韓 磊, 趙子林, 楊梅麗, 劉 釗, 趙永華

(1.長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院,710054,西安;2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710061,西安;3.陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710054,西安;4. 長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,710054,西安)

黃土高原作為地球上黃土地貌發(fā)育最典型的區(qū)域,面積廣大、溝壑縱橫、地表支離破碎,是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2]。近些年我國(guó)生態(tài)建設(shè)雖然取得了舉世矚目的成就,但生態(tài)環(huán)境依然較脆弱,局部地區(qū)水土流失問(wèn)題仍然嚴(yán)重,黃土高原生態(tài)保護(hù)與修復(fù)仍待加強(qiáng)[3]。黃土地貌類(lèi)型復(fù)雜,空間形態(tài)多樣,按照明顯的坡度差異,可分為溝間地(正地形)和溝谷地(負(fù)地形)2部分[4],在正、負(fù)地形的不同地貌區(qū)域,地形地貌特征、植被覆蓋、土壤侵蝕方式存在顯著差異。溝沿線(xiàn)作為分割正負(fù)地形的結(jié)構(gòu)特征線(xiàn),地處切、沖溝發(fā)育最成熟的部位,其動(dòng)態(tài)變化可以充分表現(xiàn)溝谷面積以及溝道長(zhǎng)度等的細(xì)微變化,能夠快速有效地體現(xiàn)黃土地貌的微觀溝壑變化和宏觀形態(tài)特征,是研究溝谷形態(tài)變化的一個(gè)主要計(jì)量指標(biāo)[5-6]。因此,深入研究黃土高原溝沿線(xiàn),探究黃土地形地貌特征、侵蝕規(guī)律,對(duì)于揭示黃土地貌內(nèi)在機(jī)理和演化模式,分析人類(lèi)對(duì)黃土地貌演化趨勢(shì)的影響,厘清黃土土壤侵蝕的方式與空間格局,推進(jìn)生態(tài)環(huán)境修復(fù),有重要的理論和實(shí)際意義。

然而,目前溝沿線(xiàn)的提取方法以及基于溝沿線(xiàn)的應(yīng)用研究遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理想的狀態(tài),已有的綜述性文章系統(tǒng)地分析了溝沿線(xiàn)分類(lèi)體系與量化指標(biāo)體系,總結(jié)了溝沿線(xiàn)提取方法及黃土地貌特征,其重點(diǎn)在于溝沿線(xiàn)在黃土地貌地形中的應(yīng)用及特征,比較單一。為了拓展和深化黃土高原溝沿線(xiàn)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用,筆者在此基礎(chǔ)上,從溝沿線(xiàn)的概念模型、提取方法進(jìn)行回顧總結(jié),并系統(tǒng)評(píng)述黃土地貌地形、土壤侵蝕、土地利用等方面溝沿線(xiàn)的應(yīng)用,探索未來(lái)研究重點(diǎn),為進(jìn)一步研究提供重要參考。

1 溝沿線(xiàn)的概念模型

1.1 溝沿線(xiàn)的定義

溝沿線(xiàn)作為黃土地貌正負(fù)地形劃分和形態(tài)刻畫(huà)的重要分界線(xiàn),對(duì)于揭示地貌形態(tài)的空間分異規(guī)律和演化機(jī)理有著重要的科學(xué)價(jià)值[7]。早期,學(xué)者Darlrymple等[8]根據(jù)理想9段地形模式圖,分辨出整個(gè)坡面上較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);但在部分坡地上,由于復(fù)式滑坡和新近發(fā)育的切溝等影響,使得坡面轉(zhuǎn)折點(diǎn)愈加眾多。蔣德麒等[9]充分考慮溝沿線(xiàn)的地形分布特征,在黃土丘陵溝壑區(qū)將梁峁坡和溝坡的分界線(xiàn)認(rèn)定為溝沿線(xiàn),一般是25°～35°的梁、峁坡下邊的陡坎,有2條以上時(shí),以最下面的一條為準(zhǔn)。在黃土高原溝壑區(qū),塬面與溝坡分界線(xiàn)有明顯的陡崖,是以將其分界視作溝沿線(xiàn)。因此,如何對(duì)這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行有效辨識(shí),并且連成折線(xiàn)進(jìn)而確定溝沿線(xiàn),成為研究溝沿線(xiàn)必須解決的首要問(wèn)題。

隨著GIS與地貌學(xué)研究的結(jié)合發(fā)展,閭國(guó)年等[6]和朱紅春等[10]對(duì)溝沿線(xiàn)的界定提出了新的結(jié)構(gòu)定義,總結(jié)出溝沿線(xiàn)有以下特征:溝沿線(xiàn)2側(cè)地形坡度有明顯的變化且土壤侵蝕類(lèi)型與土地利用類(lèi)型不同。周毅等[7,11]在黃土正負(fù)地形研究中認(rèn)為,溝沿線(xiàn)在不同區(qū)域有著迥異的形態(tài)和位置特征。在黃土塬、殘塬地區(qū),坡度變化大,切溝溝壁幾乎垂直于水平面。在北部的黃土丘陵溝壑區(qū),坡面地形由梁、峁坡向溝坡過(guò)渡,坡度變化稍緩。事實(shí)上,無(wú)論何種地貌類(lèi)型,溝沿線(xiàn)處的坡度轉(zhuǎn)折在整個(gè)坡面上變化最大(圖1)。

圖1 黃土地貌地形剖面結(jié)構(gòu)圖(蔣德麒等[9];周毅[7])Fig.1 Topographic section structure map of loess landform (JIANG Deqi, et al[9];ZHOU Yi[7])

總而言之,溝沿線(xiàn)是一條體現(xiàn)黃土地貌形態(tài)特征的地形結(jié)構(gòu)線(xiàn),由一系列坡面轉(zhuǎn)折突變點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)集合,將以分水嶺為邊界的流域單元?jiǎng)澐殖杀砻嫦鄬?duì)平滑的正地形結(jié)構(gòu)和表面相對(duì)陡峭的負(fù)地形結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同地貌類(lèi)型的剖面結(jié)構(gòu)圖(圖1)清晰可見(jiàn),黃土塬區(qū)存在著溝沿線(xiàn)和塬邊線(xiàn)以及坡腳線(xiàn)等特殊轉(zhuǎn)折線(xiàn),而在黃土丘陵溝壑區(qū),坡面上部出現(xiàn)梁頂或峁頂,因而使黃土粱、峁區(qū)域存在溝沿線(xiàn)和峁邊線(xiàn)以及坡腳線(xiàn)等特殊轉(zhuǎn)折線(xiàn),使典型二元結(jié)構(gòu)的坡面形態(tài)得以完整表達(dá)。

在黃土高原地貌區(qū)域,流域是形態(tài)特征表達(dá)的重要尺度載體,反映地貌的本質(zhì)特征和相互聯(lián)系的過(guò)程,也是我國(guó)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建與水土流失綜合治理的基本單元[12]?；诳臻g全局視角,可將黃土地貌看作眾多流域單元的集合體。對(duì)于每個(gè)流域單元,坡面形態(tài)變化復(fù)雜,不同坡面區(qū)域表現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)的特殊性和位置的差異性,自分水嶺至溝谷谷底,坡面轉(zhuǎn)折線(xiàn)并非單一出現(xiàn),流域剖面所反映的轉(zhuǎn)折點(diǎn)也往往有多個(gè)。因此,對(duì)于溝沿線(xiàn)的準(zhǔn)確判斷,是深化地貌發(fā)育形態(tài)和生態(tài)治理的前提,需在前人研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加深對(duì)溝沿線(xiàn)的規(guī)律性認(rèn)識(shí)和掌握。

1.2 溝沿線(xiàn)類(lèi)型劃分

溝沿線(xiàn)類(lèi)型劃分是有效探索溝沿線(xiàn)成因、演化機(jī)制的關(guān)鍵。溝沿線(xiàn)分類(lèi)體系科學(xué)合理的建立,不但有助于加深人們對(duì)黃土地貌形態(tài)和演化規(guī)律的認(rèn)識(shí),而且對(duì)水土保持災(zāi)害防治工作、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和生態(tài)環(huán)境修復(fù)有著重要的指導(dǎo)意義[13]。借鑒前人對(duì)線(xiàn)性地形要素的分類(lèi)體系,肖晨超等[14]積極探索黃土地貌溝沿線(xiàn)類(lèi)型的劃分,按照科學(xué)性、系統(tǒng)性、可實(shí)現(xiàn)性原則,結(jié)合溝沿線(xiàn)的成因,空間分布、發(fā)展速度,擴(kuò)展方式等7方面特征對(duì)其進(jìn)行劃分,并進(jìn)一步豐富了溝沿線(xiàn)的科學(xué)內(nèi)涵,深化對(duì)黃土地貌的空間規(guī)律和發(fā)育演化的認(rèn)識(shí)(表1)。

表1 溝沿線(xiàn)分類(lèi)(肖晨超等[14])Tab.1 Classification of the gully shoulder lines(XIAO Chenchao, et al[14])

2 溝沿線(xiàn)提取方法

黃土高原具有最典型、最獨(dú)特的地貌形態(tài),一直以來(lái)是數(shù)字地形分析研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。溝沿線(xiàn)的識(shí)別提取是正負(fù)地形分割及其形態(tài)特征的體現(xiàn),也是黃土地貌研究的重要基礎(chǔ)。近年來(lái),諸多學(xué)者從專(zhuān)家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)預(yù)判和形態(tài)特征自動(dòng)識(shí)別等方面對(duì)溝沿線(xiàn)提取進(jìn)行深入探索,并取得了顯著的成果。

2.1 溝沿線(xiàn)傳統(tǒng)提取方法

傳統(tǒng)的沿線(xiàn)提取方法主要以基于航片與遙感影像手繪為主。郭學(xué)軍等[15]在分析研究土壤侵蝕量的動(dòng)態(tài)變化時(shí),通過(guò)利用APS-1型精密解析測(cè)圖儀對(duì)1967、1981和1990年這3個(gè)不同時(shí)期的航片對(duì)溝道邊界線(xiàn)和淤地壩進(jìn)行立體判斷量測(cè)和解譯,揭示小流域內(nèi)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律。王輝等[16]在定量監(jiān)測(cè)黃土高原丘陵溝壑區(qū)溝谷侵蝕時(shí),為了對(duì)溝谷面積進(jìn)行監(jiān)測(cè),利用Arcinfo對(duì)DOM(digital orthophoto map)采用手動(dòng)數(shù)字化的方式對(duì)溝沿線(xiàn)進(jìn)行提取。傳統(tǒng)的溝沿線(xiàn)提取法精度較高,但人力物力消耗大,效率低,容易受主觀因素影響,適用于精度要求較高,面積不大的區(qū)域[5,17]。

2.2 基于地貌形態(tài)學(xué)提取方法

地貌形態(tài)是指地形表面的幾何形狀,具有三維結(jié)構(gòu),表征地形的起伏變化形態(tài)[18],如溝間地、溝坡地等?；诘孛残螒B(tài)學(xué)的方法是指在黃土高原地貌形態(tài)特征與侵蝕發(fā)育過(guò)程研究中,將基于高分辨率DEM(digital elevation model)建立起的地貌形態(tài)特征指標(biāo)因子納入到研究系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)特征因子與地貌形態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,從因子特征分析方面,主要探索侵蝕溝谷、溝沿線(xiàn)以及正負(fù)地形所建立的指標(biāo)因子之間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

以改進(jìn)對(duì)流域進(jìn)行空間模擬的方法為目的,1998年閭國(guó)年等[6]首次提出基于DEM數(shù)據(jù)以地貌形態(tài)學(xué)特征為理論依據(jù)的溝沿線(xiàn)提取技術(shù),在溝谷地貌形態(tài)特征基礎(chǔ)上,通過(guò)溝谷網(wǎng)絡(luò)約束實(shí)現(xiàn)坡面凸形特征點(diǎn)提取,進(jìn)而利用形態(tài)特征和遞歸思想實(shí)現(xiàn)溝沿線(xiàn)定位與標(biāo)識(shí)。朱紅春等[10]以地貌形態(tài)學(xué)和地貌成因?qū)W為理論指導(dǎo),從溝沿線(xiàn)的地學(xué)特征和意義出發(fā),結(jié)合多源信息對(duì)比分析的方法提出利用剖面曲率數(shù)據(jù)、坡度變異數(shù)據(jù)、溝壑分布信息數(shù)據(jù)提取出的溝沿線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)溝沿線(xiàn)自動(dòng)提取。肖晨超[19]創(chuàng)建了溝沿線(xiàn)的科學(xué)分類(lèi)體系,并以此為基礎(chǔ),提出了一種與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)圖像處理結(jié)合的坡面領(lǐng)域形態(tài)判斷法,利用坡面朝向與坡度轉(zhuǎn)折的范式準(zhǔn)則提取溝沿線(xiàn)候選點(diǎn),最后通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)原理連接溝沿線(xiàn)候選點(diǎn)集形成完整、連續(xù)的溝沿線(xiàn)。Zhou等[20]在基于DEM的黃土正負(fù)地形特征研究過(guò)程中提出利用坡面畸變鄰域判斷法對(duì)正負(fù)地形進(jìn)行提取。該方法充分考慮黃土地貌起伏特征和溝坡形態(tài),結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)理論,基于DEM有效提取和分析正負(fù)地形景觀形態(tài)指標(biāo)、三維形態(tài)指標(biāo)及地形發(fā)育指標(biāo),探究黃土丘陵溝壑區(qū)正負(fù)地形的的外在表象和科學(xué)內(nèi)涵,很大程度上深化和拓展了溝沿線(xiàn)自動(dòng)提取技術(shù)的研究。

此前,基于DEM的溝沿線(xiàn)自動(dòng)提取的思路是從地貌形態(tài)學(xué)的角度,判斷空間形態(tài)上所有滿(mǎn)足溝沿線(xiàn)的地形特征,進(jìn)而采取各種方法歸并地形單元提取溝沿線(xiàn)。隨著水文學(xué)在特征地貌提取的有效性得到廣泛的認(rèn)可,劉鵬舉等[21]提出基于水文學(xué)利用匯流路徑坡度變化特征法進(jìn)行溝沿線(xiàn)自動(dòng)提取,以D8算法提取的水流網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),利用最大坡度轉(zhuǎn)折點(diǎn)提取匯流區(qū)域單元,并通過(guò)Douglas-Pecuker方法對(duì)匯流區(qū)域的特征線(xiàn)進(jìn)行曲線(xiàn)抽稀,得到完整的溝沿線(xiàn)。該方法促進(jìn)了基于水文學(xué)的特征地貌提取方法的深度和廣度。周毅等[22]將以黃土坡面的形態(tài)和匯水特征相結(jié)合,利用坡度變異和匯水模型對(duì)正負(fù)地形進(jìn)行自動(dòng)分割,其中坡度變異原理是利用坡面上下游柵格點(diǎn)的坡度對(duì)比識(shí)別溝沿線(xiàn)點(diǎn),匯水模型是用于提取溝沿線(xiàn)點(diǎn)約束的上游匯水區(qū)域。

一些學(xué)者探求地形因子與地形特征表達(dá)效果的關(guān)系實(shí)現(xiàn)圖像特征凸顯,進(jìn)而有效提取得到連續(xù)溝沿線(xiàn)。王軻等[23]提出地形開(kāi)度和差值圖像閾值分割原理的溝沿線(xiàn)提取方法,通過(guò)閾值處理獲取正負(fù)地形邊界二值圖像,并使用形態(tài)學(xué)原理實(shí)現(xiàn)溝沿線(xiàn)的自動(dòng)提取。Na等[24]提出雙向山體陰影的方法,基于雙向山體陰影,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方程確定全域閾值劃分正負(fù)地形,實(shí)現(xiàn)溝沿線(xiàn)提取。Yang等[25]基于高分辨率DEM提出多向山體陰影的溝沿線(xiàn)提取方法,通過(guò)分析得出6個(gè)方位角時(shí)可以滿(mǎn)足黃土高原溝沿線(xiàn)的提取,并在驗(yàn)證區(qū)域取得較高的精度。

面向?qū)ο蠓诸?lèi)方法將傳統(tǒng)的分類(lèi)單元從像元變?yōu)榱擞袑?shí)際意義的對(duì)象,從而取得了較高的精度,在分類(lèi)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Jiang[26]、Liu等[27-28]和羅志東等[17]利用面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)方法實(shí)現(xiàn)溝沿線(xiàn)的提取。Jiang[26]利用明暗對(duì)比度分割坡度圖像結(jié)合鄰域數(shù)據(jù)處理細(xì)小錯(cuò)分噪點(diǎn)得到正負(fù)地形分類(lèi)圖,提取溝沿線(xiàn)?；诟叻直媛蔇EM與亞米級(jí)遙感影像,Liu等[27]從光譜、地形、紋理和幾何4種信息中篩選最優(yōu)的15個(gè)特征,利用隨機(jī)森林模型分類(lèi)溝谷地與溝間地取得很好的效果,并得出地形數(shù)據(jù)在溝谷分類(lèi)中占重要的比例,溝谷的分布與地形數(shù)據(jù)密切相關(guān)。羅志東等[17]將最優(yōu)地形因子與紋理特征因子構(gòu)成最優(yōu)“多波段影像”,并利用面向?qū)ο蟮姆椒ǚ诸?lèi),實(shí)現(xiàn)溝沿線(xiàn)的提取。Liu等[28]利用無(wú)人機(jī)獲取高精度影像與DEM,并基于面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建隨機(jī)森林分類(lèi)模型,彌補(bǔ)了人工測(cè)量耗時(shí)耗力與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分辨率低丟失細(xì)節(jié)的不足,將精度與效率達(dá)到有機(jī)統(tǒng)一。

歷經(jīng)10多年的發(fā)展,基于形態(tài)學(xué)溝沿線(xiàn)提取算法從單一的形態(tài)學(xué)到與水文、景觀、生態(tài)相結(jié)合拓展,取得了階段性的進(jìn)展。目前,提取的思路出現(xiàn)2種方向:一種是識(shí)別溝沿線(xiàn)特征點(diǎn)再將點(diǎn)連接成線(xiàn),例如形態(tài)學(xué)法、坡度變異法、坡面朝向形態(tài)法等;另一種是識(shí)別正負(fù)地形,提取地形邊界線(xiàn),例如地形開(kāi)度差值閾值法。

基于地貌形態(tài)學(xué)提取溝沿線(xiàn)算法的地學(xué)意義比較明顯,方法簡(jiǎn)單易懂,效率較高。但目前為止,形態(tài)學(xué)溝沿線(xiàn)提取還停留在對(duì)局部的地形進(jìn)行分析,重局部輕全局也是形態(tài)學(xué)提取法的一個(gè)弊端。

2.3 基于圖像分割提取方法

基于圖像分割方法以DEM為數(shù)據(jù)源,將其視為灰度圖像,利用邊緣檢測(cè)、區(qū)域生長(zhǎng)等圖像分割算法提取溝沿線(xiàn)。晏實(shí)江等[29]在溝沿線(xiàn)自動(dòng)提取的研究中,以溝沿線(xiàn)處明顯的坡度變異為分析基礎(chǔ),引入LOG(Laplace of Gaussian)邊緣檢測(cè)算子對(duì)溝沿線(xiàn)候選點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)提取與連接,并通過(guò)形態(tài)學(xué)方法去除噪點(diǎn)得到完整的溝沿線(xiàn)。針對(duì)LOG算子提取溝沿線(xiàn)的不足,Jiang等[30]提出了一種基于Marr-Hildreth算子與地形掩膜的溝沿線(xiàn)提取方法,利用不同標(biāo)準(zhǔn)差的Marr-Hildreth算子提取并選擇精度最優(yōu)的初始溝沿線(xiàn),然后通過(guò)全域閾值分類(lèi)法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)構(gòu)建地形掩膜修正初始溝沿線(xiàn),剔除非溝沿線(xiàn)的噪聲。近年來(lái),基于能量場(chǎng)的圖像分割模型—Snake模型被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)GVF Snake模型的外力約束作用進(jìn)行了深入探索,周毅等[31]指出梯度矢量場(chǎng)的方向指示與地表匯水過(guò)程有著相似的特征。因此,將梯度矢量場(chǎng)替換為D8算法的匯水方向,對(duì) Snake模型的進(jìn)行改進(jìn),從而達(dá)到連續(xù)溝沿線(xiàn)的識(shí)別和提取。為了解決現(xiàn)有方法重精度輕連續(xù)性的問(wèn)題,探究高效率提取溝沿線(xiàn)的同時(shí)保證完整性并使結(jié)果更加逼近地形形態(tài)特征的方法,宋效東等[32]結(jié)合黃土坡面的形態(tài)特征以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)感知的研究,在GVF Snake模型基礎(chǔ)上優(yōu)化初始化溝沿線(xiàn)輪廓,并采用并行化策略降低模型時(shí)間復(fù)雜度。劉瑋等[33]以四鄰域區(qū)域生長(zhǎng)法與邊緣檢測(cè)算法提取正負(fù)地形分界線(xiàn),并利用形態(tài)學(xué)處理完成溝沿線(xiàn)的自動(dòng)提取,彌補(bǔ)了坡面畸變鄰域法中出現(xiàn)的分類(lèi)錯(cuò)誤以及出現(xiàn)較多的碎屑圖斑的問(wèn)題。

上述學(xué)者通過(guò)對(duì)圖像識(shí)別和處理特征的認(rèn)知,利用計(jì)算機(jī)圖像處理原理,在小區(qū)域范圍內(nèi)能夠高效且精確識(shí)別溝沿線(xiàn)特征,已成為目前自動(dòng)識(shí)別提取溝沿線(xiàn)最有效的方式。但由于算法對(duì)計(jì)算機(jī)的性能較為依賴(lài),且本身較為復(fù)雜,尚不能成為一種普適性的自動(dòng)提取算法,不太適用于大面積區(qū)域的特征提取。

2.4 面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)的溝沿線(xiàn)自動(dòng)提取方法

地面三維激光掃描技術(shù)實(shí)時(shí)性好、精度高,能完整采集復(fù)雜場(chǎng)景數(shù)據(jù),適用于小區(qū)域、復(fù)雜地形的建模,點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為三維激光掃描的離散空間點(diǎn)集逐漸應(yīng)用于數(shù)字地形分析[34]。在數(shù)字地形分析方面,面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度溝沿線(xiàn)的提取方法處于起步階段。李敏等[35]針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)自動(dòng)去除植被時(shí)存在較大地形上的失真問(wèn)題,提出去除植被之前基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建地形模型提取溝沿線(xiàn),對(duì)溝沿線(xiàn)上下地形分別處理。面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)的溝沿線(xiàn)自動(dòng)提取方法以溝沿線(xiàn)上下正負(fù)地形的坡度變異作為識(shí)別溝沿線(xiàn)的重要依據(jù),通過(guò)對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)多尺度格網(wǎng)采樣避開(kāi)樣區(qū)內(nèi)較多的植被點(diǎn),并由此重建精細(xì)的地形表面,再利用地形的坡度變異特性對(duì)溝沿線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)提取。

面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)的溝沿線(xiàn)提取方法具有創(chuàng)新性,且提取的溝沿線(xiàn)位置較為精確,溝沿線(xiàn)細(xì)節(jié)反映更為豐富,但是這種方法的弊端在于處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要計(jì)算機(jī)具備較強(qiáng)運(yùn)載能力,且并行處理能力不高。

3 基于溝沿線(xiàn)的應(yīng)用

根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)搜索關(guān)鍵詞為溝沿線(xiàn)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),制作知識(shí)圖譜圖(圖2)。目前,在溝沿線(xiàn)的應(yīng)用方面,主要是以溝沿線(xiàn)為界線(xiàn)對(duì)溝谷地和溝間地這2種最基本的黃土高原溝壑區(qū)小流域系統(tǒng)的微地貌單元進(jìn)行分割,然后研究正負(fù)地形上不同的地形地貌特征(地貌演化規(guī)律)、土壤侵蝕規(guī)律以及植被覆蓋等。

圖2 溝沿線(xiàn)知識(shí)圖譜Fig.2 Knowledge map of gully shoulder lines

基于溝沿線(xiàn)研究黃土地貌特征,主要是利用溝沿線(xiàn)作為一條黃土高原上最為顯著的地形結(jié)構(gòu)線(xiàn),上下坡度變異明顯。對(duì)正負(fù)地形進(jìn)行分割以及通過(guò)溝沿線(xiàn)的分形特征來(lái)研究溝沿線(xiàn)的特征是否并如何反映黃土高原地形地貌的特征,科學(xué)而準(zhǔn)確地對(duì)地貌形態(tài)和地形特征進(jìn)行量化描述,是地貌系統(tǒng)研究的基礎(chǔ),亦是對(duì)地學(xué)問(wèn)題定量研究的深化探索。黃土地貌從定性分析到定量分析的過(guò)程中,隨著DEM數(shù)據(jù)分辨率的提高,一系列揭示地貌特征和地學(xué)內(nèi)涵的地形因子被發(fā)掘,數(shù)字地形分析方面取得了大量的研究成果(表2),其中溝沿線(xiàn)都承擔(dān)著重要的作用。

表2 溝沿線(xiàn)在地貌特征中應(yīng)用現(xiàn)狀Tab.2 Application status of gully shoulder lines in geomorphological characteristics

黃土高原侵蝕劇烈,水土流失嚴(yán)重,黃河高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略對(duì)水沙治理提出了更高的要求。研究黃土高原水沙運(yùn)移的動(dòng)態(tài)變化對(duì)改善水土流失有著特殊的意義,要實(shí)現(xiàn)定位、定量和動(dòng)態(tài)地研究土壤侵蝕變化規(guī)律,獲取流域范圍內(nèi)的水土流失數(shù)據(jù),建立流域范圍內(nèi)的分布式土壤侵蝕模型和分布式水文模型是必經(jīng)之路,溝沿線(xiàn)恰恰是此模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5,45]。不同學(xué)者從不同尺度探索溝沿線(xiàn)在溝蝕方面的中作用(表3),并在此基礎(chǔ)上量化侵蝕程度與空間分異特征,揭示了黃土地貌演化發(fā)育過(guò)程及水土侵蝕機(jī)理。

表3 溝沿線(xiàn)在土壤侵蝕中應(yīng)用現(xiàn)狀Tab.3 Application status of the gully shoulder lines in soil erosion

目前,基于溝沿線(xiàn)的土地利用及植被研究(表4)本質(zhì)上是對(duì)黃土地形特征與土壤侵蝕的側(cè)面量化,由于溝沿線(xiàn)上下由于坡度等地形因子突變,侵蝕方式差異較大,因而會(huì)造成了溝沿線(xiàn)上下的土地利用方式的差異及植被覆蓋類(lèi)型不同[7]。溝間地坡度較小,侵蝕方式主要是坡面的流水侵蝕,因此溝坡地的土地利用方式主要以耕地為主。溝坡地的坡度較大,侵蝕方式主要為沖蝕以及重力侵蝕[9,46]。

表4 溝沿線(xiàn)在土地利用中應(yīng)用現(xiàn)狀Tab.4 Application status of the gully shoulder lines in land use

總體而言,前人在溝沿線(xiàn)研究中已取得了重大的突破,溝沿線(xiàn)應(yīng)用領(lǐng)域分布廣泛,基于溝沿線(xiàn)的地貌特征分析,極大地豐富了黃土地貌與數(shù)字地形分析的研究體系, 有效地刻畫(huà)地表形態(tài)和模擬地貌發(fā)育;從不同視角、不同尺度進(jìn)一步挖掘土壤侵蝕中溝沿線(xiàn)的作用,借鑒前人成果,深層次探索土壤侵蝕機(jī)理,發(fā)掘溝沿線(xiàn)的地學(xué)內(nèi)涵和價(jià)值,創(chuàng)新地解決黃土地貌形態(tài)特征的表達(dá)和發(fā)育演化過(guò)程模擬中的問(wèn)題。但目前溝沿線(xiàn)應(yīng)用多處于小范圍內(nèi),大范圍、宏觀黃土高原應(yīng)用研究尚需不斷的努力。

4 展望

經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展,溝沿線(xiàn)分類(lèi)體系的構(gòu)建、溝沿線(xiàn)提取方法以及應(yīng)用已經(jīng)得到了階段性的進(jìn)展,但仍有諸多理論和實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題值得思考和探索。

1)建立完備的溝沿線(xiàn)分類(lèi)體系。溝沿線(xiàn)類(lèi)型劃分與量化指標(biāo)體系的建立對(duì)其成因、演化等本質(zhì)的認(rèn)識(shí)及后續(xù)提取算法研究具有重要的意義。完備的分類(lèi)體系是溝沿線(xiàn)研究步入成熟的一個(gè)標(biāo)志,對(duì)溝沿線(xiàn)分類(lèi)體系的不斷完善也是對(duì)溝沿線(xiàn)認(rèn)識(shí)逐步深化的過(guò)程。目前針對(duì)溝沿線(xiàn)的分類(lèi)以定性的指標(biāo)為主,缺乏定量化的衡量,只是從溝沿線(xiàn)的表象對(duì)其分類(lèi)。因此在后續(xù)研究中,應(yīng)將定性與定量相結(jié)合、外在地貌形態(tài)與內(nèi)在演化機(jī)理相結(jié)合構(gòu)建科學(xué)完備的溝沿線(xiàn)分類(lèi)體系,從而實(shí)現(xiàn)深層次反映地貌形態(tài)與發(fā)育機(jī)理的綜合量化。

2)探索高精度的溝沿線(xiàn)提取方法。在溝沿線(xiàn)的提取方面,溝沿線(xiàn)特征點(diǎn)的有效識(shí)別與特征點(diǎn)連接成線(xiàn)的連續(xù)性是決定溝沿線(xiàn)提取結(jié)果精度的2個(gè)關(guān)鍵。在構(gòu)建科學(xué)完善的溝沿線(xiàn)分類(lèi)體系及量化指標(biāo)體系的前提下,以形態(tài)與機(jī)理并重,利用不同類(lèi)型溝沿線(xiàn)間的顯著差異特征,結(jié)合地形細(xì)節(jié)特征,選擇適合其特征點(diǎn)識(shí)別的方法,提高特征點(diǎn)識(shí)別的有效性;不斷探究溝沿線(xiàn)特征點(diǎn)連接成線(xiàn)的算法,提高溝沿線(xiàn)提取的連續(xù)性。此外,深度學(xué)習(xí)等新算法在圖像分割的廣泛應(yīng)用且具有較高的精度,使正負(fù)地形提取有了新思路和突破。利用較高精度的圖像分割算法分割正負(fù)地形,再對(duì)其進(jìn)行邊緣識(shí)別完成溝沿線(xiàn)的提取,這將是溝沿線(xiàn)提取的一個(gè)新思路。

3)構(gòu)建全局高效、局部保真提取模型?，F(xiàn)有的方法多數(shù)是基于局部小流域的溝沿線(xiàn)進(jìn)行提取,每一塊流域的溝壑形態(tài)以及地貌類(lèi)型組合復(fù)雜,所采用的提取模型為固定鄰域窗口運(yùn)算,無(wú)法保證方法在全局地貌中的提取效率且局部提取結(jié)果失真,在后續(xù)的研究中可以將鄰域大小與提取效率有機(jī)結(jié)合,逐步在宏觀上實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效準(zhǔn)確、微觀上實(shí)現(xiàn)保真的溝沿線(xiàn)提取算法。

4)深入探討溝沿線(xiàn)與黃土高原溝壑之間的耦合關(guān)系。在基于溝沿線(xiàn)的黃土地貌研究方面,現(xiàn)有的研究還沒(méi)有達(dá)到從溝沿線(xiàn)自身出發(fā)揭示黃土地貌發(fā)育及演化機(jī)理,如何充分實(shí)現(xiàn)溝沿線(xiàn)在黃土地貌研究中應(yīng)用還有待探討。認(rèn)知溝沿線(xiàn)地形特征與土壤侵蝕等營(yíng)力之間的關(guān)系,深入探討溝沿線(xiàn)與黃土高原溝壑演化與溝沿線(xiàn)之間的耦合關(guān)系,深化地貌發(fā)育及演化內(nèi)涵機(jī)理,將是后續(xù)研究中的重點(diǎn)。從宏觀上刻畫(huà)不同發(fā)育程度溝壑的空間分異,從微觀上探究侵蝕機(jī)理與地表模擬,從而有效地分析黃土高原地貌形態(tài)的內(nèi)涵。

5 結(jié)論與討論

1)總結(jié)了溝沿線(xiàn)的基本內(nèi)涵和分類(lèi)體系。溝沿線(xiàn)是黃土地貌中一條重要的地形線(xiàn),其表現(xiàn)了黃土地貌內(nèi)在的發(fā)育與演化過(guò)程?，F(xiàn)階段,溝沿線(xiàn)的認(rèn)知已經(jīng)比較成熟,但分類(lèi)體系匱乏,目前常用的為肖晨超等[14]提出的類(lèi)型劃分方法。

2)實(shí)現(xiàn)了溝沿線(xiàn)提取法的分類(lèi)和評(píng)析。溝沿線(xiàn)提取法大體上可分為傳統(tǒng)法、基于地貌形態(tài)學(xué)法、基于圖像分割法、面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)法4種。傳統(tǒng)法提取的精度最高,但是需要消耗極大的人力物力;基于地貌形態(tài)學(xué)法相比于傳統(tǒng)提取效率更高,但在提取精度和連續(xù)性上效果較差;基于圖像法提取的溝沿線(xiàn)在精度以及提取效率上都較好,但相對(duì)來(lái)說(shuō)模型法算法更加復(fù)雜;面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取法的精度僅次于傳統(tǒng)法,能夠反映溝沿線(xiàn)豐富的細(xì)節(jié)信息,但需要較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)運(yùn)載能力。

3)探討了基于溝沿線(xiàn)的應(yīng)用現(xiàn)狀和實(shí)際意義。從黃土地貌特征、土壤侵蝕、植被覆蓋等方面對(duì)溝沿線(xiàn)的實(shí)際意義展開(kāi)探討。應(yīng)用較多的為基于溝沿線(xiàn)的黃土地貌研究,主要是利用溝沿線(xiàn)進(jìn)行正負(fù)地形的分割、探究黃土高原不同地貌類(lèi)型區(qū)溝沿線(xiàn)的特征、溝沿線(xiàn)與黃土地貌演化機(jī)制的映射關(guān)系、基于溝沿線(xiàn)對(duì)黃土地貌景觀進(jìn)行描繪等;在基于溝沿線(xiàn)的土壤侵蝕研究方面,主要是基于溝沿線(xiàn)進(jìn)行溝沿線(xiàn)廊道防蝕研究、構(gòu)建溝蝕量化指標(biāo)體系、區(qū)分重點(diǎn)溝蝕區(qū)以及溝谷類(lèi)型等;在土地利用和植被覆蓋相關(guān)研究較少。總體來(lái)看,基于溝沿線(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用較少,出現(xiàn)這種情況的原因可能是溝沿線(xiàn)的提取方法還有待完善。

此外,溝沿線(xiàn)提取精度影響因素較多,其中DEM數(shù)據(jù)源或者點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量為較為關(guān)鍵的一個(gè)。綜合分析前人研究發(fā)現(xiàn),絕大部分方法使用的DEM的分辨率為5 m,但數(shù)據(jù)分辨率與提取精度間相關(guān)性還有待研究,高分辨率數(shù)據(jù)具有精細(xì)的地形特征細(xì)節(jié),提取過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量噪點(diǎn),干擾溝沿線(xiàn)的提取過(guò)程,造成溝沿線(xiàn)連續(xù)性差等問(wèn)題;而較低分辨率的數(shù)據(jù)忽略了大量的微地形,提取結(jié)果與真實(shí)溝沿線(xiàn)產(chǎn)生偏移。因此,根據(jù)地形因子參數(shù),選擇最優(yōu)分辨率數(shù)據(jù),對(duì)黃土高原分區(qū)處理提取,將地形細(xì)節(jié)特征與分辨率有機(jī)結(jié)合,提高提取算法的有效性與精度。

從溝沿線(xiàn)著手,結(jié)合黃土地貌發(fā)育與演化特征,有效解決當(dāng)前面臨的研究問(wèn)題,是黃土高原形貌研究、探索溝谷發(fā)育侵蝕機(jī)理的重點(diǎn)之一,溝沿線(xiàn)高精度提取結(jié)果有望實(shí)現(xiàn)黃土高原區(qū)域研究與科學(xué)服務(wù)的創(chuàng)新型突破。