一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法技术

本发明专利技术公开了一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法，首先对研究区数字高程模型DEM裁剪处理并提取坡度；然后提取沟底河网，初步获取塬面及修正，最终得到完整的塬面空间分布；然后利用塬面矢量数据分别计算各样本流域的形状指数LSI和破碎度指数Meff，进行黄土高塬沟壑区塬面残缺度定量研究；利用黄土高原丘陵沟壑区模型计算得到各样本流域的产沙模数，并与实测产沙模数进行对比分析；分析产沙模数和实测产沙模数的相对误差与塬面形状指数LSI和破碎度指数Meff之间的关系，进而反演计算得到塬沟壑区梯田产沙量。本发明专利技术能够揭示黄河流域黄土高塬沟壑区梯田和流域产沙之间的关系。

【技术实现步骤摘要】
一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法
本专利技术属于数据采集、分析
，具体涉及一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法。
技术介绍
黄土高原是我国水土流失最为严重的地区之一，也是黄河泥沙的主要来源地。20世纪70年代以来，黄河上中游绝大部分支流来沙明显减少，但泾河流域黄土高塬沟壑区的核心地区无明显减沙趋势。据20世纪80年代完成的黄土高原土壤侵蚀类型区划分，黄河流域的黄土高塬沟壑区面积为3.35万km2(含残塬区)，主要分布在泾河流域、北洛河中游、晋西南和祖厉河下游。位于泾河流域的董志塬是面积最大的完整台塬，地处马莲河中下游和蒲河下游，总面积2765.5km2，其中塬面面积960km2，年输沙模数约4000t/km2。通过六十多年的水土流失治理，目前泾河流域的黄土高塬区已基本实现梯田化，易侵蚀区林草覆盖率由70年代后期的32％提高到2013年的51％，并修建了60多座骨干坝和3座中小型水库、坝库控制面积约占土地面积的7.5％。然而，从地处董志塬核心区的马莲河中下游及其支流砚瓦川的实测输沙数据表明该区1959年以来的来沙变化没有周边其它区变化明显。在塬面完整的黄土高塬区，修建梯田和塬坡植树种草的减沙作用是有限的。以塬面比为66％的南小河沟为例，其塬面和坡面的农地、荒草地和其它地类的总产沙量只有全流域的1.2％，总产流量占全流域的10.1％。由此推算，水平梯田和林草的减沙潜力很难超过10％。因此，直接利用已有的丘陵沟壑区的减沙模型对塬区进行计算是不合适的，目前急需寻求黄土高塬沟壑区梯田减沙计算的方法。进而了解黄河流域黄土高塬沟壑区梯田对流域产沙的影响规律，揭示两者之间定量关系以及阈值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法，能够揭示黄河流域黄土高塬沟壑区梯田和流域产沙之间的关系。本专利技术所采用的技术方案是，一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、表面分析：对研究区数字高程模型DEM裁剪处理并提取坡度，根据黄土地貌特征差异，确定最佳分级断点，得到包含沟间地塬面和沟底地的综合区域，并运用主滤波法降噪处理；步骤2、沟底河网提取：运用ArcGIS河网分析模块，以汇流量差异从DEM中提取各级沟底河网作不同半径缓冲区得到沟底地；步骤3、塬面初步获取：将坡度小于最佳分级断点的栅格区域转为矢量，并进行边界平滑、合并碎图斑处理；将得到的沟底地从上述矢量面中擦除，以获取黄土高塬沟壑区塬面的雏形；步骤4、塬面修正：将上述矢量数据叠加2.1m卫星影像，基于先验知识进一步明确不同矢量斑块的地貌属性特征，剔除非塬区斑块；对部分定位不准确或差异显著的塬面边界进行修正；对因主滤波分析时缺失的部分塬面边界予以补充，使其具有完整的塬面信息，最终得到完整的塬面空间分布；步骤5、利用塬面矢量数据分别计算各样本流域的形状指数LSI和破碎度指数Meff，进行黄土高塬沟壑区塬面残缺度定量研究；步骤6、利用黄土高原丘陵沟壑区模型计算得到各样本流域的产沙模数，并与实测产沙模数进行对比分析；步骤7、分析产沙模数和实测产沙模数的相对误差与塬面形状指数LSI和破碎度指数Meff之间的关系，进而反演计算得到黄土高塬沟壑区梯田产沙量。本专利技术的特点还在于，步骤1中坡度直方图的最佳分级断点为6°。步骤5中形状指数LSI计算公式如下：式中，E为各支流内塬面的总周长，A为塬面的总面积。步骤5中破碎度指数Meff计算公式如下：式中，Aij为第j条支流中第i个塬面的面积，Aj为第j条支流中塬面总面积，n为第j条支流中塬面个数。步骤6中黄土高原丘陵沟壑区模型如公式下：Si＝450×e-0.072Vet式中，Si为产沙指数，Vet为林草梯田有效覆盖率。步骤7中产沙模数和实测产沙模数的相对误差与塬面形状指数LSI和破碎度指数Meff之间的关系具体为：破碎度指数Meff与计算产沙模数和实测产沙模数的相对误差RE的比例呈极显著相关，决定系数R2达到0.9421，形状指数LSI与产沙模数没有明显的相关性。本专利技术的有益效果是，一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法，通过遥感影像对黄河流域黄土高塬沟壑区进行完全覆盖的数据采集，提取塬面，分析不同塬区基本特征，并结合林草植被和梯田变化分析黄土高塬沟壑区梯田对流域产沙的影响规律，来得到塬区梯田减沙计算方法。与现有技术相比，(1)本专利技术可以快速精准获取黄土高塬沟壑区塬面信息和基本特征。遥感影像的空间分辨率较高、获取数据时间短，能够弥补人为调查的不足。与现有研究技术相比具有覆盖面积大，范围广，信息全面，真实度高，易于操作，能够全面覆盖研究区域—黄土高塬沟壑区。(2)相比利用丘陵沟壑区减沙计算模型，本专利技术可以更精确的从更大的尺度上对黄土高塬沟壑区林草梯田变化对流域产沙的影响规律进行定量的分析，为后期减少入黄泥沙研究、水土流失治理、评价、预测和控制流域产沙提供坚实理论基础和现实指导意义。(3)计算方法简单，计算精度高。附图说明图1是一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法中塬面提取流程图；图2是黄土高塬沟壑区塬面空间分布图；图3(a)是样本流域塬面形状指数LSI对比图；图3(b)是样本流域塬面破碎度指数Meff对比图；图4塬面破碎度指数与绝对误差拟合分析图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、表面分析：对研究区数字高程模型DEM裁剪处理并提取坡度，根据黄土地貌特征差异，确定最佳分级断点，得到包含沟间地塬面和沟底地的综合区域，并运用主滤波法降噪处理；步骤1中坡度直方图的最佳分级断点为6°。步骤2、沟底河网提取：运用ArcGIS河网分析模块，以汇流量差异从DEM中提取各级沟底河网作不同半径缓冲区得到沟底地；步骤3、塬面初步获取：将坡度小于最佳分级断点的栅格区域转为矢量，并进行边界平滑、合并碎图斑处理；将得到的沟底地从上述矢量面中擦除，以获取黄土高塬沟壑区塬面的雏形；步骤4、塬面修正：将上述矢量数据叠加2.1m卫星影像，基于先验知识进一步明确不同矢量斑块的地貌属性特征，剔除非塬区斑块；对部分定位不准确或差异显著的塬面边界进行修正；对因主滤波分析时缺失的部分塬面边界予以补充，使其具有完整的塬面信息，最终得到完整的塬面空间分布；步骤5、利用塬面矢量数据分别计算各样本流域的形状指数LSI和破碎度指数Meff，进行黄土高塬沟壑区塬面残缺度定量研究；步骤5中形状指数LSI计算公式如下：式中，E为各支流内塬面的总周长，A为塬面的总面积。步骤5中破碎度指数Meff计算公式如下：式中，Aij为第j条支流中第i个塬面的面积，Aj为第j条支流中塬面总面积，n为第j条支流中塬面个数。步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：/n步骤1、表面分析：对研究区数字高程模型DEM裁剪处理并提取坡度，根据黄土地貌特征差异，确定最佳分级断点，得到包含沟间地塬面和沟底地的综合区域，并运用主滤波法降噪处理；/n步骤2、沟底河网提取：运用ArcGIS河网分析模块，以汇流量差异从DEM中提取各级沟底河网作不同半径缓冲区得到沟底地；/n步骤3、塬面初步获取：将坡度小于最佳分级断点的栅格区域转为矢量，并进行边界平滑、合并碎图斑处理；将得到的沟底地从上述矢量面中擦除，以获取黄土高塬沟壑区塬面的雏形；/n步骤4、塬面修正：将上述矢量数据叠加2.1m卫星影像，基于先验知识进一步明确不同矢量斑块的地貌属性特征，剔除非塬区斑块；对部分定位不准确或差异显著的塬面边界进行修正；对因主滤波分析时缺失的部分塬面边界予以补充，使其具有完整的塬面信息，最终得到完整的塬面空间分布；/n步骤5、利用塬面矢量数据分别计算各样本流域的形状指数LSI和破碎度指数Meff，进行黄土高塬沟壑区塬面残缺度定量研究；/n步骤6、利用黄土高原丘陵沟壑区模型计算得到各样本流域的产沙模数，并与实测产沙模数进行对比分析；/n步骤7、分析产沙模数和实测产沙模数的相对误差与塬面形状指数LSI和破碎度指数Meff之间的关系，进而反演计算得到塬沟壑区梯田产沙量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种黄土高塬沟壑区的梯田减沙计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、表面分析：对研究区数字高程模型DEM裁剪处理并提取坡度，根据黄土地貌特征差异，确定最佳分级断点，得到包含沟间地塬面和沟底地的综合区域，并运用主滤波法降噪处理；
步骤2、沟底河网提取：运用ArcGIS河网分析模块，以汇流量差异从DEM中提取各级沟底河网作不同半径缓冲区得到沟底地；
步骤3、塬面初步获取：将坡度小于最佳分级断点的栅格区域转为矢量，并进行边界平滑、合并碎图斑处理；将得到的沟底地从上述矢量面中擦除，以获取黄土高塬沟壑区塬面的雏形；
步骤4、塬面修正：将上述矢量数据叠加2.1m卫星影像，基于先验知识进一步明确不同矢量斑块的地貌属性特征，剔除非塬区斑块；对部分定位不准确或差异显著的塬面边界进行修正；对因主滤波分析时缺失的部分塬面边界予以补充，使其具有完整的塬面信息，最终得到完整的塬面空间分布；
步骤5、利用塬面矢量数据分别计算各样本流域的形状指数LSI和破碎度指数Meff，进行黄土高塬沟壑区塬面残缺度定量研究；
步骤6、利用黄土高原丘陵沟壑区模型计算得到各样本流域的产沙模数，并与实测产沙模数进行对比分析；
步骤7、分析产沙模数和实测产沙模数的相对误差与塬面形状指数LSI和破碎度指数Meff之间的关系，进而反演计算得到塬沟壑区梯田产沙量。

【专利技术属性】
技术研发人员：高云飞，刘晓燕，董亚维，殷宝库，张敏，屈创，岳本江，王婷婷，张春晋，
申请(专利权)人：黄河流域水土保持生态环境监测中心，黄河水利委员会黄河水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61