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。溝沿線作為分割正負(fù)地形的結(jié)構(gòu)特征線,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,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,目前溝沿線的提取方法以及基于溝沿線的應(yīng)用研究遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想的狀態(tài),已有的綜述性文章系統(tǒng)地分析了溝沿線分類體系與量化指標(biāo)體系,總結(jié)了溝沿線提取方法及黃土地貌特征,其重點(diǎn)在于溝沿線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的理論研究和實(shí)際應(yīng)用,筆者在此基礎(chǔ)上,從溝沿線的概念模型、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的應(yīng)用,探索未來研究重點(diǎn),為進(jìn)一步研究提供重要參考。

1 溝沿線的概念模型

1.1 溝沿線的定義

溝沿線作為黃土地貌正負(fù)地形劃分和形態(tài)刻畫的重要分界線,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認(rèn)定為溝沿線,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),塬面與溝坡分界線有明顯的陡崖,是以將其分界視作溝沿線。因此,如何對(duì)這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行有效辨識(shí),并且連成折線進(jìn)而確定溝沿線,成為研究溝沿線必須解決的首要問題。

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)溝沿線的界定提出了新的結(jié)構(gòu)定義,總結(jié)出溝沿線有以下特征:溝沿線2側(cè)地形坡度有明顯的變化且土壤侵蝕類型與土地利用類型不同。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、峁坡向溝坡過渡,坡度變化稍緩。事實(shí)上,無論何種地貌類型,溝沿線處的坡度轉(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,溝沿線是一條體現(xiàn)黃土地貌形態(tài)特征的地形結(jié)構(gòu)線,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)不同地貌類型的剖面結(jié)構(gòu)圖(圖1)清晰可見,黃土塬區(qū)存在著溝沿線和塬邊線以及坡腳線等特殊轉(zhuǎn)折線,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)域存在溝沿線和峁邊線以及坡腳線等特殊轉(zhuǎn)折線,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]。基于空間全局視角,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)溝沿線的規(guī)律性認(rèn)識(shí)和掌握。

1.2 溝沿線類型劃分

溝沿線類型劃分是有效探索溝沿線成因、演化機(jī)制的關(guān)鍵。溝沿線分類體系科學(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)線性地形要素的分類體系,肖晨超等[14]積極探索黃土地貌溝沿線類型的劃分,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 溝沿線分類(肖晨超等[14])Tab.1 Classification of the gully shoulder lines(XIAO Chenchao, et al[14])

2 溝沿線提取方法

黃土高原具有最典型、最獨(dú)特的地貌形態(tài),一直以來是數(shù)字地形分析研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。溝沿線的識(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,諸多學(xué)者從專家系統(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)溝沿線提取進(jìn)行深入探索,并取得了顯著的成果。

2.1 溝沿線傳統(tǒng)提取方法

傳統(tǒng)的沿線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)溝沿線進(jìn)行提取。傳統(tǒng)的溝沿線提取法精度較高,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)的溝沿線提取技術(shù),在溝谷地貌形態(tài)特征基礎(chǔ)上,通過溝谷網(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)提取出的溝沿線數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)溝沿線自動(dòng)提取。肖晨超[19]創(chuàng)建了溝沿線的科學(xué)分類體系,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)則提取溝沿線候選點(diǎn),最后通過數(shù)學(xué)形態(tài)原理連接溝沿線候選點(diǎn)集形成完整、連續(xù)的溝沿線。Zhou等[20]在基于DEM的黃土正負(fù)地形特征研究過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自動(dòng)提取技術(shù)的研究。

此前,基于DEM的溝沿線自動(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)上所有滿足溝沿線的地形特征,進(jìn)而采取各種方法歸并地形單元提取溝沿線。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Douglas-Pecuker方法對(duì)匯流區(qū)域的特征線進(jìn)行曲線抽稀,得到完整的溝沿線。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)別溝沿線點(diǎn),匯水模型是用于提取溝沿線點(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。王軻等[23]提出地形開度和差值圖像閾值分割原理的溝沿線提取方法,通過閾值處理獲取正負(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)溝沿線提取。Yang等[25]基于高分辨率DEM提出多向山體陰影的溝沿線提取方法,通過分析得出6個(gè)方位角時(shí)可以滿足黃土高原溝沿線的提取,并在驗(yàn)證區(qū)域取得較高的精度。

面向?qū)ο蠓诸惙椒▽鹘y(tǒng)的分類單元從像元變?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蟮姆诸惙椒▽?shí)現(xiàn)溝沿線的提取。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)地形分類圖,提取溝沿線?；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?實(shí)現(xiàn)溝沿線的提取。Liu等[28]利用無人機(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)別溝沿線特征點(diǎn)再將點(diǎn)連接成線,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,例如地形開度差值閾值法。

基于地貌形態(tài)學(xué)提取溝沿線算法的地學(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。晏實(shí)江等[29]在溝沿線自動(dòng)提取的研究中,以溝沿線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)溝沿線候選點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)提取與連接,并通過形態(tài)學(xué)方法去除噪點(diǎn)得到完整的溝沿線。針對(duì)LOG算子提取溝沿線的不足,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,然后通過全域閾值分類法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)構(gòu)建地形掩膜修正初始溝沿線,剔除非溝沿線的噪聲。近年來,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)性的問題,探究高效率提取溝沿線的同時(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)視覺感知的研究,在GVF Snake模型基礎(chǔ)上優(yōu)化初始化溝沿線輪廓,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,并利用形態(tài)學(xué)處理完成溝沿線的自動(dòng)提取,彌補(bǔ)了坡面畸變鄰域法中出現(xiàn)的分類錯(cuò)誤以及出現(xiàn)較多的碎屑圖斑的問題。

上述學(xué)者通過對(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)別溝沿線特征,已成為目前自動(dòng)識(shí)別提取溝沿線最有效的方式。但由于算法對(duì)計(jì)算機(jī)的性能較為依賴,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,對(duì)溝沿線上下地形分別處理。面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)的溝沿線自動(dòng)提取方法以溝沿線上下正負(fù)地形的坡度變異作為識(shí)別溝沿線的重要依據(jù),通過對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)多尺度格網(wǎng)采樣避開樣區(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)溝沿線進(jìn)行自動(dòng)提取。

面向點(diǎn)云數(shù)據(jù)的溝沿線提取方法具有創(chuàng)新性,且提取的溝沿線位置較為精確,溝沿線細(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 基于溝沿線的應(yīng)用

根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)搜索關(guān)鍵詞為溝沿線的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),制作知識(shí)圖譜圖(圖2)。目前,在溝沿線的應(yīng)用方面,主要是以溝沿線為界線對(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 溝沿線知識(shí)圖譜Fig.2 Knowledge map of gully shoulder lines

基于溝沿線研究黃土地貌特征,主要是利用溝沿線作為一條黃土高原上最為顯著的地形結(jié)構(gòu)線,上下坡度變異明顯。對(duì)正負(fù)地形進(jìn)行分割以及通過溝沿線的分形特征來研究溝沿線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),其中溝沿線都承擔(dān)著重要的作用。

表2 溝沿線在地貌特征中應(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)育過程及水土侵蝕機(jī)理。

表3 溝沿線在土壤侵蝕中應(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)造成了溝沿線上下的土地利用方式的差異及植被覆蓋類型不同[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,前人在溝沿線研究中已取得了重大的突破,溝沿線應(yīng)用領(lǐng)域分布廣泛,基于溝沿線的地貌特征分析,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)育演化過程模擬中的問題。但目前溝沿線應(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)過了幾十年的發(fā)展,溝沿線分類體系的構(gòu)建、溝沿線提取方法以及應(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)用問題值得思考和探索。

1)建立完備的溝沿線分類體系。溝沿線類型劃分與量化指標(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。完備的分類體系是溝沿線研究步入成熟的一個(gè)標(biāo)志,對(duì)溝沿線分類體系的不斷完善也是對(duì)溝沿線認(rèn)識(shí)逐步深化的過程。目前針對(duì)溝沿線的分類以定性的指標(biāo)為主,缺乏定量化的衡量,只是從溝沿線的表象對(duì)其分類。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)完備的溝沿線分類體系,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提取方法。在溝沿線的提取方面,溝沿線特征點(diǎn)的有效識(shí)別與特征點(diǎn)連接成線的連續(xù)性是決定溝沿線提取結(jié)果精度的2個(gè)關(guān)鍵。在構(gòu)建科學(xué)完善的溝沿線分類體系及量化指標(biāo)體系的前提下,以形態(tài)與機(jī)理并重,利用不同類型溝沿線間的顯著差異特征,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;不斷探究溝沿線特征點(diǎn)連接成線的算法,提高溝沿線提取的連續(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)別完成溝沿線的提取,這將是溝沿線提取的一個(gè)新思路。

3)構(gòu)建全局高效、局部保真提取模型。現(xiàn)有的方法多數(shù)是基于局部小流域的溝沿線進(jìn)行提取,每一塊流域的溝壑形態(tài)以及地貌類型組合復(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)保真的溝沿線提取算法。

4)深入探討溝沿線與黃土高原溝壑之間的耦合關(guān)系。在基于溝沿線的黃土地貌研究方面,現(xiàn)有的研究還沒有達(dá)到從溝沿線自身出發(fā)揭示黃土地貌發(fā)育及演化機(jī)理,如何充分實(shí)現(xiàn)溝沿線在黃土地貌研究中應(yīng)用還有待探討。認(rèn)知溝沿線地形特征與土壤侵蝕等營(yíng)力之間的關(guān)系,深入探討溝沿線與黃土高原溝壑演化與溝沿線之間的耦合關(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)了溝沿線的基本內(nèi)涵和分類體系。溝沿線是黃土地貌中一條重要的地形線,其表現(xiàn)了黃土地貌內(nèi)在的發(fā)育與演化過程。現(xiàn)階段,溝沿線的認(rèn)知已經(jīng)比較成熟,但分類體系匱乏,目前常用的為肖晨超等[14]提出的類型劃分方法。

2)實(shí)現(xiàn)了溝沿線提取法的分類和評(píng)析。溝沿線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在精度以及提取效率上都較好,但相對(duì)來說模型法算法更加復(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)溝沿線的實(shí)際意義展開探討。應(yīng)用較多的為基于溝沿線的黃土地貌研究,主要是利用溝沿線進(jìn)行正負(fù)地形的分割、探究黃土高原不同地貌類型區(qū)溝沿線的特征、溝沿線與黃土地貌演化機(jī)制的映射關(guān)系、基于溝沿線對(duì)黃土地貌景觀進(jìn)行描繪等;在基于溝沿線的土壤侵蝕研究方面,主要是基于溝沿線進(jìn)行溝沿線廊道防蝕研究、構(gòu)建溝蝕量化指標(biāo)體系、區(qū)分重點(diǎn)溝蝕區(qū)以及溝谷類型等;在土地利用和植被覆蓋相關(guān)研究較少?？傮w來看,基于溝沿線的實(shí)際應(yīng)用較少,出現(xiàn)這種情況的原因可能是溝沿線的提取方法還有待完善。

此外,溝沿線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),提取過程中會(huì)產(chǎn)生大量噪點(diǎn),干擾溝沿線的提取過程,造成溝沿線連續(xù)性差等問題;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。