黄土高原沟沿线研究进展与展望

韩 磊, 赵子林, 杨梅丽, 刘 钊, 赵永华

(1.长安大学土地工程学院,710054,西安;2.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室,710061,西安;3.陕西省土地整治重点实验室,710054,西安;4. 长安大学地球科学与资源学院,710054,西安)

黄土高原作为地球上黄土地貌发育最典型的区域,面积广大、沟壑纵横、地表支离破碎,是世界上土壤侵蚀最严重的地区之一[1-2]。近些年我国生态建设虽然取得了举世瞩目的成就,但生态环境依然较脆弱,局部地区水土流失问题仍然严重,黄土高原生态保护与修复仍待加强[3]。黄土地貌类型复杂,空间形态多样,按照明显的坡度差异,可分为沟间地(正地形)和沟谷地(负地形)2部分[4],在正、负地形的不同地貌区域,地形地貌特征、植被覆盖、土壤侵蚀方式存在显著差异。沟沿线作为分割正负地形的结构特征线,地处切、冲沟发育最成熟的部位,其动态变化可以充分表现沟谷面积以及沟道长度等的细微变化,能够快速有效地体现黄土地貌的微观沟壑变化和宏观形态特征,是研究沟谷形态变化的一个主要计量指标[5-6]。因此,深入研究黄土高原沟沿线,探究黄土地形地貌特征、侵蚀规律,对于揭示黄土地貌内在机理和演化模式,分析人类对黄土地貌演化趋势的影响,厘清黄土土壤侵蚀的方式与空间格局,推进生态环境修复,有重要的理论和实际意义。

然而,目前沟沿线的提取方法以及基于沟沿线的应用研究远没有达到理想的状态,已有的综述性文章系统地分析了沟沿线分类体系与量化指标体系,总结了沟沿线提取方法及黄土地貌特征,其重点在于沟沿线在黄土地貌地形中的应用及特征,比较单一。为了拓展和深化黄土高原沟沿线的理论研究和实际应用,笔者在此基础上,从沟沿线的概念模型、提取方法进行回顾总结,并系统评述黄土地貌地形、土壤侵蚀、土地利用等方面沟沿线的应用,探索未来研究重点,为进一步研究提供重要参考。

1 沟沿线的概念模型

1.1 沟沿线的定义

沟沿线作为黄土地貌正负地形划分和形态刻画的重要分界线,对于揭示地貌形态的空间分异规律和演化机理有着重要的科学价值[7]。早期,学者Darlrymple等[8]根据理想9段地形模式图,分辨出整个坡面上较明显的转折点;但在部分坡地上,由于复式滑坡和新近发育的切沟等影响,使得坡面转折点愈加众多。蒋德麒等[9]充分考虑沟沿线的地形分布特征,在黄土丘陵沟壑区将梁峁坡和沟坡的分界线认定为沟沿线,一般是25°～35°的梁、峁坡下边的陡坎,有2条以上时,以最下面的一条为准。在黄土高原沟壑区,塬面与沟坡分界线有明显的陡崖,是以将其分界视作沟沿线。因此,如何对这些转折点进行有效辨识,并且连成折线进而确定沟沿线,成为研究沟沿线必须解决的首要问题。

随着GIS与地貌学研究的结合发展,闾国年等[6]和朱红春等[10]对沟沿线的界定提出了新的结构定义,总结出沟沿线有以下特征:沟沿线2侧地形坡度有明显的变化且土壤侵蚀类型与土地利用类型不同。周毅等[7,11]在黄土正负地形研究中认为,沟沿线在不同区域有着迥异的形态和位置特征。在黄土塬、残塬地区,坡度变化大,切沟沟壁几乎垂直于水平面。在北部的黄土丘陵沟壑区,坡面地形由梁、峁坡向沟坡过渡,坡度变化稍缓。事实上,无论何种地貌类型,沟沿线处的坡度转折在整个坡面上变化最大(图1)。

图1 黄土地貌地形剖面结构图(蒋德麒等[9];周毅[7])Fig.1 Topographic section structure map of loess landform (JIANG Deqi, et al[9];ZHOU Yi[7])

总而言之,沟沿线是一条体现黄土地貌形态特征的地形结构线,由一系列坡面转折突变点构成的点集合,将以分水岭为边界的流域单元划分成表面相对平滑的正地形结构和表面相对陡峭的负地形结构。根据不同地貌类型的剖面结构图(图1)清晰可见,黄土塬区存在着沟沿线和塬边线以及坡脚线等特殊转折线,而在黄土丘陵沟壑区,坡面上部出现梁顶或峁顶,因而使黄土粱、峁区域存在沟沿线和峁边线以及坡脚线等特殊转折线,使典型二元结构的坡面形态得以完整表达。

在黄土高原地貌区域,流域是形态特征表达的重要尺度载体,反映地貌的本质特征和相互联系的过程,也是我国生态环境恢复重建与水土流失综合治理的基本单元[12]。基于空间全局视角,可将黄土地貌看作众多流域单元的集合体。对于每个流域单元,坡面形态变化复杂,不同坡面区域表现出其结构的特殊性和位置的差异性,自分水岭至沟谷谷底,坡面转折线并非单一出现,流域剖面所反映的转折点也往往有多个。因此,对于沟沿线的准确判断,是深化地貌发育形态和生态治理的前提,需在前人研究基础上,进一步加深对沟沿线的规律性认识和掌握。

1.2 沟沿线类型划分

沟沿线类型划分是有效探索沟沿线成因、演化机制的关键。沟沿线分类体系科学合理的建立,不但有助于加深人们对黄土地貌形态和演化规律的认识,而且对水土保持灾害防治工作、农业生产实践和生态环境修复有着重要的指导意义[13]。借鉴前人对线性地形要素的分类体系,肖晨超等[14]积极探索黄土地貌沟沿线类型的划分,按照科学性、系统性、可实现性原则,结合沟沿线的成因,空间分布、发展速度,扩展方式等7方面特征对其进行划分,并进一步丰富了沟沿线的科学内涵,深化对黄土地貌的空间规律和发育演化的认识(表1)。

表1 沟沿线分类(肖晨超等[14])Tab.1 Classification of the gully shoulder lines(XIAO Chenchao, et al[14])

2 沟沿线提取方法

黄土高原具有最典型、最独特的地貌形态,一直以来是数字地形分析研究的重点领域。沟沿线的识别提取是正负地形分割及其形态特征的体现,也是黄土地貌研究的重要基础。近年来,诸多学者从专家系统经验预判和形态特征自动识别等方面对沟沿线提取进行深入探索,并取得了显著的成果。

2.1 沟沿线传统提取方法

传统的沿线提取方法主要以基于航片与遥感影像手绘为主。郭学军等[15]在分析研究土壤侵蚀量的动态变化时,通过利用APS-1型精密解析测图仪对1967、1981和1990年这3个不同时期的航片对沟道边界线和淤地坝进行立体判断量测和解译,揭示小流域内土壤侵蚀动态变化的规律。王辉等[16]在定量监测黄土高原丘陵沟壑区沟谷侵蚀时,为了对沟谷面积进行监测,利用Arcinfo对DOM(digital orthophoto map)采用手动数字化的方式对沟沿线进行提取。传统的沟沿线提取法精度较高,但人力物力消耗大,效率低,容易受主观因素影响,适用于精度要求较高,面积不大的区域[5,17]。

2.2 基于地貌形态学提取方法

地貌形态是指地形表面的几何形状,具有三维结构,表征地形的起伏变化形态[18],如沟间地、沟坡地等。基于地貌形态学的方法是指在黄土高原地貌形态特征与侵蚀发育过程研究中,将基于高分辨率DEM(digital elevation model)建立起的地貌形态特征指标因子纳入到研究系统中,实现特征因子与地貌形态的关联关系,从因子特征分析方面,主要探索侵蚀沟谷、沟沿线以及正负地形所建立的指标因子之间关联关系。

以改进对流域进行空间模拟的方法为目的,1998年闾国年等[6]首次提出基于DEM数据以地貌形态学特征为理论依据的沟沿线提取技术,在沟谷地貌形态特征基础上,通过沟谷网络约束实现坡面凸形特征点提取,进而利用形态特征和递归思想实现沟沿线定位与标识。朱红春等[10]以地貌形态学和地貌成因学为理论指导,从沟沿线的地学特征和意义出发,结合多源信息对比分析的方法提出利用剖面曲率数据、坡度变异数据、沟壑分布信息数据提取出的沟沿线数据进行叠加实现对沟沿线自动提取。肖晨超[19]创建了沟沿线的科学分类体系,并以此为基础,提出了一种与数学形态学图像处理结合的坡面领域形态判断法,利用坡面朝向与坡度转折的范式准则提取沟沿线候选点,最后通过数学形态原理连接沟沿线候选点集形成完整、连续的沟沿线。Zhou等[20]在基于DEM的黄土正负地形特征研究过程中提出利用坡面畸变邻域判断法对正负地形进行提取。该方法充分考虑黄土地貌起伏特征和沟坡形态,结合景观生态学理论,基于DEM有效提取和分析正负地形景观形态指标、三维形态指标及地形发育指标,探究黄土丘陵沟壑区正负地形的的外在表象和科学内涵,很大程度上深化和拓展了沟沿线自动提取技术的研究。

此前,基于DEM的沟沿线自动提取的思路是从地貌形态学的角度,判断空间形态上所有满足沟沿线的地形特征,进而采取各种方法归并地形单元提取沟沿线。随着水文学在特征地貌提取的有效性得到广泛的认可,刘鹏举等[21]提出基于水文学利用汇流路径坡度变化特征法进行沟沿线自动提取,以D8算法提取的水流网络为基础,利用最大坡度转折点提取汇流区域单元,并通过Douglas-Pecuker方法对汇流区域的特征线进行曲线抽稀,得到完整的沟沿线。该方法促进了基于水文学的特征地貌提取方法的深度和广度。周毅等[22]将以黄土坡面的形态和汇水特征相结合,利用坡度变异和汇水模型对正负地形进行自动分割,其中坡度变异原理是利用坡面上下游栅格点的坡度对比识别沟沿线点,汇水模型是用于提取沟沿线点约束的上游汇水区域。

一些学者探求地形因子与地形特征表达效果的关系实现图像特征凸显,进而有效提取得到连续沟沿线。王轲等[23]提出地形开度和差值图像阈值分割原理的沟沿线提取方法,通过阈值处理获取正负地形边界二值图像,并使用形态学原理实现沟沿线的自动提取。Na等[24]提出双向山体阴影的方法,基于双向山体阴影,通过经验方程确定全域阈值划分正负地形,实现沟沿线提取。Yang等[25]基于高分辨率DEM提出多向山体阴影的沟沿线提取方法,通过分析得出6个方位角时可以满足黄土高原沟沿线的提取,并在验证区域取得较高的精度。

面向对象分类方法将传统的分类单元从像元变为了有实际意义的对象,从而取得了较高的精度,在分类领域得到了广泛应用。Jiang[26]、Liu等[27-28]和罗志东等[17]利用面向对象的分类方法实现沟沿线的提取。Jiang[26]利用明暗对比度分割坡度图像结合邻域数据处理细小错分噪点得到正负地形分类图,提取沟沿线。基于高分辨率DEM与亚米级遥感影像,Liu等[27]从光谱、地形、纹理和几何4种信息中筛选最优的15个特征,利用随机森林模型分类沟谷地与沟间地取得很好的效果,并得出地形数据在沟谷分类中占重要的比例,沟谷的分布与地形数据密切相关。罗志东等[17]将最优地形因子与纹理特征因子构成最优“多波段影像”,并利用面向对象的方法分类,实现沟沿线的提取。Liu等[28]利用无人机获取高精度影像与DEM,并基于面向对象的方法构建随机森林分类模型,弥补了人工测量耗时耗力与卫星遥感数据分辨率低丢失细节的不足,将精度与效率达到有机统一。

历经10多年的发展,基于形态学沟沿线提取算法从单一的形态学到与水文、景观、生态相结合拓展,取得了阶段性的进展。目前,提取的思路出现2种方向:一种是识别沟沿线特征点再将点连接成线,例如形态学法、坡度变异法、坡面朝向形态法等;另一种是识别正负地形,提取地形边界线,例如地形开度差值阈值法。

基于地貌形态学提取沟沿线算法的地学意义比较明显,方法简单易懂,效率较高。但目前为止,形态学沟沿线提取还停留在对局部的地形进行分析,重局部轻全局也是形态学提取法的一个弊端。

2.3 基于图像分割提取方法

基于图像分割方法以DEM为数据源,将其视为灰度图像,利用边缘检测、区域生长等图像分割算法提取沟沿线。晏实江等[29]在沟沿线自动提取的研究中,以沟沿线处明显的坡度变异为分析基础,引入LOG(Laplace of Gaussian)边缘检测算子对沟沿线候选点进行自动提取与连接,并通过形态学方法去除噪点得到完整的沟沿线。针对LOG算子提取沟沿线的不足,Jiang等[30]提出了一种基于Marr-Hildreth算子与地形掩膜的沟沿线提取方法,利用不同标准差的Marr-Hildreth算子提取并选择精度最优的初始沟沿线,然后通过全域阈值分类法和数学形态学构建地形掩膜修正初始沟沿线,剔除非沟沿线的噪声。近年来,基于能量场的图像分割模型—Snake模型被广泛应用于许多领域。通过对GVF Snake模型的外力约束作用进行了深入探索,周毅等[31]指出梯度矢量场的方向指示与地表汇水过程有着相似的特征。因此,将梯度矢量场替换为D8算法的汇水方向,对 Snake模型的进行改进,从而达到连续沟沿线的识别和提取。为了解决现有方法重精度轻连续性的问题,探究高效率提取沟沿线的同时保证完整性并使结果更加逼近地形形态特征的方法,宋效东等[32]结合黄土坡面的形态特征以及计算机视觉感知的研究,在GVF Snake模型基础上优化初始化沟沿线轮廓,并采用并行化策略降低模型时间复杂度。刘玮等[33]以四邻域区域生长法与边缘检测算法提取正负地形分界线,并利用形态学处理完成沟沿线的自动提取,弥补了坡面畸变邻域法中出现的分类错误以及出现较多的碎屑图斑的问题。

上述学者通过对图像识别和处理特征的认知,利用计算机图像处理原理,在小区域范围内能够高效且精确识别沟沿线特征,已成为目前自动识别提取沟沿线最有效的方式。但由于算法对计算机的性能较为依赖,且本身较为复杂,尚不能成为一种普适性的自动提取算法,不太适用于大面积区域的特征提取。

2.4 面向点云数据的沟沿线自动提取方法

地面三维激光扫描技术实时性好、精度高,能完整采集复杂场景数据,适用于小区域、复杂地形的建模,点云数据作为三维激光扫描的离散空间点集逐渐应用于数字地形分析[34]。在数字地形分析方面,面向点云数据的高精度沟沿线的提取方法处于起步阶段。李敏等[35]针对黄土丘陵沟壑区自动去除植被时存在较大地形上的失真问题,提出去除植被之前基于点云数据构建地形模型提取沟沿线,对沟沿线上下地形分别处理。面向点云数据的沟沿线自动提取方法以沟沿线上下正负地形的坡度变异作为识别沟沿线的重要依据,通过对原始点云数据多尺度格网采样避开样区内较多的植被点,并由此重建精细的地形表面,再利用地形的坡度变异特性对沟沿线进行自动提取。

面向点云数据的沟沿线提取方法具有创新性,且提取的沟沿线位置较为精确,沟沿线细节反映更为丰富,但是这种方法的弊端在于处理点云数据需要计算机具备较强运载能力,且并行处理能力不高。

3 基于沟沿线的应用

根据中国知网搜索关键词为沟沿线的文献数据,制作知识图谱图(图2)。目前,在沟沿线的应用方面,主要是以沟沿线为界线对沟谷地和沟间地这2种最基本的黄土高原沟壑区小流域系统的微地貌单元进行分割,然后研究正负地形上不同的地形地貌特征(地貌演化规律)、土壤侵蚀规律以及植被覆盖等。

图2 沟沿线知识图谱Fig.2 Knowledge map of gully shoulder lines

基于沟沿线研究黄土地貌特征,主要是利用沟沿线作为一条黄土高原上最为显著的地形结构线,上下坡度变异明显。对正负地形进行分割以及通过沟沿线的分形特征来研究沟沿线的特征是否并如何反映黄土高原地形地貌的特征,科学而准确地对地貌形态和地形特征进行量化描述,是地貌系统研究的基础,亦是对地学问题定量研究的深化探索。黄土地貌从定性分析到定量分析的过程中,随着DEM数据分辨率的提高,一系列揭示地貌特征和地学内涵的地形因子被发掘,数字地形分析方面取得了大量的研究成果(表2),其中沟沿线都承担着重要的作用。

表2 沟沿线在地貌特征中应用现状Tab.2 Application status of gully shoulder lines in geomorphological characteristics

黄土高原侵蚀剧烈,水土流失严重,黄河高质量发展的国家战略对水沙治理提出了更高的要求。研究黄土高原水沙运移的动态变化对改善水土流失有着特殊的意义,要实现定位、定量和动态地研究土壤侵蚀变化规律,获取流域范围内的水土流失数据,建立流域范围内的分布式土壤侵蚀模型和分布式水文模型是必经之路,沟沿线恰恰是此模型的基础数据[5,45]。不同学者从不同尺度探索沟沿线在沟蚀方面的中作用(表3),并在此基础上量化侵蚀程度与空间分异特征,揭示了黄土地貌演化发育过程及水土侵蚀机理。

表3 沟沿线在土壤侵蚀中应用现状Tab.3 Application status of the gully shoulder lines in soil erosion

目前,基于沟沿线的土地利用及植被研究(表4)本质上是对黄土地形特征与土壤侵蚀的侧面量化,由于沟沿线上下由于坡度等地形因子突变,侵蚀方式差异较大,因而会造成了沟沿线上下的土地利用方式的差异及植被覆盖类型不同[7]。沟间地坡度较小,侵蚀方式主要是坡面的流水侵蚀,因此沟坡地的土地利用方式主要以耕地为主。沟坡地的坡度较大,侵蚀方式主要为冲蚀以及重力侵蚀[9,46]。

表4 沟沿线在土地利用中应用现状Tab.4 Application status of the gully shoulder lines in land use

总体而言,前人在沟沿线研究中已取得了重大的突破,沟沿线应用领域分布广泛,基于沟沿线的地貌特征分析,极大地丰富了黄土地貌与数字地形分析的研究体系, 有效地刻画地表形态和模拟地貌发育;从不同视角、不同尺度进一步挖掘土壤侵蚀中沟沿线的作用,借鉴前人成果,深层次探索土壤侵蚀机理,发掘沟沿线的地学内涵和价值,创新地解决黄土地貌形态特征的表达和发育演化过程模拟中的问题。但目前沟沿线应用多处于小范围内,大范围、宏观黄土高原应用研究尚需不断的努力。

4 展望

经过了几十年的发展,沟沿线分类体系的构建、沟沿线提取方法以及应用已经得到了阶段性的进展,但仍有诸多理论和实际应用问题值得思考和探索。

1)建立完备的沟沿线分类体系。沟沿线类型划分与量化指标体系的建立对其成因、演化等本质的认识及后续提取算法研究具有重要的意义。完备的分类体系是沟沿线研究步入成熟的一个标志,对沟沿线分类体系的不断完善也是对沟沿线认识逐步深化的过程。目前针对沟沿线的分类以定性的指标为主,缺乏定量化的衡量,只是从沟沿线的表象对其分类。因此在后续研究中,应将定性与定量相结合、外在地貌形态与内在演化机理相结合构建科学完备的沟沿线分类体系,从而实现深层次反映地貌形态与发育机理的综合量化。

2)探索高精度的沟沿线提取方法。在沟沿线的提取方面,沟沿线特征点的有效识别与特征点连接成线的连续性是决定沟沿线提取结果精度的2个关键。在构建科学完善的沟沿线分类体系及量化指标体系的前提下,以形态与机理并重,利用不同类型沟沿线间的显著差异特征,结合地形细节特征,选择适合其特征点识别的方法,提高特征点识别的有效性;不断探究沟沿线特征点连接成线的算法,提高沟沿线提取的连续性。此外,深度学习等新算法在图像分割的广泛应用且具有较高的精度,使正负地形提取有了新思路和突破。利用较高精度的图像分割算法分割正负地形,再对其进行边缘识别完成沟沿线的提取,这将是沟沿线提取的一个新思路。

3)构建全局高效、局部保真提取模型。现有的方法多数是基于局部小流域的沟沿线进行提取,每一块流域的沟壑形态以及地貌类型组合复杂,所采用的提取模型为固定邻域窗口运算,无法保证方法在全局地貌中的提取效率且局部提取结果失真,在后续的研究中可以将邻域大小与提取效率有机结合,逐步在宏观上实现连续高效准确、微观上实现保真的沟沿线提取算法。

4)深入探讨沟沿线与黄土高原沟壑之间的耦合关系。在基于沟沿线的黄土地貌研究方面,现有的研究还没有达到从沟沿线自身出发揭示黄土地貌发育及演化机理,如何充分实现沟沿线在黄土地貌研究中应用还有待探讨。认知沟沿线地形特征与土壤侵蚀等营力之间的关系,深入探讨沟沿线与黄土高原沟壑演化与沟沿线之间的耦合关系,深化地貌发育及演化内涵机理,将是后续研究中的重点。从宏观上刻画不同发育程度沟壑的空间分异,从微观上探究侵蚀机理与地表模拟,从而有效地分析黄土高原地貌形态的内涵。

5 结论与讨论

1)总结了沟沿线的基本内涵和分类体系。沟沿线是黄土地貌中一条重要的地形线,其表现了黄土地貌内在的发育与演化过程。现阶段,沟沿线的认知已经比较成熟,但分类体系匮乏,目前常用的为肖晨超等[14]提出的类型划分方法。

2)实现了沟沿线提取法的分类和评析。沟沿线提取法大体上可分为传统法、基于地貌形态学法、基于图像分割法、面向点云数据法4种。传统法提取的精度最高,但是需要消耗极大的人力物力;基于地貌形态学法相比于传统提取效率更高,但在提取精度和连续性上效果较差;基于图像法提取的沟沿线在精度以及提取效率上都较好,但相对来说模型法算法更加复杂;面向点云数据提取法的精度仅次于传统法,能够反映沟沿线丰富的细节信息,但需要较强的计算机运载能力。

3)探讨了基于沟沿线的应用现状和实际意义。从黄土地貌特征、土壤侵蚀、植被覆盖等方面对沟沿线的实际意义展开探讨。应用较多的为基于沟沿线的黄土地貌研究,主要是利用沟沿线进行正负地形的分割、探究黄土高原不同地貌类型区沟沿线的特征、沟沿线与黄土地貌演化机制的映射关系、基于沟沿线对黄土地貌景观进行描绘等;在基于沟沿线的土壤侵蚀研究方面,主要是基于沟沿线进行沟沿线廊道防蚀研究、构建沟蚀量化指标体系、区分重点沟蚀区以及沟谷类型等;在土地利用和植被覆盖相关研究较少。总体来看,基于沟沿线的实际应用较少,出现这种情况的原因可能是沟沿线的提取方法还有待完善。

此外,沟沿线提取精度影响因素较多,其中DEM数据源或者点云数据的质量为较为关键的一个。综合分析前人研究发现,绝大部分方法使用的DEM的分辨率为5 m,但数据分辨率与提取精度间相关性还有待研究,高分辨率数据具有精细的地形特征细节,提取过程中会产生大量噪点,干扰沟沿线的提取过程,造成沟沿线连续性差等问题;而较低分辨率的数据忽略了大量的微地形,提取结果与真实沟沿线产生偏移。因此,根据地形因子参数,选择最优分辨率数据,对黄土高原分区处理提取,将地形细节特征与分辨率有机结合,提高提取算法的有效性与精度。

从沟沿线着手,结合黄土地貌发育与演化特征,有效解决当前面临的研究问题,是黄土高原形貌研究、探索沟谷发育侵蚀机理的重点之一,沟沿线高精度提取结果有望实现黄土高原区域研究与科学服务的创新型突破。