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《中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2020年
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LS因子尺度变换及其在土壤侵蚀抽样调查中的应用

杨力华  
【摘要】:中低分辨率DEM提取的LS因子并不能完全反应地形与土壤侵蚀的关系,故对中低分辨率DEM上提取的LS因子进行降尺度变换,是区域土壤侵蚀评价、DEM数据资源高效利用所需解决的重要问题。本研究从不同黄土高原侵蚀分区选取6个样区,根据ANUDEM生成20个不同分辨率DEM(2.5m-90m),利用地理信息系统的技术方法(包括数字图像处理、数字地形分析和数字地图制图),从统计分布和空间格局上分析不同分辨率坡度、坡长和LS因子的变化,再结合直方图匹配原理,对中低分辨率提取的地形因子进行降尺度变换,并将降尺度模型运用到土壤侵蚀抽样调查单元中,分析LS因子降尺度变换前后对土壤侵蚀评价的影响。主要研究结果如下:(1)地形因子的尺度效应:随着DEM分辨率的降低(2.5m到90m),坡度平均值逐渐减小,其频率的峰值向低坡度范围移动,坡度值域缩小且集中于较小坡度段,主要在沟坡上出现坡度衰减;坡长平均值和标准差逐渐增大,频率和累计频率曲线均向长坡长范围移动,坡长值变化范围增大但更加分散,主要在细小沟道的坡面上发生扩张;LS平均值和标准差先增大后减小,在分辨率为10-20m之间达到最大,LS主要在坡面上发生变化,在细小的沟道和坡面上LS先增加后减小,在主沟道的坡面上LS因子逐渐减小。总体上,坡度在陡坡样区衰减的更强烈,坡长在缓坡样区扩张的更强烈,LS因子在陡坡样区的变化幅度更大。(2)地形因子的降尺度计算以及降尺度模型的可用性:从统计分析得出,尺度变换后的坡度、坡长和LS的值域、平均值和标准差与高分辨率数据的特征值接近,变换后数据的频率曲线和累计频率曲线与所对应的高分辨率数据频率曲线基本接近,降尺度后的坡度、坡长和LS的直方图相似指数(HS)均比降尺度前的值大,接近高分辨率的HS。从空间格局上得出,6个样区变换后的坡度、坡长和LS宏观格局与高分辨率数据更加相似,陡坡样区的分布相似度优于缓坡样区,但微观纹理特征与低分辨率数据相似。总体表明,6个样区生成的坡度降尺度模型效果较好,其次是坡长,LS的尺度变换效果不如坡度和坡长,主要因为LS的变化受到坡度和坡长的影响,而坡长又受到坡度的影响。(3)LS尺度变换的适用性:根据中国土壤流失方程(Chinese soil loss equation,CSLE)和30m分辨率坡度、坡长的降尺度模型得出,暂不考虑陡坡样区2,尺度变换后陡坡样区1和中缓坡样区的抽样单元,土壤侵蚀速率增加,增加的值域为91.3 t·km~(-2)·a~(-1)~1024.5 t·km~(-2)·a~(-1),抽样单元尺度变换后的面积加权平均值增加了323.6 t·km~(-2)·a~(-1),变化比较明显,即坡度较陡样区的低分辨率LS使土壤侵蚀速率被低估;对于较陡坡样区、缓坡样区1和缓坡样区2的抽样单元,尺度变换后土壤侵蚀速率减小,减小的值域为5.3 t·km~(-2)·a~(-1)~320.9 t·km~(-2)·a~(-1),变换后抽样单元的面积加权平均值减小了76.3 t·km~(-2)·a~(-1),变化比较小,即在较缓地区粗分辨率LS因子使土壤侵蚀速率被高估。通过对典型抽样单元降尺度变换前后的LS和土壤水蚀速率分级制图和空间分布比较,说明尺度变换后LS主要在沟道的坡面上发生变化,对应的土壤水蚀流失速率发生改变,从而影响了不同级别土壤侵蚀强度的分级,对土壤侵蚀评价有一定的影响。该研究能支持大区域土壤侵蚀抽样调查中的土壤侵蚀评价,为形成一套完整的高精度的计算土壤水蚀流失速率的实用系统奠定基础。
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