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基于遥感纹理的黄土地貌景观图谱研究

张苏  
【摘要】:遥感影像是对地表景观的客观反映。黄土高原上,由黄土这种特殊物质在地球内外营力的作用下形成了“千沟万壑”的地貌形态,在这种地貌形态的约束下,由植被、土壤、水文、气候、人类活动等多种地理要素相互制约和相互作用形成复杂多样的地表景观。遥感技术的出现,使得这些千变万化的宏观地表景观可以通过遥感影像反映出的形态特征直观地展现出来。不过,如何对这种地貌景观进行定量化的表达一直未有较好的解决方案,究其原因,主要是由于没有一种合适的形态特征变量或指标,既能在宏观上实现对地貌景观的描述,同时又能较好的描述局部区域的细节特征。遥感影像的纹理既能描述区域宏观特征又能表达区域局部特征。本文将遥感纹理特征引入对地貌景观的量化表达及相关应用研究,以分析黄土地貌景观的尺度特征和遥感纹理的尺度效应为切入点,通过优化遥感纹理尺度参数,借助地学信息图谱的理论与方法建立基于遥感纹理的黄土高原典型地貌景观图谱,并尝试将其应用于地貌景观类型识别、区域划分、时空分异等方面。本文主要研究内容与结果包括:(1)研究黄土地貌景观尺度特征和遥感纹理的尺度效应。采用小波分析和半方差函数分析法,分析反映黄土地貌景观特征的尺度问题。结果表明,不同的黄土地貌景观类型的纹理特征出现的尺度不同,针对本文研究的9种黄土地貌景观类型,特征出现的尺度介于120~1920m的范围内。对不同纹理模型所提取纹理指数在不同尺度变化条件下所表现出的变化特征,按照类内同质性和类间异质性的原则,通过方差分析法进行评价,结果表明15m空间分辨率和1201 × 1201的分析窗口是表达黄土地貌景观特征的最优尺度参数。灰度共生矩阵是提取纹理指数的最优纹理模型,基于影像提取的二阶角矩、相关性和基于LBP变换图像提取的二阶角矩、对比度和方差平方和这五个指数对表达地貌景观的类内同质类间异质性效果较好。(2)建立基于遥感纹理的陕北黄土高原典型地貌景观图谱。首先根据地物变化带来的遥感纹理特征季相变化,建立不同地貌景观类型区的季相节律图谱。基于不同季节图谱对地貌景观表达的异质性效果对比分析,选择秋季遥感影像建立陕北黄土高原典型地貌景观图谱。实验结果显示陕北不同地貌类型区的景观图谱呈现有规律的空间分布,不同地貌类型对应的景观图谱中谱线峰值与谷值出现的特征及其组合情况呈现显著差异,反映出陕北黄土高原不同地貌类型的空间分异情况。(3)探索地貌景观图谱在陕北黄土高原典型地貌景观研究中的应用。在建立陕北黄土高原典型地貌景观图谱以及总结地貌景观图谱特性的基础上,利用地貌景观图谱不同特性的组合,初步探索了地貌景观图谱在以下4个方面的应用潜力:a.地貌景观自动识别。基于BP神经网络对遥感纹理识别地貌景观类型的实验结果表明,地貌景观图谱识别地貌景观类型的平均正确率可达90%。b.地貌景观边界划分。根据不同地貌景观间边界清晰程度的不同,基于地貌景观图谱可同时划分出明确的边界线或是不同地貌景观的边缘过渡带。c.地貌景观空间分异性分析。在子洲、米脂和绥德三县交界的研究样区内,地貌景观呈现出比目前地貌类型区域划分更为细致的空间分异现象,而这种分异现象与地形因子间存在一定的关联。d.地貌景观多时序变化。通过2000年与2016年两期遥感影像对延安市区及其周边约123平方公里范围遥感纹理图谱时间变异性的分析,发现遥感纹理图谱的时间变异特征分别反映出了延安新区建设给当地地貌景观带来的变化,以及延安自1999年实施退耕还林还草项目以来,当地植被覆盖出现的不同程度的恢复效果。这些探索研究表明,地貌景观图谱能够在宏观表达地貌景观分布规律、揭示黄土高原土地利用/土地覆被变化的环境效应、定量评估黄土高原退耕还林还草工程实施效果等多个领域发挥作用,为黄土高原生态环境的管理、规划、综合治理提供科技支撑。综上所述,本文探索了从遥感纹理分析的角度开展黄土高原地貌景观特征量化表达的研究,将理解地貌景观与遥感纹理特征的尺度对应性问题作为研究的切入点,在认知地貌景观多尺度特征和遥感纹理尺度效应基础上,通过对纹理特征的量化分析,得到表达地貌景观特征最优的方法与参数组合。基于地学信息图谱的理论与方法构建地貌景观图谱,为进一步探索陕北黄土高原典型地貌景观空间格局及空间分异规律提供重要支撑。相关应用实例证明了地貌景观图谱在地理学相关领域的应用潜力,并可为地貌景观图谱更深层次地学应用提供参考。


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