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(duì)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(diǎn)的研究,成為流域地貌系統(tǒng)研究的重要突破口。前人對(duì)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(duì)形態(tài)的抽象描繪,到利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(duì)流域特征線形態(tài)做出定量表達(dá),針對(duì)流域特征線從不同角度提出了一系列描述指標(biāo)、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(diǎn)。然而由于分維數(shù)對(duì)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(biāo)。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的空隙度分析方法體系彌補(bǔ)了這一缺憾。大量實(shí)驗(yàn)表明空間地理對(duì)象的格局特征與空隙度分析曲線之間存在著一一對(duì)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(jìn)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(dá)的流域谷、脊線分析中,對(duì)谷、脊線空間展布格局特征做出定量分析。1基于滑動(dòng)框算法的空間對(duì)象探測(cè)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(cè)空間對(duì)象所具有的多個(gè)尺度范圍,從而挖掘地貌景觀所蘊(yùn)含的等級(jí)結(jié)構(gòu)、自相似性、隨機(jī)性以及聚集性等重要特征。針對(duì)不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有不同的計(jì)算空隙度的方法,其中“滑動(dòng)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(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)出的3TLQV(Three-TermLocalQuadratVariance)算法對(duì)空間對(duì)象尺度范圍探測(cè)更加敏感,是尺度范圍探測(cè)時(shí)常用的方法?；蛩惴ㄅc3TLQV算法互為補(bǔ)充,可較為全面的探測(cè)流域特征線空間展布格局特征。1.1滑動(dòng)框長(zhǎng)度的建立“滑框法”是最原始的空隙度計(jì)算方法。為簡(jiǎn)明其間以一維數(shù)據(jù)為例說明該算法。如圖1所示,針對(duì)像素大小為n×1的一維柵格圖,圖中黑色方塊為研究對(duì)象,標(biāo)記為1,空白方塊為空隙,標(biāo)記為0。首先將一個(gè)r×1大小的滑動(dòng)框置于格子圖最左邊,統(tǒng)計(jì)此時(shí)滑動(dòng)框內(nèi)研究對(duì)象值的總和。然后滑動(dòng)框向右移動(dòng)一格,再次記錄滑動(dòng)框內(nèi)研究對(duì)象值的總和?；瑒?dòng)框繼續(xù)向右移動(dòng),直至掃描完成整個(gè)圖像。然后增加滑動(dòng)框長(zhǎng)度,再?gòu)淖蟮接冶闅v整個(gè)網(wǎng)格圖。如此下去,滑增加動(dòng)框長(zhǎng)度直至到整個(gè)柵格圖的大小。每個(gè)滑動(dòng)框內(nèi)值的總和為:r∑i=1xj?xj∑i=1rxj?xj為每個(gè)格網(wǎng)的值;若滑動(dòng)框長(zhǎng)度為r時(shí)網(wǎng)格圖可以被N(r)個(gè)滑動(dòng)框覆蓋,則N(r)=n-r+1;當(dāng)滑動(dòng)框長(zhǎng)度為r時(shí)所有滑動(dòng)框所記錄對(duì)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(dòng)框所記錄對(duì)象的方差為:m2(r)=n-r+1∑i=1(i+r-1∑j=1xj)2/(n-r+1);此時(shí)所對(duì)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(duì)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(duì)象在多尺度上的空間格局特征,也可用來比較空間對(duì)象在結(jié)構(gòu)上的異同。對(duì)于二維網(wǎng)格圖,只需將滑動(dòng)框大小變?yōu)閞×r即可,同時(shí)注意覆蓋網(wǎng)格圖的滑框數(shù),其他計(jì)算思想不變。1.23計(jì)算尺度為m3TLQV分析方法又稱三項(xiàng)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(kuò)展為鄰接的三個(gè)。其計(jì)算方法如圖2所示:當(dāng)滑框長(zhǎng)度為r時(shí),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(jì)算方法為:xj的含義同上。滑框長(zhǎng)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(diǎn)處對(duì)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(duì)空間數(shù)據(jù)的尺度范圍極為敏感,但弱化了對(duì)原始數(shù)據(jù)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。對(duì)于像素為m×n的二維格網(wǎng)圖的計(jì)算方法是將滑框增加為3×3個(gè),如圖3所示:周圍8個(gè)框內(nèi)值的總和與8倍中心框值的差。同時(shí)分母變?yōu)?72r3(n-3r+1)(m-3r+1);其他計(jì)算思想不變。2實(shí)驗(yàn)2.1流域地表特征及采樣問題實(shí)驗(yàn)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(huì)水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)區(qū),有大量豐富詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(shí)驗(yàn)以陜西測(cè)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(jìn)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(jìn)行空隙度計(jì)算將谷脊線提取結(jié)果進(jìn)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(jì)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?dòng)框?qū)φ麄€(gè)流域探測(cè)的全面性,3TLQV計(jì)算滑框最長(zhǎng)增至599×5×3m,約9km,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流域進(jìn)行檢測(cè)。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(qiáng)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(qiáng)的自組織性和自相似性。這一結(jié)果也是使用3TLQV方法探測(cè)其尺度范圍的基礎(chǔ)。同時(shí),在兩個(gè)探測(cè)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(gè)方面的現(xiàn)象:(1)在兩個(gè)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(dú)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(duì)象的展格局形態(tài)是一一對(duì)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(bǔ)現(xiàn)象。韭園溝地區(qū)屬黃土峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū),地貌發(fā)育相對(duì)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(gè)側(cè)面反映出地貌的發(fā)育程度。(3)在兩個(gè)方向上的探測(cè)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(gè)方向上的走勢(shì)是大致相同的。3TLQV方法的探測(cè)結(jié)果(圖4右圖)有如下兩個(gè)規(guī)律:(1)同方向上脊線和谷線的探測(cè)曲線形態(tài)及走勢(shì)極為相似。這進(jìn)一步表明兩種特征線具有相似的空間展布格局。(2)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明每條探測(cè)曲線上都明顯存在三個(gè)峰值點(diǎn),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(qiáng)了聚塊區(qū)域之間的屬性值的比對(duì),其峰值點(diǎn)具有指示空間對(duì)象的特征尺度的功能。因此,所探測(cè)出的這三組數(shù)值即為在東-西、南-北兩個(gè)方向上探測(cè)出的谷、脊線的特征尺度范圍。按照范圍的大小分為三個(gè)級(jí)別,如圖5所示,同一方向上的谷、脊線在同一級(jí)別的峰值點(diǎn)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(duì)大范圍的區(qū)域研究時(shí),對(duì)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(gè)尺度范圍代表著韭園溝流域系統(tǒng)所蘊(yùn)含的3個(gè)特征尺度范圍。也就是說,當(dāng)針對(duì)該流域進(jìn)行格局過程分析時(shí),分析尺度范圍應(yīng)盡可能的和所探測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)曲線形態(tài)進(jìn)行分析,得出以下三個(gè)方面的結(jié)論:(1)初步實(shí)驗(yàn)表明,利用空隙度及其衍生算法針對(duì)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(duì)象的空間屬性特征。(2)探測(cè)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(qiáng)的自組織性和自相似性特點(diǎn)。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