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黄土高原流域土壤侵蚀下垫面特征及其对水土流失的作用研究

作　者: 沈中原
导　师: 李占斌
学　校: 西安理工大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 黄土高原土壤侵蚀下垫面特征地貌特征植被格局分形布朗运动
分类号: S157
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

地貌形态、土地覆盖、景观格局是流域侵蚀环境的重要下垫面条件和区域水土流失的主导因素。如何科学合理的对流域下垫面特征进行量化,建立适合于描述黄土高原地区侵蚀环境的下垫面指标体系,研究各种量化参数与流域侵蚀产沙的作用关系与耦合机制,是黄土高原流域水土流失规律研究的重要内容。本研究以黄土高原典型流域大理河为研究对象,采用地貌学、景观生态学、水文学、土壤侵蚀学、分形理论、数理统计学及RS／GIS技术等多学科交叉,对流域土壤侵蚀下垫面特征及与水土流失的关系进行了研究。主要结论如下：(1)构建了大理河流域地理空间数据库,阐明了流域土壤侵蚀空间分布的下垫面特征。以RS／GIS为平台,结合遥感数据成图与空间信息叠加分析,对大理河流域土壤侵蚀的基本特征、土壤侵蚀空间分布的分形特征、地形特征以及土地利用／土地覆被的地形分异性进行了研究,初步揭示了流域土壤侵蚀空间分布的下垫面特征及其复杂性。(2)建立了流域地貌特征分形布朗运动量化模型,开发了相关的计算程序。针对以往地貌分形计算过程主观随意性较大和分形特征缺乏有效检验手段的问题,根据分形布朗运动理论,结合流域DEM特点,提出了基于移动窗口法的流域地貌分形布朗运动量化模型。阐明了地貌特征FBM分形维数对流域地貌表面形态的表征意义,并对流域地貌形态的分形布朗运动特征进行了检验,探讨了流域地貌特征分形布朗运动量化的实现方法,编写并调试了相关计算程序。(3)揭示了大理河流域地貌分形布朗运动特征的空间变异性,探讨了地貌特征的尺度转换的途径,阐明了地貌特征FBM分形维数与传统地貌量化参数的关系。以流域地貌特征分形布朗运动量化模型为基础,对大理河流域上中下游各子流域地貌分形布朗运动特征进行计算,运用回归与多元回归的方法,建立了地貌特征FBM分形维数的沿程变化方程及其与流域面积的相关关系方程,揭示了流域地貌形态的空间变异特征及其变化规律。对地貌特征FBM分形维数与传统地貌量化参数的关系进行了探讨,阐明了地貌特征FBM分形维数对流域地貌特征的整体性、综合性表征。(4)建立了流域植被覆盖及植被格局特征量化模型,并用以评价区域植被的水土保持效应。以多期多源的TM/ETM影像为基础信息源,在完成几何校正、辐射校正、切割裁剪和图像增强等处理过程的基础上,提取了大理河流域各期NDVI植被指数的空间分布特征。通过数据挖掘建模提出了基于均值化NDVI植被指数的流域植被覆盖特征量化指标和基于植被格局FBM分形维数的植被空间分布特征量化模型,并在GIS/RS平台下进行相应的计算程序开发,初步建立了反映植被水土保持作用、易于遥感提取、适合区域研究的植被水土保持功能评价指标。(5)研究了大理河流域植被覆盖的时空变化特征。利用多年的TM/ETM影像资料,提取了流域多期植被覆盖信息,通过对大理河流域上中下游各子流域均值化NDVI植被指数、植被格局FBM分形维数以及不同高程上不同等级NDVI植被指数的计算,定量的分析了大理河流域地表植被覆盖随时间和空间的变化规律及其垂直分布特征,揭示20年来大理河流域植被状况的变化特征和动态变化规律。(6)揭示了流域下垫面特征与流域侵蚀产沙的耦合关系。收集并分析处理大理河流域38场降雨的径流泥沙资料,以流域次降雨径流侵蚀功率为流域水蚀过程侵蚀输沙动力,构建了地貌形态、植被覆盖、植被格局等流域下垫面特征与降雨侵蚀产沙之间的动态耦合关系。通过对不同下垫面输入参数的比选,阐明了流域地貌特征FBM分形维数、均值化NDVI植被指数和植被格局FBM分形维数作为流域降雨侵蚀产沙预报模型下垫面特征量化参数的合理性与可行性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-13
1 绪论  13-37
  1.1 立题依据  13-15
  1.2 国内外研究进展  15-33
    1.2.1 植被遥感技术研究进展  15-20
    1.2.2 植被与水土流失关系研究进展  20-25
    1.2.3 流域地貌分形特征研究进展  25-29
    1.2.4 流域地貌特征与水土流失关系研究进展  29-33
  1.3 研究目标和内容  33-34
    1.3.1 研究目标  33
    1.3.2 研究内容  33-34
  1.4 研究方法和技术路线  34-36
    1.4.1 研究方法  34-35
    1.4.2 技术路线  35-36
  1.5 拟解决的关键问题和论文创新点  36-37
    1.5.1 拟解决的关键问题  36
    1.5.2 论文创新点  36-37
2 大理河流域土壤侵蚀空间分布的下垫面特征研究  37-56
  2.1 大理河流域概况  37-40
    2.1.1 流域概况  37
    2.1.2 地质地貌  37-38
    2.1.3 河流水系  38-39
    2.1.4 气象水文  39-40
  2.2 大理河流域地理空间数据库建立  40-44
    2.2.1 遥感资料  40-41
    2.2.2 数字地面模型(DEM)资料  41-42
    2.2.3 土壤侵蚀遥感普查资料  42-43
    2.2.4 大理河流域水沙资料  43
    2.2.5 地理空间数据库设计  43-44
  2.3 土壤侵蚀空间分布的下垫面特征研究  44-55
    2.3.1 研究方法及资料准备  44-45
    2.3.2 土壤侵蚀空间分布的基本特征  45-46
    2.3.3 土壤侵蚀空间分布的分形特征  46-48
    2.3.4 土壤侵蚀空间分布的地形特征  48-51
    2.3.5 土地利用/土地覆被的地形分异性研究  51-55
  2.4 本章小结  55-56
3 流域地貌特征分形布朗运动(FBM)量化模型研究  56-70
  3.1 分形布朗运动理论的基本原理  56-58
    3.1.1 布朗运动理论  56-57
    3.1.2 分形布朗运动理论  57-58
    3.1.3 分形布朗运动与地貌特征分形  58
  3.2 流域地貌特征FBM量化模型  58-61
    3.2.1 流域地貌特征FBM计算原理  59
    3.2.2 基于移动窗口法的高程增量测量子模型  59-61
    3.2.3 基于自相似性的流域地貌特征FBM分形维数计算子模型  61
  3.3 流域地貌特征分形布朗运动的参数意义及特征检验  61-65
    3.3.1 地貌特征分形布朗运动的参数意义  61-62
    3.3.2 流域地貌形态的布朗运动特征检验  62-64
    3.3.3 流域地貌特征的统计自相似性  64-65
  3.4 基于GIS的流域地貌特征FBM量化实现方法  65-68
    3.4.1 流域地貌三维空间数据的创建  65-67
    3.4.2 流域地貌特征FBM量化模型的GIS实现  67-68
  3.5 本章小结  68-70
4 大理河流域地貌分形布朗运动(FBM)特征研究  70-99
  4.1 大理河流域地貌分形布朗运动分形维数计算  70-82
    4.1.1 子流域的划分与选取  70-71
    4.1.2 数字高程模型的创建  71-72
    4.1.3 大理河子流域地貌分形布朗运动特征研究  72-82
  4.2 大理河流域地貌分形布朗运动特征空间变异性研究  82-85
    4.2.1 地貌分形布朗运动特征上下游分布特征  82-84
    4.2.2 地貌分形布朗运动特征沿程分布特征  84-85
  4.3 大理河流域地貌分形布朗运动特征空间尺度转换研究  85-90
    4.3.1 不同尺度小流域选取与划分  85-86
    4.3.2 不同尺度小流域地貌特征FBM分形计算  86-88
    4.3.3 地貌特征FBM分形维数的尺度变化特征  88-89
    4.3.4 地貌特征FBM分形维数的尺度转换方程  89-90
  4.4 大理河流域地貌分形布朗运动特征与传统地貌量化参数关系研究  90-97
    4.4.1 大理河子流域传统地貌参数的计算结果  90-94
    4.4.2 地貌特征FBM分形维数与传统地貌参数的关系  94-97
  4.5 本章小结  97-99
5 流域植被覆盖特征量化模型研究  99-120
  5.1 遥感技术简介  99-101
    5.1.1 遥感技术的应用  99
    5.1.2 Landsat卫星简介  99-100
    5.1.3 TM影像简介  100-101
  5.2 TM遥感影像处理  101-110
    5.2.1 TM影像的数据准备  102
    5.2.2 TM影像的几何校正  102-104
    5.2.3 TM影像的辐射校正  104-105
    5.2.4 TM影像的切割裁剪  105-107
    5.2.5 TM影像的图像增强  107-110
  5.3 基于TM影像的植被指数提取  110-114
    5.3.1 植被指数的概念  110-111
    5.3.2 植被指数的种类  111-112
    5.3.3 NDVI植被指数的计算  112-113
    5.3.4 NDVI植被指数与水土保持评价指标  113-114
  5.4 基于NDVI指数的植被格局量化模型研究  114-119
    5.4.1 植被格局的意义  114
    5.4.2 植被格局量化参数的计算原理  114-115
    5.4.3 植被格局的量化建模  115-117
    5.4.4 植被格局量化模型的实现过程  117-119
  5.5 本章小结  119-120
6 大理河流域植被覆盖的时空变化特征研究  120-148
  6.1 大理河流域植被指数计算  120-123
    6.1.1 遥感影像时相的选择  120
    6.1.2 数据来源及前期处理  120-121
    6.1.3 大理河子流域划分与选取  121
    6.1.4 计算过程及结果  121-123
  6.2 大理河流域植被覆盖的年际变化特征  123-136
    6.2.1 大理河流域整体植被覆盖的年际变化特征  123
    6.2.2 大理河上游植被覆盖的年际变化特征  123-126
    6.2.3 大理河中游植被覆盖的年际变化特征  126-132
    6.2.4 大理河下游植被覆盖的年际变化特征  132-136
  6.3 大理河流域植被覆盖的空间变化特征  136-139
    6.3.1 大理河流域植被覆盖的空间变化特征  136-138
    6.3.2 大理河流域植被格局的空间变化特征  138-139
  6.4 大理河流域植被覆盖的垂直分布特征  139-146
    6.4.1 大理河流域高程分级  139-140
    6.4.2 不同高程植被覆盖的年际变化特征  140-142
    6.4.3 不同年份植被覆盖的垂直分布特征  142-143
    6.4.4 不同等级NDVI植被指数的垂直分布特征  143-146
  6.5 本章小结  146-148
7 流域下垫面特征与降雨侵蚀产沙关系研究  148-174
  7.1 研究流域基本概况  148-153
    7.1.1 流域基本特征  148-149
    7.1.2 流域降雨特征  149
    7.1.3 汛期水沙特征  149-153
  7.2 流域径流侵蚀功率的计算  153-155
    7.2.1 径流侵蚀功率的计算原理  153
    7.2.2 站控流域径流侵蚀功率的计算结果  153-155
  7.3 流域下垫面特征的计算  155-158
    7.3.1 流域地貌特征FBM分形维数的计算  155-157
    7.3.2 流域均值化NDVI植被指数的计算  157
    7.3.3 流域植被格局FBM分形维数的计算  157-158
  7.4 基于BP神经网络的侵蚀产沙模型研究  158-172
    7.4.1 BP神经网络概述  158-160
    7.4.2 基于BP神经网络的流域侵蚀产沙模型的构建  160-162
    7.4.3 大理河流域侵蚀产沙BP神经网络模型研究  162-165
    7.4.4 大理河流域侵蚀产沙BP神经网络模型的比选  165-172
  7.5 本章小结  172-174
8 结论  174-176
  8.1 结论  174-175
  8.2 研究展望  175-176
致谢  176-178
参考文献  178-195
附录  195-196

黄土高原流域土壤侵蚀下垫面特征及其对水土流失的作用研究

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