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西北大学硕士学位论文 基于d e m 的黄土高原坡长的自动提取与分析 【摘要】水土流失问题一直是黄土高原地区研究的工作重点，由于地形因 子坡长是在水土流失研究中重要的因子之一，因此对坡长的相关概念研 究、不同的提取方法及其在黄土地貌上的分析和研究是黄土高原研究的 重要内容。本研究在广泛总结前人研究成果与研究经验的基础上，以5 m 分辨率的d e m ( 数字高程模型) 为基本数据源，对坡长的相关概念和分 类及实际应用进行了探讨和总结；利用g i s 空间分析、地表过程定量模 拟等理论与技术方法，探讨基于d e m 数据提取坡长信息的理论与方法， 并试图揭示陕北黄土高原坡长的空间分异特征和规律，地貌发育对坡长 的影响，以友坡长与其他地形因子之间的关系。首先，对坡长的概念发 展进行了回顾，对坡长的类型和相关应用进行了阐述；其次，在总结前 人研究成果的基础上，对两种常用的基于d e m 的坡长提取方法进行了比 较和分析，进行其在黄土高原典型地貌上的适宜性分析，并给出在d e m 提取坡长中的误差分析和消除的方法：最后，运用典型样区数据和空间 统计的方法，由典型至普遍，对陕北黄土高原由南n ：i v , 不同典型样区坡 长的变异规律；以及整个陕北黄土高原坡长的变异规律均作了研究，并 对规律产生的成因进行了阐述和分析，并从地貌形态等方面分析分异产 生的原因；然后对坡长随地貌发育的影响和坡长与其他地形因子的关系 进行研究；为研究黄土高原的水土流失、侵蚀提供了强有力的理论依据 和基础。 【关键字】d e m ；黄土高原；坡长；空间分异 西北大学碰士学位论文 a u t o m a t i ce x t r a c t i o no fs l o p e l e n g t ha n da n a l y s tb a s e d o nd e m i nt h el o e s sp l a t e a u a b s t r a c t w a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o ni sa l w a y sa nu r g e n ti s s u ei nl o e s sp l a t e a u a sa v e r yi m p o r t a n tm r a l nf a c t o ri nt h er e s e a r e ho fw a t e ra n ds o f tl o s s , s l o p el e n g t h , i n c l u d i n g i t sc o n c e p t s ，d i f f e r e n te x t r a c t i o nm e t h o d s ，a n a l y s ta n dr e s e a r c hi nl o e s sl a n d f o r m s , i s 趾 i m p o r t a n tp a r ti nl o e s sp l a t e a ur e s e a r c h t h i sr e s e a r c hw a s0 1 1t h eb a s i so f 鲫吐m 均f i 五n g f o r m e r s r e s e a r c hm s m t sa n d r p 豇础e x t e n s i v e l y t a k i n g5 mg r i dc e l ld e m sa s e x p e r i m e n td a t as o u l , e s o m ec o n c e p t s t y p e sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no fs l o p el e n g t ha 站 d i s c u s s e da n ds u m m a r i z e d m a n yt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i c a lm e t h o d sl i k eg i sb a s e d s p a t i a la n a l y s t , q u a n t i t i v e l ym o d e l i n go fs u r f a c cp r o c e s sw e r eu t i l i z e dt od i s c u s st h e t h e o r i e sa n dw a y so fe x t r a c t i n gs l o p el e n g t hf r o md e m , a n di ta t t e m p t e dt or e v e a lt h e s p a t i a lv a r i a t i o no fs l o p el e n g t hi nn o r t hs l m a n x ip a r to fl o e s sp l a t e a u , t h ei n f l u e n c eo f d e v e l o p m e n to fl a n d f o r m st os l o p el e n g t ha n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l o p el e n g t ha n d o t h e rt e r r a i nf a c t o r s f i r s t l y , i nt h i sr e s e a r c ht h ed e v e l o p m e n to f i 臼c o n c e p t sw a sr e v i e w e d , a n di t st y p e sa n ds o m ea p p l i c a t i o n sw e r er e t r o s p e c t e d a n dt h e n , t w of r e q u e n t l y - u s e d m e t h o d so fe x t r a c t i n gs l o p el e n g t hf r o md e mw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a n dt h e s u i t a b i l i t yo ft h e mi sd i s c u s s e di nt h et y p i c a lr e l i e fo fl o e s sp l a t e a u t h em e , h o do f v a l i d a t i o na n de l i m i n a t i o ne r r o r si nt h ep r o c e d u r ew a sa l s og i v e no u ti nt h i sp a p e r f i n a l l y , a sw e l la st h es l o p cl e n g t hv a r i a t i o no fd i f f e r e n tt y p i c a ls a m p l e si nn o r t hs h a a n x il o e s s p l a t e a ua r es t u d i e dt i o ms o u t ht on o r t h , a l lp a r tl o e s sp l a t e a ui nn o r t hs h a a n x iw a s s t u d i e dw i t hm a n ys t u d ya r e a so ft y p i c a ll a n d f o r m sb ym e a n so fi n t e r p o l a t i o na n ds p a t i a l s t a t i s t i c 。t h ec a u , s 鹤o f i 乜f o r m a t i o na r ee l a b o r a t e da n da n a l y z e df r o mt h ed i r e c t i o n so f t h e r e l i e f c o n f i g u r a t i o na n do t h e r s t h e nt h ee f f e c to f s l o p el e n g t ha l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o f l a n d f o r ma n dt h er e l a t i o n s h i pw i t ho t h e rt e r r a i nf a c t o mw e r ea l s os t u d i e d t h i sr e s e a r c h a n ds o m c o r r e s p o n d i n gr e s u l t sp r o v i d eac o n c r e t ef o u n d a t i o na n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r w a t e rc o n s e r v a t i o np r o j e c t , e r o s i o ns t u d ya n de t c i nl o c s sp l a t e a u k e yw o r d s l d e m ) l o e s sp l a t e a u ：s l o p el e n g t h ：s p a t i a lv a r i a n c e n 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：查篮 扣d 7 年彳月f 3 日 指导教师签名：至避 矽7 年月f 弓日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它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：霉使 功p 7 年e 月l ，日 西北大学硕士学位论文 基于d e m 的黄土高原坡长的自动提取和分析 第一章绪论 1 1问题的提出 目前，壤侵蚀导致土地资源的减少和退化，危害严重，要有效地防治，必 须对水土流失作出合理、精确的预报。建立土壤侵蚀过程的研究，是建立过程模 型的基础和前提。坡长是影响侵蚀的重要地貌因素之一坡长也是决定坡面水流 能量沿程变化、影响坡面径流与水流产沙过程的重要地貌因素之一，要开展土壤 侵蚀的定量研究、建立土壤侵蚀模型就必须开展对坡长的深入研究。尤其是在黄 土高原地区，如何合理地确定一个地区的坡长对于研究该区域的水土流失、坡面 水流、泥沙运移、侵蚀形态的演化规律以及不同坡长下的侵蚀形态特征等各个方 z 水流路径。 径在水平面上 y 图1 坡长示意图 面有着极其重要的意义和影响 坡长是指坡面的水平投影长度，而不是指坡面长度，在著名的土壤侵蚀模型 u s l e 中，坡长被定义为从她表径流源点到坡度减小直至有沉积出现地方之间， 或者到一个明显的渠道之间的水平距离。坡长的通常是指在地面上，某点沿水流 3 西北大学磺士学位论文 方向到其流向起点间的最大地面距离在水平面上的投影长度( 如图l 所示) 坡 长是水土保持上的重要因子之一，当其他条件相同时，水力侵蚀的强度依据坡的 长度来决定，坡面越长，汇聚的流量越大，其侵蚀力就越强，坡长直接影响地面 径流的速度，从而影响对地面土壤的侵蚀力坡长的数学表达为： 工= 肌c o s 0 ( 1 1 ) ( 式中工指坡长，掰指地表面沿流向的水流长度。8 指水流地区的始面坡度值) 坡长问题较其他因子的问题多，而且坡长的调整多，不同用户选择的坡长差 异也很大，对于坡长的尺度的研究也是急待解决的问题。r u s l e 中是选择一个 特定点作为坡长选择的依据。坡长的边线的确定是从这点垂直于等高线沿坡向向 上到地表径流的起点。通常起点并非是丘陵的顶点，二是沿丘陵脊的分水线。坡 长的下边线的确定是垂直于等高线沿坡向下，直到沉积区或自然或人工修筑的水 路为止这些席路不一定是侵蚀或切割的渠道。如果没有渠道，就比较难确定坡 长的边线的方法，是在有可能出现侵蚀渠道或切沟的地方川 目前对坡长的研究并不深入和广泛，例如在土壤侵蚀的研究中，几乎所有关 于坡长的研究都是基于通用土壤侵蚀方程( u s l e ) 的，准确地说是针对其中的 l s 因子，b l ( s l o p el e i l g t l la n ds c e 印s s ) 坡长的计算有多种计算的方式，在这类 研究当中早期的坡长的计算是通过现场测量，或根据等高线间的垂线来估算；现 在在d e m 的基础上，可以根据r o b e r th i c k e y 的非累计流量直接计算法( n c s l ) ， 也可以根据d e s m e t 和o o v e r s 提出基于汇水面积的计算公式来计算坡长，也可以 通过阊接的方法利用水流强度或河网密度等来计算坡长。但是由于各种方法的采 用的原理、应用以及得到的结果等方面的不同，如何通过利用d e m 采用最适宜 的方法来提取坡长的问题还尚未解决，在这种情况下明确坡长科学的概念及其提 取方法和不确定性是非常有必要的对于坡长本身和应用的研究，前人多集中于 水流方向矩阵的选择、水流累积数字矩阵和统计计算方法上的研究，而对于不同 坡长的提取的方法的优缺点、方法的适宜性没有给出明确的限定和详细的讨论， 生成的坡长往往误差比较大，精度也得不到很好的控制。特别是在黄土高原地区， 由于黄土地貌地形的特殊性，对黄土地貌地形上的坡长的研究又具有其独特的特 性，不同的黄土地貌下，坡长的方法的适宜性；坡长在黄土流域地貌中的空间的 结构、空闯分异等闭题均是研究黄土地形地貌中急待解决的。基于上述的种种闯 西北大学硬士学位论文 题，这样探讨基于d e m 数据提取坡长的理论和方法，揭示陕北黄土地貌上坡长 的提取的方法的差异性，坡长的空间结构组成、坡长的空问分异特征、坡长与其 他地形因子之间的关系等，具有很强的实际意义和必要；也为进一步挖掘坡长的 深层次的空间信息，奠定了坚实的基础，也为揭示黄土高原地区地形因子的空间 分异规律提供了理论基础和技术支持 1 2 1 坡长提取方法 1 2前人研究 一直以来，坡长的计算是侵蚀因子中最具争议的，也是u s l e 方程中的一个 最大的问题之一( g r i f f i ne ta 1 ，1 9 8 8 ：m o o r ea n dw i l s o n ，1 9 9 2 ；r e n a r d ，d a 1 ，1 9 9 1 ) 传统的方法是利用整个区域的评估，从而将其当作一个常量( t r o e h , e t a 1 ，1 9 9 1 ) 现在的关于坡长的计算有的是围绕着单位汇水量( m o o r ea n db u r e h ， 1 9 8 6 、m i t a m v a ，1 9 9 3 ) ，某些利用上游汇水面积( d e s m e t a n d g o v e r s ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 、 m o o r ea n dw i l s o n ，1 9 9 2 ) ，也有些利用t i n 来计算累积下游的坡长方法( c o w e n ， 1 9 9 3 ) ，还有根据山顶点、山脊线沿着最大坡降方向计算坡长的方法( r o b e r t h i c k e y ，1 9 9 4 、2 0 0 0 ) ，汤国安等在介绍a r c v i e w 空间分析应用时提出了一种快 速近似计算坡长的方法，张照录、崔继红使用h i c k e y 的直接计算法进行了尝试。 也有些其他方法计算的诸如利用坡长和河网密度的关系( h o r t o n ，1 9 4 5 ) 。利 用d i n f 水流算法计算( a ，d s i m m s ) 等等。 目前，在坡长的提取方法中使用的最为广泛的是如下几种： a ) 非累计流量的直接计算法( n o n - c u m u l a t i v es l o p el e n g t h ，n c s l ) ( h i c k e y , 2 0 0 0 ) = b ) 基于累计流量的单位汇水面积( s p e c i f i cc o n n i b u t i o na r e a , s c a ) 计算法 ( d e s m e ta n dg o v e r s ，1 9 9 6 ) ： c ) 基于水流强度指数( s t r e a mp o w e ri n d e x ) 的间接计算法( m o o r ee ta 1 ，1 9 9 2 b ； m i t a s o v a , e ta 1 ，1 9 9 6 ) 在一般的d e m 地形地貌分析中。使用较多的为是上述前两者。其中第三种 方法是基于流量指数的坡长，并不是直接计算物理含义上的坡长，而是计算坡长 西北，泸磺士学位论文 坡度的合成因子( u s l e 中的l s 因子) ，并认为l s 因子是地表径流输沙能力的 度量，从而将代表地表曲面形态的l s 因子的计算解译为流量和坡度呈非线性函 数关系的无量纲输沙能力指数的计算一般在水土保持方面和水文学方面利用较 多 1 2 2 坡长与侵蚀的关系 关于坡长对侵蚀总量的影响，各国学者展开了深入的研究，但所得的结论有 很大的不同。总结起来大致存在一下三种观点( 陈永宗，1 9 8 8 ) ：一些学者入a c l a w e s 、s 。a m a k k a b e e b 等认为随羞坡长增加，水中的含沙量也增加。水流能量 多消耗于携运泥沙，结果侵蚀反而减弱；另一些学者入l c k i n g 、s a s c h u m 等 认为由于随坡长增加径流量增加，侵蚀量增加，在侵蚀增加以后，水流含沙量也 增加，水体搬运泥沙所消耗的能量加大，侵蚀减弱，两者相互消长，结果从上坡 到下坡侵蚀没有很大的差异；第三种观点认为( a 霄z i n g g ，w i s c h i m e r 和s m i t h 等) 从上坡到下坡。由于水深逐渐增加，侵蚀量相应增大 在我国黄土高原地区，对坡长与侵蚀的关系也开展了大量的研究原西北黄河 工程局( 1 9 5 7 ) 根据径流小区观测资料分析褥出，坡长与侵蚀有时成正比，有时成 反比，其变化视降雨状况而异罗来兴( 1 9 5 8 ) 根据雨后细沟调查资料认为，沿坡 长增加，侵蚀呈强弱交替交化。郑粉莉( 1 9 8 9 ) 认为坡耕地条件下，细沟侵蚀沿坡 长的变化缺乏规律性。华绍祖利用天水、绥德等地的径流小区观测资料分析得出 侵蚀量与坡长的o 1 5 - 0 5 次方成正比根据蔡强国等( 1 9 8 9 ) 的研究结果，坡长大 于某一临界坡长后，单位面积侵蚀量随坡长增加而减小，水流含沙量并未明显增 加而据彤军、田均良等( 1 9 9 9 ) 的研究结果表明，即使对于同一坡段，对于不同 的降雨特性，侵蚀量随坡长也存在不同的变化规律。他用r e e 元素作为示踪物 质，在斜坡长度为工1 3 m 的小区上自上而下分为6 个段，在每段的下2 3 处布设 了2 0 c m 的示踪带，研究了不同坡段的土壤侵蚀强度。研究结果表明，侵蚀强度 随坡长变化存在3 种模式第一种为增长型，随坡长增大，产沙强度持续增强； 第二种为增长递减型，产沙强度先随坡长增加，尔后又随坡长呈递减趋势；第三 种为波动型，产沙强度沿坡长增加出现两次增长和两次减小过程。 西北大学碗士学位论文 1 2 3 坡长与坡长指数 在现有的坡面土壤侵蚀模型中，通常采用了土壤侵蚀量随坡长增加而增加的 关系( z i n g g , 1 9 冬0 ：w i s h c m e i e r 和s m i t h , 1 9 6 5 ：m c c o o l 等，1 9 8 9 f i t 忠善等，1 9 8 8 ) 坡长因子描述了坡长与土壤侵蚀量之间的定量关系。坡长因子通常写为 ( z i n g g , 1 9 4 0 ) ： l = 口名。 ( 1 2 ) ( 其中l 为单位时间的土壤侵蚀量，即坡长因子， 为坡长，m 为坡长因子指数；a 为常数) l i s l e ( w i s h c e m e i e r 和s m i t h ，1 9 6 5 ) 和r u s l e ( r e n a r d ，1 9 9 7 ) 中采用了标准 化道2 2 1 3 m 坡长上的坡长因子，其表达式为： 三= ( 2 2 2 1 3 ) _ ( 1 3 ) ( 其中l 为标准化到2 2 1 3 米坡长上的土壤侵蚀量；m 为坡长因子指数， 为坡长) 对于坡长指数的研究，国外的学者均作出了相关的研究：在u s l e 第一版中， 建议平均坡长指数采用0 5 ：当坡度大于1 0 时，坡长因子值取0 6 ；对于德克萨 斯高原区德沟灌区域，坡度小于o 5 的长坡坡长指数采用o 3 ( w i s h c m e i e r 和 s m i t k1 9 6 5 ) 。在u s l e 第二版中，对坡长因子指数进行了修正，不同坡度范围， 坡长因子指数有不同的取值。坡度对坡长因子指数的影响，当坡度为小于1 1 3 3 5 4 5 ，大于或等于5 时，坡长因子的指数分别为0 2 ，0 3 ，0 4 和o 5 ( w i s h c m e i e r 和s i i l i l l l ，1 9 7 8 ) 。该版本中的坡长因子指数取值定义并不严密，当坡 度在3 0 - 3 5 以及4 5 5 之间，坡长因子指数无值。m u t e h l e 等【1 9 8 0 ) 在密西 西比东北部的b r a n c h 实验站，用模拟降雨试验方法研究了缓坡下的坡长因子指 数，他采用了坡度为o 2 ，坡长分别为2 3 ，4 6 ，9 1 ，8 1 3 m 的径流试验小区，其研 究结果表明，当坡度小于o 5 时，坡长因子指数为o ，1 5 。f o s t e r 等人( 1 9 7 4 ) 从侵 蚀过程出发，用数学方法推导了不规则坡形土壤分离为限制因素时坡长因子的计 算方法 我国对坡长因子和因子指数也有所研究但由于所用资料及研究方法的不 同，其结果也存在一些差异。如牟金泽( 1 9 8 3 ) 提出坡长因子l 与坡地斜坡长度的 o 3 次方成正比研究者( 孙保平，1 9 9 0 ；张宪奎，1 9 9 2 ) 根据黑龙江宾县和克山 径流小区资料，分析得出坡长因子与坡长的o 1 8 次方成正比。黄炎和等( 1 9 9 3 ) 西北大学硕士学位论文 根据闽东南安溪官桥径流试验场的资料分析得到坡长因子与坡长的0 3 5 次方成 正比周伏建( 1 9 9 5 ) 在用通用土壤流失方程时，采用了坡长指数与坡长的0 7 8 次 方成正比林素兰( 1 9 9 7 ) 根据辽宁西丰的小区资料分析发现，在该地区，可以采 用u s l e 方程中陡坡上的坡长指数0 。5 杨子- 4 ：( 1 9 9 9 ) 根据云南昭遁市乐居村和 东川市播卡村1 8 个小区的资料，分析得出坡长因子与坡长的o 2 4 次方成比例。 江忠善( 1 9 9 6 ) 得出坡长指数与坡长的0 2 8 6 次方成正比等等一系歹| j 其他学者的研 究成果。 1 2 4 存在的问题 虽然对于坡长的相关研究，前人已经做了很多的研究和实验，但是由于科学 的探索的不断发展，社会需求、应用和研究的种种需要，对坡长的研究依然存在 些许不足，主要体现在一下几个方面： l 虽然坡长的提取算法存在很多，但是对于不同的黄土地貌区域如何选择 一个合适的坡长提取算法，算法的耩度如何等等均需要进行深入的研究和探讨； 2 地形因子的空间分异规律的问题近年来一直都是地形因子研究的热门， 但是由于坡长应用的侧重于侵蚀方面。使 ! 导对于坡长本身的研究，以及坡长的空 间分异的表现和对应的规律的研究较少；如何对坡长进行深层次的信息挖掘工 作，需进行进步的开展，研究和分析； 3 坡长在黄土高原地区应用广泛，如何研究该地区坡长的空间结构分异， 以及坡长与其他地形因子之间的关系，更好地指导水土保持工作、区域规划工作 也是黄土高原地区坡长研究的重点问题 1 - 3 1 研究项目来源 1 ，3 论文概述 本研究课题源自国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ( 项目编号 2 0 0 1 a m 3 5 0 8 0 ) 项目“多源空间数据挖掘技术”该项目拟采用前沿的数据 挖掘技术，结合空阃数据处理、统计分析和文本数据处理技术，建立用于空间数 西北大学硕士学位论文 据挖掘的空间知识库，研究基础要素的空间数据特征，获得基础空间数据的形态 特征和分布规律两种知识；运用数据总结、分类发现、关联、聚类等数据挖掘方 法，结合地学知识库，获得统计数据的空间关联、聚类知识：研究空间数据与文 本数据的特征化规则、分类方法，关联规则等数据挖掘模式，并从文本数据中分 析、识别，提取事件的空间信息，获得文本数据的空间关联、聚类知识；最终， 开发实验原型软件系统，建立包括文本数据、统计数据和基础空间数据的实验数 据库 1 3 2 目的和意义 研究的目的是通过对坡长及提取方法的相关研究，构建坡长的理论体系；分 析不同坡长提取方法的优缺点，建立在黄土高原地区的坡长提取模型及修正模 型；通过对坡长在黄土高原地区的空间分异规律的研究和分析，揭示随地表地貌 的发育，坡长和坡长分布结构的变异规律；揭示黄土地貌上坡长和坡长的空间结 构的空间分异规律，以及坡长与其他地形因子的关系，为进一步研究黄土高原地 区的地形地貌特征规律，指导陕北黄土高原地区区域规划、水土保持等工作提供 理论和实践基础。 研究的意义是分析两种常用的d e m 提取坡长的方法，揭示不同的坡长的计 算方法的优缺点，为不同地区选取计算坡长的合理方法提供理论基础和技术支 持，为黄土高原地区提取坡长提供一个合适的方法和理论依据；揭示在随着模拟 小流域的发育下，坡长及其空间分布的变化规律，并将规律的研究和分析推广到 黄土高原的实际地形中，揭示陕北黄土高原上坡长空间分异规律，以及典型黄土 地貌样区中坡长的区域分布规律，坡长与其他地形因子的关系，为深层次研究黄 土地貌演变和发育提供了技术支持。坡长的研究和分析为数字地形分析在坡长的 研究更为拓宽，也是d e m 数字地形分析的数据挖掘的进一步完善和发展。本研 究的相关问题的解决，将为d e m 数据在坡长方面的提供更广泛地应用和研究。 1 3 3 研究内容 本研究的内容主要集中在以下几个方面： 1 坡长的定义和分类 9 西北大学顽士学位论文 从坡长的定义的不断发展的角度来看，对坡长的发展进行一定程度上的介 绍：同时对现在坡长的类型和应用进行简单的诠释和研究，从而加强对坡长的认 识和理解。 2 坡长提取方法的比较； 首先是在三个的典型黄土地貌样区上，对常用的d e m 提取坡长的方法进行比 较分析和评价，确定在黄土高原地区坡长提取较为合适的方法；其次是对d e m 提取坡长的相关误差进行消除和修正，进一步提高坡长提取的正确性和精度。 3 黄土地貌坡长分析 首先在黄土地貌中对坡长的空同变异规律进行系统的研究和分析，其中采用 由典型到普遍的分析方法，从陕北典型黄土地貌到整个陕北黄土高原坡长的空间 变异规律；其次是研究地貌发育中坡长的变化规律；最后研究在黄土地貌上坡 长与其他地形因子之间的关系 1 3 4 论文结构 本论文共计五章以下列出各章的主要内容与所做的主要工作 第一章绪论 本章简要介绍了进行坡长研究的必要性和背景g 对前人有关坡长的研究进行 了较为全面的阐述：并在此基础上叙述了被长研究韵目的，内容和意义。 第二章研究基础与方法 本章介绍了研究中所选定的实验样区和实现的工具手段：首先，说明实验样 区选择的依据和样区地理概况；其次介绍了样区d e m 数据的基本情况；最后简 要说明了研究方法和技术路线等 第三章坡长及分类 本章首先详细介绍了从坡长的广泛应用以来坡长的定义的变化及其所代表 的实际昀地理意义；其次对现在坡长韵类登进行了简要的诠释和说呖，并对不同 类型的坡长的应用方法进行了概括。 第四章黄土高原坡长提取方法研究 ，首先介绍两种常用的坡长的提取方法的原理，然后对三个黄土高原典型样区 分别利用两种方法进行分析和比较，揭示在不同样区应该采用的较为合适的坡长 西北大学硕士学位论文 提取方法；其次是对d e m 提取坡长的相关误差进行消除和修正，进一步提高坡 长提取的正确性和精度。 第五章黄土地貌坡长分析 首先在黄土地貌中对坡长的空间变异规律进行系统的研究和分析，其中采用 由典型到普遍的分析方法，从陕北典型黄土地貌到整个陕北黄土高原坡长的空间 变异规律；其次是研究地貌发育中坡长的交化规律：最后研究在黄土地貌上，坡 长与其他地形因子之间的关系 第六章结论与讨论 本章总结本研究的主要成果和结论，提出今后该方向研究应注意的事项与建 议 西北大学硕士学位论文 2 1 1 研究区域概述 第二章研究基础 2 1 实验样区及数据 研究区域为陕北黄土高原，是黄土高原的核心地区之一( 如图2 ) 。陕北黄土 高原主要包括陕西省的榆林和延安两地区，共2 5 个县( 市 ，面积总共 8 0 0 9 1 8 8 k m ，是水土流失严重、生态环境脆弱的贫困山丘地区水土流失面积 6 1 5 2 9k i n ，占总面积的7 6 8 2 ，为三门峡以上流域面积的1 4 2 8 5 ，年平均输沙 量6 6 9 亿t ，占三门峡1 6 亿t 输沙量的4 3 5 0 9 6 ，平均侵蚀输沙模数9 3 7 0t ( k 一a ) 水土流失强烈，侵蚀类型复杂多样，生态环境恶化。整个高原地势西 图2 陕北黄土高原地理位置示意图 北高，东南低高原西北部的白于山最高海拔1 9 0 7 米，大理河及清淘河上游为 1 5 0 0 至1 6 0 0 米，陕甘边界上的子午岭为1 3 0 0 至1 6 8 7 米，高原南缘的北山在1 0 0 0 至1 2 0 0 米之间。洛川以南的北洛河流域降至6 0 0 至1 0 0 0 米。整个陕北高原黄 西北大学硕士学位论文 覆盖面积广，厚度大( 一般为1 0 0 - 2 0 0 米，最大厚度可达3 0 0 米) ，第四纪地层 发育完整( 从早更新世到全新世黄土) 地貌形态以黄土地貌为主，高原中部以 石质山岭，北部为风沙地貌区整个高原黄土塬，梁、峁及沟壑，黄土喀斯特等 地貌发育十分典型，基本涵盖的黄土高原大郝分的地貌组合及景观形态。同对陕 北黄土高原的地貌类型的空间分异规律也十分明显，从北向南，地貌类型从沙盖 黄土丘陵过渡到峁袄丘陵、再向南渐变为梁状丘陵为主的地区、至延安附近。梁 峁丘陵面积增加，再向南又基本上全为梁状丘陵，洛川至黄陵一带，为黄土塬区； 铜川稍南，黄土塬为黄土台塬代替，然后是渭河阶地。因此选择这陕北黄土高原 作为研究区域，充分考虑了地貌发育中物质、能量、时间的作用以及相互关系， 能够更好的研究地形信息的空间分异格局。 由于整个陕北地区面积广大，不可能也无法获得全都的陕北地区l ：l 万d e m 数据。因此。必须在陕北地区进行样区选取，以典型的实验样区作为研究的对象。 1 黄土塬概述 黄土塬又称黄土平台，黄土桌状高地( 如图3 ) ，塬是中国西北地区群众对顶 面平坦宽阔、周边为沟谷切割的黄土堆积高地的俗称，已正式引入地貌学文献。 按照成因类型和形态特征，分为：( 1 ) 古缓倾斜基岩平地上覆盖厚层黄土 形成的塬，简称完整塬。如陇东董志 塬、陕北洛川塬和陇中白草塬，面积 都在数十至数百平方公里，塬面完 整，四周正受沟谷蚕蚀；( 2 ) 山前倾 斜平地上发育的塬，简称靠山塬。一 面靠山，倾向河谷，被发源于山地的 图3 黄土塬实际图 河流或沟谷割切，如秦岭山地中段北坡坡麓的塬；( 3 ) 断陷盆地中发育的塬，又 称台塬。如陕西关中平原北面的渭北高原上的塬；( 4 ) 河流高阶地形成的塬，如 黄河龙门河段两侧的塬，这类塬己被后期发育的沟谷分割，称为破碎塬；( 5 ) 古 平坦分水蛉接受风积黄土形成的塬，如延河支流杏子河流域韵杨台塬，茹河上游 的盂塬，其面积多在数平方公里以内，零散地分布在黄土丘陵区内部，称为零星 塬。黄土塬顶面坡度多为l 3 。，边缘可达5 。左右，现代侵蚀微弱，是黄土高 西北大学硕士学位论文 原地区的主要农耕地所在因受沟谷侵蚀影响，塬面的面积正在缩小。 2 黄土粱概述 黄土梁，黄土区长条形的黄土高地 ( 如图4 ) 梁主要是黄土覆盖在梁状 古地貌上，又受到近代流水等作用的 侵蚀而形成的依据黄土梁的形态， 可分为平梁和斜梁两种类型前者顶 部平坦，宽度有限，长可达几公里。 横剖面略呈穹形，坡度一般在l 5 度， 沿分水线的纵向斜度不过l _ 3 梁 图4 黄土粱实际图 顶以下，是坡长很短的梁坡，坡度大概在1 0 。以上，两者之间有明显的坡折。 在梁坡以下，其坡度更大。后者是黄土高原常见的沟间地，梁顶宽度较小，呈明 显的穹形沿分水线有较大的起伏，梁顶横向坡度3 - 5 。，纵向坡度8 一1 0 4 梁顶坡折以下直到谷缘的梁坡坡长很长，坡度变化于1 5 3 5 。梁坡的坡形随 所在部位而有不同，在沟头的沟缘上方为凹斜形坡。在沟口两侧( 梁尾) 为凸形 斜坡梁坡以百，就是沟坡 3 黄土峁概述 黄土峁，黄土地区一种孤立的丘陵。 在平面图上呈圆形或椭圆形，其顶部浑 圆；面积不大，坡度约3 - - 1 0 。四周 坡均为凸斜形坡，坡度变化于1 0 一3 5 。，整个峁的外形极似馒头状( 如图5 ) 。 两峁之间有地势显著凹下的分水鞍。称 为垢。嫣之两侧均为凹斜形状。分水鞍 被两侧沟头所侵蚀，残余成为极窄的长 图5 黄土峁实际图 脊后称“崾睑”崾峻也出现在塬与梁之间，道路常常由此通过。如有数个峁相 互连接时称为峁梁，有时峁还可成为黄土梁顶的局部组成体，称为梁峁。峁的成 因要做具体分析，有的是继承古地貌而成，有的则是由于近代沟谷切割黄土梁而 成。 西北大学硕士学位论文 2 1 2 实验样区选择 1 实验样区选取原则 实验样区选择的好坏，直接影响到实验结果的典型性和可靠性，因此在实 验样区的选择上，要遵循以下几个基本原则： 1 、科学性原则：实验样区的选择应充分的体现地形学与地貌学的已有研究 成果，符合其基本规律特征。 2 、典型性原则：实验样区的选择应该充分体现样区所属地貌类型区域的总 体特征，实现个性与共性的统一、典型性与普遍性的统一。 3 、数据的可获取性与完整性原则：数据获取的完整与否直接影响着实验结 果的可靠性。因此。要求选取的样区基本资料充分、准确、现势性好。 4 、实用性原则：科学研究的最终目的是为应用而服务的因此，实验样区 的选择应能确保其研究成果可以进一步应用于实践。 依据上述原则，基本采用均匀采样和兼顾流域地貌典型性和完整性，本实验 共计在陕北黄土高原选取1 ：1 万实验样区7 4 个，并其中选出典型样区三个，南 北剖面样区8 个。 2 实验样区分布 从样区选取的科学性和数据的可获取性考虑： ( 1 ) 在坡长的自动提取方法研究方面 在黄土地貌上选择塬、粱、峁三大典型样区( 图6 ，7 ，8 为样区d e m ) ； 图6 黄土塬样区( 长武)图7 黄土粱样区( 甘泉)图8 黄土峁样区( 绥德) ( 2 ) 在黄土地貌坡长分析方面 对于研究整个陕北黄土高原坡长的空间分异规律研究，在陕北黄土高原 地区从南到北选取8 个典型黄土地貌5 m 分辨率的d e m 数据。( 如图9 ) 选取了近似均匀分布于陕北黄土高原及部分周边地区上的5 m 分辨率的 1 s 西北大学硕士学位论文 d e m 数据7 4 个，其中包括普通样区6 2 个，验证样区1 2 个。( 如图1 0 ) 图9 由南到北8 个典型样区分布图 第1 期 第4 期 图l o 陕北黄土高原及周边地区样区分布图 ( 其中方形为普通样区，三角形为验证样区) 第2 期 第3 期 第5 期 第6 期 - 1 6 西北大学硬士学位论文 第7 期 第8 期 第9 期 图1 l 模拟小流域1 9 期d e m 光照晕渲图 对于研究地貌发育和坡长的关系，这里选择了高分辨率的小流域d e m ， 其中包含了不同发育阶段的9 期同一小流域的高精度d e m 。( 如图1 1 ) 2 1 3 实验数据 1 样区d e m 数据的获取 本研究采用的d e m 数据是以国家h5 万和l ：l 万地形图为信息源。这两 种地形图均采用1 9 5 4 年北京坐标系，1 9 5 6 年黄海高程系，等高距为分别为2 0 米、l o 米或5 米不等d e m 数据是在地形图扫描数字化后生成，制作过程严格 依照国家测绘局关于建立数字高程模型的标准进行，具体制作的流程及技术路线 图1 2 利用地形图等高线数字化制作d e m 的技术路线( 据杨昕) 如图1 2 所示在d e m 制作过程中，按照国家标准，已经将1 9 5 4 北京坐标系转 西北大学硕士学位论文 换成了1 9 8 0 西安坐标系。 2 样区d 删数据基本情况 表1 为样区d e m 数据的基本概况。包括地貌类型和部分相对应的样区地域名称。 表1 陕北黄土高原样区数据 序样区图号地貌类型鲁注序样区图号地貌类型鲁注 号号 l1 4 8 g o l 客0 9 3黄土塬长武3 8 j 4 9 g 0 7 1 0 3 7 蚀余黄河峡谷丘陵 21 4 8 g 0 2 5 0 7 3黄土覆盖中山 3 9j 4 9 g 0 7 3 0 1 3黄土粱峁状丘陵沟壑 31 4 8 g 0 2 5 0 9 3黄土残塬 4 0j 4 9 g 0 7 3 0 2 5 黄土峁粱状丘陵沟壑 41 4 8 g 0 3 1 0 7 5黄土覆盖中山 4 1h 9 g 0 7 9 0 0 5 黄土粱状丘陵沟壑 5 1 4 8 g 0 3 1 0 8 7黄土破碎塬沟壑 4 2j 4 9 g 0 7 8 0 1 7黄土粱峁状丘陵沟壑 6h 9 0 d 0 1 0 1 8黄土榘峁状丘陵沟壑4 3j 4 9 g 0 7 8 0 3 l黄土峁粱状丘陵沟壑廷川 7h 9 0 0 0 1 0 2 9黄土破碎塬沟壑 4 4j 4 9 g 0 8 3 0 2 3 黄土粱峁状丘陵沟壑延安 81 4 9 0 0 0 7 0 3 5石质低山丘陵沟壑 4 5j 4 9 g 0 8 5 0 1 l黄土粱状丘陵沟壑 91 4 9 g 0 1 4 0 1 3 黄土覆盖中山 4 6j 4 9 g 0 8 9 0 1 5黄土粱峁状丘陵沟壑 1 01 4 9 g 0 1 3 0 2 2 黄土塬宜君 4 7j 4 9 g 0 9 1 0 ” 黄土架状丘陵沟壑 甘泉 n1 4 9 g 0 1 3 3石质低山丘黢沟壑4 8j 4 9 0 0 8 9 0 3 5黄土破碎塬沟壑 1 21 4 9 g 0 1 8 0 1 7 黄土残塬 4 9j 4 9 c - 0 8 9 0 2 8黄土峁状粱丘陵沟壑 1 31 49 l g 0 2 2 0 0 7黄土台塬5 0j 4 9 g 0 8 6 0 2 8黄土架状峁丘陵沟壑 1 41 4 9 g 0 2 2 0 1 4黄土残塬 5 lj 4 9 i 8 8 0 2 1 黄土粱状峁丘陵沟壑 151 4 9 g 0 2 1 0 3 0 黄十台蟓 5 2j 4 9 0 0 8 0 0 2 9黄土粱状丘陵沟壑 1 61 4 9 g 位7 0 0 7黄土台域淳化 5 3j 4 9 g 0 6 舯3 2 黄土粱状丘陵沟壑 1 7j 4 8 g 0 5 9 0 9 5草滩盆地 5 4j 4 9 g 0 6 5 0 2 0 片沙黄土粱峁 1 8j 4 8 g 0 7 4 0 8 6 黄土残塬沟壑 5 5 j 4 9 0 0 6 5 0 1 2片沙黄土粱峁 1 9j 4 9 1 3 0 4 6 片沙黄土粱峁 5 6j 4 9 g 0 5 7 0 4 0黄土粱状丘陵沟壑 2 0j 4 9 0 叭9 0 3 9风沙河谷5 7j 4 9 g 0 4 1 0 3 6片沙黄土粱峁 2 lh 娥7 n 3 7风沙河谷神术 5 8j 4 9 ( 4 4 0 2 5 风沙河谷 2 2 j 4 9 g 0 2 5 0 4 6蚀余黄河峡谷丘陵 5 9h 9 ( 2 5 0 4 0片抄黄土粱峁 2 3j 4 9 0 0 3 3 0 2 5风沙河谷 6 0h 9 g 0 4 1 0 2 l 石质低山丘陵沟壑 2 4j 4 9 0 0 3 4 0 3 9片沙黄土榘峁 6 l 1 4 9 0 0 2 5 0 0 5黄土破碎塬沟壑 2 5h 9 0 0 3 4 0 4 5蚀余黄河峡谷丘陵 6 2h 9 g 0 1 3 0 2 8黄土残塬 2 6j 4 9 g 0 4 1 0 2 7风沙河谷榆林 6 3 h 9 g0 1 6 0 2 4黄土破碎塬沟壑 2 7j 4 9 g 0 4 9 0 3 7 蚀余黄河峡谷丘陵 6 4 1 4 9 0 d 0 9 0 2 8黄土残塬 2 8j 4 9 g 0 5 3 0 1 5沙丘草滩 6 51 4 9 ( 如0 9 0 2 l 黄土残塬 2 9j 4 9 0 0 5 3 0 2 3黄土粱峁状丘陵沟壑 6 6h 8 g o l 6 0 7 6黄土覆盖中山 3 0j 4 9 0 0 5 3 0 3 1 黄土峁状丘陵沟墼 6 71 4 鄹3 0 1 7 0 9 6黄土残塬 3 lj 4 9 g o 强0 ，7黄土峁状丘陵沟壑