黄土丘陵区发育活跃期切沟形态特征与转换模型研究

发布时间：2017-06-21 15:21

  本文关键词：黄土丘陵区发育活跃期切沟形态特征与转换模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：研究发育活跃期的切沟侵蚀形态特征对深化侵蚀过程有重要意义,也为流域侵蚀预报及其侵蚀防治提供重要的理论依据。精确的切沟形态特征可由高分辨率DEM提取得到,但高分辨率DEM很难获取,易于获取的DEM精度又很难达到提取切沟形态特征的要求。本文在黄土高原丘陵区岔巴沟流域选取31条典型活跃切沟,基于5 m分辨率的DEM数据和三维激光扫描技术建立的0.1 m高分辨率DEM数据,提出了基于DEM的切沟形态特征提取方法,探讨了岔巴沟流域切沟形态的空间分布特征并构建切沟体积模型,对比了两种分辨率DEM提取切沟形态特征的差异,并建立了高低分辨率DEM提取切沟形态特征参数的转换模型,并对转换模型的普适性进行验证。主要研究结论如下:(1)分析了三维激光扫描技术提取切沟形态特征参数的精度。结果表明,基于三维激光扫描技术生成的0.1 m高分辨率DEM提取的切沟长度、宽度和深度与手工测量得到的切沟形态特征没有显著性差异。说明三维激光扫描技术获取的高精度DEM可以准确提取切沟形态特征,弥补了野外危险地形条件下用其他方法难以监测的不足。(2)建立切沟形态特征提取方法。基于河网提取理论,在ArcGIS环境下研究了基于DEM切沟形态特征的提取方法,并比较了0.1 m高分辨率与5 m分辨率DEM提取切沟形态特征的差异。结果表明,0.1 m高分辨率DEM和5 m分辨率DEM提取的切沟长度之间无显著差异,而切沟宽度、深度、表面积和体积之间有显著差异。因此,以0.1 m高分辨率DEM提取的切沟形态特征参数作为基准,建立5 m分辨率DEM提取的切沟形态特征参数的转换模型很有必要。(3)分析了研究区切沟形态的空间分布特征并构建切沟体积估算模型。选取三个基本形态特征指标(切沟长度、宽度和深度)和五个切沟形态特征衍生指标(切沟宽深比、底宽顶宽比、沟头曲率、表面积和切沟体积),剖析了黄土丘陵区切沟形态特征的空间变化。流域内发育活跃期切沟长度介于50~70 m,切沟宽度介于10~20 m,切沟深度介于5~10 m。切沟长度和宽度从流域上游到下游依次减小,而切沟深度在下游最大。沟头曲率从上游到下游依次增加,且随着切沟级别增加而增加。切沟底宽顶宽比和切沟宽深比从上游到下游均逐渐减小,切沟底宽顶宽比在二级切沟较高,而切沟宽深比在二、三级切沟较高。V型断面多出现在流域下游和切沟下部,而U型断面在流域上部也就是沟头处较多,流域中游的切沟或者切沟中部的断面形态是过渡形式。因此,流域尺度和单条切沟尺度上的切沟断面形态相似,即切沟断面形态具有自相似性。通过切沟形态特征指标间的皮尔逊相关分析,切沟长度、宽度、深度和切沟表面积与体积有极显著的相关关系。因此,本研究建立了基于切沟长度和切沟表面积的体积估算模型,可用于简单的估算切沟侵蚀量。(4)建立了0.1 m高分辨率DEM与5 m分辨率DEM提取的切沟形态特征参数的转换模型。模型验证结果表明,切沟宽度、表面积和体积转换模型的相关系数均大于0.6,模型有效性系数均大于0.5,说明三个模型的模拟精度均达到了可接受范围。为检验该模型的普适性,用纸坊沟流域监测得到的切沟形态对三个模型进行了验证,切沟宽度和表面积转换模型的模拟精度均可接受,为研究黄土丘陵区沟蚀特征提供了重要方法和手段。
【关键词】：三维激光扫描技术 切沟形态特征 空间分布 转换模型 黄土丘陵区
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究背景和意义14-15
• 1.2 国内外研究进展15-22
• 1.2.1 切沟侵蚀机理15-17
• 1.2.2 切沟侵蚀监测方法17-18
• 1.2.3 切沟形态特征提取18-19
• 1.2.4 切沟侵蚀预报模型的研究19-20
• 1.2.5 切沟形态特征尺度转化模型的研究20
• 1.2.6 目前研究存在的主要问题及建议20-22
• 第二章 研究内容与方法22-29
• 2.1 研究目标与研究内容22-23
• 2.1.1 研究目标22
• 2.1.2 研究内容22-23
• 2.2 技术路线23-24
• 2.3 研究方法24-26
• 2.3.1 研究区概况24-25
• 2.3.2 典型切沟选择25-26
• 2.3.3 数据来源26
• 2.4 切沟形态指标选取26-28
• 2.5 数据处理与分析28-29
• 第三章 三维激光扫描技术的原理及其量测切沟的方法29-39
• 3.1 三维激光扫描技术的原理及特点29-31
• 3.1.1 三维激光扫描技术的原理29-31
• 3.1.2 三维激光扫描技术的特点31
• 3.2 LEICA SCANSTATION2的特点31-32
• 3.3 三维激光扫描技术动态监测切沟的流程和方法32-35
• 3.3.1 外业数据采集33-34
• 3.3.2 内业数据处理34-35
• 3.4 三维激光扫描技术监测沟蚀的可行性与精度分析35-38
• 3.4.1 切沟形态特征提取的误差分析37-38
• 3.4.2 提高切沟形态特征提取精度的建议38
• 3.5 小结38-39
• 第四章 基于DEM的切沟形态特征提取方法研究39-45
• 4.1 数据预处理39-42
• 4.1.1 洼地填充40-41
• 4.1.2 水流方向的确定41
• 4.1.3 汇流阈值的确定41-42
• 4.2 切沟形态特征参数的提取42-44
• 4.2.1 切沟长度的提取42
• 4.2.2 切沟宽度和深度的提取42-43
• 4.2.3 切沟表面积的提取43
• 4.2.4 切沟体积的提取43-44
• 4.3 小结44-45
• 第五章 切沟形态的空间分布特征与体积估算模型45-56
• 5.1 切沟基本形态特征的空间分布45-47
• 5.2 切沟衍生形态特征的空间分布47-51
• 5.2.1 切沟沟头形态特征47-49
• 5.2.2 切沟断面形态特征49-51
• 5.3 切沟形态特征指标间的相关关系51-52
• 5.4 基于切沟长度和表面积估算切沟体积的模型构建52-55
• 5.5 小结55-56
• 第六章 基于不同分辨率DEM构建切沟形态特征参数尺度转换模型56-61
• 6.1 0.1 m高分辨率与 5 m分辨率DEM提取切沟形态特征参数的对比56-57
• 6.2 切沟形态特征参数转换模型的建立57-58
• 6.3 转换模型验证58-59
• 6.4 转换模型普适性检验59-60
• 6.5 小结60-61
• 第七章 主要结论与展望61-64
• 7.1 主要研究结论61-63
• 7.1.1 利用三维激光扫描技术动态监测沟蚀及其精度分析61
• 7.1.2 建立了切沟形态特征提取方法61-62
• 7.1.3 探讨了切沟形态的空间分布特征62-63
• 7.1.4 建立了不同分辨率DEM提取的切沟形态特征尺度转换模型63
• 7.2 主要创新点63
• 7.3 研究展望63-64
• 参考文献64-70
• 致谢70-71
• 作者简介71

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