黃土高原溝沿線研究進展與展望

韓 磊, 趙子林, 楊梅麗, 劉 釗, 趙永華

(1.長安大學土地工程學院,710054,西安;2.中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室,710061,西安;3.陜西省土地整治重點實驗室,710054,西安;4. 長安大學地球科學與資源學院,710054,西安)

黃土高原作為地球上黃土地貌發育最典型的區域,面積廣大、溝壑縱橫、地表支離破碎,是世界上土壤侵蝕最嚴重的地區之一[1-2]。近些年我國生態建設雖然取得了舉世矚目的成就,但生態環境依然較脆弱,局部地區水土流失問題仍然嚴重,黃土高原生態保護與修復仍待加強[3]。黃土地貌類型復雜,空間形態多樣,按照明顯的坡度差異,可分為溝間地(正地形)和溝谷地(負地形)2部分[4],在正、負地形的不同地貌區域,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地形的結構特征線,地處切、沖溝發育最成熟的部位,其動態變化可以充分表現溝谷面積以及溝道長度等的細微變化,能夠快速有效地體現黃土地貌的微觀溝壑變化和宏觀形態特征,是研究溝谷形態變化的一個主要計量指標[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、侵蝕規律,對于揭示黃土地貌內在機理和演化模式,分析人類對黃土地貌演化趨勢的影響,厘清黃土土壤侵蝕的方式與空間格局,推進生態環境修復,有重要的理論和實際意義。

然而,目前溝沿線的提取方法以及基于溝沿線的應用研究遠沒有達到理想的狀態,已有的綜述性文章系統地分析了溝沿線分類體系與量化指標體系,總結了溝沿線提取方法及黃土地貌特征,其重點在于溝沿線在黃土地貌地形中的應用及特征,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際應用,筆者在此基礎上,從溝沿線的概念模型、提取方法進行回顧總結,并系統評述黃土地貌地形、土壤侵蝕、土地利用等方面溝沿線的應用,探索未來研究重點,為進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地形劃分和形態刻畫的重要分界線,對于揭示地貌形態的空間分異規律和演化機理有著重要的科學價值[7]。早期,學者Darlrymple等[8]根據理想9段地形模式圖,分辨出整個坡面上較明顯的轉折點;但在部分坡地上,由于復式滑坡和新近發育的切溝等影響,使得坡面轉折點愈加眾多。蔣德麒等[9]充分考慮溝沿線的地形分布特征,在黃土丘陵溝壑區將梁峁坡和溝坡的分界線認定為溝沿線,一般是25°～35°的梁、峁坡下邊的陡坎,有2條以上時,以最下面的一條為準。在黃土高原溝壑區,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,如何對這些轉折點進行有效辨識,并且連成折線進而確定溝沿線,成為研究溝沿線必須解決的首要問題。

隨著GIS與地貌學研究的結合發展,閭國年等[6]和朱紅春等[10]對溝沿線的界定提出了新的結構定義,總結出溝沿線有以下特征:溝沿線2側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]在黃土正負地形研究中認為,溝沿線在不同區域有著迥異的形態和位置特征。在黃土塬、殘塬地區,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,坡面地形由梁、峁坡向溝坡過渡,坡度變化稍緩。事實上,無論何種地貌類型,溝沿線處的坡度轉折在整個坡面上變化最大(圖1)。

圖1 黃土地貌地形剖面結構圖(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,溝沿線是一條體現黃土地貌形態特征的地形結構線,由一系列坡面轉折突變點構成的點集合,將以分水嶺為邊界的流域單元劃分成表面相對平滑的正地形結構和表面相對陡峭的負地形結構。根據不同地貌類型的剖面結構圖(圖1)清晰可見,黃土塬區存在著溝沿線和塬邊線以及坡腳線等特殊轉折線,而在黃土丘陵溝壑區,坡面上部出現梁頂或峁頂,因而使黃土粱、峁區域存在溝沿線和峁邊線以及坡腳線等特殊轉折線,使典型二元結構的坡面形態得以完整表達。

在黃土高原地貌區域,流域是形態特征表達的重要尺度載體,反映地貌的本質特征和相互聯系的過程,也是我國生態環境恢復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。對于每個流域單元,坡面形態變化復雜,不同坡面區域表現出其結構的特殊性和位置的差異性,自分水嶺至溝谷谷底,坡面轉折線并非單一出現,流域剖面所反映的轉折點也往往有多個。因此,對于溝沿線的準確判斷,是深化地貌發育形態和生態治理的前提,需在前人研究基礎上,進一步加深對溝沿線的規律性認識和掌握。

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、演化機制的關鍵。溝沿線分類體系科學合理的建立,不但有助于加深人們對黃土地貌形態和演化規律的認識,而且對水土保持災害防治工作、農業生產實踐和生態環境修復有著重要的指導意義[13]。借鑒前人對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,按照科學性、系統性、可實現性原則,結合溝沿線的成因,空間分布、發展速度,擴展方式等7方面特征對其進行劃分,并進一步豐富了溝沿線的科學內涵,深化對黃土地貌的空間規律和發育演化的認識(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、最獨特的地貌形態,一直以來是數字地形分析研究的重點領域。溝沿線的識別提取是正負地形分割及其形態特征的體現,也是黃土地貌研究的重要基礎。近年來,諸多學者從專家系統經驗預判和形態特征自動識別等方面對溝沿線提取進行深入探索,并取得了顯著的成果。

2.1 溝沿線傳統提取方法

傳統的沿線提取方法主要以基于航片與遙感影像手繪為主。郭學軍等[15]在分析研究土壤侵蝕量的動態變化時,通過利用APS-1型精密解析測圖儀對1967、1981和1990年這3個不同時期的航片對溝道邊界線和淤地壩進行立體判斷量測和解譯,揭示小流域內土壤侵蝕動態變化的規律。王輝等[16]在定量監測黃土高原丘陵溝壑區溝谷侵蝕時,為了對溝谷面積進行監測,利用Arcinfo對DOM(digital orthophoto map)采用手動數字化的方式對溝沿線進行提取。傳統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,面積不大的區域[5,17]。

2.2 基于地貌形態學提取方法

地貌形態是指地形表面的幾何形狀,具有三維結構,表征地形的起伏變化形態[18],如溝間地、溝坡地等?；诘孛残螒B學的方法是指在黃土高原地貌形態特征與侵蝕發育過程研究中,將基于高分辨率DEM(digital elevation model)建立起的地貌形態特征指標因子納入到研究系統中,實現特征因子與地貌形態的關聯關系,從因子特征分析方面,主要探索侵蝕溝谷、溝沿線以及正負地形所建立的指標因子之間關聯關系。

以改進對流域進行空間模擬的方法為目的,1998年閭國年等[6]首次提出基于DEM數據以地貌形態學特征為理論依據的溝沿線提取技術,在溝谷地貌形態特征基礎上,通過溝谷網絡約束實現坡面凸形特征點提取,進而利用形態特征和遞歸思想實現溝沿線定位與標識。朱紅春等[10]以地貌形態學和地貌成因學為理論指導,從溝沿線的地學特征和意義出發,結合多源信息對比分析的方法提出利用剖面曲率數據、坡度變異數據、溝壑分布信息數據提取出的溝沿線數據進行疊加實現對溝沿線自動提取。肖晨超[19]創建了溝沿線的科學分類體系,并以此為基礎,提出了一種與數學形態學圖像處理結合的坡面領域形態判斷法,利用坡面朝向與坡度轉折的范式準則提取溝沿線候選點,最后通過數學形態原理連接溝沿線候選點集形成完整、連續的溝沿線。Zhou等[20]在基于DEM的黃土正負地形特征研究過程中提出利用坡面畸變鄰域判斷法對正負地形進行提取。該方法充分考慮黃土地貌起伏特征和溝坡形態,結合景觀生態學理論,基于DEM有效提取和分析正負地形景觀形態指標、三維形態指標及地形發育指標,探究黃土丘陵溝壑區正負地形的的外在表象和科學內涵,很大程度上深化和拓展了溝沿線自動提取技術的研究。

此前,基于DEM的溝沿線自動提取的思路是從地貌形態學的角度,判斷空間形態上所有滿足溝沿線的地形特征,進而采取各種方法歸并地形單元提取溝沿線。隨著水文學在特征地貌提取的有效性得到廣泛的認可,劉鵬舉等[21]提出基于水文學利用匯流路徑坡度變化特征法進行溝沿線自動提取,以D8算法提取的水流網絡為基礎,利用最大坡度轉折點提取匯流區域單元,并通過Douglas-Pecuker方法對匯流區域的特征線進行曲線抽稀,得到完整的溝沿線。該方法促進了基于水文學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和匯水特征相結合,利用坡度變異和匯水模型對正負地形進行自動分割,其中坡度變異原理是利用坡面上下游柵格點的坡度對比識別溝沿線點,匯水模型是用于提取溝沿線點約束的上游匯水區域。

一些學者探求地形因子與地形特征表達效果的關系實現圖像特征凸顯,進而有效提取得到連續溝沿線。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地形邊界二值圖像,并使用形態學原理實現溝沿線的自動提取。Na等[24]提出雙向山體陰影的方法,基于雙向山體陰影,通過經驗方程確定全域閾值劃分正負地形,實現溝沿線提取。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個方位角時可以滿足黃土高原溝沿線的提取,并在驗證區域取得較高的精度。

面向對象分類方法將傳統的分類單元從像元變為了有實際意義的對象,從而取得了較高的精度,在分類領域得到了廣泛應用。Jiang[26]、Liu等[27-28]和羅志東等[17]利用面向對象的分類方法實現溝沿線的提取。Jiang[26]利用明暗對比度分割坡度圖像結合鄰域數據處理細小錯分噪點得到正負地形分類圖,提取溝沿線?；诟叻直媛蔇EM與亞米級遙感影像,Liu等[27]從光譜、地形、紋理和幾何4種信息中篩選最優的15個特征,利用隨機森林模型分類溝谷地與溝間地取得很好的效果,并得出地形數據在溝谷分類中占重要的比例,溝谷的分布與地形數據密切相關。羅志東等[17]將最優地形因子與紋理特征因子構成最優“多波段影像”,并利用面向對象的方法分類,實現溝沿線的提取。Liu等[28]利用無人機獲取高精度影像與DEM,并基于面向對象的方法構建隨機森林分類模型,彌補了人工測量耗時耗力與衛星遙感數據分辨率低丟失細節的不足,將精度與效率達到有機統一。

歷經10多年的發展,基于形態學溝沿線提取算法從單一的形態學到與水文、景觀、生態相結合拓展,取得了階段性的進展。目前,提取的思路出現2種方向:一種是識別溝沿線特征點再將點連接成線,例如形態學法、坡度變異法、坡面朝向形態法等;另一種是識別正負地形,提取地形邊界線,例如地形開度差值閾值法。

基于地貌形態學提取溝沿線算法的地學意義比較明顯,方法簡單易懂,效率較高。但目前為止,形態學溝沿線提取還停留在對局部的地形進行分析,重局部輕全局也是形態學提取法的一個弊端。

2.3 基于圖像分割提取方法

基于圖像分割方法以DEM為數據源,將其視為灰度圖像,利用邊緣檢測、區域生長等圖像分割算法提取溝沿線。晏實江等[29]在溝沿線自動提取的研究中,以溝沿線處明顯的坡度變異為分析基礎,引入LOG(Laplace of Gaussian)邊緣檢測算子對溝沿線候選點進行自動提取與連接,并通過形態學方法去除噪點得到完整的溝沿線。針對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,利用不同標準差的Marr-Hildreth算子提取并選擇精度最優的初始溝沿線,然后通過全域閾值分類法和數學形態學構建地形掩膜修正初始溝沿線,剔除非溝沿線的噪聲。近年來,基于能量場的圖像分割模型—Snake模型被廣泛應用于許多領域。通過對GVF Snake模型的外力約束作用進行了深入探索,周毅等[31]指出梯度矢量場的方向指示與地表匯水過程有著相似的特征。因此,將梯度矢量場替換為D8算法的匯水方向,對 Snake模型的進行改進,從而達到連續溝沿線的識別和提取。為了解決現有方法重精度輕連續性的問題,探究高效率提取溝沿線的同時保證完整性并使結果更加逼近地形形態特征的方法,宋效東等[32]結合黃土坡面的形態特征以及計算機視覺感知的研究,在GVF Snake模型基礎上優化初始化溝沿線輪廓,并采用并行化策略降低模型時間復雜度。劉瑋等[33]以四鄰域區域生長法與邊緣檢測算法提取正負地形分界線,并利用形態學處理完成溝沿線的自動提取,彌補了坡面畸變鄰域法中出現的分類錯誤以及出現較多的碎屑圖斑的問題。

上述學者通過對圖像識別和處理特征的認知,利用計算機圖像處理原理,在小區域范圍內能夠高效且精確識別溝沿線特征,已成為目前自動識別提取溝沿線最有效的方式。但由于算法對計算機的性能較為依賴,且本身較為復雜,尚不能成為一種普適性的自動提取算法,不太適用于大面積區域的特征提取。

2.4 面向點云數據的溝沿線自動提取方法

地面三維激光掃描技術實時性好、精度高,能完整采集復雜場景數據,適用于小區域、復雜地形的建模,點云數據作為三維激光掃描的離散空間點集逐漸應用于數字地形分析[34]。在數字地形分析方面,面向點云數據的高精度溝沿線的提取方法處于起步階段。李敏等[35]針對黃土丘陵溝壑區自動去除植被時存在較大地形上的失真問題,提出去除植被之前基于點云數據構建地形模型提取溝沿線,對溝沿線上下地形分別處理。面向點云數據的溝沿線自動提取方法以溝沿線上下正負地形的坡度變異作為識別溝沿線的重要依據,通過對原始點云數據多尺度格網采樣避開樣區內較多的植被點,并由此重建精細的地形表面,再利用地形的坡度變異特性對溝沿線進行自動提取。

面向點云數據的溝沿線提取方法具有創新性,且提取的溝沿線位置較為精確,溝沿線細節反映更為豐富,但是這種方法的弊端在于處理點云數據需要計算機具備較強運載能力,且并行處理能力不高。

3 基于溝沿線的應用

根據中國知網搜索關鍵詞為溝沿線的文獻數據,制作知識圖譜圖(圖2)。目前,在溝沿線的應用方面,主要是以溝沿線為界線對溝谷地和溝間地這2種最基本的黃土高原溝壑區小流域系統的微地貌單元進行分割,然后研究正負地形上不同的地形地貌特征(地貌演化規律)、土壤侵蝕規律以及植被覆蓋等。

圖2 溝沿線知識圖譜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構線,上下坡度變異明顯。對正負地形進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,科學而準確地對地貌形態和地形特征進行量化描述,是地貌系統研究的基礎,亦是對地學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數據分辨率的提高,一系列揭示地貌特征和地學內涵的地形因子被發掘,數字地形分析方面取得了大量的研究成果(表2),其中溝沿線都承擔著重要的作用。

表2 溝沿線在地貌特征中應用現狀Tab.2 Application status of gully shoulder lines in geomorphological characteristics

黃土高原侵蝕劇烈,水土流失嚴重,黃河高質量發展的國家戰略對水沙治理提出了更高的要求。研究黃土高原水沙運移的動態變化對改善水土流失有著特殊的意義,要實現定位、定量和動態地研究土壤侵蝕變化規律,獲取流域范圍內的水土流失數據,建立流域范圍內的分布式土壤侵蝕模型和分布式水文模型是必經之路,溝沿線恰恰是此模型的基礎數據[5,45]。不同學者從不同尺度探索溝沿線在溝蝕方面的中作用(表3),并在此基礎上量化侵蝕程度與空間分異特征,揭示了黃土地貌演化發育過程及水土侵蝕機理。

表3 溝沿線在土壤侵蝕中應用現狀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)本質上是對黃土地形特征與土壤侵蝕的側面量化,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用現狀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,溝沿線應用領域分布廣泛,基于溝沿線的地貌特征分析,極大地豐富了黃土地貌與數字地形分析的研究體系, 有效地刻畫地表形態和模擬地貌發育;從不同視角、不同尺度進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理,發掘溝沿線的地學內涵和價值,創新地解決黃土地貌形態特征的表達和發育演化過程模擬中的問題。但目前溝沿線應用多處于小范圍內,大范圍、宏觀黃土高原應用研究尚需不斷的努力。

4 展望

經過了幾十年的發展,溝沿線分類體系的構建、溝沿線提取方法以及應用已經得到了階段性的進展,但仍有諸多理論和實際應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體系的建立對其成因、演化等本質的認識及后續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標志,對溝沿線分類體系的不斷完善也是對溝沿線認識逐步深化的過程。目前針對溝沿線的分類以定性的指標為主,缺乏定量化的衡量,只是從溝沿線的表象對其分類。因此在后續研究中,應將定性與定量相結合、外在地貌形態與內在演化機理相結合構建科學完備的溝沿線分類體系,從而實現深層次反映地貌形態與發育機理的綜合量化。

2)探索高精度的溝沿線提取方法。在溝沿線的提取方面,溝沿線特征點的有效識別與特征點連接成線的連續性是決定溝沿線提取結果精度的2個關鍵。在構建科學完善的溝沿線分類體系及量化指標體系的前提下,以形態與機理并重,利用不同類型溝沿線間的顯著差異特征,結合地形細節特征,選擇適合其特征點識別的方法,提高特征點識別的有效性;不斷探究溝沿線特征點連接成線的算法,提高溝沿線提取的連續性。此外,深度學習等新算法在圖像分割的廣泛應用且具有較高的精度,使正負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地形,再對其進行邊緣識別完成溝沿線的提取,這將是溝沿線提取的一個新思路。

3)構建全局高效、局部保真提取模型?，F有的方法多數是基于局部小流域的溝沿線進行提取,每一塊流域的溝壑形態以及地貌類型組合復雜,所采用的提取模型為固定鄰域窗口運算,無法保證方法在全局地貌中的提取效率且局部提取結果失真,在后續的研究中可以將鄰域大小與提取效率有機結合,逐步在宏觀上實現連續高效準確、微觀上實現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系。在基于溝沿線的黃土地貌研究方面,現有的研究還沒有達到從溝沿線自身出發揭示黃土地貌發育及演化機理,如何充分實現溝沿線在黃土地貌研究中應用還有待探討。認知溝沿線地形特征與土壤侵蝕等營力之間的關系,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系,深化地貌發育及演化內涵機理,將是后續研究中的重點。從宏觀上刻畫不同發育程度溝壑的空間分異,從微觀上探究侵蝕機理與地表模擬,從而有效地分析黃土高原地貌形態的內涵。

5 結論與討論

1)總結了溝沿線的基本內涵和分類體系。溝沿線是黃土地貌中一條重要的地形線,其表現了黃土地貌內在的發育與演化過程?，F階段,溝沿線的認知已經比較成熟,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)實現了溝沿線提取法的分類和評析。溝沿線提取法大體上可分為傳統法、基于地貌形態學法、基于圖像分割法、面向點云數據法4種。傳統法提取的精度最高,但是需要消耗極大的人力物力;基于地貌形態學法相比于傳統提取效率更高,但在提取精度和連續性上效果較差;基于圖像法提取的溝沿線在精度以及提取效率上都較好,但相對來說模型法算法更加復雜;面向點云數據提取法的精度僅次于傳統法,能夠反映溝沿線豐富的細節信息,但需要較強的計算機運載能力。

3)探討了基于溝沿線的應用現狀和實際意義。從黃土地貌特征、土壤侵蝕、植被覆蓋等方面對溝沿線的實際意義展開探討。應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行正負地形的分割、探究黃土高原不同地貌類型區溝沿線的特征、溝沿線與黃土地貌演化機制的映射關系、基于溝沿線對黃土地貌景觀進行描繪等;在基于溝沿線的土壤侵蝕研究方面,主要是基于溝沿線進行溝沿線廊道防蝕研究、構建溝蝕量化指標體系、區分重點溝蝕區以及溝谷類型等;在土地利用和植被覆蓋相關研究較少?？傮w來看,基于溝沿線的實際應用較少,出現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數據源或者點云數據的質量為較為關鍵的一個。綜合分析前人研究發現,絕大部分方法使用的DEM的分辨率為5 m,但數據分辨率與提取精度間相關性還有待研究,高分辨率數據具有精細的地形特征細節,提取過程中會產生大量噪點,干擾溝沿線的提取過程,造成溝沿線連續性差等問題;而較低分辨率的數據忽略了大量的微地形,提取結果與真實溝沿線產生偏移。因此,根據地形因子參數,選擇最優分辨率數據,對黃土高原分區處理提取,將地形細節特征與分辨率有機結合,提高提取算法的有效性與精度。

從溝沿線著手,結合黃土地貌發育與演化特征,有效解決當前面臨的研究問題,是黃土高原形貌研究、探索溝谷發育侵蝕機理的重點之一,溝沿線高精度提取結果有望實現黃土高原區域研究與科學服務的創新型突破。