黃土地貌溝沿線研究綜述

張 磊，湯 國 安，李 發(fā) 源，熊 禮 陽

黃土地貌溝沿線研究綜述

張 磊，湯 國 安＊，李 發(fā) 源，熊 禮 陽

（南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210046）

黃土高原的溝沿線是最能體現(xiàn)黃土地貌形態(tài)特征的地形結(jié)構(gòu)線。溝沿線的形態(tài)結(jié)構(gòu)、層次級別、空間展布、發(fā)育趨勢，既是黃土地貌最顯著的外在表象，又深刻地映射著黃土地貌發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理。該文首先從溝沿線類型劃分入手，在總結(jié)前人對線狀地貌特征要素分類研究的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有黃土地貌溝沿線類型劃分體系;其次，從定量分析的角度，對現(xiàn)有溝沿線的量化指標(biāo)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，系統(tǒng)歸納和總結(jié)了溝沿線自動提取技術(shù)的特點與適應(yīng)性。此外，分析了基于溝沿線的黃土地貌研究進(jìn)展，并從辯證的視角闡述了溝沿線研究科學(xué)內(nèi)涵與發(fā)展趨勢，對當(dāng)前溝沿線研究存在的問題進(jìn)行了深入剖析，展望了黃土地貌數(shù)字地形分析的發(fā)展前景。

溝沿線;黃土地貌;DEM

0 引言

黃土高原地貌是經(jīng)過200余萬年的黃土堆積和搬運，在風(fēng)力和水力交互作用下，在承襲下伏巖層的古地貌基礎(chǔ)之上，按特有的發(fā)育模式形成的復(fù)雜多樣且有序分異的地貌形態(tài)組合，因而被譽為全球最具有地學(xué)研究價值的獨特地理區(qū)域之一。從20世紀(jì)50年代開始，黃土高原地貌學(xué)研究逐漸展開并不斷深入［1－6］，傳統(tǒng)的研究手段與基于DEM的數(shù)字地形分析技術(shù)有機(jī)結(jié)合，取得了豐碩的成果［7－13］。然而，傳統(tǒng)DEM數(shù)字地形分析由于其鄰域分析的視野局限，難以進(jìn)行區(qū)域地貌特征的研究。因此，需引入一個更為直接、更為深刻、更為實用的黃土地貌對象，并采用面向?qū)ο蟮姆治瞿Ｊ?，研究黃土高原地貌及其發(fā)育的過程與機(jī)理。溝沿線是一條最能體現(xiàn)黃土地貌形態(tài)特征的地形結(jié)構(gòu)線［14］，它所分割的溝間地（正地形）和溝谷地（負(fù)地形）交錯分布，形成了獨特的黃土地貌景觀。溝沿線的形態(tài)、級別、空間展布、發(fā)育趨勢映射著溝間地和溝谷地的形態(tài)、組合、分布特征及變化規(guī)律，直觀地展現(xiàn)了黃土地貌的區(qū)域差異。同時，由溝沿線劃分的正負(fù)地形在地形特征、土壤侵蝕特征和土地利用特征上存在明顯不同，從而形成不同的土壤侵蝕方式和地貌演化方式［15，16］。因此，溝沿線作為這兩類地貌類型的分界線，是研究黃土地貌形態(tài)空間分異規(guī)律和地貌演化機(jī)理極佳的切入點。本文對近幾年黃土地貌溝沿線及其相關(guān)研究的主要進(jìn)展進(jìn)行回顧與系統(tǒng)評述。

1 理論與方法進(jìn)展

1.1 溝沿線類型

對溝沿線進(jìn)行科學(xué)的分類，建立科學(xué)的分類體系，不僅可以了解各種類型溝沿線的等級和關(guān)系，探索溝沿線形成的規(guī)律，揭示溝沿線演化的途徑和過程，而且可以為生產(chǎn)實踐提供重要的依據(jù)［17，18］。前人對線狀地貌特征要素分類的主要研究成果有：1）河流的分類［19－22］，其中由Leopold提出的依據(jù)河道的平面形態(tài)對河流進(jìn)行分類是近幾十年來的總趨勢［23］;2）海岸線的分類，如 Richthofen等根據(jù)海岸線成因、形態(tài)、發(fā)展階段等因素對各種海岸類型進(jìn)行了科學(xué)劃分［24］。以上這些線狀對象分類體系的提出為科學(xué)制定溝沿線分類體系提供了一定的參考。結(jié)合前人研究成果，肖晨超等［25］在黃土地貌溝沿線類型劃分上進(jìn)行了積極的探索：按照科學(xué)性、系統(tǒng)性、可實現(xiàn)性等溝沿線劃分的基本原則，以溝沿線的成因、空間分布和形態(tài)、演化方式為基本依據(jù)，從多重視角提出了黃土地貌溝沿線類型劃分體系，其中比較典型的分類有：按成因特征分為系統(tǒng)性成因溝沿線和偶發(fā)性成因溝沿線;按整體形態(tài)特征分為樹枝狀溝沿線、平行狀溝沿線、扭曲狀溝沿線、分散狀溝沿線;按擴(kuò)展方式分為溝頭漸進(jìn)擴(kuò)展溝沿線和局部連結(jié)擴(kuò)展溝沿線。該分類體系兼顧了溝沿線及其系統(tǒng)的靜態(tài)格局和動態(tài)發(fā)育特征，深化了對溝沿線及黃土地貌的認(rèn)識。

1.2 溝沿線量化指標(biāo)體系

溝沿線作為一類重要的地形特征線，其充分體現(xiàn)著復(fù)雜性與多樣性特征，且溝沿線與黃土地貌的發(fā)展密切相關(guān)。因此，建立溝沿線的特征量化指標(biāo)體系，將面向線對象的分析模式引入黃土地貌研究中，可望解決目前DEM多局限于較小鄰域的窗口分析而難以進(jìn)行復(fù)雜的區(qū)域宏觀地形特征分析、難以反映地貌發(fā)育的理論與技術(shù)瓶頸。目前，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的研究目的對現(xiàn)實世界中各種線狀對象提出了相應(yīng)的定量指標(biāo)。例如，評價不同線狀幾何要素相似度的定量指標(biāo)［26，27］;計算線狀目標(biāo)地圖信息量的指標(biāo)［28，29］;預(yù)測線狀目標(biāo)動態(tài)演化過程的定量指標(biāo)［30，31］;壓縮線狀要素數(shù)據(jù)量的相關(guān)指標(biāo)［32，33］等。而針對溝沿線的定量指標(biāo)研究，肖晨超［34］分別從流域尺度、溝壑尺度、坡面尺度上提出了一系列溝沿線量化指標(biāo)。其中，流域尺度指標(biāo)中的“圓度率”描述了某完整流域溝沿線平面空間展布的形態(tài)特點;溝壑尺度指標(biāo)中的“分維值”和“溝沿線密度”不僅能夠表示出某區(qū)域內(nèi)溝沿線的形態(tài)特點，而且能從一定程度上反映出地貌發(fā)展階段和侵蝕規(guī)律;坡面尺度指標(biāo)中的“溝沿線曲率”則具體反映了某段溝沿線的特點。此外，從景觀的角度觀察，溝沿線是黃土地貌景觀中分割溝間地和溝谷地的線狀廊道［35］，因此，也可以借鑒景觀生態(tài)學(xué)中廊道的研究方法定量分析溝沿線的景觀學(xué)特征。

1.3 溝沿線提取

溝沿線是一條明顯的土壤侵蝕和土地利用分界線，在生產(chǎn)實際中也發(fā)揮著重要作用。對溝沿線的準(zhǔn)確、快速提取，一直是黃土高原科學(xué)研究與生產(chǎn)建設(shè)十分重要的工作。傳統(tǒng)提取溝沿線的方法是直接利用地形圖等高線或航空相片進(jìn)行勾繪［36］，但其工作量巨大，也有相當(dāng)?shù)碾y度。隨著GIS技術(shù)發(fā)展和DEM的廣泛應(yīng)用，基于DEM的溝沿線自動提取成為近年來黃土高原溝沿線研究以及數(shù)字地形分析研究的熱點［37］。前人基于數(shù)字高程模型，從不同的角度、用不同的方法對黃土地貌溝沿線自動提取展開了研究。閭國年等［38］提出基于形態(tài)學(xué)和遞歸思想的溝沿線提取算法，該算法對各種地貌類型具有一定適應(yīng)性，但在復(fù)雜地形區(qū)提取精度有所降低;李小曼等［39］以溝沿線形態(tài)特征為基礎(chǔ)，通過坡度變異數(shù)據(jù)提取溝沿線，該方法速度快，但結(jié)果需要進(jìn)行手工編輯;朱紅春等［40］綜合考慮地貌發(fā)生學(xué)與形態(tài)學(xué)原理，通過坡度變異、剖面曲率和溝壑分布數(shù)據(jù)，自動提取溝沿線，該方法基本勾畫出溝沿線的輪廓，然而在精度上有待進(jìn)一步提高;劉鵬舉等［41］提出了一種基于匯流路徑坡度變化特征確定溝坡段、進(jìn)一步形成封閉溝沿線的方法，其算法具有一定的普適性，然而，由于坡面流路的不唯一性，使得提取精度有所欠缺;肖晨超等［42］根據(jù)黃土地貌坡面坡度轉(zhuǎn)折特征，提出了基于坡面朝向的形態(tài)判別的溝沿線提取方法，該算法提取精度較高，但在復(fù)雜地貌類型區(qū)存在溝沿線不連貫的問題;張艷林等［43］引入地形位置指數(shù)，對黃土丘陵溝壑區(qū)溝沿線進(jìn)行自動提取，該方法同時考慮了單點信息與局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)信息，而且實現(xiàn)簡單，但溝沿線提取精度有待提高;周毅等［44，45］依據(jù)黃土坡面形態(tài)特征及匯流特點，提出溝沿線柵格點約束上游匯水面積的正負(fù)地形分割方法，進(jìn)而得到溝沿線，該算法提取結(jié)果的面積精度較高，但溝沿線存在一定量的斷口;晏實江等［46］通過引入邊緣檢測算子，提取并連接溝沿線候選點，同時借助形態(tài)學(xué)方法濾除細(xì)碎線段，最終生成溝沿線，該方法提取精度較高，但地學(xué)意義不明顯。通過對前人研究結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，目前基于DEM的溝沿線提取方法主要存在以下兩個問題：一是溝沿線提取結(jié)果不連續(xù);二是提取方法重形態(tài)輕機(jī)理、重局部輕全局。這也將成為未來溝沿線提取中需要重點研究和解決的問題。

2 基于溝沿線的黃土地貌研究

目前，在工作和研究中涉及溝沿線時，主要是利用溝沿線分割出溝間地和溝谷地這兩種最基本的微地貌單元，研究各自的地形地貌特征和侵蝕規(guī)律［47－49］，并服務(wù)于水土保持規(guī)劃工作［50－52］。對于涉及溝沿線的黃土地貌研究，周毅等［53，54］利用溝沿線劃分出的正負(fù)地形，實現(xiàn)基于正負(fù)地形因子的黃土地貌空間分異分析及黃土高原地貌類型分區(qū)。然而，以上成果并沒有從溝沿線本身出發(fā)，研究其分布與演化規(guī)律以及溝沿線與黃土地貌的映射機(jī)制等問題。

由于溝沿線與地形地貌特征和侵蝕過程密切相關(guān)，因此，其時空分異規(guī)律是黃土地貌研究中重要的研究內(nèi)容之一。從空間角度分析，相關(guān)研究［34］表明在溝沿線定量指標(biāo)體系中，溝沿線的平均比降指標(biāo)不僅與研究區(qū)域地形有關(guān)，也與溝沿線發(fā)展?jié)摿τ忻芮械年P(guān)系;溝沿線上的高差反映區(qū)域總體地形特點;溝沿線明顯度所度量的溝沿線顯著性在黃土高原的分異有一定的規(guī)律性，與溝壑發(fā)育進(jìn)程相關(guān)，與實際情況一致。溝沿線的分維值與溝壑密度有較好的對應(yīng)關(guān)系。這一系列相關(guān)空間分異特征反映出溝沿線的存在和發(fā)育受到了地貌形態(tài)的制約，主要表現(xiàn)為：地貌類型區(qū)域的分布造成溝沿線的宏觀差異，同時，區(qū)域的侵蝕過程造成區(qū)域溝沿線的特征差異。從時間角度，一些學(xué)者［55，56］通過室內(nèi)模擬小流域數(shù)據(jù)的實驗，在時間序列上反映出溝沿線的性質(zhì)及發(fā)展變化：從發(fā)育初期到發(fā)育活躍期，溝沿線迅速發(fā)展，溝間地范圍減少;在發(fā)育穩(wěn)定期，溝沿線發(fā)展速度逐漸減緩?？傮w看，隨著流水侵蝕的加強(qiáng)，溯源侵蝕加劇，溝谷不斷擴(kuò)展，溝沿線也隨之逐漸發(fā)育成較為光滑的多彎曲曲線形態(tài)，展布于空間中。上述對溝沿線特征量化指標(biāo)的時空分異研究，動態(tài)的觀察溝沿線特征在時空序列中的變化，對于研究溝沿線形態(tài)與分布的外在表現(xiàn)、成因與演化的內(nèi)在規(guī)律以及在地貌發(fā)展的背景下理解溝沿線，有重要的意義。

對于溝沿線與黃土地貌映射機(jī)制的研究，目前尚未深入開展。溝沿線的蜿蜒形態(tài)與空間展布特征，是黃土地貌上百萬年以來發(fā)育、演化的外在表象，是黃土堆積與侵蝕矛盾雙方對立統(tǒng)一取得暫時平衡的結(jié)果。溝沿線對黃土地貌映射的本質(zhì)是從地表形態(tài)的表象研究深入到地貌演化的機(jī)理研究的知識挖掘過程。因此，實現(xiàn)這兩個研究層次的有效銜接與提煉，是溝沿線研究由虛到實、由淺入深、由表及里的關(guān)鍵，也將是研究黃土高原地貌形態(tài)空間分異的切入點。

3 評述與展望

3.1 重新審視溝沿線

通過對黃土地貌溝沿線的前期研究及回顧，人們對溝沿線諸多科學(xué)問題的辯證觀逐步形成，溝沿線是一條地形線：地形在溝沿線上下發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，地面坡度、曲率等地形因子也隨之發(fā)生變化，形成正負(fù)地形這兩類完全不同的地形單元;溝沿線又是一條地貌線：溝沿線上下正負(fù)地形的地貌成因機(jī)理有著顯著的差異，溝沿線以上的正地形，基本上保持著黃土堆積后的原始坡面態(tài)勢，坡面侵蝕以面蝕為主，僅發(fā)育著紋溝、細(xì)溝、淺溝;溝沿線以下的負(fù)地形，以溝道侵蝕和重力侵蝕為主，各種重力地貌廣為發(fā)育。溝沿線是一條簡單的線：它的存在明確、實在，無需質(zhì)疑;但是，溝沿線又是一條復(fù)雜的線：它的成因機(jī)理多樣、形狀變化迥異、層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜。溝沿線是一條封閉的線：作為正負(fù)地形的分界線，溝沿線與溝底線不同，其在線狀形態(tài)上表現(xiàn)出一定的封閉性;然而，溝沿線又是一條開放的線：通過溝沿線，正負(fù)地形單元的物質(zhì)與能量得以傳遞。溝沿線是一條微觀的線：溝沿線在坡面尺度上形成與發(fā)育;溝沿線又是一條宏觀的線：其在整個流域蜿蜒展布，雕琢出黃土地貌形態(tài)延綿的溝谷與黃土塬、梁、峁的空間格局，不同地貌類型區(qū)溝沿線空間形態(tài)特征的區(qū)域差異性，又成為地貌區(qū)劃的重要依據(jù)。溝沿線是一條清晰的線：在野外溝沿線空間位置明確且可精確定位;但是，溝沿線又是一條模糊的線：任何一種反映地形地貌的信息媒介，都存在程度不同的地形描述誤差，加上溝沿線自身的復(fù)雜性，更增強(qiáng)了溝沿線高精度自動提取的不確定性。溝沿線是一條相對穩(wěn)定線：溝沿線相對于其它部分要素，具有一定的空間位置穩(wěn)定性、空間關(guān)系穩(wěn)定性與發(fā)展態(tài)勢的穩(wěn)定性;同時，溝沿線又是一條絕對變化線，它位置的變化具有漸進(jìn)與突躍交替出現(xiàn)的特征，溝沿線的基本屬性也經(jīng)歷著量變到質(zhì)變，這種變化映射著黃土地貌的基本形態(tài)。溝沿線是一條地貌學(xué)上的理論界線：以溝沿線為界，劃分著地貌的形態(tài)類型、成因類型與景觀類型;溝沿線又是一條在生產(chǎn)實踐中不可或缺的實用界線，其繪制與分析是黃土高原地區(qū)小流域水土保持規(guī)劃的基礎(chǔ)工作與必要條件。這一系列重要認(rèn)識，加深了對溝沿線科學(xué)內(nèi)涵的理解，凸顯了溝沿線對于黃土高原地貌、土壤侵蝕、生態(tài)環(huán)境研究的重要性。

3.2 問題與思考

目前，在黃土地貌溝沿線的前期研究中，溝沿線的分類和提取已經(jīng)取得了初步成果，但基于溝沿線的黃土地貌研究，仍有諸多重要的理論與方法問題值得深思與探索。在黃土高原不同地貌發(fā)育階段，溝沿線怎樣表現(xiàn)出與之相應(yīng)的空間形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、發(fā)育演化進(jìn)程特征與區(qū)域環(huán)境響應(yīng)特征？如何才能將不同歷史時期形成的多級、多層次溝沿線，組合為一個合理的溝沿線體系？各種自然侵蝕過程及人類活動在溝沿線上又留下怎樣的烙印？反之，又如何據(jù)此反演黃土地貌的歷史軌跡與發(fā)育進(jìn)程？在黃土高原多個不同發(fā)育模式的地貌類型區(qū)，溝沿線呈現(xiàn)什么樣的區(qū)域差異性？溝沿線的空間分異能否有效反映黃土地貌的空間分異特征？溝沿線所產(chǎn)生的廊道效應(yīng)有哪些？這些效應(yīng)又對地形景觀產(chǎn)生了什么樣的影響？溝沿線從空間形態(tài)、成因機(jī)制、功能結(jié)構(gòu)等方面可分為哪些類型？如何才能構(gòu)建一個反映黃土地貌形態(tài)與機(jī)理的指標(biāo)體系？這些指標(biāo)與現(xiàn)有地形因子間存在何種聯(lián)系？有無可能基于溝沿線的變化，構(gòu)建反映黃土地貌區(qū)域差異性與發(fā)育差異性的序列圖譜，作為標(biāo)定黃土地貌發(fā)育進(jìn)程的核心標(biāo)志，并以此作為區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度及地貌分區(qū)的重要地形指標(biāo)？以上問題的解決，對于突破以往DEM難以進(jìn)行宏觀尺度地形分析的技術(shù)與方法瓶頸，深化黃土高原地貌形態(tài)空間分異和演化規(guī)律的認(rèn)識、揭示黃土地貌發(fā)育及演化機(jī)理具有重要作用。

3.3 研究重點與趨勢

針對以上問題，需要在以下幾方面展開研究：1）溝沿線的類型及量化指標(biāo)體系研究。研究溝沿線的成因機(jī)制、演化方式、空間分布、形態(tài)特征、顯著程度及發(fā)展規(guī)模，并以此為依據(jù)，研究黃土地貌溝沿線類型劃分的理論與方法;研究建立以定性與定量相結(jié)合、表象與內(nèi)涵相結(jié)合、機(jī)理與過程相結(jié)合、科學(xué)性與實用性相結(jié)合為原則，有效描述溝沿線的定量指標(biāo)體系。2）溝沿線的自動提取方法研究：研究以DEM數(shù)據(jù)為主，輔以其它信息源，自動高效提取溝沿線的方法;解決現(xiàn)有提取方法重形態(tài)輕機(jī)理、重局部輕全局的缺陷，研究真正實現(xiàn)局部保真、全局高效的溝沿線提取新算法;研究溝沿線定量描述指標(biāo)的實現(xiàn)算法：在定性分析的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的、多因子相互協(xié)調(diào)的溝沿線定量描述指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型與算法;探索面向線對象分析模式的黃土地貌定量研究方法。3）基于溝沿線的黃土地貌研究：以地貌“空代時”理論為支撐，研究黃土地貌在相同發(fā)育模式條件下不同發(fā)育階段的溝沿線的形態(tài)特征，探索黃土地貌發(fā)育階段與溝沿線的映射機(jī)制;研究溝沿線定量指標(biāo)的區(qū)域差異性，以及溝沿線與黃土高原地貌形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組合與變異的映射機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，研究黃土地貌的空間分異規(guī)律。

以黃土地貌溝沿線為切入點，進(jìn)行黃土高原地貌形態(tài)及空間格局的研究，可望在黃土高原地貌研究及數(shù)字地形分析方法上取得突破性的進(jìn)展。

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A Review on Research of Loess Shoulder-Line

ZHANG Lei，TANG Guo－an，LI Fa－yuan，XIONG Li－yang
（KeyLaboratoryofVirtualGeographicEnvironment，MinistryofEducation，NanjingNormalUniversity，Nanjing210046，China）

Loess shoulder-line is one of the most significant topographic structure lines in Loess Plateau.The morphological structure，hierarchical level，spatial pattern and evolution trend of loess shoulder-line are not only the outward appearance of loess landforms，but also the internal mechanisms of its development.Firstly，this paper analyzed its classification system based on a summary of classification of linear features.And then，a quantitative index system was introduced and extracting techniques of shoulder-line were summarized systematically.The research on loess landforms based on loess shoulder-line was also discussed.Finally，the scientific connotation of shoulder-line was expressed in view of dialectics，some problems were pointed out and the main development trend was proposed.

loess shoulder-line;loess landscape;DEM

P208

A

1672－0504（2012）06－0044－05

2012－05- 09;

2012－07－14

國家自然科學(xué)基金項目（40930531、41171299、41171320）;“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室”開放基金項目（2010KF0002SA）

張磊（1987－），男，碩士研究生，主要從事DEM數(shù)字地形分析研究。＊通訊作者E－mail：tangguoan＠njnu.edu.cn