t i o na n ds oo n ，a tt h es a m et i m eg r a d u a l l yc o m ei n t ob e i n gs o m e i n t r a z o n a lv e g e t a t i o nh a b i t a l ，a c c o r d i n g l ye f f e c ta l lo ft h ee c o l o g i c a lp r o c e s s e so fa r e a o na c c o u n to ft h ef e a t u r eo fl o e s sp h y s i o g n o m yo fh r l l - d u l l y , h o wa c h i e v et h eh r l l - d u l l y a c t u a la r e ae f f e c ta n da c c r u a t e ( t h eh r l l - d u l l ye x t e r i o ra r e a ) i st h en e e di n s t a n c yi nt h ef u t u r e w o r k i n g t h er e s e a r c he x p e r i m e n t a t i o na r e ah a v ec h o o s e dt h er e p r e s e n t a t i v ew a t e r s h e do fj u n g e r l o e s sh i l l g u l l yr e g i o n t h er e p r e s e n t a t i v ee x p e r i m e n ta r e ao fh u a n g f u c h a nw a t e r s h e d e x p e r i m e n t e ，- - h i g hd i s t i n g u i s hi m a g eo fw u f e n d ig o u ss m a l ld r a i n a g ea r e aa n d a n da n a l y s i so f d e md a t a ， p r o j e c ts i m p l ye s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nr e m o t es e n s i n gi m a g e ，p r e “m i n a r ys t u d yt h e r e s e a r c ha r e a sd e v e l o p m e n to fs i t u a t i o na n da c t u a la r e ao fv a l l e yi n p a c to nr i v e rv a l l e yb i o m a s s a n de c o l o g i c a lw a t e r , t h es t r u c t u r e da sf o l l o w s ： 1 b ea w a r eo fs p e c i f i cv a l l e ys l o p ep l a q u ea r e a ，w ec o u l du s et h ee s t i m a t ec o e f f i c i e n to f v a l l e ys l o p es u r f a c ea r e a t oc a l c u l a t ec o r r e s p o n dp l a q u e i nh u a n g p u c h a nv a l l e y , a l lo fv a l l e yc o u l db ed e v i d ei n t os e v e nl e v e l i no r d e rt om a k e e x p r e s s i o nm o r ec o n c i s i o n ，m a k ev a l l e yl e v e la r r a yi nr e v e r s eo r d e r , s o t h et o t a ll e n g t ho fv a l l e y 、 n u m b e ro fv a l l e yc o u l de x p r e s sa sf o l l o w ： y l = 3 5 1 8 e o 6 7 敏，r 2 = 0 9 9 9 y 2 = 0 2 5 6 e 1 5 6 8 x ，r 2 = 0 9 9 7 i nt h ef o r m u l a ，y 1i st o t a ll e n g t ho fo n ev a l l e yl e v e l ，y zi sn u m b e ro fo n el e v e l ，xi st h e c o r r e s p o n dr e v e r s el e v e l t h ei n h e s i o nl a wo fv a l l e yd e v e l o pi st h ei n t e r n a lf a c t o r sw h i c ht h i s f o r m u l ac o u l db ee x i s t e n c ei nt h i sa r t i c l e vl l l 、， 内蒙古大学硕士论文 2 t h r o u g ha n a l y s i st h er e m o t es e n s i n gi m a g eo fw u f e n d ig o ue x p e r i m e n ta r e aa n dd e m d a t a ，p r o j e c tt h ea e s t i m a t ef o r m u l ao fv a l l e ya r e ab a s e do nr e m o t es e n s i n gi m a g e l n ( s p ) = i 0 1 2 l n ( l ) + 5 0 7 9 l n ( s s ) = i 0 1 2 l n ( l ) + 5 2 3 4 i nt h ef o r m u l a ，s p i sp r o j e c ta r e ao fv a l l e y , 。s s 。i ss u r f a c ea r ao fv a l l e y , ri sl e n g t ho fv a l l l e y t h r o u g hd e d u c et h i sf o r m u l a ，e d u c et h ee s t i m a t ec o e f f i c i e n to fv a l l e ys u r f a c ea r e ai s1 1 6 7 7 ， t h ee s t i m a t ec o e f f i c i e n to fv a l l e ys l o p ea r e ai s1 2 0 0 8 k m 2 u t i l i z ee s t i m a t ec o e f f i c i e n tt oc a l c u l a t eh u a n g p u c h u a nd a s i ns u r f a c ea r e ai si n c r e a s e2 7 6 5 2 i np r a c t i c e ，w em a y a d o p ta r t i f i c a lr e c o g n i t i o n ，e x t r a c tv a l l e yl e n g t ho fc o r r e s p o n dv a l l e y t oe s t i m a t et h ev a l l e ya r e a b ea w a r eo fv a l l e yc r a c kc u t t i n gd e g r e e s ，w ec o u l du s ec o r r e s p o n d e s t i m a t et oc a l c u l a t es u r f a i c ea r e a 3 u t i l i z ee s t i m a t ef o r m u l aa n de s t i m a t ec o n v e r s i o nc o e f f i c i e n t ，s i m p l ee s t i m a t eaf e w m a i n l yv a l l e ys l o p ep l a n t si nt h er e s e a r c ha r e a ，r e s u l ti n d i c a t et h a ta f t e re s t i m a t ev a l l e ys u r f a c e a r e a ，d r ym a t t e ro u t p u ti n c r e a s e1 9 1 1 8 6t ，e c o l o g i c a li n c r e a s e4 6 7 2 1 0 4 t ，s ov a l l e ys u r f a c e a r e ai n c r e a s eh a ss i g n i f i c a n ti n p a c to ne c o l o g i c a lp r o c e s s e si nv a l l e y k e yw o r d s ：t h eh i l l ya r e ao fl o e s sp l a t e a u ，r a v i n e ，s u r f a c ea r e a ，e s t i m a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究丁作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得凼墓直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 爰日 期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古火学就渎期间导师的同意：若用 丁发表论文，版权单位必须署名为内蒙古人学方可投稿或公开发表。 ! 学位论文作者签名 日期 指导教师签名： 日期： 内蒙古大学硕士论文 一、刖吾 上- j l 黄土高原位于黄河中上游，分布在东至太行山、西至乌鞘岭、南抵秦岭、北达长城的 广大区域；跨山西、陕西、内蒙古、甘肃、青海、宁夏及河南等省区，面积约4 0 万平方公 里，海拔1 , 0 0 0 “1 ，5 0 0 米。因其独特的形成原因，复杂的地貌特征，以及对黄河流域乃至中 国北方地区生态环境的历史和现实影响，长期以来一直受到诸多研究者不同角度的关注。 由于黄土独特的物理性质，黄土高原在地质历史年代上便存在着侵蚀过程；随着人类 进入农耕文明时代，黄土高原因其良好的自然条件成为华夏文明的摇篮，但同时也受到人 类活动的剧烈影响，植被面积迅速减少，侵蚀速度加快、强度加大，水土流失严重，最终 形成了沟谷众多、地形破碎的黄土地貌。 不同等级、不同发育阶段的沟谷是黄土地貌的重要特征。沟谷的形成发育受到地形、 植被、降水等诸多因素的影响，而它的存在又会反作用于地形、植被、水热等因素，逐渐 形成一些隐域性的小生境，从而影响到整个区域的生态过程。随着对黄土高原认识的逐渐 深入，研究者们也开始对沟谷的展开了更加广泛的研究。 1 1 相关研究进展 1 1 1 沟谷的分类与发育 黄土地貌是黄土堆积与强烈流水侵蚀的共同产物。根据堆积营力与侵蚀营力的作用结 果，黄土地貌可以划分为黄土沟间地、黄土沟谷地与黄土潜蚀地貌。黄土沟谷是黄土地貌。 的主要类型之一。 近代以来对黄土地貌的研究可以追溯到1 9 世纪末2 0 世纪初，兴起于2 0 世纪5 0 年代。 黄秉维将“原 、“梁”等做为专业名词用来描述沟间地的地貌特征。其后，罗来兴对黄 土地貌进行了详细的划分，提出沟间地是形态高起的堆积地貌，沟谷是形态凹下的侵蚀地 貌，并指出“沟间地与沟谷是黄土区域地貌中两个独立的组成部分【2 1 。在此基础上，将 沟间地划分出“塬 、“梁 、“峁”等地貌型：将沟谷划分为“承袭沟谷”亚类与“冲沟沟 谷 亚类，承袭沟谷又进一步划分为“河沟沟谷 及“干沟沟谷”，冲沟沟谷则划分为“第 1 内蒙古大学硕士论文 一期冲沟沟谷 、“第二期冲沟沟谷”及“第三期冲沟沟谷 。 陈永宗在考虑沟谷发育的连续性与阶段性的基础上，提出将黄土区沟谷划分为“浅沟、 切沟、冲沟、坳沟( 或称干沟) 和河沟 【3 】五类，并对各类沟谷进行了定性与定量的描述。 需要指出的是为了体现沟谷发育的系统性，这一分类方法将依附于沟间地发育的浅沟和切 沟纳入了沟谷的分类系统中。郭跃【4 】在对川中丘陵的沟谷进行研究时即是将冲沟做为沟谷 系统的边缘，这与罗来兴的划分是比较一致的。 研究表明【s 7 1 ，河沟沟谷与坳沟沟谷发育于较为漫长的地质历史年代，已经处于沟谷发 育的成熟期或是老年期，其沟谷长度的变化非常缓慢；冲沟沟谷与切沟沟谷则属于现代沟 谷，其发育时间可以追溯到3 0 0 0 7 0 0 0 年前，其发育速度也是最快的。 1 1 。2 沟谷的生态效应 沟谷的生态效应研究在以往并不多见。原因在于以往研究者们普遍认为沟谷生境由于 强烈侵蚀作用的影响，极易受到扰动，植被难以稳定发育，因而忽视了沟谷植被的特征规 律研究。近年来，随着相关研究的不断深入，研究者们开始更多的关注沟谷的生态效应及 其特征规律的研究。 许田【8 】等对皇甫川流域3 0 。 5 0 。的陡沟坡上所发育的植被进行了研究，发现除发育有 地带性植被之外，陡沟坡植被还发育有相当的隐域性植被；陡沟坡植被随坡向的变化而产 生分异；坡面植被出现灌丛化特征。贾燕峰【9 l 等对安塞纸坊沟沟沿线边缘的植被特征进行 了调查，发现灌木与多年生草本在所调查的植被中居多，灌木多于草本；草本植被多发育 于新沟沿线，而灌木多发育于老沟沿线。张健 1 0 j 等对禁封2 0 年后的沟谷植被进行调查研究， 发现草本植物尤其是多年生草本占主导地位，灌木、乔木也占到比较重要的地位。沟向对 沟谷植被的发育有比较明显的影响。赵利清对准格尔黄土丘陵沟壑区的沟谷植被进行了较 为系统的调查研究，提出“沟谷植被是指在沟谷生境中，发育于不同土壤、母质上的，明 显有别于地带性植被类型的各种群落组合”1 1 ；其研究表明沟谷植被普遍存在跨区域、超 地带的高级稳定的植被类型，沟谷植被的类型多样、受制约因子复杂，沟谷使得相应流域 的表面积比投影面积增加1 0 4 ，生物量也随之有较多的增加。 众多研究表明，沟谷的存在形成了明显的隐域性生境，沟谷植被与相应区域的地带性 植被已经显示出明显的差异。另一方面，沟谷使得所在区域的地表面积有较大的增加，且 2 一 内蒙古大学硕士论文 这一部分面积难以在广泛使用的遥感图像中得到准确的反映，这势必影响到沟谷该区域的 第一性生产力、碳汇、碳蓄积及生态用水等等重要生态功能的准确评价。 1 1 3 复杂地貌区的面积问题研究 我国是一个幅员辽阔、地形复杂、地貌多变的国家，黄土丘陵沟壑区即是这样一个典 型区域。在该区域，沟谷面积是反映沟谷发育的重要特征，通常把沟谷投影面积与流域投 影面积之比称为流域的切割裂度，做为反映土壤侵蚀的一个重要指标。 景可【1 2 】分析了黄土高原不同小流域中沟谷面积占流域面积的百分比与沟谷密度的关系， 发现两者之间存在着正相关关系；同时还发现沟谷密度与侵蚀模数之间也存在着正相关关 系。徐国礼【1 3 1 等对杏子河流域中沟道小流域的切割裂度进行研究，分析了杏子河流域沟道 切割裂度的变化规律。通过统计分析，得出杏子河全流域的平均切割裂度为0 6 2 。宋桂琴 【1 4 】等利用航片对黄土丘陵沟壑区的沟间地与沟谷地的面积比例进行了研究，认为沟间地与 沟谷地面积的比例在黄土丘陵沟壑区不存在地带性规律，大部分地区的沟间地与沟谷地面 积的比例大致为4 ：6 。郭彦彪【1 5 】利用流域模型对模拟沟道的投影面积与表面积随沟谷发育 过程的变化规律进行了研究，发现随沟谷的不断发育，沟谷的投影面积与表面积均稳定扩 大，表面积的变化具有一定的波动性。 这些研究大多是基于地形图、航片等，对沟谷投影面积进行的研究，但对沟谷表面积 的各种特征缺乏深入的研究。 一定的地表面积是植物发育的基础，更是人类赖以生存发展的物质基础。随着科学技 术水平的不断发展，人类对精确测量地表面积也提出了更高的要求，特别是利用简单几何 方法难以准确测量的沟谷、丘陵等复杂地貌区域，这一需求表现的更为强烈。 对于这类复杂地貌的表面积计算以往是利用等高线地形图手工作业完成，方法繁琐复 杂、难以掌握，且准确也难以保证。近年来，随着数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，d e m ) 数据应用范围的逐渐扩展，很多研究者开始利用d e m 数据对地貌复杂区的表面积问题展开 了研究。 黎展荣【1 6 】等通过d e m 生成的坡度数据与相应斑块叠加分析的方法解决了国土详查中 所遇到的田埂面积计算问题；王秀云1 1 7 】等也采用相似的方法计算了不同地区的起伏地貌的 表面积；李钦平1 8 1 等则将这一方法应用于龙口市的林地表面积的统计；陈吉龙【1 9 1 等基于数 3 内蒙古大学硕士论文 字等高线模拟地形，运用微积分的方法统计了重庆江津市的林地表面积。 这些研究所使用的方法大多是通过提取研究区内相应栅格的坡度数值，并与所分析的 区域进行叠加分析后，计算出该区域的实际面积。这一方法适用有d e m 数据支持的研究区， 但在缺少相应基础数据的区域则无能为力。 1 1 4 基于d e m 的沟谷研究 d e m 做为地形地貌的一种离散数字表达，它是表示一个区域d 内三维矢量的有限序列， 可以用这样一个方程来描述【2 0 1 ：v i = ( x i ，y i ，z i ) ( i = 1 ，2 ，3 ，n ) 式中( i ，y i ) 是平面坐标，z i 是( i ，y j ) 所对应的高程。 相比传统的纸质地形图，d e m 数据在信息容量、数据存储的可靠性，分发使用的便捷 性以及数据更新的时效性上均有较大的优势。国内对于d e m 的研究起步较晚，但发展迅速， 特别是利用d e m 数据对黄土高原这一地形地貌复杂区域的研究更是如雨后春笋般纷纷涌现。 分辨率的高低直接影响d e m 数据的信息容量。许多研究 2 1 - 2 8 1 表明，d e m 数据分辨率的 降低会使数据的信息容量降低：随着分辨率降低，地面的平均坡度、最大坡度都会随之降 低，并且高分辨数据中坡度较大的区域在低分辨数据中更多的被表现为坡度较低的区域。 坡度信息的丢失是低分辨d e m 数据信息损失的关键，坡度信息的丢失导致地面曲率、粗糙 度、可准确识别的沟壑量等信息都出现了丢失现象，总体上使得地形趋于平滑，对研究区 的地貌信息更趋于概括。 针对低分辨数据坡度信息丢失的现象，相关研究者 2 9 - 3 1 1 提出了“坡度转换图谱”的方 法，建立了相应地区的坡度转换图谱，并在实践中取得了较为理想的成果。 基于d e m 数据提取地貌信息是其应用的一个主要方向。对于地貌信息的提取主要有两 种思路，一是基于地貌的形态学特征，提取沟谷等相应的地貌区域。闾国年1 3 2 ，3 3 】等提出基 于地貌特征点的局部分析的方法，并将之实践于沟沿线的提取。朱红春f 3 4 】等在此基础上综 合其他沟谷的地貌特征，结合坡度、剖面曲率等叠加分析生成沟沿线。肖晨超【3 s 】提出通过 d e m 栅格数据的窗口分析，结合数学形态学提取沟沿线，从而划分沟谷地与沟间地两种不 同地貌类型。这一类方法虽然对地貌特征的描述较为准确，但这些特征点通常都比较离散， 对于线状、网状的地貌特征表达不完全，缺少成熟的软件支持，难以广泛的推广应用。 另一类方法是基于地貌的水文学特征，通过模拟均匀降水在d e m 表面的水流汇聚，提 4 内蒙古大学硕士论文 取沟谷网络等地貌特征。这类方法有一套比较成熟可靠的思想算法阢3 7 1 ，在地理信息系统 软件中已经得到良好的支持【3 8 】，有比较广泛的使用。其缺点是在沟谷提取过程中需要人为 设定汇流阈值，不同的阈值将直接影响到沟谷网络的密度。 。关于汇流阈值的设定目前尚没有比较公认的确定方法。这一阈值体现的是发育一条沟 谷所需要的流域面积。但是这一面积受到诸多因素的影响，如植被、土壤、降水等，很难 得到一个比较普适的数值或取值范围。许多研究者也就这一问题进行了探讨，杨玮莹的研 究认为汇流阈值为3 0 能够提取出有效表示黄土丘陵区沟壑发育状况的沟壑信息，即“3 0 是d e m 提取沟壑信息的最小有效阈值【3 9 1 。陈涛4 0 1 等人的研究认为，在黄土高原丘陵沟壑 区，提取沟谷网络的合理汇流面积应是o 0 5 0 1 平方公里，对2 5 米分辨率的数据而言其汇 流阈值就应是8 0 1 6 0 。沈晶玉等【4 1 】认为采用全流域汇流矩阵的平均值做为汇流阈值比较适 宜。而其他研究者针对不同应用目的，不同地区、不同分辨率的d e m 所采取的阙值也不尽 相同。但其中对于黄土高原丘陵沟壑区沟谷网络提取所采用的阂值仍有一定的相似性。 在当前的应用中，如何实现d e m 数据中地貌信息的自动识别提取 4 2 - 4 5 1 是许多研究者所 关注的问题。但目前这些研究成果尚难以广泛的推广和应用。 1 2 科学问题与研究意义 通过前文综述不难发现，沟谷在黄土丘陵沟壑区表现出独特的生态异质性，它的存在 无疑影响着黄土丘陵沟壑区的生态功能与生态学过程；而另一方面由于无法解决沟谷实际 面积的估算问题，使得我们无法更加准确的认识沟谷的生态效应。因此比较准确的估算沟 谷的表面积是深入研究沟谷相关生态效应及认识其在生态系统中作用的必要条件。 相关研究表明，d e m 数据是目前解决沟谷面积计算问题的理想方案。但就目前而言， d e m 数据，特别是满足沟谷研究的高精度d e m 数据的制取需要巨额资金以及较高的技术水 平；而d e m 数据的军民两用性质决定了其在国家安全上的重要意义，因此又进一步限制了 其传播与使用。以我国为例，目前比较广泛使用的d e m 数据多为数字化等高线地形图，这 些数据多来源5 0 7 0 年代测绘生产的等高线地形图。其中只有1 ：2 5 万比例尺的地形图能 够覆盖全部国土范围，而对中小区域尺度研究具有重要意义的1 ：5 万特别是精度更好的1 ： 1 万地形图及其数字产品覆盖范围有限，在地形地貌更为复杂的中西部地区多为空白。并 且这一级别的数据都是“秘密以上的保密等级，其取得与使用均受到一定的限制。 5 内蒙古大学硕士论文 与d e m 数据成本高、覆盖有限、难以获取相比，随着航天与遥感技术的飞速发展，今 天获得地面任何区域的遥感图像比以往任何时刻都更加准确、高效与便捷。因此，可否利 用黄土丘陵沟壑区的遥感图像所能提供的地貌信息估算相应区域的沟谷表面积成为一个值 得探讨研究的问题。 针对这一问题，本项研究提出了一种基于遥感图像的沟谷表面积估算模型，可以较为 便捷有效的估算沟谷表面积，为更加准确的进行沟谷生态效应的研究提供有力的支持，也 为相关区域的其他研究提供了借鉴。 6 内蒙古大学硕士论文 二、研究区概况 本研究以皇甫川流域及其典型代表样地五分地沟小流域为研究区。皇甫川流域地 处黄土高原与鄂尔多斯高原的过渡地带，属黄土丘陵沟壑区第一副区的内蒙古东南片，是 典型的黄土丘陵沟壑区。其所发育的皇甫川是黄河中游的一级支流，全长1 2 0 k m ，在陕西 省境内注入黄河，是一条典型的半干旱区河流。皇甫川流域地理位置位于北纬3 9 2 。“3 9 9 。、 东经1 1 0 3 。 1 1 1 2 。之间，呈叶形，由西北向东南倾斜。整个流域面积为3 2 4 6 平方公里， 其中大部分位于内蒙古自治区准格尔旗境内，面积2 7 9 8 平方公里，占8 6 2 ，达拉特旗境 内3 3 平方公里，约占1 ，陕西省府谷县境内4 1 5 平方公里，占1 2 8 ( 见图1 1 ) 。 、 广 n 自，身区0 、 ” 呼和活橹 包头 )、芝n 尹 。、 l y l 蕊 j郝尔多斯鸯藤 东艘 一、j ， 岭纱 务 簇 、 v 拶 ? 孤 j 、- 、 自 ( 、 l 治 l ， 瓴3 )擞 炎 省 厂挣本文。 ，陕嚣翟l 净 丫 弋 、 、 ： 。、 i 无 定i ， l ，、 7 f 一。 枣 ， j 冀土 盎 竣 ： l r ，厂 7 内蒙古大学硕士论文 z 1 皇甫川流域自然地理概况 2 1 1 地质、地貌 皇甫川流域地跨鄂尔多斯高原和黄土高原，地质、地貌的过渡特征十分明显。地质构 造属于鄂尔多斯台地拗陷盆地的边缘部分，地层主要由二叠系和三叠系红色及杂色碎屑沉 积岩类的泥岩、砂岩互层组成( 当地俗称砒砂岩) ，第三纪红土零星分布于流域东部和南部， 第四纪黄土断续分布于流域南部和东部，风积沙以条带状或片状广泛分布于出露基岩和黄 土之上。皇甫川水系发育在鄂尔多斯高原的东坡，河源最高海拔高度约1 4 6 0 m ，河口最低 点海拔高度8 6 0 m ；南北最宽距离8 5 9 k m ，东西最长距离1 0 2 1 k m ；由纳林川和十里长川两 大支流组成。较大的地势高差和较强的暴雨侵蚀使流域水系充分发育，加上现代加速的人 为水土流失，将流域切割塑造成梁峁窄小、沟壑密布、地形破碎的丘陵沟壑地貌。根据金 争平等【9 】( 1 9 9 2 年) 的研究，该流域年平均向黄河输送约o 5 亿t 泥沙，侵蚀模数1 8 0 0 0 t 平方公里a 。水土流失严重影响了此流域经济的发展和人民生活水平。 2 1 2 气候 皇甫川流域属半干旱大陆性季风气候。气温自西北向东南递增，年平均气温6 2 “7 2 ， 1 0 积温约2 9 0 0 “3 5 0 0 。一月份平均气温1 2 9 一1 0 8 ，极端最低气温为3 2 8 ，七月 份平均气温2 1 8 ”2 4 8 。c ，极端最高气温3 9 1 。该流域光能资源丰富，日照充足，大部分 地区年日照时数在3 0 0 0 小时以上。历年平均降雨量在3 7 9 “4 2 0 r a m 之间波动，并集中在夏 季，6 8 月份降雨量占总降水量的6 1 。年平均蒸发量很大，如沙圪堵地区达1 0 9 8 7 m m ， 为年平均降水量的2 7 倍。年平均相对湿度在5 3 “5 6 之间，年湿润度为0 3 0 一o 3 4 。冬春季 风力强盛且频繁，年均风速2 “3 m s ，大风日数1 0 “3 0 天。此流域气候不仅影响植被的生 长发育，还深刻地影响该流域的水土流失状况，多发性的暴雨、大风和较大的温差等提供 了较强的侵蚀动力。 2 1 3 土壤 皇甫川流域地带性土壤为以砒砂岩为母质的栗钙土。受黄土母质影响，有大面积的黄 8 内蒙古大学硕士论文 绵土。此外，还广泛分布风沙土及小面积的冲积土等非地带性土壤。 以砒砂岩为母质的栗钙土集中分布在库布齐沙漠以南的砒砂岩丘陵与砂页岩丘陵区。 大部分栗钙土质地较粗，土壤贫瘠，养分含量低；黄绵土集中分布于流域南部、东南部， 并散布于西北部的梁峁项坡及边坡。黄棉土直接发育于黄土母质之上，其性质具有黄土母 质的许多特征，如质地均一、疏松、多孔隙等；风沙土呈带状且较集中分布于流域中部沙 圪堵至长滩之间以及流域北部库布齐沙漠南缘并散布于全流域的低凹北风地貌部位。冲积 土类分布于河流一二级阶地和低凹地。 2 1 4 植被 皇甫川流域植被受气候、地貌、土壤等因子的影响，同时还受人类社会生产活动的深 刻影响。该流域原生草原植被为暖温型典型草原本氏针茅( s t i p ob u n g e a n a ) 草原，由 于气候的变化及历史时期的砍伐，原生草地植被经清末以来农垦的不断扩展演替为人工植 物或次生草地植被，天然林及灌木草原已所剩无几。目前，皇甫川流域植被可以分为乔木 林、灌木林、草原和农田等植被类型。现有的乔木林包括油松( p i n u st o b u l o e f o r m i s ) 、小叶 杨( p o p u n u ss i m o n f i ) 等人工植被和残存的侧柏( p l a t y c l a d u so r i e n t a l i s ) 、杜松( j u n i p e r u sr i g i d a ) 、 油松( p i n u st a b u l a e f o r m i s ) 等天然针叶疏林，这一类型所占面积较小。灌木林在皇甫川流域水 土流失综合治理和防风固沙方面起着非常重要作用，以柠条( c a r a g a n ad a v a z a m c i i ) 、沙棘 ( h i p p o p h a er h a m n o i d e s ) 、沙柳( s a l i xp s a m m o p h y l a ) 为主，近十几年来柠条的种植面积 不断扩大。草原植被在皇甫川流域所占的比例最大，在恢复演替过程中，原生草原植被为 百里香( t h y m u ss e r p y l l u m ) 草原所代替。流域内还分布着一些以耐风沙、干旱的沙地植被。 皇甫川流域的主要农作物有糜黍( p o n i c u mm i l i a c e u m ) 、谷子( s e t a r i ai t a l i c a ) 、玉米( z e a m a y s ) 、小麦( t r i t i c u ma e s t i v u m ) 、马铃薯( s o l a n u mt u b e r o s u m ) 、荞麦( f a g o p y r u ms a g i t t a t u m ) 、 向日葵( h e l i o n t h u sa n n u u s ) 等，在大多数地区，农作物产量不高。 z z 五分地沟小流域概况 五分地沟小流域位于皇甫川支流长川的中游东岸( 以内蒙古水利科学研究所准格尔旗 贺家湾水土保持研究站为基地) ，位于北纬3 9 。4 67 ，东经i i i 。0 77 ，流域面积约4 o 平 9 内蒙古大学硕士论文 方公里。五分地沟实验区是国家“六五至“九五科技攻关项目“黄土高原综合治理” 定位实验区之一。从1 9 8 0 年开始，持续2 0 年的国家重点科技攻关及其后的研究工作，实 验区内水土流失治理、植被恢复和重建等方面取得了重大成果。实验区平均海拔高度1 1 0 0 米，多年平均气温6 2 。c ，平均年降水量3 7 9 - 4 2 0m m ，蒸发量1 9 4 6 6 m m ，主体地貌为小 流域沟壑丘陵地貌。五分地沟是一条完整的小流域，具备皇甫川流域的典型自然地理特征， 可代表皇甫川流域的植被生长状况和土地利用现状。 1 0 内蒙古大学硕士论文 3 1 数据来源与应用软件 三、研究方法 在考虑黄土丘陵沟壑区遥感图像信息容量的基础上，为准确反映沟谷的发育规律，本 研究主要通过对研究区内大量样本的统计分析，寻求沟谷不同地貌特征之间的相互关系， 以此建立沟谷表面积的估算模型。 3 1 1 数据来源 本研究所使用的数据包括研究区卫星数字图像与数字化等高线地形图两类，具体有： a 五分地沟小流域i k o n o s 卫星数字图像1 景，成像时间为2 0 0 2 年7 月2 3 日，空 间分辨率为1 米； b 皇甫川流域t m 卫星数字图像，成像时间为2 0 0 3 年7 月2 0 日，空间分辨率为 3 0 米； c 五分地沟小流域1 ：1 0 ，0 0 0 数字化等高线地形图，等高距5 米； d 皇甫川流域1 ：5 0 ，0 0 0 数字化等高线地形图，等高距5 米。 以上数据均以完成了匹配和校准。将五分地沟小流域1 ：1 0 ，0 0 0 数字化地形图生成空间 分辨率为5 米的栅格d e m 数据，将皇甫川流域1 ：5 0 ，0 0 0 数字化地形图生成空间分辨率为 2 5 米的栅格d e m 数据，以应用于相应的表面分析。 3 1 2 应用软件 本研究中使用了下列软件： a 地理信息系统软件a r c g i s9 2 。用于空间数据的处理、分析与管理，如矢量文件的编 辑、拓扑，栅格d e m 数据的生成与分析。 b 图像处理软件e r d a s 8 7 。用于沟谷的目视解译。 c 统计软件s p s s 与表格软件e x c e l 。用于数据的整理与分析。 11 内蒙古大学硕士论文 3 2 技术路线 3 2 1 建模数据提取 采用五分地沟小流域高精度数据做为建模数据；在e r d a s 软件的支持下，采用人工目 视解译结合野外实地考察的方法，在i k o n o s 高分辨数字卫星图像中绘制出沟谷斑块以及其 相应的沟道长度，并从中选择一定数量的沟谷做为建模样本。利用所绘制的沟谷斑块从五 分地沟小流域5 米分辨率d e m 数据中提取相应的沟谷投影面积与沟谷表面积。利用s p s s 软件与e x c e l 软件进行分析建模。 其具体工作流程如下： 3 2 2 验证数据的提取 采用皇甫川流域2 5 米分辨率的栅格d e m 数据做为验证数据。由于皇甫川所能提取的 样本数远超于在五分地沟小流域的样本数，因此可以将皇甫川流域的相关数据做为验证数 据。其提取流程如下： 1 2 内蒙古大学硕士论文 对一般遥感图像中的沟道提取可采用人工目视解译的方法。在本研究中，为了提高沟 道的提取效率，在a r c g i s 软件的支持下通过皇甫川流域2 5 米分辨率的d e m 数据提取了全 流域的沟道，并将所提取的沟道与2 0 0 3 年的t m 图像叠加，加以人工识别及修正，使提取 的结果最大近似于人工目视解译所取得的沟道。 基于不同地貌区域的综合特征，利用2 5 米分辨率的d e m 数据提取皇甫川流域的沟谷 分布图。采用a r c g i s 软件水文工具的流域自动划分功能，在皇甫川流域内划分出不同等级 的小流域，从中选取验证区斑块。 确定验证区斑块后，提取相应的不同地貌区的投影面积与表面积：从皇甫川流域沟谷 网络中提取验证区沟谷网络并统计长度；利用s p s s 软件与e x c e l 软件进行分析验证。 1 3 自荣l 学硎 ：论 4 1 沟谷网络的提取与分析 4 1 1 遥感图像的沟谷信息提取 四、结果与分析 遥感罔像是通过地物光曙反射来表达地而信息，分辨率越高所容纳的信息量越人，所 表达的信息越准确，对j ：沟符而言也是如此f 见图4 - 1 ，蚓4 - 2 】。 幽41 是研究区1 米分辨牢的高分辨图像，从中町以看出，这绒别的图像已经町以 比较准确的反映沟稗的形状、边界等信息。图4 2 是研究区3 0 米分辨率的中分辨罔像，这 时图像中依然可以反映沟谷的信息，但已经难以准确判断沟辑的边界。山于植被等州素使 得这托两种分辨卒的罔像叶1 沟行区域的光谱差异都搬大，这导致监督分类等自动提取方法 列沟符的识别也难以奏效。 图41 研究m 高分辨【吊罔像阁 f i g4 - 1t h e h i g h r e s o l u t i o ns a t e l l i t er e m o t es e n s i n g i m a g eo fs t u d ya r e a 1 4 内萤古人学删l 论z 罔4 - 2 研，z l x l 中分辨h 堆网像例 f i 9 4 - 2 t h e m i d - r e s o l u t i o ns a t e l l i t e m m o i es e n s i n g i m a g e o f s l u d y f i i 通过阿幅罔像的对比- 以发现，不同分辨率的罔像所反映的沟谷结构形态足基小 致的，沟谷线是大致相当。返表删在较低分辨率的图像中沟长信息损火最少，且i h 十沟 谷发育的特殊形志，使得淘符长信息虽然难以自动提取，但却比较容易人工识别。l 问此通 过分析沟长与沟谷投影l 自l 秘、沟k 与沟行表l 血i 秘之叫的关系，建口丰h 应估芹公式，可以= i l 圣 人阻l f ! ：的保证在小川分辨率的_ 骞| 像- f 均谷面积估箅的准确忡。 41 2 皇甫川流域的沟道提取 基于d e m 数制提取沟道的主毋流程为：原始d e m i _ l 三沣地d e m 一水流方向提取一“ 流累积景汁竹一提取“流累积毓大于定闽他的栅格一删格矢；i t 化一q 一成个流域沟符l 叫络 1 4 q 。 这过程i ，；i ：流筹 积闽竹，带要人为确定，木项研究采川盘f 心路确定汇流祟枞刚值： o 肚十2 5 米分辨牢的d e mh 能比较准确的u l 别m 句以1 4 r , j 沟爷信息，凼此所提取的 淘辑级别定义赴冲淘以l 。扩流闽位反映了发行某一级别沟谷所必需的小流而钗，冈此州 以将十n 应级别沟谷f f j 流域秘做为确定“流累秘闽 c 【的参考；，拼命争甲等人相：4 l j | l 流域 的研究，冲淘绂别的、r 均 氚城而袱为00 3 6 k m