关键词:
正负地形提取
地貌分类
改进地形开度方法
喀斯特区
摘要:
正负地形通过源汇过程对水土资源进行再分配,控制着区域的地形起伏、水土运移和人居环境,进而影响区域发展。结合喀斯特地貌空间特征,提取正负地形,并依据正负地形划分喀斯特地貌类型,阐释喀斯特发育形态特征,对喀斯特区域的水土资源合理分配以及生产可持续发展具有重要的意义。已有研究成果主要关注于正、负地形某一主体提取与应用,对于定量结合喀斯特地貌复杂的空间结构特征提取正负地形的方法有待研究。此外,喀斯特地貌分类研究集中于岩性、构造方面,且数理指标只能反映地貌形态的某一方面属性或信息,对于量化喀斯特地貌形态系统的结构复杂性尚存一定的局限性。
针对喀斯特区正负地形提取及地貌分类问题,选取喀斯特地貌发育最典型、最复杂、景观与生态类型最多的片区—贵州省喀斯特区为研究区,通过野外调查和文献梳理,运用偏最小二乘模型、随机森林模型等方法,改进喀斯特区正负地提取方法,主要开展三方面研究:(1)提取不同喀斯特地貌类型样区的地形因子,分析喀斯特地貌形态;(2)改进已有正负地形提取方法,提取喀斯特区的正负地形,实现喀斯特区正负地形的自动高效、高精度提取;(3)提取喀斯特区的正负地形后,基于正负地形视角划分喀斯特地貌类型,阐释喀斯特地貌发育形态特征。主要结论如下:
(1)不同的喀斯特地貌有不同的发育态势和表面形态。在微观地貌形态总体方面,峰丛洼地样区、喀斯特峡谷样区、喀斯特盆地样区、喀斯特槽谷样区相对于喀斯特高原样区地表起伏趋势较大,形态特征变化明显;在宏观地貌形态总体方面,峰丛洼地样区、喀斯特峡谷样区、喀斯特盆地样区、喀斯特槽谷样区相对于喀斯特高原样区样区的发育态势差异较大,发育显著。微观地形因子与宏观地形因子之间的相关性联系相比较于微观地形因子相互之间的普遍联系更强。侧面说明,喀斯特地貌在发育过程中,地貌发育态势与地貌表面形态有着一定的联系和影响。
(2)不同喀斯特地貌区的最佳地形因子组合不同,运用最佳因子组合改进地形开度法后,提取出的正负地形精度更高。最佳地形因子组合在喀斯特高原为山体阴影和地表切割度,在峰丛洼地为地形起伏度和坡度,在喀斯特峡谷为地形起伏度和坡向,在喀斯特盆地为高程变异系数和山体阴影,在喀斯特槽谷为地表切割度和坡向变率。在5种喀斯特地貌样区,运用最佳因子组合改进地形开度法后,提取的正负地形均有较小的面积误差、栅格偏移率和栅格偏移距离均值。
(3)基于正负地形的视角,运用K均值聚类的随机森林模型,可把喀斯特地貌重新划分类型为高蚕食低深切、中高蚕食中低深切、中蚕食中高深切、中低蚕食中深切、低蚕食高深切5种类型。不同类型地貌在发育演化特征、沟谷深切程度特征方面变化明显。其中,高蚕食低深切类型蚕食度均值为2.9,区间为2.61~3.42,深切度均值为83.46,区间为41.85~130.03;负地形区域对正地形区域侵蚀不断扩大,发育变化较大。中高蚕食中低深切类型蚕食度均值为1.91,区间为1.41~2.36,深切度均值为125.22,区间为58.4~185.99;;中蚕食中高深切类型蚕食度均值为1.37,区间为0.88~1.86,深切度均值为273.58,区间为197.72~384.21;沟谷深切程度变化较大。中低蚕食中深切类型蚕食度均值为0.94,区间为0.56~1.138,深切度均值为138.98,区间为80.69~205.82;低蚕食高深切类型蚕食度均值为0.78,区间为0.44~1.5,深切度均值为368.84,区间为281.54~493.99;发育变化较小,沟谷深切程度变化大。
通过研究,改进喀斯特区正负地形提取方法,提高正负地形提取精度,以正负地形视角分类喀斯特地貌类型,阐释喀斯特发育形态特征,对喀斯特区域水土资源利用调控具有重要的科学意义,为西南喀斯特数字地形研究提供新的视角。