我国黄土高原被誉为全球最具地学研究价值的独特地理区域之一,经过260万年的黄土堆积与搬运形成沟壑纵横、支离破碎以及起伏不平的独特地貌形态。沟谷发育是促使形成这样的地貌现象的主要成因,黄土沟谷的发育过程是地表径流汇集于沟槽促使其发生下蚀、侧蚀和溯源侵蚀。地表径流首先作用于坡面产生细沟,随着降雨的继续和径流的汇集,形成浅沟、冲沟、切沟。本研究拟以地理元胞自动机为技术手段,结合沟谷发育的水文学产流汇流,侵蚀学产沙理论,完成沟谷演化规则的制定,最终,实现黄土沟谷发育演化模拟模型的构建。论文的主要工作内容如下:1地理元胞自动机中黄土沟谷发育转换规则的制定沟壑纵横组成了黄土地貌,下蚀,侧蚀和溯源侵蚀三种方式促进沟谷发育,沟谷发育又映射着黄土地貌的演化过程。由于黄土疏松、多节理、抗蚀性差等特殊的物理化学性质,黄土沟谷的溯源侵蚀相较于下蚀和侧蚀,具有更特殊的作用和典型性。本研究通过探求沟谷发育的机理以及溯源侵蚀对在黄土沟谷发育的影响机制,遵循沟谷发育的发生机制和物理过程,拓展研究沟头在沟谷发育过程中的形态、侵蚀特征,完成沟谷发育的转换规则的制定。2黄土沟谷发育模型的构建◆模型结构的实现本研究以沟谷发育过程机理为研究基础,将沟谷发育演变过程侵蚀产沙产流作为理论基础,在遵循沟谷发育物理过程的基础上率定参数,对参数进行迭代优化,在此基础上设计沟谷发育地理元胞的转换规则,在地学理论的支撑下,结合地理元胞自动机的耦合性和空间性的特点,实现模型结构的构建。◆模型功能的实现本研究结合地理元胞自动机技术,对各个元胞赋予相关地学含义,以元胞各个时间点和高程值为主的状态值来表现沟谷发育过程的变化量,依据地理元胞自动机的空间耦合性的特点,将设计的转换规则融合相关编程软件平台,实现模型功能设计。3黄土沟谷发育模型验证和分析模型的建立为了获得有意义的结论,而有意义的结论是以正确性为前提的,合理的模型验证是保证正确性的有力方法。,本研究对所建立模拟模型的验证是通过将自然流域——麻地沟流域的实测数字高程模型数据作为模型的输入,调整模型结构以及相关参数完成模拟,最后对产生的模拟结果和实测结果从沟道形态,发育程度以及侵蚀变化三方面进行比对,验证和评价模型的精度。综上,本研究基于沟谷发育过程机理,设计沟谷发育的转换规则,在地理元胞自动机的技术支持和相关编程平台的支撑下,实现模型的构建、评价和分析。本研究不仅有助于了解沟谷发育自身的规律,同时为黄土高原水土流失防治措施的制定提供依据。

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。

地貌分类是地貌学研究的重要理论问题之一,也是当前数字地貌领域中一个相当复杂的研究课题。不确定性是客观世界的一种固有属性,在地貌分类研究中也不例外。地貌分类主要受到分类原则、分类指标、分类方法以及数据分辨率的影响,这些因素的存在使得地貌分类的过程和结果都会产生一定的不确定性,例如地貌的类型边界的过渡性或模糊性就是地貌分类不确定性的一种体现。地貌分类不确定性研究本身就是地貌学领域的一个重要科学问题。目前,针对分类不确定性的研究大多基于遥感影像,主要集中在遥感信息不确定性度量、基于面向对象影像分析（Object-Based Image Analysis,OBIA）的遥感影像分类不确定性等方面,较少应用于地貌分类不确定性的研究中。数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）及数字地形分析（Digital Terrain Analysis,DTA）的不断发展为地貌分类不确定性研究提供了重要的数据与理论方法基础。目前,就基于DEM的地貌分类不确定性研究而言,尚缺少系统化的研究思路。由于影响地貌分类的不确定性主要因素在于分类指标、分类方法以及数据分辨率等方面,研究切入点也应在此着手,但如何进行地貌分类不确定性的系统性研究是当前面临的一个重要问题。针对上述研究存在的问题与不足,本文基于DEM与已有的地貌图数据,综合运用OBIA、DTA、景观格局分析、粗糙集等理论与方法,分析了地貌分类不确定性的主要影响因素,并以陕西省地貌分类为实际案例,以地貌类型景观指数为对象从分类指标、数据分辨率以及分类方法三个方面探讨了地貌分类不确定性的特征规律,取得了相应的研究成果。论文的主要研究内容和结论如下:（1）在一个待分类区域内,优势地貌类型抗指标变化的能力较强,导致分类的不确定性较低;而不具优势的地貌类型景观指数的变幅率与变异系数较大,会导致较高的分类不确定性,甚至导致错误的分类结果。当指标数量增加到一定时,大部分地貌类型景观指数趋于平稳,带来的分类不确定性较低。当表达高程变化的指标（如高程变异系数）参与地貌分类时,地貌类型景观指数数值变化明显,因此在地貌分类时需要充分考虑表达高程变化指标的控制作用。（2）陕西省六种地貌类型景观指数对DEM分辨率的变化响应不同,大体上可分为随机性、模糊性、周期性、未知性等变化特征。分类区域内的优势地貌类型受DEM分辨率的干扰强度较小,变化不敏感,非优势地貌类型反之,如低山、高山等。利用景观指数粒度效应可以深入分析数据分辨率变化导致的地貌分类不确定性特征。其中,地貌类型景观指数随DEM分辨率变化的拟合函数可以较好挖掘这些不确定性特征的规律,例如聚集度指数AI的线性变化趋势有助于不确定性的预测,但不会减小或消除不确定性。适宜粒度的判定可以反映地貌类型适合的表达尺度或区间,使地貌分类不确定性变得可控。此外,地貌类型景观指数粒度效应具有多尺度嵌套的特征,特别是随DEM分辨率变化具有周期性变化的景观指数,如边界密度ED,本文认为这是一种新型粒度效应。（3）监督分类下,地貌类型景观指数的变化可以明确指示不同优势的地貌类型,因而会导致地貌分类不确定性较低;而在非监督分类下,景观指数变化的指示意义不明确,地貌类型的优势性与多样性也不能展现出来,进而导致地貌分类不确定性增大,分类的结果精度较低。（4）基于粗糙集理论的粗糙熵、近似分类精度和近似分类质量可以从不同尺度有效评价地貌分类的不确定性,且评价结果较为准确。同时,三种评价指标还可以衡量不同因素对地貌分类不确定性影响程度,且本文得到了导致地貌分类不确定性的因素（来源）按影响程度从小到大的排序为:分类指标＜数据分辨率＜分类方法的结论,该结论可为今后其他研究区域或面向不同研究目标的地貌分类工作中对不确定性的控制提供一定的参考。本文系统分析了影响地貌分类不确定性的主要因素,将面向对象分类思想以及景观空间格局分析方法同数字地形分析相结合对地貌分类不确定性展开了全面研究。同时,提出了一套基于分割对象的多尺度地貌分类不确定性评价方法,弥补和扩充了现有不确定性评价的思路与方法。总之,本文研究对地貌分类及其不确定性控制具有较好的参考依据和应用价值,也是对基于数字地形分析进行地貌学研究的一次有益补充。

近年来,中国陕北黄土高原因其较高的研究价值而受到学术界的广泛关注,已出现了数种黄土高原区域地貌分类方法。有些研究应用分形维数（FD）来描述该地区地貌特征,但是,并未见基于分维数的区域地貌分类方法。此外,现有研究也未考虑到分维特征在土壤侵蚀潜力制图中的作用。因此,本研究主要目标如下:（1）探索分形维数描述黄土高原地形特征的能力;（2）提出基于分形维数的地貌分区方法和陕北黄土高原土壤侵蚀潜力制图。在系统总结前人方法基础上,本文采用了盒子计数法（BCM）、Higuchi法（HIG）和Hurst法（HUR）等三种估算分形维数（FD）的方法。在应用这些方法时,发现HIG方法计算结果也具有较好的一致性,但是由于其对输入数据中的噪声过于敏感在某些情况下出现较大的差异。HUR方法计算的分维值普遍偏高,其结果不可靠。BCM方法计算的结果在一致性和准确性方面最可靠,因此采用该方法计算分维数并进行分析。本研究使用层次分析法（AHP）进行土壤侵蚀潜力制图（EPM）。采用一致性比率（CR）和平均相对误差（MER）评价了对数、线性、根方、逆线性、平衡n、幂、几何和自适应性等八个不同计算权值的方法。其中,逆线性方法具有最小的一致性比率和平均相对误差,被用来作为计算权值的方法。对于本研究的第一个目标,基于先进星载热辐射和反射辐射计（ASTER）30m分辨率的DEM为每个流域生成流域边界剖面（CBP）。每个CBP的FD值用以表征研究区域内小流域的地貌特征。与前人研究类似,流域边界剖面的分维值能够区分黄土低山、黄土丘陵、黄土覆盖的岩石低丘和黄土塬等地貌类型及其地貌活动阶段。因此,CBPs的分形维数适用于表征黄土高原的地貌特征。CBP的研究结果还表明,时间序列的峰值和谐波效应与获得的分形值有直接关系。这意味着在CBP的时间序列内峰值和谐波效应越高,获得的FD值越高。由于没有类似的研究来证实这一事实,因此本研究用一系列CBP图来证实这一结果。第二个目标是计算正地形的分维值。结果表明,当计算的网格尺寸（计算窗口）从16增加到64单元时,分维值的空间变异逐渐增大。与格网尺寸16相比,格网尺寸64具有更高的分维值。相比于其他尺度,当格网尺寸为32时,可以得到接近真实的分维值估算结果,从而被用来进行分维结果的分析。本文还确定了负地形（汇流网络）的分维值。结果发现:（1）Strahler级数越高,得到的分形维数值越高。（2）沟谷网络形态模式如（树枝状、网格状、平行状）对所分维值有影响。虽然没有对河网形态模式与其分维值的关系做深入研究,但可以看出,河网越密集,分维值越高。（3）面积较大的集水区具有更高的分维值。土壤侵蚀潜力制图（EPM）使用六个指标生成,包括土地利用、坡度、分维值、汇流累积、地貌类型和地表高程。设计两种不同情况:（1）分维值参与的土壤侵蚀潜力图（Epm Fd）;（2）与分维值无关的土壤侵蚀潜力图（Epm Nfd）。其目的是为了验证FD在整个EPM过程中的作用。结果表明,Epm FD更为真实的反映了土壤侵蚀潜力的空间分异。所分出来的低侵蚀潜力、中等侵蚀潜力和高侵蚀潜力区域与地貌动力和复杂性紧密相关。通过与分维图相比,土壤侵蚀潜力与分维值在复杂度上具有一致性。综上,本研究获得以下结论:（1）流域边界剖面线（CBP）有助于刻画流域地貌特征。当结合每个CBP的分维值时,甚至丰富了对地貌特征描述的能力。这是因为每个CBP的分形特性进一步描述了其在统计上的复杂性。（2）格网尺寸影响DEM的分维值计算。使用的网格尺寸窗口越大,获得的分形值越大。虽然在这项研究中证明网格尺寸为32是可行的,但对于其他地形,可能存在不同的结果。因此,在确定分维值计算时,必须至少考虑三个网格尺寸的计算窗口。（3）分维值在土壤侵蚀潜力制图中具有重要作用,通过FD和Epm FD之间的比较证实了这一点。（4）Strahler河流网络的数量在很大程度上与分形维数有关。较大的河流网络数量对应着较高FD。（5）盒子计数法（Box Counting）和Higuchi方法证明适用于黄土高原的分维值的估算。对于层次分析法,使用逆线性方法可以获得最好的一致性检验结果（最小的CR和MER）,这一经验对于未来的研究有意义。本研究的成果结合社会发展与气候变化研究,有助于国家土地利用规划的制定,可进一步为政府和企业决策提供参考。对地球观测组织（GEO）提出了土地退化中立（LDN）等倡议,是一项为避免、减少和扭转土地退化的全球倡议,目的是到2030年,在每个国家实现可持续发展目标（SDG）15.3的LDN。土壤侵蚀潜力图为认识土壤侵蚀变化,控制土地退化工作提供了重要的认识。

地形的艺术化表达是在对地理环境科学认知、抽象的基础上,用艺术化的表现形式来描绘和表达地形地貌,不仅能够传递地形信息,而且还传播了艺术和文化。已有的研究注重对地形高度的准确性、地形形态的保真性的表达与再现,轻视地形表达的美学感受。地形的艺术化表达是地形表达的重要内容之一,至今,将科学性与艺术性有效融合的地形表达较为罕见,尤其是水墨风格的地形艺术表达方面,需要深入探索。因此,本研究以DEM数据为基础,以深度卷积神经网络为基础模型架构,引入了具有中华民族特色的水墨绘画表现手法,构建了基于风格迁移的地形水墨风格渲染模型,实现了地形水墨风格的艺术化表达。论文的主要研究内容及结论如下:1.面向地形表达的水墨艺术风格综合分析在地形水墨风格表达中,水墨艺术风格是地形表达的艺术呈现方式。论文分析了形成水墨绘画艺术风格差异的原因,将水墨风格按照绘画技法进行分类,并选取水墨画中描绘地形、地物的典型绘画技法—皴法中呈现的风格,作为渲染地形的水墨风格,并基于深层卷积神经网络实现了水墨艺术风格纹理特征的提取。此外,地形是水墨艺术风格呈现的载体,地形特征的抽象是地形进行艺术化表达的科学基础,因此,本研究基于DEM数据,通过提取地形特征要素构建地形特征骨架,使地形水墨风格迁移不脱离真实的地形结构。2.地形水墨风格迁移模型的构建及实现水墨画艺术特征的表现较为主观、形式复杂多样,利用现有的图像艺术风格学习算法实现水墨风格渲染具有一定的局限性。论文以经过预训练的深层神经网络模型作为基础架构,设计了用于区分并提取水墨风格纹理特征的深度卷积神经网络。制作了包含不同水墨风格的样本特征数据集,使用该数据集训练网络,并结合风格迁移算法思想,基于深度神经网络构建了地形水墨风格迁移模型,实现了地形多种水墨风格表达。基于DEM数据,分别以庐山和太白山为例,实现了不同场景范围、不同视角的水墨风格地形表达。结果表明:本文构建的模型能够实现地形的多种水墨风格艺术化表达,打破了以往方法只能实现单一风格渲染的局限性,不仅适用于大范围的地形水墨风格渲染,而且实现了交互式的多视角的地形水墨风格艺术化表达。3.地形水墨风格表达的分析与评价本文从定性和定量两个角度,对地形水墨风格迁移模型的生成结果进行评价。以问卷调查的形式进行定性评估,调查结果表明:模型生成结果能够兼顾地形表达的科学性（地形特征结构的保持）和艺术性（水墨风格的美学体现）;通过问卷调查结果确定了模型参数,为提升模型生成效果提供了参考;借鉴图像纹理分析方法进行定量评价,结果表明模型能够准确地实现多种水墨风格纹理特征的迁移,但在不同的纹理特征方面迁移程度略有不同,从高到底进行排序,依次表现为明显度＞复杂程度＞相似度＞粗细程度。本研究将绘画艺术的表现形式融入到地形表达中,增加了地形表达的美观性,进一步丰富了地形艺术化表达的内容;基于DEM的地形水墨风格表达技术与方法,拓展了地形水墨风格画的计算机绘制方法。研究成果无论在丰富地形表达方式的多样性方面,还是对中华传统文化的传承方面都有积极意义。

沟谷形态是黄土地貌研究的重要内容之一。前人研究显示在沟谷发育过程中黄土沟谷横剖面的变化最为显著,具有鲜明的区域差异性和发育阶段差异性。沟谷横剖面形态是以侧蚀为主的沟蚀对沟谷长期作用的结果,沟谷形态也反过来影响沟蚀、重力侵蚀等,进而影响沟谷发育的进程。因此,深入研究沟谷横剖面形态的变化特征及区域差异性特征,对于认识黄土沟谷的发育过程具有重要的价值。本文以位于不同黄土地貌类型区的6个典型小流域和室内模拟小流域为研究对象,应用数字地形分析的理论和方法,研究黄土沟谷横剖面及其相关坡面的形态特征和区域差异性,以及它们与黄土沟谷发育的关系,深化对黄土沟谷地貌演化过程与机理的认识。本文的主要研究内容和结论如下:1.黄土沟谷横剖面形态特征研究以6个典型小流域和人工降雨室内模拟小流域为研究样区,提取了沟谷的横剖面,从统计特征、剖面特征、侵蚀特征三个方面选取定量化指标,以流域内部不同级别沟谷、沟谷不同位置、不同发育阶段为视角对沟谷横剖面形态进行统计分析。沟谷统计特征、剖面特征和侵蚀特征平均值从主沟谷到一级支沟、二级支沟依次减少。沟谷宽度、沟谷平均深度、横剖面面积、形状指数、凹度指数和沟谷宽高比与距沟口距离呈线性关系,距沟口越近,沟谷侵蚀活动逐渐增强,各指标的值越大,沟谷发育越稳定。根据模拟小流域4条支沟的沟谷宽度、深度、横剖面面积总体变化可将沟谷发育分为三个阶段,初始阶段、活跃阶段、稳定阶段,沟谷统计特征值先增加,再快速增加,最终达到稳定,增加速度趋于平缓,与侵蚀循环学说中的幼年期、壮年期和老年期相吻合。2.黄土沟谷横剖面坡面形态特征研究对黄土典型地貌小流域和模拟小流域进行坡面分割及分类,提取沟谷横剖面相交的坡面单元;从形态特征、地形特征两个方面选取定量化指标,以不同级别沟谷、沟谷不同位置、不同发育阶段为视角对沟谷坡面形态进行统计分析。从二级支沟、一级支沟到主沟道,沟坡总体平均坡度不断降低,谷坡不断后退;平面曲率平均值从负值到正值呈上升态势,沟谷坡面从以水平凹形坡为主要坡形逐渐向凸形坡演化;所有样区从二级沟谷到主沟道剖面曲率均为正值,坡面单元沿最大坡降方向呈凹坡。坡面平均坡度从沟头到沟口呈降低的趋势。沿沟头至沟口,坡面平面曲率呈线性增大趋势,沟谷从水平凹形坡向凸形坡演化。幼年期到老年期,坡面单元在水平方向上由凹形坡向凸形坡转化;在沿坡度方向上多为凹形坡,凹陷程度先增强后减小。3.黄土沟谷横剖面演化模式研究对模拟小流域沟谷宽度和深度随沟谷发育的变化特征进行分析,对沟谷横剖面坡面形态随沟谷发育的转换规律进行研究。利用多元回归对沟谷宽度和沟谷平均深度的演化进行模拟、利用Markov链建立沟谷横剖面坡面形态类型转换预测模型。试验表明,沟谷宽度和深度回归方程具有较好的模拟效果,地表切割深度和剖面曲率对沟坡拓宽和谷底下切均有显著的影响,所建立的Markov模型可以较好地预测沟谷横剖面坡面形态的转换。本研究从流域内部不同级别沟谷、沟谷不同位置、不同发育阶段三个角度对沟谷横剖面形态特征、沟谷横剖面坡面形态特征的时空差异性规律进行了探索,并分析了沟谷横剖面演化及坡形转化特征。在此基础上建立了沟谷横剖面形态的模拟模型、沟谷横剖面坡面类型的转换预测模型,对于揭示沟谷形态的外在表现和内在机理具有重要意义。

黄土高原“千沟万壑”的地貌形态,在多尺度空间上表现出显著自相似性,具有“局部无规则,宏观有规律”的纹理特征。现有针对黄土高原的纹理分析通常以宏观统计特征为主,对黄土高原多尺度纹理特征及结构特征的研究相对缺乏。因此,本研究以黄土高原为研究区,以统计特征结合结构特征的角度切入,在理论上,明确提出黄土高原地形纹理的概念模型,提出不同尺度下黄土典型地貌单元特征组合形成的地形纹理,以及黄土坡面坡度特征形成的地形纹理。在方法上,提出GLCM结合累加距离匹配函数（SDMF）的黄土高原地形纹理分析框架,用以提取不同尺度下地形纹理的统计及结构特征。在应用上,使用本文方法,实现了对黄土高原典型小流域内的侵蚀沟和梯田的提取,以及在宏观尺度下对黄土典型地貌的纹理特征量化与识别。本研究力图发展数字地形分析新方法。本文主要内容及研究成果如下:（1）理论上,明确黄土高原地形纹理的概念模型。明确地形纹理及黄土高原地形纹理的基本概念,除宏观形态地形纹理外,提出黄土典型地貌单元（黄土塬、梁、峁等）特征组合形成的地形纹理,以及黄土坡面坡度特征形成的地形纹理,并对其进行自然纹理（随机特征）及近似规则纹理（结构特征）的特征分析,阐述黄土高原地形纹理的基本特征、划分体系、数据表达。（2）方法上,提出GLCM结合SDMF的黄土高原地形纹理分析框架。通过多尺度纹理分析,明确GLCM能够对地形纹理进行统计特征量化,但对结构特征的量化能力不足。因此,提出基于SDMF的结构特征计算方法。具体为SDMF规则度及第一主周期,并对其进行多方向和归一化处理扩展,以适应多种情况。在特征空间内,SDMF特征能够通过显著峰的计算,判定纹理基元在一定尺度下的空间尺寸、空间分布规则程度,从而作为黄土高原地形纹理的结构特征量化指标。结合GLCM,形成对黄土高原地形纹理的分析框架。（3）面向微观尺度,对黄土高原典型小流域进行纹理特征分析及典型地貌提取。黄土典型小流域的侵蚀沟区域具有显著的随机纹理特征,梯田则具有显著的近似规则纹理特征,采用GLCM方法结合SDMF规则度,并顾及地形特征,能够有效表征侵蚀沟及梯田的区域。通过棋盘分割与多尺度分割的叠置分析,优化梯田提取的边界。在识别实验中,以安塞、长武、绥德的三个样区进行测试,侵蚀沟的提取平均精度为85.78%,梯田提取平均精度为86.36%。（4）面向宏观尺度,对黄土高原典型样区进行特征量化及识别。基于GLCM进行特征参数的量化分析,包括分析量化级数、方向参数对DEM数据的地形纹理的影响,并使用几何中心外扩法进行GLCM的适宜窗口分析。研究表明,GLCM对比度是最具区分性和有效性的特征,64级灰度级是稳定且不同类别差异性显著的量化值。同时,基于SDMF方法,对峁状及梁状丘陵沟壑区进行量化分析。使用正负地形表征归一化SDMF特征计算规则度,能够对两者进行量化及识别,梁状丘陵沟壑区的平均规则度（0.64）要大于峁状丘陵丘陵沟壑区（0.48）。基于以上量化分析,构建全局特征、局部形态、局部结构的三层量化识别模型,对黄土高原的7类典型地貌进行识别,其平均识别率为81.83%。本文明确提出黄土高原地形纹理的概念模型,初步探索出对黄土高原地形纹理结构特征及统计特征的分析框架。研究表明,该分析框架能够应用于多尺度的黄土典型地貌的提取与识别,并发展了黄土高原数字地形分析的新方法。

黄土高原是地表物质交换最频繁、形态变化最剧烈的区域之一。小流域既是天然的地理单元,又是流域管理的基本单元,更是水沙治理等工程措施的重点实验单元。前人在黄土小流域侵蚀产沙机制与建模方面开展了一系列研究,但是在输沙过程的空间化模拟方面还很欠缺。对输沙过程的模拟在流域侵蚀产沙、水土流失预报、河流泥沙携带等科学研究与应用实践中具有重要的研究价值和应用意义。特别是在当代测绘与地理信息科学的时空数据与模型支撑下,科学和合理地构建输沙过程模拟方法将为精准土壤侵蚀监测、流域过程模拟、地表物质循环、区域生态评估等研究提供基础。前人研究受研究数据和方法的限制,目前仍没有提出一套从小流域侵蚀监测到反演输沙过程的方法体系。对小流域侵蚀监测和输沙过程模拟的进一步研究,有望在流域地表过程、土壤侵蚀和水土保持规划等领域取得突破性进展。本文首先建立了面向小流域侵蚀监测的无人机摄影测量优化方法;然后,基于上述方法建立的高精度DEM,提出了顾及误差空间自相关的地形变化检测方法,实现了对黄土小流域侵蚀量的有效评估;最后,在质量守恒原理的框架下将地形变化量和泥沙搬运过程联系起来,构建了在像元尺度模拟泥沙搬运路径和不同路径泥沙分配量的整套方法框架,探索了从地形变化结果反演地表过程的研究范式,取得了相应的研究成果。本文主要研究结论如下:（1）总结了水流泥沙质量守恒原理的基本概念,分析了将其应用于黄土小流域的应用条件。在应用水流泥沙质量守恒原理反推输沙过程时,高精度DEM是重要的数据基础,同时,需要厘清研究区风力侵蚀、水力侵蚀和风力沉积之间的主次关系。（2）针对于消费级无人机,探索了相机倾角、航高、直接地理定位技术和控制点质量对高程精度的影响,提出了面向黄土小流域侵蚀监测的无人机摄影测量精度优化方法。实验结果表明,在无控制测量的情况下,倾斜摄影（特别是相机倾角大于20°时）有利于降低相机畸变参数相关性,减少系统误差,改善高程精度;航高对高程精度的影响与相机倾角有关,使用倾斜摄影时,有利于降低高程精度对航高变化的敏感性。在有控制点的情况下,一方面,要使用蒙特卡罗检测对控制点质量进行评估和筛选;另一方面,相对于垂直摄影,倾斜摄影需要更多的控制点高程精度才能达到稳定。在野外实际应用时,可根据以上实验结果灵活选取测量方案,提高测量精度。（3）提出了顾及误差空间自相关的地形变化检测方法,探索了显著性分割和误差空间自相关对地形变化检测的影响,实现了对小流域侵蚀产沙量的有效测算。实验结果表明,显著性阈值分割对地形稳定区域的毛侵蚀量和毛沉积量的计算至关重要,但对净侵蚀量的影响不大。考虑到黄土小流域中往往既有稳定区域又有侵蚀和沉积区域,在做地形变化检测时应使用显著性阈值分割。无人机摄影测量的高程误差存在一定程度的空间自相关。通过蒙特卡罗光束平差模拟可以得到无人机摄影测量的误差空间分布。在进行地形变化检测时,使用误差空间分布代替中误差进行误差传播和检测可以提高检测结果的可靠性。（4）依据黄土小流域的径流特征,构建了基于地形变化检测的小流域输沙过程模拟方法,实现了对泥沙搬运路径和搬运量（即输沙率空间分布）的有效评估。该方法包含两个子方法,即一维（纵剖面）和二维（空间）方法。一维方法将每个截面内的地形变化量累加并向下游传播,即从纵剖面（上游到下游）的视角查看输沙率的变化。这种方法可以提供输沙率从上游到下游的一个整体变化趋势。输沙率随上下游距离（或出水口距离）的变化情况可以反映不同沟道段的侵蚀情况和支沟发育情况。二维方法即从像元尺度推演泥沙的搬运情况。如何根据不同的地表径流过程设计泥沙的路径分配算法是本方法的核心。本文探索了不同路径分配算法在坡面区域和沟道区域的有效性。实验结果表明,在坡面区域应当使用基于坡度指数的多流向算法;在沟道区域应当使用基于水力模拟的路径分配算法;对于整个小流域的输沙率空间分布模拟,应当使用二者的耦合方法。使用上述方法在模拟小流域中输沙率出现负值（质量不守恒）的比例仅为0.67%-9.97%。这一结果验证了本方法的合理性。此外,本文还讨论了上述方法的适用条件,以及地形变化检测、DEM的时间和空间分辨率、土壤容重空间差异、模型参数化等对方法的影响。（5）通过4个野外实测小流域验证了小流域输沙过程模拟方法,分析了输沙率的空间分布与小流域特征指标的关系,并以泥沙连通性为例展示了输沙率空间分布的应用。实验结果表明该方法在野外实测样区中也能有效模拟泥沙在空间上的输移情况,四个样区中质量不守恒的区域面积占比仅在2.53%-7.85%之间,且多为人类活动影响区。在输沙率的空间分布方面,通过相关性分析发现其与上游汇水面积、上游汇水区狭长度、以及三个水文参数（SPI、TWI、LS）成正相关。在应用方面,输沙率的空间分布和依据其计算的泥沙连通性等已经为地表过程研究带来了新的发展。本文提出了从小流域侵蚀监测到输沙过程模拟的一整套方法体系,探索了从地形变化结果反演地表过程的研究范式,实现了对输沙过程的有效模拟,将输沙率的监测研究推进到了像元水平。输沙率的空间分布反映了地表物质在空间上的交换情况,为地表过程研究带来了新的发展。

黄土沟谷是黄土地貌中物质交换最频繁的区域之一,沟谷的发育过程深刻影响着黄土地貌发育及演化。沟谷网络是沟谷系统的基本骨架,是连接沟谷系统各个部位的纽带,也是系统内的物质、能量和信息传输的主要途径。沟谷系统中物质量的空间差异性依赖于网络的空间结构。现阶段的黄土沟谷研究主要包括基于统计特征、特征要素属性特征对沟谷形态特征的量化表达研究和基于沟谷形态特征的地貌发育演化研究,忽略了沟谷系统内地形特征要素的空间结构特征,以及对“网络效应”的量化,即评估沟谷网络的空间结构对转移到流域出口处的物质量的影响。本研究将沟谷网络空间结构对沟谷系统内物质输送的影响定义为沟谷网络连通性,用来描述沟谷系统中物质从源到汇的难易程度。沟谷网络连通性控制径流的汇流过程和侵蚀泥沙的迁移过程,影响沟谷地貌内的侵蚀和堆积过程,进而影响着沟谷地貌塑造过程。因此,沟谷网络连通性蕴含着丰富且重要的黄土沟谷地貌发育演化信息,对沟谷网络连通性的研究有助于深化对黄土沟谷地貌发育演化过程的理解。本文基于图论和数字地形分析,对黄土沟谷网络连通性概念进行简单定义,实现了沟谷网络连通性量化评估方法,以黄土高原6个典型小流域样区和模拟小流域为研究对象分析不同地貌类型区、沟谷发育不同阶段的沟谷网络连通性的变化特征,深化对黄土沟谷地貌发育演化过程与机理的认识。论文的主要研究内容和结论如下:（1）根据地貌学中连通性的相关概念,提出了沟谷网络连通性的概念。基于图论基本原理,将黄土沟谷网络中的地形特征要素及其之间的汇流关系抽象概化为沟谷网络图模型,设计了并实现沟谷网络图模型的构建方法。从沟谷网络整体连通性和节点连通性两方面,选取了平均节点强度、什贝叶指数（?）、潜在径流指数Fi和网络结构连通性指数NSC四个指标对沟谷网络连通性进行量化评估,并详细阐述了各连通性指标的计算方法和含义。（2）典型样区黄土沟谷网络连通性特征研究。将位于不同黄土地貌类型区的6个典型小流域样区作为研究对象,分别构建沟谷网络图模型,计算各连通性指标,从空间分布特征和数量统计特征两个视角对沟谷网络各连通性指标计算结果进行分析。从神木到延川样区,随着黄土沟谷地貌发育逐渐成熟,沟谷网络整体连通性增强,从延川到淳化样区沟谷地貌发育程度逐渐降低,沟谷网络整体连通性减弱。三个节点连通性指标平均值也呈现类似的变化趋势。6个典型样区沟谷网络节点连通性指标值在空间分布上都呈现集聚特征,但是在沟谷地貌发育程度较高的绥德、延川、甘泉和宜君样区的沟谷网络节点连通性空间集聚特征比发育程度偏低的神木和淳化样区更显著。（3）模拟小流域沟谷网络连通性特征研究。将多期室内模拟小流域作为研究对象,分别构建沟谷网络图模型,计算各连通性指标,从空间分布特征和数量统计特征两个视角对沟谷网络各连通性指标计算结果进行分析。随着沟谷的不断发育,第五期到第九期小流域沟谷网络整体连通性呈现逐渐增强的趋势。各期小流域沟谷网络节点连通性指标计算结果在空间分布上也都表现出空间集聚特征,但随着小流域沟谷发育程度不断增加,沟谷网络节点连通性的空间集聚分布特征越显著。本研究的研究重点是量化结构连通性,揭示沟谷网络空间结构对物质运输的影响,分析不同沟谷地貌类型区,沟谷发育不同阶段的沟谷网络连通性模式的演变。

地貌形态的发育、改变、演化一直是地理学研究的核心之一,生物和非生物营力在重新塑造地球表面中的影响和作用也是科学界广泛议论的话题。作为生物营力中非常重要的一部分,人类活动极大程度上改变了地貌形态。但是,针对人类对于地貌形态改造程度的量化研究这一热点,目前仍缺乏完善的、多元的评价指标体系。本文提出地貌形态原真度的概念和量化表达模型,以黄土高原典型小流域:关地沟流域、纸坊沟流域和王茂沟流域为研究样区,对样区内淤地坝和梯田对区域地貌形态的整体改变以及各自的影响进行综合量化分析,研究水保工程措施影响下的地貌形态特征,以及不同类型人工造貌对地貌形态的改造特点与差异性,补充和完善人类活动对地貌形态改造程度的量化指标体系,从而进一步探索人类对地貌形态改造的内在机理与规律。本文的主要研究内容和结论如下:1.地貌形态原真度概念的提出与科学认知的构建提出了地貌形态原真度的概念,并对其科学认知进行定义:地貌形态原真度,是指地貌形态在经过特定的人类改造作用下,相较于该人类改造作用发生前的相似程度。而在黄土高原小流域范围内开展的地貌形态原真度研究,是在面向小流域范围尺度下,研究地貌形态在被流域内典型水保工程措施:梯田和淤地坝的改造后,相较于改造前的地貌形态的相似程度。同时,总结了地貌形态原真度所具有的区域差异性、成因复杂性和尺度依赖性特征。2.地貌形态原真度量化表达体系构建与指标提取在地貌形态原真度科学认知的基础上,构建了包含面积变化、体积变化和形态纹理变化三种类型指标的地貌形态原真度量化表达体系。指标体系中包含人类改造区域占样区总面积比、单位面积动土方量、纹理二阶角矩、纹理逆差矩、纹理信息熵五项指标。针对以上指标,明确了各类指标的提取方法并获得指标值后,确定各指标因子对于区域的地貌形态原真度的贡献权重,并计算地貌形态原真度评价分值。3.基于地貌形态原真度的黄土水保措施对地貌形态的影响研究本文选取适用于黄土小流域样区的淤积区域和梯田修建区域提取方法,对样区内水保措施区域进行提取。对于淤地坝及其淤积区域,使用一种基于GEOBIA的方法进行提取;对于梯田区域,则使用综合考虑高分辨率遥感影像与区域地形信息的方法进行梯田范围提取。同时,对研究样区的淤地坝以及梯田区域的地貌形态恢复方法进行了初步探究,构建了研究样区的无水保措施影响的DEM。通过对淤地坝研究样区关地沟流域、梯田研究样区纸坊沟流域以及水保措施综合研究样区王茂沟流域的地貌形态原真度评价对比,探究了淤地坝和梯田两种水保工程措施本身的属性、特征、分布模式和动力的不同,及其所带来的对地貌形态改造方式的不同和原真度值的差异。淤地坝更多通过淤积带来的体积改造来影响自然地貌形态,而梯田与面积指标和田坎表面形态的联系更加紧密。整体而言,面积指标仍然是地貌形态原真度评价中权重最高的影响因素。在此基础上,通过不同的流域尺度和数据精度的选择,对地貌形态原真度评价中的不确定性进行了探索和研究。本研究提出了地貌形态原真度的概念及量化表达体系,并以典型水保措施对黄土高原流域地貌形态的影响为切入点,对人工造貌修筑对地貌形态改造的内在特征和规律进行了探索,进而对人类活动对自然地貌形态的影响进行更全面的认识和补充。