基于DEM的沟壑特征分析

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第十二章

1、本章主题编号

专题序号	专题名称	子专题号	子专题名称	子专题主要内容	实验内容	备注
12	基于DEM的沟壑特征分析	1	基于DEM的沟壑特征分析	陕北黄土高原沟壑密度制图；近景实测黄土沟壑发育实验；
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2、本章内容概述

（1）陕北黄土高原沟壑密度制图

　　沟壑密度
　　基于DEM提取沟壑密度的方法
　　几个要点与关键技术
　　黄土高原沟壑密度空间分异

（2）近景实测黄土沟壑发育实验

3、本章内容

3.1 陕北黄土高原沟壑密度制图

　　黄土高原上现存的黄土侵蚀地貌结构，即塬、梁、峁与沟谷，绝大多数是自然侵蚀作用的结果。黄土高原的沟谷侵蚀是塑造地表形态的主要侵蚀方式。
　　沟壑密度作为一种反映区域受沟蚀程度的重要的指标，对于揭示该地区的地面破碎程度与地貌发育进程，都具有重要的意义。

（1）沟壑密度
　　沟壑密度也称沟谷密度，指单位面积内沟壑的总长度。单位一般以km/km2表示，数学表达为：

（12.1）

　　式中：D指沟壑密度；∑L指研究区域内的沟壑总长度（单位：km），A指特定研究区域的流域面积（单位：km2）。
　　沟壑密度越大，地面越破碎，地表物质稳定性低，易形成地表径流，对土壤冲刷速度快，沟蚀发展愈迅速。因此，沟壑密度是地形发育阶段、降水量、地势高差、土壤渗透能力和地表抗蚀能力的综合标示值，是气候、地形、岩性、植被等因素综合影响的反映。

（2）基于DEM提取沟壑密度的方法
　　基于DEM求算沟壑密度的关键在于确定研究区域内的沟谷总长度。其基本的技术路线流程见图12.1。

图12.1 基于DEM提取沟壑密度技术流程示意

（3）几个要点与关键技术

　　明确最短舍取沟谷长度。
　　利用1：1万DEM提取沟壑密度时，最短舍取沟谷长度一般为50米，即沟谷的长度大于50米的才纳入该地区沟壑密度的计算。
　　正确设定汇流累计量阈值。
　　在提取沟壑网络时，汇流累计量初始阈值的大小将决定所提取河网的精细程度，也就直接影响到所提取沟壑密度的大小。但值得注意的是，汇流累计量初始阈值大小往往会随着工作区的地貌类型及栅格分辨率的不同而略有差异，需要通过实验测定。
　　消除伪沟谷
　　为有效消除伪沟谷，须对获取的沟谷网络进行编辑，但工作量太大，拟首先提取较大的骨架河谷，并将该河谷所对应的DEM栅格统一降低若干米，在此基础上再提取全域的沟谷，可有效消除伪沟谷，得到较好的效果（见图12.2和12.3）。

图12.2 带有伪沟谷的沟壑网　　　　　　图12.3 消除伪沟谷的沟壑网

（4）黄土高原沟壑密度空间分异

　　黄土高原具有独特的地理景观，由于黄土风成的特点，黄土物质的特性，特别是黄土的抗蚀性出现自北向南的过渡变化，土壤侵蚀的主要动力——降雨侵蚀力，也自东南向西北方向连续变化，而黄土高原地区地质的抬升作用相对较弱，造成黄土地貌特征（包括沟壑密度）呈现由南至北连续过渡空间分异特征。
　　为揭示黄土高原地面的破碎程度与地形地貌发育的宏观分异规律，选取陕北黄土高原各典型地貌类型区共48试验样区，以该地区1：1万比例尺DEM数据为基础，应用上述沟壑密度提取的技术方法，求算个样区沟壑密度值，并通过内插计算获得黄土高原沟壑密度图。
　　黄土高原沟壑密度的空间分布，揭示了该地区土壤侵蚀强度的空间分异规律，研究发现，沟壑密度与该地区的土壤侵蚀模式呈现很好的相关性，沟壑密度因而也成为进行区域土壤侵蚀强度分析的重要的定量指标。

3.2 近景实测黄土沟壑发育实验

（1）研究目的
　　沟壑的极度发育是黄土地貌的基本特征，常规的对沟蚀的研究多从描述沟壑的形态特征入手，较难反映沟蚀及沟壑的动态演化规律。

图12.4 数据采集流程

　　本实验采用高精度近景摄影测量方法，记录在人工降雨条件下黄土坡面沟壑的发育过程，通过建立多时段高精度DEM，揭示黄土坡面由初期阶段的细沟、浅沟，发育到较高级阶段的冲沟、河沟，乃至整个汇水小流域的过程。

（2）试验过程
　　如图12.4所示为数据采集流程图
　　模拟试验在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室的模拟降雨侵蚀试验大厅下喷式雨区进行（据崔灵周,2002）。模拟小流域是在对黄土高原典型小流域特征进行宏观统计分析基础上，对其进行抽象和概化，依据过程相似原理设计。主要几何形态特征指标见表12.1。

表12.1 模拟小流域几何形态特征指标

投影面积(m2)	流域长度(m)	流域最大宽度(m)	流域周长(m)	流域高差(m)	流域纵比降(%)	平均坡度(°)	沟网级别	沟网分支比
31.49	9.1	5.8	23.3	2.57	28.24	15	2级	4

　　近景摄影测量在正式试验阶段进行，相邻两次拍摄间隔时间为一个星期左右，降雨为2～5场，共拍摄9次。工作程序主要有控制测量（基准点测量、像控点测量）、低空近景摄影测量。控制测量中基准点3个，是建立独立坐标系和完成像控点测量的基础，建有专用仪器墩，并在其上安置了强制归心装置，保证整个试验过程中基准点的稳定性。像控点18个，模型边缘的水泥护拦上按2米间隔设置12个，模拟小流域内山脊处设置6个，以保证每个像对不少于6个像控点。控制测量采用2′′级高精度电子经纬仪完成。低空近景摄影测量是在模型周围搭起10m×7m×9m的低空摄影架上方，用钢管搭建临时摄影专用轨道，采用SMK-120立体摄影测量仪正直拍摄，完成像对处理后，使用JX4全数字摄影测量工作站完成模型的数据采集工作，构成不规则三角网，再内插生成GRID格式的DEM数据。DEM数据主要技术指标为：比例尺1:20，DEM格网大小为10mm，高程中误差≤2mm。

（3）实验结果与分析

图12.5 1～9期模拟流域DEM（光照晕渲图）

　　获得9期不同时段的数字高程模型，在ARCGIS 8.3软件平台上，生成模拟小流域不同发育时期的立体模型，见图12.5。该9期地形模型再现了原始坡面在降雨的侵蚀作用下，由初始的缓坡状态，发育为地形破碎、沟壑纵横的侵蚀地貌景观渐进的演化过程。

　　地貌发育形态
　　根据W.M.Davis等人地形发育阶段定量划分理
　　论：面积高程积分值>60%时为幼年期地形，60%>面积高程积分值>35％时为壮年期地形，面积高程积分值<35%时为晚年期地形。
　　主沟和各支沟的沟头溯源后退、沟长增加、沟壁横向扩展、沟谷变宽、河床下切和沟谷深度增加。主沟和各级支沟发育的空间形态存在较大差别且局部变化非常复杂和极不规则。
　　沟缘线和沟谷线的发育特征
　　从图12.6显示沟沿线发育变化的过程与规律。从第一期到第九期，随着流水侵蚀的加强，溯源侵蚀加剧，沟谷不断扩展，沟沿线的曲折度增加，其空间形态由初期的多小弯曲不规则曲线，甚至支沟上部尚未形成明显的陡坎状沟沿，逐渐发育成较为光滑的多弯曲曲线形态。沟底线基本上呈现出围绕发育相对稳定期(第8、9期)沟底线的位置左右摆动变化，由不稳定逐步趋于稳定。同样的规律也可从图12.8沟谷水系的发展明显看出，沟谷不断伸展。

　　随着黄土地貌的发育，沟沿线长度不断增加，同时其面积也不断增大，说明沟谷在不断扩展。圆度率是指沟沿线包含的面积除以与沟沿线同样周长的圆面积。其数学形式如下： C＝Ab/Ac （12.2）
式中 C为圆度率；Ab为流域面积； Ac为与流域同样周长的圆面积。若这个值越接近于1则表明形状越接近于园的形状，曲线形状越简单，否则，曲线形状越不规则。从表中数据可知，随着地貌逐渐发育，长度与面积比值逐渐增大，说明沟谷形成的弯曲程度逐渐增强，即越到后期，沟沿线形状的越圆滑。
　　主沟的变化特征
　　图12.7为主沟线的剖面线，它反映在地貌演变过程中主沟下切的变化程度。可以看出，降雨作用下土壤侵蚀所导致的地表物质再分配是小流域模型地貌空间形态发育的主要原因，其中处于小流域模型沟缘陡峭部位的重力侵蚀占据主导地位。由这些图可以看出，流域模型地貌发育初期时段和发育活跃期时段，是主支沟下切最剧烈的时期，沟床起伏不平且多发育陡坎，河床的下切速度非常快。发育稳定时期，主沟的下切减缓。从下切的方式来看，并非在流水作用下整体下切，而主要以陡坎溯源的形式来实现。

　　该实验及结果显示：
　　近景摄影测量等方法所建立的高精度大比例尺DEM，在地学分析中可发挥重要的作用；
　　同地区不同时段的DEM在地形地貌的发展变化规律研究中可获得定性、定量及可视化的模拟结果；

来源： http://kc.njnu.edu.cn/dky/nb/page/2000-6-6/2000661942328030.htm

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