地球信息科学学报 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (3): 442-451.doi: 10.12082/dqxxkx.2020.190555
曹建军1,2,*(), 汤国安2, 方炫1,2, 刘永娟1, 那嘉明2, 朱莹1, 李金莲1
收稿日期:
2019-09-27
修回日期:
2019-12-08
出版日期:
2020-03-25
发布日期:
2020-05-18
作者简介:
曹建军(1976— ),男,陕西延安人,博士后,主要从事地形空间关系研究。E-mail:jjcao@njnu.edu.cn
基金资助:
CAO Jianjun1,2,*(), TANG Guoan2, FANG Xuan1,2, LIU Yongjuan1, NA Jiaming2, ZHU Ying1, LI Jinlian1
Received:
2019-09-27
Revised:
2019-12-08
Online:
2020-03-25
Published:
2020-05-18
Contact:
CAO Jianjun
Supported by:
摘要:
黄土高原不同地貌类型对应的地形起伏变化特征各不相同,地形起伏在不同方向上的变化特征具有很大差异性,即地形各向异性。本文引入多重分形谱参数描述不同地貌类型地形各向异性的变化规律,以反映不同黄土地貌地形各向异性的局部和整体变化格局。本研究以5 m分辨率的DEM数据为基础,选取淳化、甘泉、绥德3个典型黄土塬梁峁地貌类型研究样区,对其地形各向异性的变化特征进行分析。研究表明:①3种黄土地貌类型地形各向异性变化具有显著的多重分形特征,地形各向异性变化的奇异强度由强到弱依次为淳化、绥德、甘泉;②淳化样区地形各向异性奇异强度在1.4的概率最大,在奇异强度为2.2附近又有一个小的峰值,总体以奇异强度1.4为主;③甘泉样区的奇异强度在1.8有一个小的峰值,总体以奇异强度0.7为主;④绥德样区奇异强度为0.8的概率最大,且较为均匀地分布在0.8附近,地形各向异性的概率分布呈现为对称分布。研究结果为黄土塬梁峁地形各向异性变化奇异强度为黄土塬最大,黄土峁次之,黄土梁最小。该研究可为黄土地貌的精确分类提供定量信息支持,为区域水土侵蚀评价提供地形指标。
曹建军, 汤国安, 方炫, 刘永娟, 那嘉明, 朱莹, 李金莲. 基于地形剖面的黄土塬梁峁地形各向异性奇异强度研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 442-451.DOI:10.12082/dqxxkx.2020.190555
CAO Jianjun, TANG Guoan, FANG Xuan, LIU Yongjuan, NA Jiaming, ZHU Ying, LI Jinlian. Study on the Singularity Strength of Topographic Anisotropy of Loess Tableland, Ridge, Hill in Loess Plateau based on Terrain Profile[J]. Journal of Geo-information Science, 2020, 22(3): 442-451.DOI:10.12082/dqxxkx.2020.190555
表1
研究样区地形各向异性MF-DFA分析参数
研究样区 | 剖面编号 | 波动阶数 | 质量指数 | 奇异指数 | 分形维数 | 赫斯特指数 | 奇异强度 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
淳化 | 1(东方向) | -5 | -12.5525 | 2.4748 | 0.1787 | 2.3105 | 1.5594 |
0 | -1 | 1.7651 | 1 | 1.8008 | |||
5 | 4.1856 | 0.9154 | 0.3913 | 1.0371 | |||
9(北方向) | -5 | -12.0216 | 2.3706 | 0.1686 | 2.2043 | 1.3519 | |
0 | -1 | 1.5347 | 1 | 1.5633 | |||
5 | 4.6423 | 1.0186 | 0.4510 | 1.1285 | |||
17(西方向) | -5 | -12.5910 | 2.5003 | 0.0893 | 2.3182 | 1.1683 | |
0 | -1 | 1.7889 | 1 | 1.8079 | |||
5 | 6.1382 | 1.3320 | 0.5221 | 1.4276 | |||
25(南方向) | -5 | -12.9688 | 2.6012 | -0.0370 | 2.3938 | 1.4984 | |
0 | -1 | 1.6622 | 1 | 1.6915 | |||
5 | 4.9918 | 1.1027 | 0.5219 | 1.1984 | |||
甘泉 | 1(东方向) | -5 | -9.6280 | 1.9154 | 0.0511 | 1.7256 | 0.7454 |
0 | -1 | 1.2390 | 1 | 1.2431 | |||
5 | 4.9730 | 1.1700 | 0.8769 | 1.1946 | |||
9(北方向) | -5 | -11.8572 | 2.3967 | -0.1262 | 2.1714 | 1.4216 | |
0 | -1 | 1.4349 | 1 | 1.4527 | |||
5 | 4.5126 | 0.9706 | 0.3403 | 1.1025 | |||
17(西方向) | -5 | -11.1124 | 2.2205 | 0.0098 | 2.0225 | 0.9254 | |
0 | -1 | 1.5057 | 1 | 1.5120 | |||
5 | 5.8723 | 1.2951 | 0.6034 | 1.3745 | |||
25(南方向) | -5 | -10.9682 | 2.1815 | 0.0609 | 1.9936 | 0.8208 | |
0 | -1 | 1.6014 | 1 | 1.6091 | |||
5 | 6.1585 | 1.3606 | 0.6445 | 1.4317 | |||
1(东方向) | -5 | -9.5202 | 1.8849 | 0.0957 | 1.7040 | 0.7132 | |
0 | -1 | 1.3744 | 1 | 1.3795 | |||
5 | 5.2177 | 1.1717 | 0.6410 | 1.2435 | |||
绥德 | 9(北方向) | -5 | -9.5046 | 1.9024 | 0.0076 | 1.7009 | 0.9605 |
0 | -1 | 1.2206 | 1 | 1.2294 | |||
5 | 4.1827 | 0.9419 | 0.5269 | 1.0365 | |||
17(西方向) | -5 | -10.1930 | 2.0422 | -0.0181 | 1.8386 | 1.0032 | |
0 | -1 | 1.2235 | 1 | 1.2306 | |||
5 | 4.5034 | 1.0391 | 0.6919 | 1.1007 | |||
25(南方向) | -5 | -9.9855 | 1.9817 | 0.0769 | 1.7971 | 0.8563 | |
0 | -1 | 1.3785 | 1 | 1.3857 | |||
5 | 5.0525 | 1.1255 | 0.5747 | 1.2105 |
[1] | 徐双, 李飞雪, 刘爱利 . 典型黄土地貌高程空间变异性研究[J]. 水土保持研究, 2014,21(5):1-6. |
[ Xu S, Li F X, Liu A L . Research on spatial variability of elevation in typical loess landform[J]. Research of soil and water conservation, 2014,21(5):1-6. ] | |
[2] | 刘双琳, 李发源, 蒋如乔 , 等. 黄土地貌类型的坡谱自动识别分析[J]. 地球信息科学学报, 2015,17(10):1234-1242. |
[ Liu S L, Li F Y, Jiang R Q , et al. A method of loess landform automatic recognition basedon slope spectrum[J]. Journal of Geo-information Science, 2015,17(10):1234-1242. ] | |
[3] | 薛凯凯, 熊礼阳, 祝士杰 , 等. 基于DEM的黄土崾岘提取及其地形特征分析[J]. 地球信息科学学报, 2018,20(12):1710-1720. |
[ Xue K K, Xiong L Y, Zhu S J , et al. Extraction of loess dissected saddle and its terrain analysis by using digital elevation models[J]. Journal of Geo-information Science, 2018,20(12):1710-1720. ] | |
[4] | 段家朕, 熊礼阳, 汤国安 . 基岩露头采样密度对黄土古地形重建的影响[J]. 地球信息科学学报, 2016,18(4):461-468. |
[ Duan J Z, Xiong L Y, Tang G A . Effect of outcrop sampling density on the underlying terrain reconstruction[J]. Journal of Geo-information Science, 2016,18(4):461-468. ] | |
[5] | 汤国安, 李发源, 熊礼阳 . 黄土高原数字地形分析研究进展[J]. 地理与地理信息科学, 2017,33(4):5-11. |
[ Tang G A, Li F Y, Xiong L Y . Progress of digital terrain analysis in the Loess Plateau of China[J]. Geography and Geo-information science, 2017,33(4):5-11. ] | |
[6] | 汤国安 . 我国数字高程模型与数字地形分析研究进展[J]. 地理学报, 2014,69(9):1305-1325. |
[ Tang G A . Progress of DEM and digital terrain analysis in China[J]. Acta GeographicaSinica, 2014,69(9):1305-1325. ] | |
[7] | 汤国安, 那嘉明, 程维明 . 我国区域地貌数字地形分析研究进展[J]. 测绘学报, 2017,46(10):372-393. |
[ Tang G A, Na J M, Cheng W M . Progress of digital terrain analysis on regional geomorphology in China[J]. Acta Geodaetica et CartographicaSinica, 2017,46(10):372-393. ] | |
[8] | Tang G A, Li F Y, Liu X J , et al. Research on the slope spectrum of the Loess Plateau[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2008,51(1Supplement):175-185. |
[9] | 卢昱铭, 乔雪丽, 吴佳琪 . 地形空间频率层次性及其空间分异性研究——以黄土高原丘陵沟壑区为例[J]. 地下水, 2018,40(1):155-157. |
[ Lu Y M, Qiao X L, Wu J Q . Research on the spatial hierachical frequency and variability of topography: A case study of the gully area of the Loess Plateau[J]. Groundwater, 2018,40(1):155-157. ] | |
[10] | 仝迟鸣, 周成虎, 程维明 . 基于DEM的黄土塬形态特征分析及发育阶段划分[J]. 地理科学进展, 2014,33(1):42-49. |
[ Tong C M, Zhou C H, Cheng W M . Morphological characteristics and developmental stages of loess tablelands based on DEM[J]. Progress in Geography, 2014,33(1):42-49. ] | |
[11] | 朱洪芬, 南锋, 徐占军 . 黄土高原盆地土壤有机质与影响因子的空间多尺度关系[J]. 生态学报, 2017,37(24):8348-8360. |
[ Zhu H F, Nan F, Xu Z J . Multi-scale spatial relationships between soil organic matter and influencing factors in basins of the Chinese Loess Plateau[J]. Acta Ecological Sinica, 2017,37(24):8348-8360. ] | |
[12] | 张苏 . 基于遥感纹理的黄土地貌景观图谱研究-以陕北黄土高原为例[D]. 西安:西北大学 2017. |
[ Zhang S . Study on Geo-Info Tupu of loess landform landscape based on remote sensing texture-Takingthe Loess Plateau in northern Shaanxi as an example [D]. Xi'an: Northwest University, 2017. ] | |
[13] | 刘逸文, 熊礼阳, 方炫 . 黄土地貌地形特征点格局研究[J]. 地理与地理信息科学, 2017,33(4):35-41. |
[ Liu Y W, Xiong L Y, Fang X . Pattern analysis of terrain feature points of Loess topography[J]. Geography and Geo-information science, 2017,33(4):35-41. ] | |
[14] | 张磊 . 基于核心地形因子分析的黄土地貌形态空间格局研究[D]. 南京:南京师范大学, 2013. |
[ Zhang L . Study on the spatial pattern of loess geomorphology based on the analysis of core topographic factors[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2013. ] | |
[15] | 李阳, 周毅, 雷雪 , 等. 基于流域单元的黄土地貌正负地形因子量化关系模拟[J]. 干旱区资源与环境, 2019,33(7):78-84. |
[ Li Y, Zhou Y, Lei X . Simulation of quantitative relationship between positive and negative topographic factors of loess based on catchment unit[J]. Journal of Arid land resources and environment, 2019,33(7):78-84. ] | |
[16] | 周毅 . 基于DEM的黄土高原正负地形及空间分异研究[D]. 南京:南京师范大学, 2011. |
[ Zhou Y . DEM based research on positive-negative terrains and their spatial variation on Loess Plateau[D]. Nanjing:Nanjing Normal University, 2011. ] | |
[17] | Zhou Y, Tang G A, Yang X , et al. Positive and negative terrains on northern Shaanxi Loess Plateau[J]. Journal of Geographical Sciences, 2010,20(1):64-76. |
[18] | 张佳瑞, 王金满, 祝宇成 . 分形理论在土壤学应用中的研究进展[J]. 土壤通报, 2017,48(1):221-228. |
[ Zhang J R, Wang J M, Zhu Y C . Application of fractal theory on pedology:a review[J]. Chinese Journal of soil science, 2017,48(1):221-228. ] | |
[19] | 孙斌, 姚海涛 . 风电场风速时间序列的多重分形去趋势波动分析[J]. 电工技术学报, 2014,29(6):204-210. |
[ Sun B, Yao H T . Multi-fractal detrended fluctuation analysis of wind speed time series in wind farm[J]. Transactions of China electrotechnical society, 2014,29(6):204-210. ] | |
[20] | 陈晓娜 . 股票收益率序列的多重分形特征分析[J]. 淮北师范大学学报(自然科学版), 2014,2:27-32. |
[ Chen X N . Multifractal analysis of stock returns[J]. Journal of Huaibei Normal University(naturalscienceedition), 2014,2:27-32. ] | |
[21] | 张翔, 丁勇, 刘小峰 . MF-DFA在癫痫发作期及发作强度检测中的应用[J]. 数据采集与处理, 2013,28(5):664-671. |
[ Zhang X, Ding Y, Liu X F . Detection of Seizure timecourse and index of Seizure intensity with Multifractal detrended fluctuation analysis[J]. Journal of Data Acquisition & Processing, 2013,28(5):664-671. ] | |
[22] | 张捷, 包浩生 . 分形理论及其在地貌学中的应用-分形地貌学研究综述及展望[J]. 地理研究, 1994,13(3):104-112. |
[ Zhang J, Bao H S . Fractal geomorphology-review and propect[J]. Geographical research, 1994,13(3):104-112. ] | |
[23] |
Peng C K, Buldyrev S V, Havlin S , et al. Mosaic organization of DNA nucleotides[J]. Physical review, 1994,49(2):1685.
doi: 10.1103/physreve.49.1685 pmid: 9961383 |
[24] | Kantelhardt J W, Zschiegner S A, Koscielny-Bunde E , et al. Multifractal detrended fluctuation analysis of nonstationary time series[J]. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 2002,316(1-4):87-114. |
[25] | Roy S G, Koons P O, Osti B , et al. Multi-scale characterization of topographic anisotropy[J]. Computers & geosciences, 2016,90:102-116. |
[26] | Houser C, Bishop M, Wernette P . Multi-scale topographic anisotropy patterns on a Barrier Island[J]. Geomorphology, 2017,297:153-158. |
[1] | 陈凯, 雷少华, 代文, 王春, 刘爱利, 李敏. 基于开源数据和条件生成对抗网络的地形重建方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(2): 252-264. |
[2] | 丁小花, 王琤, 席俊杰, 王朝, 岳程瑜, 张青峰. 黄土高原地貌类型界线划定研究进展[J]. 地球信息科学学报, 2022, 24(7): 1219-1233. |
[3] | 林偲蔚, 陈楠, 刘奇祺, 贺卓文. 基于DEM小流域复杂网络的黄土高原地貌自动识别研究[J]. 地球信息科学学报, 2022, 24(4): 657-672. |
[4] | 贺卓文, 陈楠. 复杂网络理论在黄土高原沟谷地貌特征研究中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(7): 1196-1207. |
[5] | 蒋圣, 汤国安, 杨昕, 熊礼阳, 钱程扬. 基于DEM的黄土高原地形纹理概念模型[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(6): 959-968. |
[6] | 孙定钊, 梁友嘉. 基于改进Markov-CA模型的黄土高原土地利用多情景模拟[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(5): 825-836. |
[7] | 熊礼阳, 汤国安. 黄土高原沟谷地貌发育演化研究进展与展望[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 816-826. |
[8] | 蔡顺, 耿豪鹏, 郑炜珊, 潘保田. 基于傅里叶变换的谷间距特征信息提取及其影响因素研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 399-409. |
[9] | 雷雪, 周毅, 李阳, 王泽涛. 基于DEM的黄土地貌逼近度因子构建及特征分析[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 431-441. |
[10] | 曹泽涛, 方子东, 姚瑾, 熊礼阳. 基于随机森林的黄土地貌分类研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 452-463. |
[11] | 顾文亚, 孟祥瑞, 朱晓晨, 邱新法. 基于BEMD分解的地貌分类研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 464-473. |
[12] | 薛凯凯, 熊礼阳, 祝士杰, 汤国安. 基于DEM的黄土崾岘提取及其地形特征分析[J]. 地球信息科学学报, 2018, 20(12): 1710-1720. |
[13] | 赵宇鸾, 李秀彬, 张颖. 黔桂喀斯特山地与山区类型划分技术与应用[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(7): 934-940. |
[14] | 代文, 那嘉明, 杨昕, 曹建军. 于DEM光照晕渲模拟的梯田自动提取方法[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(6): 754-762. |
[15] | 齐文娟, 杨晓梅. 江西省都昌县山地与平原植被界线提取[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(4): 559-569. |
|