基于DEM的黄土沟谷地貌演化空代时研究

论文摘要

地貌学研究的其中一个重要手段就是类比分析,环境条件相似的不同区域的地貌,以及相同地貌类型所指示的相似环境条件之间的类比,都为地貌发育规律的认识提供了有效的手段。而地貌学空代时（Space-for-time substitution in geomorphology）则另辟蹊径,是一种在时间和空间序列发展趋势上相互演替、相互预测的方法。虽然前人已经基于地貌学空代时的研究方法进行了一些研究,然而,作为一种被学界初步认知的研究方法,还有诸多亟待深入研究的科学问题:尚未系统了解地貌演化过程中时空演替的成因机制,尚不明确地貌学空代时方法的适用条件及影响因素,尚未提出基于空代时方法的地貌演化基本研究范式,也正是因为如此,地貌学空代时方法尚不能成为地貌学的基础理论;此外,由于实验样区本身的限制,基于空代时方法的地貌演化研究所涉及的空间范围往往较小,还未在较大的尺度上验证空间代替时间在地貌发展过程中的正确性;研究所得到的地貌演化模型多为定性描述的概念模型,且普遍缺乏模型的评价过程。本文首先对研究中所涉及到的研究理论与方法的框架进行了系统探讨,阐释了地貌学空代时理论与方法的研究框架。包括地貌学空代时的基本概念、基本原理、应用条件、类型划分,讨论了应用地貌学空代时进行地貌演化研究的基本研究范式。进而基于数字地形分析方法,以黄土高原,特别是其中多级典型流域为实验样区,高精度多尺度数字高程模型（DEM）为基本信息源,研究基于地貌学空代时的黄土沟谷地貌演化的新方法,获得了对黄沟谷地貌演化模式的新认识。论文主要的研究内容和结论如下:1.建立了地貌学空代时理论与方法的研究框架。包括地貌学空代时的基本概念、基本原理、应用条件、类型划分,并讨论了应用地貌学空代时进行地貌演化研究的基本研究范式,为后续研究提供了方法论基础。2.以不同的汇流阈值提取研究样区的沟谷网络作为分析层级和对象层级,并以主沟谷长度作为遍历性指标分别从葫芦河流域和韭园沟流域挑选出20个和10个小流域作为研究对象。通过计算并分析其沟壑密度、面积高程积分值、地表粗糙度和主沟支沟比等指标,表明在区域尺度上,不同主沟谷长度的黄土小流域能够在一定程度上反映黄土小流域在时间上的发育演化特征,表现出时空演替特征,较小区域尺度上黄土小流域的时空演替特征相比于较大区域尺度的更为明显,表明随着研究样区空间尺度的越大,时空演替特征越不明显。3.以黄土沟谷地貌发育过程中沟谷的演化为研究对象,以沟谷横剖面特征为切入点,提取了自沟谷源点至沟口不同空间位置的主沟谷横剖面,并通过计算河谷宽高比值得出了黄土沟谷发育过程中沟谷横剖面的变化特征,进而通过与已有的经典河流地貌发育演化模型以及基人工降雨条件下的模拟小流域的结果进行对比,分析了黄土沟谷发育过程中出现的时间和空间演变过程,发现其时、空演替过程可以相互替代,从而证实了空代时假说的存在性,为空代时假说提供了新的证据。4.阐述了黄土勺状沟壑这一特殊的沟壑形态,包括形态特征、汇流关系、区域差异以及侵蚀过程。其次,选取沟道长度作为遍历性指标,以此为基础,基于高精度遥感影像及DEM,挑选出两个样区共8条平行分布于坡面之上的黄土勺状沟壑作为研究对象。接着计算这8条勺状沟壑的相关形态学及侵蚀学指标,通过分析其变化特征,并与已有的沟谷发育模式进行比较,从而确定了地貌学空代时应用于黄土勺状沟壑发育的正确性。最后,基于空代时理论,结合野外调查,提出了黄土勺状沟壑的发育模式,即从水涮窝或陷穴开始,经过流水侵蚀、重力崩塌及潜蚀作用,导致沟谷长度、宽度、及深度不断增加,最终与坡底冲沟相连。黄土勺状沟壑可以认为是一种切沟的特殊初始形态。论文的创新点总结为:提出了基于地貌学空代时的地貌演化研究理论与方法框架,包括基本概念、基本原理、应用条件、类型划分,并在此基础上提出了相应的研究范式。这些研究成果的提出对于更加深入理解地貌发育演化的规律具有积极意义,同时也是对于地貌学基础理论与分析方法的创新性探索。基于地貌学空代时理论与方法的黄土沟谷地貌演化研究,从一个全新的角度深入分析黄土沟谷地貌特征及其发育演化规律。研究所得到黄土沟谷地貌发育演化规律,对于揭示黄土高原地貌形成内外动力机制具有重要的科学意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 问题的提出
•   1.2 研究意义
•   1.3 研究综述
•     1.3.1 地貌演化相关研究
•     1.3.2 基于空代时方法的地貌演化研究
•     1.3.3 黄土地貌发育演化相关研究
•     1.3.4 DEM数字地形分析相关研究
•     1.3.5 问题分析与讨论
•   1.4 研究目标与内容
•     1.4.1 研究目标
•     1.4.2 研究内容
•   1.5研究方法与技术路线
•     1.5.1 研究方法
•     1.5.2 软件平台
•     1.5.3 研究路线
•   1.6 论文结构
• 第2章 研究基础
•   2.1 研究区域
•   2.2 研究样区
•   2.3 研究数据
•     2.3.1 区域尺度数据
•     2.3.2 小流域尺度数据
•     2.3.3 坡面尺度数据
•   2.4 研究对象
•   2.5 小结
• 第3章 研究理论与方法框架
•   3.1 地貌学空代时基本理论与方法框架
•     3.1.1 基本概念
•     3.1.2 基本原理
•     3.1.3 应用条件
•     3.1.4 类型划分
•     3.1.5 研究范式
•   3.2 小结
• 第4章 区域尺度黄土沟谷发育时空演替特征研究
•   4.1 黄土小流域选取的原则
•   4.2 黄土小流域提取及空代时指标分析
•     4.2.1 沟谷网络及小流域提取
•     4.2.2 空代时指标计算及分析
•   4.3 讨论
•   4.4 小结
• 第5章 小流域尺度黄土沟谷发育时空演替特征研究
•   5.1 小流域沟谷发育的空代时指标
•   5.2 小流域沟谷时空演替特征分析
•   5.3 空代时模型比较分析
•     5.3.1 定性分析比较
•     5.3.2 定量分析比较
•     5.3.3 黄土沟谷发育时空演替特征机理
•   5.4 小结
• 第6章 坡面尺度黄土沟谷发育时空演替特征研究
•   6.1 坡面尺度黄土沟谷对象
•   6.2 黄土勺状沟壑提取
•   6.3 黄土勺状沟壑空代时指标
•   6.4 黄土勺状沟壑时空演替特征分析
•   6.5 黄土勺状沟壑发育时空演替规律
•   6.6 小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 创新点
•   7.3 研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 黄骁力

导师: 汤国安,杨昕

关键词: 地貌学空代时,黄土高原,沟谷地貌,数字地形分析,数字高程模型

来源: 南京师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 南京师范大学

基金: 国家自然科学基金重点资助项目“面向地貌学本源的数字地形分析理论与方法研究”(41930102),国家自然科学基金资助项目“基于空代时的黄土高原黄土地貌演化图谱研究”(41671389),国家自然科学基金资助项目“基于DEM的黄土勺状沟壑发育特征及区域差异性研究”(41771415)

分类号: P931

DOI: 10.27245/d.cnki.gnjsu.2019.002310

总页数: 102

文件大小: 10503k