基于“3S”技术的沟蚀研究方法构建与应用 ——以长江上游长山岭地区为例

论文摘要

冲沟侵蚀是我国长江上游地区最重要的侵蚀过程,是河流泥沙的主要来源。然而,目前国内沟蚀的研究主要集中于黄土高原地区和东北黑土区,而且主要是在较小的空间尺度内,采用实地调查或GPS测量等方法研究沟蚀的发生演变规律。但这些方法有较大的局限性,不能进行大尺度范围的研究。由于沟蚀在中国乃至世界范围内分布广,危害严重,迫切需要建立一种能在较大尺度内快速定量监测和评价沟蚀的研究方法。地理信息系统（Geographical Information System,GIS）、全球定位系统（Global Position System,GPS）和遥感技术（Remote Sensing,RS）,即“3S”技术的发展,为快速定量研究沟蚀发生演变过程提供了可能。本文以冲沟侵蚀广泛分布的长江上游长山岭地区为试验样区,试图建立一种基于“3S”技术研究沟蚀的新方法,并应用此方法研究我国长江上游地区沟蚀的时空分布格局、沟蚀发生的地貌临界条件及其与土地利用变化的关系,所取得的研究结果将为长江上游山地景观土地的合理利用、植被恢复与环境重建提供技术支撑。通过三年的研究工作,获得了如下主要结论: 1.建立了基于RTK-GPS监测技术的DEM提取沟蚀参数的方法。研究认为:（1）RTK-GPS测量技术可以很好地满足冲沟侵蚀研究需要。（2）5m的GPS测量间距是长江上游地区描述地形的理想尺度,可以满足切沟和冲沟研究的需要。当研究对象为细沟、浅沟时,应选择3m及3m以下的测量间距。（3）Kriging插值法是长江上游地区小流域和冲沟系统DEM建立的最佳方法,1m的空间分辨率是长江上游地区描述地形的理想分辨率,可以满足切沟和冲沟的研究需要。（4）基于坡度变异和剖面曲率极值提取冲沟参数方法是可行的,与实测冲沟参数差异较小。 2.通过与基于RTK-GPS监测技术的DEM提取的沟蚀参数比较,研究、评价了航片判读、航片提取DEM和数字化地形图等三种方法提取的沟蚀参数的适用性,引进了确定冲沟沟长和沟谷面积的修正参数。结果表明:（1）基于航片判读提取沟蚀参数是切实可行的,并引进修正参数,Capi.gl=1.16和Capi.ga=1.42用来修正基于航片判读提取的冲沟系统的沟长和沟谷面积。（2）基于航片建立的DEM提取沟蚀参数在理论上是可行的,并引进修正参数,Capdem.gl=1.34和Capdem.ga=1.24用来修正基于航片建立DEM提取的冲沟系统的沟长和沟谷面积。（3）通过数字化马家松坡小流域地形图建立DEM,提取冲沟系统,并与实测冲沟系统进行对比分析,得出数字化地形图提取冲沟参数的方法是切实可行的。并引进修正参数,Cmap.gl=1.51和Cmap.ga=1.47用来修正基于数字化地形图建立DEM法提取的冲沟系统的沟长和沟谷面积。（4）在以沟壑密度作为主要评价因子的沟蚀研究中,航片判读方法较其它两种方法更适合本区域内的沟蚀研究。 3.应用建立的基于RTK-GPS的DEM技术和引进的航片判读修正参数,评价了马家松坡和长山岭地区的冲沟分布格局及其与土地利用变化的关系。结果表明:（1）冲沟体积与沟长、沟谷面积具有非常显著的相关性,与沟宽和沟深相关性较好。（2）马家松坡小流域冲沟系统沟壑密度为6.69km/km2,属于极强度侵蚀。1979～2000年期间,马家松坡小流域因冲沟侵蚀导致的土壤流失量大约为1.65万t,冲沟年平均侵蚀速率为25.59t/ha。（3）长山岭地区面积为799.67ha,沟壑

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外沟蚀研究进展
• 1.2.1 国内外有关沟蚀的概念
• 1.2.2 沟蚀对流域泥沙的贡献量
• 1.2.3 沟蚀研究方法
• 1.2.4 沟蚀起动机理
• 1.2.5 沟蚀模型
• 1.2.5.1 沟头提取及分布
• 1.2.5.2 冲沟系统不同阶段的形态参数
• 1.2.5.3 沟侵蚀量
• 1.2.6 目前研究中存在和尚需加强的问题
• 1.3 研究目的、内容及思路
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 总体设计思路
• 第二章 研究区域
• 2.1 研究区域概况
• 2.2 地形特征
• 2.3 气候
• 2.4 土壤、植被及土地利用
• 第三章 基于RTK-GPS的冲沟监测技术
• 3.1 研究方法
• 3.1.1 RTK-GPS测量技术
• 3.1.2 GPS野外测量
• 3.2 马家松坡小流域冲沟侵蚀现状
• 3.3 合理的GPS测量间距
• 3.3.1 不同尺度DEM的建立
• 3.3.2 不同尺度DEM信息容量对比
• 3.3.2.1 不同尺度DEM提取的地面坡度对比
• 3.3.2.2 不同尺度DEM提取的剖面曲率对比
• 3.3.2.3 不同尺度DEM提取的沟壑密度对比
• 3.3.3 合理的GPS测量间距
• 3.4 小结
• 第四章 基于高精度 DEM提取冲沟参数的方法
• 4.1 DEM的建立方法
• 4.1.1 数字高程模型（DEM）概述
• 4.1.2 DEM数据采集方法
• 4.1.2.1 地面测量
• 4.1.2.2 现有地图数字化
• 4.1.2.3 数字摄影测量方法
• 4.1.3 DEM建立方法的选择
• 4.1.3.1 不规则三角网模型（TIN）法
• 4.1.3.2 带约束条件的Delauney三角网法
• 4.1.3.3 Krising插值法生成 DEM
• 4.1.3.4 DEM建立方法的选择
• 4.2 最佳 DEM的空间分辨率
• 4.2.1 不同空间分辨率DEM的建立
• 4.2.2 不同空间分辨率DEM信息容量对比
• 4.2.2.1 不同空间分辨率DEM提取的地面坡度对比
• 4.2.2.2 不同空间分辨率DEM提取的剖面曲率对比
• 4.2.2.3 不同空间分辨率DEM提取的沟壑密度对比
• 4.2.3 最佳的DEM空间分辨率
• 4.3 小流域冲沟系统 DEM的建立
• 4.4 小流域 DEM的建立
• 4.5 小流域地貌特征提取
• 4.5.1 坡度/坡向
• 4.5.2 地面剖面曲率/平面曲率
• 4.5.3 沟壑密度
• 4.6 DEM提取冲沟系统
• 4.6.1 长江上游地区地貌形态特征
• 4.6.2 沟沿线形态特征及提取依据
• 4.6.3 基于地面坡度变异提取冲沟系统
• 4.6.4 基于剖面曲率极值提取冲沟系统
• 4.7 小结
• 第五章 基于GIS和 RS技术的提取冲沟参数的方法
• 5.1 基于航片判读的冲沟参数提取
• 5.1.1 航片判读方法和步骤
• 5.1.2 基于航片判读的冲沟系统提取
• 5.1.3 基于航片判读提取冲沟参数的方法构建
• 5.2 基于航片建立DEM的冲沟参数提取
• 5.2.1 基于航片建立DEM的方法
• 5.2.2 航片的获取及数字化
• 5.3.3 马家松坡小流域基于航片的DEM建立
• 5.2.4 基于航片建立的的DEM的精度分析
• 5.2.5 基于航片建立DEM的冲沟参数提取
• 5.2.6 基于航片建立DEM的提取冲沟参数的方法构建
• 5.3 基于数字化地形图的冲沟参数提取
• 5.3.1 数字化地形图建立DEM
• 5.3.2 基于数字化地形图建立的DEM的地貌特征比较
• 5.3.3 基于数字化地形图建立DEM的冲沟系统提取
• 5.3.4 基于数字化地形图提取沟蚀参数的方法构建
• 5.4 提取冲沟参数方法的比较与选择
• 5.5 小结
• 第六章 基于“3S”技术沟蚀研究方法的应用-以长山岭地区为例
• 6.1 山地冲沟的分布格局
• 6.1.1 马家松坡小流域的山地冲沟分布格局
• 6.1.1.1 研究方法
• 6.1.1.2 马家松坡小流域山地冲沟的空间分布格局
• 6.1.1.3 马家松坡小流域山地冲沟的时间分布格局
• 6.1.2 长山岭地区山地冲沟的分布格局
• 6.1.2.1 研究方法
• 6.1.2.2 长山岭地区山地冲沟的空间分布格局
• 6.1.2.3 长山岭地区山地冲沟的时间分布格局
• 6.2 土地利用变化对冲沟侵蚀的影响
• 6.3 冲沟发生的地貌临界条件确定
• 6.3.1 沟蚀发生的地貌临界的由来
• 6.3.2 长江上游上游山地冲沟发生的地貌临界
• 6.3.3 长江上游地区山地冲沟的预测与预报
• 6.4 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历