論地物的組織結(jié)構(gòu)及尺度范圍特征

論地物的組織結(jié)構(gòu)及尺度范圍特征

河谷線（匯水線和分水線）是流域地形系統(tǒng)的重要組成部分。它不僅是建立空間分布模型的重要地理參數(shù)，也是控制流域地形形狀的地理骨架線。分析流域谷脊線對了解流域的組織結(jié)構(gòu)特征、探索流域的空間分布格局能夠起到以線帶面的作用。因此以地形谷脊線為切入點的研究,成為流域地貌系統(tǒng)研究的重要突破口。前人對流域谷脊線的研究分析做了大量卓有成效的工作,從最初的單純利用圖紙對形態(tài)的抽象描繪,到利用數(shù)理統(tǒng)計方法做出定量、半定量的描述,再到使用非線性理論中的分形思想對流域特征線形態(tài)做出定量表達,針對流域特征線從不同角度提出了一系列描述指標、模型。其中,利用非線性理論中的分形方法能較好的描述自然地貌發(fā)育形態(tài)特征,從本質(zhì)上揭示地貌發(fā)育規(guī)律,成為近年來的研究熱點。然而由于分維數(shù)對形態(tài)的描述存在一值多形的問題,即具有不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的流域具有同一分維值,所以分維數(shù)并不能作為衡量流域地貌系統(tǒng)的充要指標。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的空隙度分析方法體系彌補了這一缺憾。大量實驗表明空間地理對象的格局特征與空隙度分析曲線之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系。然而到目前為止,還沒有基于DEM數(shù)據(jù)利用空隙度方法進行地形地貌展布格局形態(tài)方面的研究。故而本文嘗試將空隙度分析方法引入到DEM表達的流域谷、脊線分析中,對谷、脊線空間展布格局特征做出定量分析。1基于滑動框算法的空間對象探測方法空隙度的概念起源于分維幾何。它可多尺度地分析景觀空間格局的“質(zhì)地”,探測空間對象所具有的多個尺度范圍,從而挖掘地貌景觀所蘊含的等級結(jié)構(gòu)、自相似性、隨機性以及聚集性等重要特征。針對不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有不同的計算空隙度的方法,其中“滑動框”算法以柵格數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,不要求系統(tǒng)平穩(wěn)假設(shè),不受邊界的影響,可對空間數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)的、最詳盡的再取樣。經(jīng)后人在滑框算法的基礎(chǔ)上改進設(shè)計出的3TLQV(Three-TermLocalQuadratVariance)算法對空間對象尺度范圍探測更加敏感,是尺度范圍探測時常用的方法?；蛩惴ㄅc3TLQV算法互為補充,可較為全面的探測流域特征線空間展布格局特征。1.1滑動框長度的建立“滑框法”是最原始的空隙度計算方法。為簡明其間以一維數(shù)據(jù)為例說明該算法。如圖1所示,針對像素大小為n×1的一維柵格圖,圖中黑色方塊為研究對象,標記為1,空白方塊為空隙,標記為0。首先將一個r×1大小的滑動框置于格子圖最左邊,統(tǒng)計此時滑動框內(nèi)研究對象值的總和。然后滑動框向右移動一格,再次記錄滑動框內(nèi)研究對象值的總和。滑動框繼續(xù)向右移動,直至掃描完成整個圖像。然后增加滑動框長度,再從左到右遍歷整個網(wǎng)格圖。如此下去,滑增加動框長度直至到整個柵格圖的大小。每個滑動框內(nèi)值的總和為:r∑i=1xj?xj∑i=1rxj?xj為每個格網(wǎng)的值;若滑動框長度為r時網(wǎng)格圖可以被N(r)個滑動框覆蓋,則N(r)=n-r+1;當滑動框長度為r時所有滑動框所記錄對象的平均值為:m1(r)=n-r+1∑i=1i+r-1∑j=1xj/(n-r+1)m1(r)=∑i=1n?r+1∑j=1i+r?1xj/(n?r+1);所有滑動框所記錄對象的方差為:m2(r)=n-r+1∑i=1(i+r-1∑j=1xj)2/(n-r+1);此時所對應(yīng)的空隙度的值為:Λ(r)=m2(r)/(m1(r))2;最后建立空隙度值與分析窗口r的雙對數(shù)曲線圖,圖中曲線所表示的空隙度及其形狀可用來描述研究對象在多尺度上的空間格局特征,也可用來比較空間對象在結(jié)構(gòu)上的異同。對于二維網(wǎng)格圖,只需將滑動框大小變?yōu)閞×r即可,同時注意覆蓋網(wǎng)格圖的滑框數(shù),其他計算思想不變。1.23計算尺度為m3TLQV分析方法又稱三項局部樣方方差法,其基本思想是研究方差與均值之比,但此法將滑框擴展為鄰接的三個。其計算方法如圖2所示:當滑框長度為r時,第一滑框內(nèi)值為:i+r-1∑j=1xj,第二滑框內(nèi)值為:i+2r-1∑j=i+rxj;第三滑框內(nèi)值為:i+3r-1∑j=i+2rxj;3TLQV計算方法為:xj的含義同上?；蜷L度不斷增加,從而可建立v3(r)與r的函數(shù)關(guān)系曲線,其中曲線的頂點處對應(yīng)的滑框范圍指示了原始格網(wǎng)圖所具有的空間尺度范圍。該法對空間數(shù)據(jù)的尺度范圍極為敏感,但弱化了對原始數(shù)據(jù)趨勢的預(yù)測。對于像素為m×n的二維格網(wǎng)圖的計算方法是將滑框增加為3×3個,如圖3所示:周圍8個框內(nèi)值的總和與8倍中心框值的差。同時分母變?yōu)?72r3(n-3r+1)(m-3r+1);其他計算思想不變。2實驗2.1流域地表特征及采樣問題實驗樣區(qū)選擇陜西綏德韭園溝流域。該流域位于110°20′E、37°35′N附近,屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),是黃河水利委員會水土保持重點實驗區(qū),有大量豐富詳實的實驗觀測數(shù)據(jù)。其面積大約70km2,平均海拔約980m,溝壑密度7.2km/km2,平均地表粗糙度為1.18,流水侵蝕方式以超滲產(chǎn)流為主,流域整體較為發(fā)育。樣區(qū)位置如圖3所示。實驗以陜西測繪局2006年生產(chǎn)的1∶10000比例尺(5m分辨率)DEM為數(shù)據(jù)源。流域谷底線由較為成熟的D8算法提取,選擇匯流累積量大于100溝谷網(wǎng)絡(luò),然后去除偽溝谷。流域中山脊線使用Peucker等提出的算法進行提取,然后經(jīng)過暈渲圖襯托,等高線套合后去除偽山脊,得到流域較為精確較為完善的脊線,如圖3所示。為方便進行空隙度計算將谷脊線提取結(jié)果進行柵格化處理,谷脊線所在位置設(shè)為1,其余部分為0。2.2各區(qū)域特征尺度的劃分考慮到地形地貌的各向異性特征,本文沒有采用正方形滑框來計算空隙度,而是采用東西走向、南北走向的條狀滑框。韭園溝流域范圍在南-北、東-西方向最大處均小于9km,為確?；瑒涌?qū)φ麄€流域探測的全面性,3TLQV計算滑框最長增至599×5×3m,約9km,從而實現(xiàn)對整個流域進行檢測。在形態(tài)上,該流域特征線的空隙度分析結(jié)果基本上趨于直線,如表1所示:擬合成的直線和原始空隙度曲線有著較強的關(guān)聯(lián)度,并且該曲線有靠近ln(r)軸微微下凹現(xiàn)象。這一形態(tài)特征表明該流域的谷、脊線具有較強的自組織性和自相似性。這一結(jié)果也是使用3TLQV方法探測其尺度范圍的基礎(chǔ)。同時,在兩個探測方向上,谷、脊線的空隙度曲線形態(tài)較為接近。利用滑框法得到的空隙度曲線結(jié)果如圖4左圖所示。從中可以看到如下三個方面的現(xiàn)象:(1)在兩個方向上山脊線的空隙度值略大于谷底線空隙度值。這是由于溝谷網(wǎng)絡(luò)比山脊線有更好的連續(xù)性,從流域邊界線開始到流域出口結(jié)束不存在斷裂。而由于鞍部匯水盆地以及獨立山體的存在,使山脊線出現(xiàn)斷裂,在形態(tài)上出現(xiàn)簇聚現(xiàn)象,整體質(zhì)地變異較大,也即空隙較大,故而出現(xiàn)空隙度值略高現(xiàn)象。(2)谷、脊線的空隙度曲線形態(tài)基本上接近。由于空隙度曲線與空間對象的展格局形態(tài)是一一對應(yīng)的,所以這一現(xiàn)象反映出流域地貌較為發(fā)育的韭園溝地區(qū)的山脊線和谷底線在空間展布形態(tài)上接近,出現(xiàn)了共軛互補現(xiàn)象。韭園溝地區(qū)屬黃土峁狀丘陵溝壑區(qū),地貌發(fā)育相對成熟,溝谷深切,導(dǎo)致該地區(qū)地形特征線在空隙度上出現(xiàn)了這種相近的現(xiàn)象,這一結(jié)果也從一個側(cè)面反映出地貌的發(fā)育程度。(3)在兩個方向上的探測曲線形態(tài)相似。這表明該流域內(nèi)部地表形態(tài)均一,地貌各向異性特征不甚明顯,也就是說地形在各個方向上的走勢是大致相同的。3TLQV方法的探測結(jié)果(圖4右圖)有如下兩個規(guī)律:(1)同方向上脊線和谷線的探測曲線形態(tài)及走勢極為相似。這進一步表明兩種特征線具有相似的空間展布格局。(2)統(tǒng)計結(jié)果表明每條探測曲線上都明顯存在三個峰值點,按照出現(xiàn)次序不同可歸納為三組,如圖2所示。由于3TLQV方法增強了聚塊區(qū)域之間的屬性值的比對,其峰值點具有指示空間對象的特征尺度的功能。因此,所探測出的這三組數(shù)值即為在東-西、南-北兩個方向上探測出的谷、脊線的特征尺度范圍。按照范圍的大小分為三個級別,如圖5所示,同一方向上的谷、脊線在同一級別的峰值點處出現(xiàn)了相近的尺度范圍。這一量化結(jié)果表明韭園溝流域的谷、脊線在組織結(jié)構(gòu)上的相似。三組尺度范圍綜合后為東西方向約:540m、2100m、4845m;南北方向約:1215m、2810m、5700m。目前,在針對大范圍的區(qū)域研究時,對于分析尺度的選取是一難題。根據(jù)Dale有關(guān)尺度的定義,上述3個尺度范圍代表著韭園溝流域系統(tǒng)所蘊含的3個特征尺度范圍。也就是說,當針對該流域進行格局過程分析時,分析尺度范圍應(yīng)盡可能的和所探測出的特征尺度相符合。這樣所得到的分析結(jié)果才很盡可能的反映地理對象本身的特性。3空間屬性特征線的特征分析結(jié)果是二維空間展布本文嘗試使用空隙度分析方法對韭園溝流域地形特征線的空間展布格局特征行分析,得到了東-西、南-北走向上谷、脊線的空隙度曲線及3TLQV曲線,并對曲線形態(tài)進行分析,得出以下三個方面的結(jié)論:(1)初步實驗表明,利用空隙度及其衍生算法針對柵格DEM數(shù)據(jù)的分析方法,在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上是合理的,分析結(jié)果可以較好的反映地理對象的空間屬性特征。(2)探測結(jié)果顯示,韭園溝流域特征線在結(jié)構(gòu)形態(tài)上具有較強的自組織性和自相似性特點。山谷線和山脊線在空間展布上具有相似性,此外,該流域地表結(jié)構(gòu)均一,各向異性特征不明顯。(3)韭園溝流域特征線在空間展布上大體存在著三組特征尺度范圍,大小分別是:東西方向上尺度范圍分別為540、2100、4845m,南北方向上尺度范圍分別為1215、2810、5700m。本文