基于DEM的元谋冲沟坡度算法及其对土壤侵蚀模拟的影响

发布时间：2020-08-08 17:04

【摘要】：土壤侵蚀危害严重,直接影响和制约着人类生存、社会稳定和经济发展。元谋干热河谷区属于我国西南部生态脆弱区,冲沟侵蚀是该区特别典型的土壤侵蚀形式。元谋干热河谷区分布有大量侵蚀冲沟,水土流失严重,强烈的土壤侵蚀和干热的气候条件导致其生态环境严重退化,土地贫瘠,地表出露。前人对于元谋干热河谷冲沟的研究,多集中于冲沟形态特征、侵蚀过程、岩土性质、植被特征以及降水特性等方面,对于坡度等地形因子的研究相对而言还可进一步挖掘。本研究选取位于元谋干热河谷区的具有典型冲沟形态和侵蚀特征的侵蚀冲沟作为研究对象,主要采用测量学、地貌学、水文学、统计学以及GIS等技术和方法,对元谋典型冲沟不同坡度算法的差异及其对USPED模型进行冲沟土壤侵蚀模拟结果的影响进行了研究。论文的主要研究内容和研究成果如下:1、于2016年1月和2017年1月对元谋地区冲沟发育聚集区沙地村和金雷村秃秃瘠梁进行实地踏勘,对冲沟主要形态、土壤性质、植被类型、侵蚀特征等进行观察和记录,将具有典型冲沟形态和侵蚀特征的冲沟确定为研究对象,采用三维激光扫描仪、GPS等仪器工具进行测量获取得到冲沟的高精度高程点云数据。2、基于三维激光扫描仪获取的高程数据,基于可视化软件RiSCAN PRO进行点云拼接、植被过滤、点云滤波和精度纠正等数据处理后,采用反距离权重插值法(Inverse distance weight interpolation,IDW)对数据进行内插,最终生成格网大小均为0.05m的四个典型冲沟样区的DEM。3、采用三阶不带权差分(Three-order finite difference,3FD)、三阶反距离平方权差分(Three-order finite difference weighted by reciprocal of squared distance,3FDWRSD)、三阶反距离权差分(Three-order finite difference weighted by reciprocal distance,3FDWRD)以及5节点二阶差分(5-Node second-order finite difference,5N-2FD)等模型分别计算元谋干热河谷冲沟样区的坡度,对不同算法所提取的冲沟坡度进行了对比分析。结果表明,5N-2FD模型所得出的坡度最大值、坡度平均值以及标准差均比其他算法大,相对三阶的坡度算法而言其坡度特征更加复杂。对于基于三阶的三种坡度算法而言,3FDWRSD模型所得结果较接近于5N-2FD模型。4、基于USPED土壤侵蚀模型对元谋干热河谷冲沟样区分别进行沟道侵蚀模拟和坡面侵蚀模拟。结果发现,两种模拟方式模拟冲沟内的潜在土壤沉积量和侵蚀量均在主要水流路径上聚集分布,其土壤侵蚀总面积均大于土壤沉积总面积。5、探讨了在采用不同算法计算坡度的情况下冲沟沟道侵蚀模拟和坡面侵蚀模拟结果的差异性。结果表明,5N-2FD模型所得侵蚀量和沉积量远大于基于三阶的坡度算法模型。基于5N-2FD模型进行土壤侵蚀模拟所得结果内部差异较大,与坡度算法对比分析结果相似。根据相对差系数结果,在沙地村冲沟样区,从侵蚀量来看,以5N-2FD模型为相对参照时,3FD模型与5N-2FD模型整体差异较小,从沉积量上看,3FDWRSD模型与5N-2FD模型整体差异较小;在秃秃瘠梁冲沟样区,3FDWRSD模型与5N-2FD模型差异均最小。6、综合坡度算法对比分析结果和USPED土壤侵蚀模拟对比分析结果,当以5N-2FD模型为参照时,3FDWRSD模型与5N-2FD模型所得结果最接近。将3FDWRSD模型与5N-2FD模型的USPED土壤侵蚀模拟结果进行了回归分析,结果表明,二者所得土壤侵蚀模拟结果具有显著的线性相关关系。
【学位授予单位】：西华师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S157.1
【图文】：

研究区地理位置

进行扫描获取高程信息数据(如图 2-3)，在测量过程中，为了获取到尽可能精地形数据，测量时对冲沟内的植被进行了清理，并且充分考虑冲沟的主要形征和内部细节特征，因此沙地村冲沟样区几乎无植被覆盖，秃秃脊冲沟内分少量草被。根据所选冲沟的差异特征，每个冲沟样区约设置 8~12 个扫描站点多角度扫描，确保获取能够尽量精确地表达冲沟形态的较为完整的精密高程数据。采集到冲沟高程点云数据后，使用三维激光扫描仪可视化 RiSCAN P件进行后期数据处理，经过多站点点云数据拼接、点云配准、数据去噪、植滤、点云抽稀等处理过程，最终将采样数据处理为研究所需冲沟范围并可rcGIS 平台中处理和分析的高精度高程采样点。

arctanyxfAf 表示东西方向的高程变化率，fy表示为南北方向的高程变化不同坡度算法的差异，实验分别选择了三阶不带权差分（Tnce，3FD）、三阶反距离平方权差分（Three-order finite reciprocal of squared distance ， 3FDWRSD ）、三阶反距er finite difference weighted by reciprocal distance，3FDWRD）5-Node second-order finite difference，5N-2FD）[33]等四种不度计算。在四种坡度模型中，3FD 模型、3FDWRSD 模型和 于 3×3 的局部栅格窗口（即基于三阶）进行坡度计算，如图进行编号，其中心栅格单元（即需计算坡度的栅格单元）为 5N-2FD 模型是基于 5×5 的局部栅格窗口（即基于五阶）进4(b)，其中 13 为中心栅格单元（即需计算坡度的栅格单元），坡度算法中的 fx和 fy的数学模型如表 2-1 所示[28]。

【参考文献】

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本文编号：2785848