曹鵬舉程三友林海星王 曦李曼琪陳 靜

長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西 西安 710054

0 引言

地球表層作為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的界面,是巖石圈、大氣圈和生物圈等各個(gè)圈層間既相互關(guān)聯(lián),又相互作用的結(jié)合部位(劉靜等, 2018;任紀(jì)舜等, 2019)。為更好地解釋地球不同圈層之間的相互作用,構(gòu)造-氣候-地表過(guò)程之間的耦合關(guān)系分析已成為地學(xué)界亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。能觀察到的地表景觀代表了現(xiàn)存的構(gòu)造、環(huán)境和氣候的綜合記錄,也是了解地殼變形過(guò)程、氣候演化機(jī)制的直接證據(jù)。研究表明,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是塑造地貌的主導(dǎo)因素 (Lang et al., 2016),但一些非構(gòu)造因素,如巖性、氣候和植被等參與的地表過(guò)程,亦或成為構(gòu)造隆升的誘因,特別是地表侵蝕對(duì)構(gòu)造作用的影響(Zeitler, 2001)。因此,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候和地表過(guò)程三者之間相互關(guān)聯(lián)密不可分,是地貌演化的三大約束因素。一方面,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的造山帶隆升增加了侵蝕勢(shì)能,當(dāng)隆升達(dá)到一定高度又影響水汽輸送,因地形產(chǎn)生的降水增多,侵蝕加劇。另一方面,強(qiáng)烈的侵蝕也伴隨著大量的沉積,又為新的侵蝕準(zhǔn)備條件。研究者可通過(guò)詮釋地表抬升的機(jī)制、計(jì)算河流侵蝕的速率、分析盆地沉積的歷史紀(jì)錄、討論古今地貌之間的關(guān)系來(lái)還原地貌演化的過(guò)程。

構(gòu)造地貌學(xué)作為一門新興學(xué)科,主要研究構(gòu)造與氣候之間的相互作用,以量化的方式具體闡述地形地貌塑造的過(guò)程,其興起得益于低溫?zé)崮甏鷮W(xué)和宇宙成因核素等新測(cè)年方法的拓展、地理信息技術(shù)的進(jìn)步和高精度地形數(shù)據(jù)的獲取,特別是激光雷達(dá)(LiDAR)測(cè)距技術(shù)能夠快速獲取高分辨率的三維地形數(shù)據(jù)(LiDAR DEM),其水平和垂直方向的分辨率已達(dá)到厘米級(jí),陸基激光雷達(dá)甚至可達(dá)毫米級(jí) (Bernatek-Jakiel and Jakiel, 2021)。近年來(lái),無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)和多視角移動(dòng)攝影測(cè)量 (Structure from Motion,SFM)技術(shù)成熟,因其高效和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn),在獲取高精度地形數(shù)據(jù)上具有突出的優(yōu)勢(shì) (S'ledz' et al.,2021)。DEM蘊(yùn)含著豐富的地形特征信息,是定量描述地貌結(jié)構(gòu)空間變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(劉少峰等,2005)。從DEM中可提取坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、地表粗糙度等地形因子,通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算河流的侵蝕速率和沉積速率(Yang et al., 2015),利用LiDAR DEM提供的精確地形數(shù)據(jù)集,可識(shí)別廢棄河道和沙洲等以前的河流地貌 (Vayssière et al., 2020)。利用DEM空間分析結(jié)合地球物理調(diào)查和沉積物觀測(cè)資料,通過(guò)相關(guān)的測(cè)年手段,可以重建古河道的斷口和充填年代 (Ejarque et al., 2015)。這些研究各具特色,從不同方面表明DEM在構(gòu)造地貌定量分析中的潛力,文章對(duì)DEM在構(gòu)造地貌定量分析中的主要應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行論述,并對(duì)其今后發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 DEM概述

構(gòu)造地貌學(xué)的特點(diǎn)之一,體現(xiàn)在可以定量獲取地貌特征參數(shù)、地貌演化過(guò)程的變化速率等數(shù)據(jù),利用數(shù)學(xué)方法描述地表的三維形態(tài)特征和構(gòu)造-氣候-侵蝕三者之間的演化過(guò)程 (圖1)。DEM通過(guò)對(duì)地表的連續(xù)采樣與建模,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地貌形態(tài)的數(shù)字化模擬,這使DEM成為當(dāng)前最廣泛采用的高程模型 (Polidori and El, 2020)。DEM包括不規(guī)則三角網(wǎng)DEM、規(guī)則格網(wǎng)DEM、等高線DEM、斷面DEM、離散點(diǎn)DEM和混合式DEM等6種類型(王家耀等, 2004)。針對(duì)DEM的生成方式,不同學(xué)者從傳統(tǒng)高程內(nèi)插、地圖代數(shù)模擬、高精度數(shù)學(xué)曲面建模,以及特征嵌入式高保真DEM等方面進(jìn)行了DEM模型的構(gòu)建(Ardiansyah and Yokoyama, 2002),也有學(xué)者提出了二元樣條函數(shù)、Coons曲面、多層曲面疊加內(nèi)插等局部地形的插值方法(王耀革等, 2008; 陳傳法等, 2016),上述成果都在相當(dāng)程度上提高了地形建模與表達(dá)的保真性與實(shí)用性。目前DEM數(shù)據(jù)主要通過(guò)高分辨率遙感影像立體測(cè)量、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量、無(wú)人機(jī)航測(cè)、激光雷達(dá)、傾

斜攝影等采集方式獲得 (Lucieer et al., 2014;Noh and Howat, 2015)。海量、高精度DEM點(diǎn)云數(shù)據(jù)的便捷快速獲取,為多時(shí)相、多層次、多尺度的地貌建模與表達(dá)奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。DEM作為地形和地貌分析的核心數(shù)據(jù),長(zhǎng)期以來(lái)在區(qū)域填圖、地貌分析、地質(zhì)工程、采礦工程以及攝影測(cè)量等諸多領(lǐng)域扮演著重要角色。當(dāng)前,全球已有多種形式的DEM,表1對(duì)常用的全球DEM產(chǎn)品的屬性進(jìn)行了總結(jié) (Lakshmi and Yarrakul, 2019; 唐新明等, 2021)。

a—造山帶碰撞的構(gòu)造模式;b—構(gòu)造、氣候、侵蝕三者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)圖1 構(gòu)造、氣候和侵蝕之間發(fā)生相互作用的關(guān)系簡(jiǎn)圖(據(jù)劉靜等,2018修改)Fig.1 Relationship diagram showing the interaction between structure, climate and erosion (modified after Liu et al., 2018)(a) Tectonic model of the orogenic belt collision;(b) Interaction between structure, climate and erosion

表1 全球數(shù)字高程(DEM)產(chǎn)品及其主要參數(shù)Table 1 Global digital elevation products and the main parameters

2 DEM在構(gòu)造地貌定量分析中的主要應(yīng)用

2.1 基本地形因子研究

基于DEM的地形因子提取是數(shù)字地形和地貌分析的基礎(chǔ)與核心內(nèi)容(湯國(guó)安, 2014),也是從不同視角認(rèn)知地貌形態(tài)特征、建模地貌發(fā)育過(guò)程、理解地貌成因機(jī)制的研究要點(diǎn)。目前,各類研究所提出的地形因子多達(dá)百余種,針對(duì)地貌形態(tài)分析的地形因子體系也日趨完善。這些地形因子的提取方法、算法性能、應(yīng)用范圍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)(熊禮陽(yáng)等, 2021)。根據(jù)地形因子所描述的空間范圍和尺度,可將常見(jiàn)的地形因子歸為微觀地形因子(坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率)和宏觀地形因子(地形粗糙度、地形起伏度、地表切割深度、高程變異系數(shù))兩種基本類型(湯國(guó)安, 2014),詳見(jiàn)表2。

表2 常見(jiàn)的地形因子及其算法Table 2 Common terrain factors and their algorithms

依據(jù)地形因子的提取方法,可將其分為場(chǎng)型地形因子和對(duì)象型地形因子 (Wilson J P, 2018)。場(chǎng)型地形因子的提取主要是基于格網(wǎng)數(shù)字高程模型,在給定的分析半徑或窗口內(nèi),計(jì)算出高程變化的相關(guān)特征變量,進(jìn)而得出不同的一階或二階地形因子(Florinsky, 2009),如地面坡度、坡向、坡度的坡度 (Slope of Slope, SOS)、坡向的坡度(Aspect of Slope, SOA)、地表曲率、匯流累積流量、匯流方向、地形粗糙度和地形濕度指數(shù)(Topographic Wetness Index, TWI) 等 (湯國(guó)安,2017a;Scown et al., 2015; Li et al., 2020)。對(duì)象型地形因子是面向具體地形對(duì)象的因子,如針對(duì)河流特征的長(zhǎng)度、等級(jí)、密度等(孫崇亮和王卷樂(lè), 2008);針對(duì)流域特征的流域形狀指數(shù)和流域不對(duì)稱度等(Yang et al., 2011);以及針對(duì)溝谷特征的溝谷密度、溝沿線逼近程度和溝頭點(diǎn)密度等(Zhu et al., 2018)。另外,地形因子對(duì)不同類型的DEM在不同地區(qū)的響應(yīng)關(guān)系是不同的(高志遠(yuǎn)等,2019),有學(xué)者針對(duì)不同的研究對(duì)象和目標(biāo),提出了基于DEM的地形因子分類體系(湯國(guó)安,2014),顯著提升了對(duì)地形特征的科學(xué)理解與認(rèn)知,也在相當(dāng)程度上促進(jìn)了傳統(tǒng)地貌學(xué)研究走向定量化。

隨著DEM精度的提高,將定量地貌學(xué)與巖石學(xué)結(jié)合成為一種新的研究趨勢(shì),將地形因子及參數(shù)用于巖性的分類,顯著提高了分類的精度(陳霄燕等, 2020)。不可否認(rèn),DEM具有解決地貌學(xué)定量問(wèn)題的潛力與優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)前的研究多偏向于逐一分析多個(gè)地形因子對(duì)地貌的表征和指示意義,對(duì)地形因子的表達(dá)機(jī)制、地形因子之間的關(guān)系等方面研究不足。特別在復(fù)雜地貌區(qū),根據(jù)多種地形因子的組合以及它們之間的相互關(guān)系來(lái)映射該區(qū)地貌的特征和演化機(jī)制是值得關(guān)注的問(wèn)題。因此,發(fā)掘不同地貌形態(tài)的地形因子組合關(guān)系、表述方式、分異特征,對(duì)深入探討地表過(guò)程,揭示地貌演化規(guī)律和動(dòng)力機(jī)制有重要意義。

2.2 流域地貌演化

流域是一個(gè)基本的自然地理單元,它對(duì)研究侵蝕地貌的地表形態(tài)、空間組織和演變特征起著重要的作用 (Dibiase et al., 2010)。河流對(duì)構(gòu)造、氣候等因素的變化非常敏感,河流演化記錄了造山帶新近時(shí)期的構(gòu)造變化 (Lague et al., 2005)。近二十年來(lái),眾多地貌學(xué)家致力于氣候和侵蝕速率、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與巖石抬升之間關(guān)系的研究,取得了重大進(jìn)展 (Kirby and Whipple, 2012; Yang et al., 2015)。國(guó)內(nèi)早期的工作以張會(huì)平(2006)對(duì)青藏高原東緣地區(qū)地貌演化的研究最為典型,研究提取了岷江水系東西兩側(cè)亞流域的面積、河流長(zhǎng)度、分支比等地貌參數(shù),結(jié)果表明構(gòu)造帶內(nèi)部的差異活動(dòng)控制著岷江水系東西兩側(cè)截然不同的地貌格局。類似的研究在祁連山地區(qū) (Wang et al., 2017)、錢塘江流域(程璐等, 2017)、洮河流域(馬金萍, 2017)等均有開(kāi)展。上述研究定量提取并分析了不同地貌參數(shù)對(duì)構(gòu)造地貌的指示意義,研究的視角主要聚焦于干流兩側(cè)地貌形態(tài)的差異上,但對(duì)河道變遷與侵蝕速率、抬升速率之間的關(guān)系關(guān)注不足。

河流落差所致的河流下切控制著山區(qū)地形起伏的格局,河流系統(tǒng)構(gòu)成了造山帶地貌演化的基本框架(Whipple, 2004)。近年來(lái),學(xué)者們通過(guò)提取造山帶內(nèi)部的河流縱剖面,并獲取不同時(shí)間尺度的構(gòu)造信息來(lái)解讀構(gòu)造和氣候等因素對(duì)河流侵蝕速率的控制作用 (Wang et al., 2017)。地表的抬升導(dǎo)致侵蝕加劇,河流侵蝕則平衡了局部地表抬升高度(Zhang et al., 2017),從而河流縱剖面的總體形狀就會(huì)隨著時(shí)間的推移而保持穩(wěn)定(Wang et al., 2019)。這種調(diào)節(jié)通過(guò)河流裂點(diǎn)的溯源遷移實(shí)現(xiàn),裂點(diǎn)記錄了構(gòu)造活動(dòng)時(shí)間變化的信息 (Castillo et al., 2017)。當(dāng)前,河流水力侵蝕模型將河流地貌、構(gòu)造活動(dòng)及河流侵蝕過(guò)程相結(jié)合,利用河流地貌參數(shù)反映區(qū)域構(gòu)造的活動(dòng)特征(Zaidi et al., 2018)。在抬升強(qiáng)烈的地區(qū),河流的侵蝕力相對(duì)于基巖河道是一種剪應(yīng)力,侵蝕速率與河道坡度呈線性相關(guān) (Whipple et al., 2017)。但河道梯度和侵蝕速率之間并非是線性關(guān)系(Harel et al., 2016),河道梯度增大的河道會(huì)經(jīng)受更強(qiáng)烈的侵蝕,侵蝕速率E與河道坡度S、上游流域面積A之間是一種冪律關(guān)系:

公式中K為侵蝕系數(shù)(包含氣候、巖性、沉積物通量、河道幾何形態(tài)等對(duì)侵蝕效率的影響);m為面積指數(shù),n為河道梯度指數(shù)。假定構(gòu)造引起的基巖抬升速率為U,河道上某點(diǎn)的高程z隨時(shí)間t變化,x為河道的溯源距離(即從出水口到分水嶺的方向),由此可得河道高程變化速率:

結(jié)合實(shí)際，對(duì)微機(jī)繼電保護(hù)裝置做日常維護(hù)方案的設(shè)定，針對(duì)設(shè)備本身特性，明確設(shè)備運(yùn)行人員不僅需要掌握設(shè)備操作方式和操作細(xì)節(jié)，更要對(duì)其具體工作流程有客觀認(rèn)知，全面提升自身綜合專業(yè)技術(shù)，以此保障設(shè)備運(yùn)行的可靠性。檢修過(guò)程中，要做好詳細(xì)記錄檢查的結(jié)果明確故障發(fā)生原因，做好應(yīng)對(duì)方案，保障微機(jī)繼電保護(hù)裝置整體運(yùn)行效率。

Ks和θ分別被稱為河道陡峭系數(shù) (channel steepness)和凹度(concavity),是反映構(gòu)造隆升速率的大小及其變化情況的定量參數(shù)。在河流的朔源侵蝕過(guò)程中,分水嶺因?yàn)楹恿饕u奪發(fā)生動(dòng)態(tài)遷移,這種變化可用chi(χ) 值 (Willett et al.,2014)來(lái)定量表述,表達(dá)式為:

公式(6)中A0為參考流域面積,可取任意值,當(dāng)區(qū)域平均的凹度指數(shù)被確定為參考凹度指數(shù)θref時(shí),可獲得能夠用于區(qū)域比較的歸一化陡峭指數(shù)Ksn。對(duì)公式(3)兩邊積分并聯(lián)合式 (6)可得:

公式中zb為河道起始點(diǎn)的高程,公式(7)反映出河道高程z與χ值之間存在線性關(guān)系,當(dāng)A0取特定值時(shí),直線的斜率可以近似等于標(biāo)準(zhǔn)河道陡峭指數(shù)Ksn。由公式(7)可以看出χ值的大小受流域面積和歸一化陡峭指數(shù)Ksn影響。歸一化陡峭指數(shù)Ksn主要與抬升速率U和侵蝕系數(shù)K相關(guān),因而χ值的變化也主要與區(qū)域構(gòu)造抬升速率和侵蝕效率相關(guān)(圖2)。

在設(shè)定不同流域的初始高程z b相同的情況下,分水嶺兩側(cè)χ值的差異主要受河道陡峭程度的影響,標(biāo)準(zhǔn)河道陡峭指數(shù)K sn大的一側(cè)所對(duì)應(yīng)的χ值較小,標(biāo)準(zhǔn)河道陡峭指數(shù)K sn較小的一側(cè)所對(duì)應(yīng)的χ值較大圖2 河道高程與chi(χ) 值的線性關(guān)系(據(jù)Whipple et al., 2017修改)Fig.2 Linear relationship between the channel height and chi(χ) value (modified after Whipple et al., 2017)Under the same initial elevation z b of different watershed, the difference of χ values on both sides of watershed is mainly affected by channel steepness. The side with higher standard channel steepness index K sn corresponds to a smaller χ value,while the side with lower standard channel steepness index K sn corresponds to a larger χ value

利用該模型開(kāi)展構(gòu)造地貌演化的研究,是當(dāng)前構(gòu)造地貌學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)工作,國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用該模型在安第斯山 (Fox et al., 2015)、青藏高原東北緣和東南緣 (Hetzel, 2013)、秦嶺造山帶(王一舟等, 2020)、鄂爾多斯北緣 (林玲玲,2021)、意大利撒丁島 (Quye-Sawyer et al., 2020)等典型活動(dòng)構(gòu)造區(qū)開(kāi)展了相關(guān)的研究。最近,Wu et al.(2020)提出了一種基于正方形網(wǎng)格DEM的河道曲率(C)算法,并且以丘陵高原和山區(qū)的實(shí)際DEM為例,定性評(píng)價(jià)新算法的精度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新算法在不同的地形表面上都能取得較好的效果。

2.3 古地貌的重塑

古地貌與沉積組合之間的關(guān)系、古地貌的復(fù)原是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。通過(guò)古地形、地貌的重塑可以揭示沉積區(qū)、剝蝕區(qū)、海陸變遷等古地理環(huán)境,有助于了解造山帶和沉積盆地的演化史 (Zhang et al., 2012)。

夷平面是侵蝕形成的分布廣泛的平坦地形表面 (Li et al., 2017),它們橫切較老的地層,地表發(fā)生隆升或被掩埋時(shí),夷平面將會(huì)終止發(fā)育。低起伏度的地形表面是重建地貌形成和演化的關(guān)鍵證據(jù)(Hetzel et al., 2013)。夷平面對(duì)氣候和構(gòu)造,尤其對(duì)新生代以來(lái)的地貌演化具有重要的指示作用 (Zuffetti and Bersezio, 2020)。山地夷平面是古地貌恢復(fù)研究的熱點(diǎn),涉及地貌學(xué)的基礎(chǔ)理論問(wèn)題。

DEM促進(jìn)了夷平面的定量化研究(Steer et al.,2012)。通過(guò)侵蝕夷平的最新地層和上覆最老地層約束夷平面發(fā)育時(shí)間,提取殘存地貌的分布高程,利用DEM空間分析技術(shù),能夠最大程度地恢復(fù)侵蝕下切前的古地貌形態(tài)(圖3)。以恢復(fù)的古地形面為參考面,實(shí)現(xiàn)其與現(xiàn)今地形面的差值運(yùn)算,最終實(shí)現(xiàn)研究區(qū)侵蝕量的定量化研究。一般通過(guò)目視解譯 (Li et al., 2012; Lease and Ehlers,2013)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)(劉勇等, 1999)和指標(biāo)參數(shù)法(Calvet et al., 2015)對(duì)夷平面進(jìn)行提取。此類基于高程坡度指標(biāo)提取夷平面的研究,指標(biāo)的確定存在一定的隨意性和主觀性。有學(xué)者通過(guò)均值變點(diǎn)法 (Li et al., 2017; Ma et al.,2020)確定山脊線和溝谷線的高程變點(diǎn),進(jìn)而確定高程指標(biāo),利用最小誤差法確定坡度指標(biāo),該方法一定程度上克服了指標(biāo)確定的主觀性。

虛線代表未發(fā)生侵蝕之前的地形面(恢復(fù)地形面),與現(xiàn)今地形面做差值運(yùn)算可得侵蝕量的大小圖3 沉積面恢復(fù)示意圖(據(jù)張會(huì)平等,2006修改)Fig.3 Schematic diagram showing the resteration of the sedimentary surface (modified after Zhang et al., 2006)The dashed line represents the topographic surface before erosion(restoring the topographic surface), and the amount of erosion can be obtained by difference calculation with the current topographic surface

夷平面的重建離不開(kāi)年代學(xué)的支撐,測(cè)年技術(shù)的每一次進(jìn)步,都會(huì)推動(dòng)地貌學(xué)的發(fā)展,特別是宇宙成因核素測(cè)年技術(shù)(Rood et al., 2011)已被地貌學(xué)家廣泛采用,若將數(shù)值模擬等新方法和夷平面的研究相結(jié)合或?qū)⒌玫綄?duì)地貌演化的新認(rèn)識(shí)。

2.4 構(gòu)造地貌發(fā)育模式

地貌的發(fā)育、演化過(guò)程研究對(duì)于了解陸表環(huán)境變化歷史、預(yù)測(cè)未來(lái)全球變化方向具有重要意義(湯國(guó)安等, 2017b)。地貌發(fā)育的成因、機(jī)制、模式等一直是地學(xué)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn),最為典型的是關(guān)于青藏高原東緣構(gòu)造地貌演化過(guò)程和動(dòng)力學(xué)機(jī)制,其始終是國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家高度關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題之一 (李吉均等, 2001; Clark et al.,2004; Zuza and Yin, 2016)。

青藏高原東緣的新構(gòu)造變形過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制、現(xiàn)今的活動(dòng)構(gòu)造變形樣式、與地震活動(dòng)關(guān)系等都是國(guó)內(nèi)外地球科學(xué)領(lǐng)域極為關(guān)注的問(wèn)題。該區(qū)是高原擴(kuò)展生長(zhǎng)中活動(dòng)構(gòu)造和地貌特征最復(fù)雜的,也是各種大陸動(dòng)力學(xué)模型最難解釋的地區(qū)。關(guān)于青藏高原東緣的地貌成因至今尚無(wú)一致的認(rèn)識(shí),各種模式預(yù)測(cè)的結(jié)果與對(duì)地質(zhì)觀測(cè)的結(jié)果仍存在差異。目前有關(guān)青藏高原東緣高海拔低起伏地貌格局成因的認(rèn)識(shí),可總結(jié)為兩種:一種觀點(diǎn)認(rèn)為青藏高原東緣地區(qū)緩降的地形代表先前存在的低海拔殘留地表面,經(jīng)過(guò)后期緩慢的構(gòu)造抬升形成現(xiàn)今高海拔低起伏的地貌格局(Schoenbohm et al., 2005; Clark et al., 2006);另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,青藏高原東緣的這種準(zhǔn)平原化的地貌形態(tài)形成于高海拔條件下,與現(xiàn)今高原南部的內(nèi)流水系侵蝕基準(zhǔn)面為一體 (Yao et al., 2008)。由于技術(shù)的突破,研究者們可以基于更高精度的DEM采用不同的地貌分析指標(biāo),通過(guò)數(shù)值模擬,定量表達(dá)地表演化過(guò)程與河流地貌參數(shù)、氣候、巖性之間的耦合關(guān)系 (Yang et al., 2015; Xiao et al.,2020),重新審視了青藏高原東緣的地形地貌特征。

到目前為止,關(guān)于青藏高原的成因機(jī)制仍很難達(dá)成一致的認(rèn)識(shí),伴隨新資料的不斷涌現(xiàn),尤其是活動(dòng)斷裂研究、地球物理探測(cè)、GPS觀測(cè)等方面新成果以及雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步,可以獲取該地區(qū)最新地殼變形過(guò)程、新構(gòu)造演化的時(shí)空框架等重要的大陸動(dòng)力學(xué)背景資料,重新構(gòu)建該區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造體系與運(yùn)動(dòng)學(xué)地質(zhì)模型,為進(jìn)一步正確理解青藏高原的最新地殼變形過(guò)程及機(jī)制提供了可能。

2.5 地貌分類與制圖

地貌形態(tài)是地表系統(tǒng)中的基本要素,即構(gòu)成地形表面的幾何形狀(程維明等, 2009)。地貌形態(tài)既有典型的空間差異分布現(xiàn)象,又在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)出相對(duì)獨(dú)立的特征 (王彥文和秦承志,2017)。因此,地貌分類是數(shù)字地形分析的基礎(chǔ),是地貌制圖研究的依據(jù)以及地貌分布規(guī)律研究的前提(許麗等, 2017; 顧文亞等, 2020)。早期地貌研究學(xué)者通過(guò)大量實(shí)地考察、遙感影像解譯,結(jié)合地形圖計(jì)算,運(yùn)用大量專業(yè)知識(shí),獲取定量的地貌信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)研究區(qū)地貌特征的認(rèn)識(shí)(Ehsani et al., 2010)。

目前,地貌分類的方法呈現(xiàn)多元化,基于聚類的方法(Deng et al., 2006)、基于規(guī)則知識(shí)的分類方法(康鑫等, 2016)和基于典型樣點(diǎn)的方法(Valentine and Kalnins, 2016)是三種主流的分類方法,自動(dòng)化程度都較高。聚類算法不適用于小范圍的地貌分類;規(guī)則知識(shí)法比較復(fù)雜,需要大量的專業(yè)知識(shí)支撐;典型樣點(diǎn)法人工參與度低,操作方便。但以上三類方法都難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地貌區(qū)的精確分類,一些新的地貌分類方法隨之出現(xiàn)。例如,主成分分析 (PCA)方法 (Huang et al., 2020)是一個(gè)基于DEM建立的,通過(guò)評(píng)價(jià)各地形因子在研究區(qū)地貌中所占的權(quán)重,可用于復(fù)雜地形區(qū)的地貌分類方法。此外,基于DEM的形態(tài)測(cè)量技術(shù)(Luo and Liu, 2018)、地形位置指數(shù)(TPI) (胡最和聶陽(yáng)意, 2015)、面向?qū)ο笞詣?dòng)分類法(Zhao et al., 2017)均是近幾年提出的地貌分類法。近年來(lái),基于隨機(jī)森林(RIF;黃宇飛等, 2019)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN;張洪群等,2017)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头纸?(BEMD;顧文亞等,2020)、混淆矩陣和成功曲線法(辛星, 2018)等遙感影像的分類方法已在巖性分類、地貌分類中突顯出相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì),是今后地貌分類研究的新趨向。

2.6 地形特征提取算法的研究

基于DEM的特征提取主要是對(duì)地形特征點(diǎn)和地形特征線的提取,提取流程見(jiàn)圖4。地形特征點(diǎn)和地形特征線對(duì)地形地貌的表達(dá)起著關(guān)鍵作用,對(duì)DEM的構(gòu)建、流域分析、地貌分類與制圖等實(shí)際應(yīng)用有重要意義(Sofia,2020)。

圖4 地形特征點(diǎn)和地形特征線提取示意圖Fig.4 Schematic diagram showing the extraction of terrain feature points and lines

地形特征點(diǎn)主要是指對(duì)地形在地表的空間分布具有控制作用的地形點(diǎn)要素(湯國(guó)安, 2014)。常見(jiàn)的地形特征點(diǎn)有山頂點(diǎn)、鞍部點(diǎn)、脊線源點(diǎn)、脊線交點(diǎn)、起源節(jié)點(diǎn)、匯流節(jié)點(diǎn)和流域出水口點(diǎn)。地形特征點(diǎn)具有典型的空間結(jié)構(gòu)特征,它們之間既相互獨(dú)立,又緊密聯(lián)系(蒲陽(yáng)等, 2018),其獨(dú)立性體現(xiàn)在空間分布的差異性,其聯(lián)系表現(xiàn)在空間上的耦合性?；贒EM的地形特征點(diǎn)提取,學(xué)者們對(duì)不同的對(duì)象采用了不同的算法,胡金龍等(2020)基于地形剖面一體化方案對(duì)山頂點(diǎn)、鞍部點(diǎn)和徑流節(jié)點(diǎn)進(jìn)行提取,但對(duì)匯流量閾值的確定需反復(fù)實(shí)驗(yàn),效率較低,不利于較大范圍的提取。劉曉等(2011)利用幾何網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)起源節(jié)點(diǎn)、徑流節(jié)點(diǎn)和流域出水口點(diǎn)的提取,此方法雖然簡(jiǎn)單,但流量閾值的確定經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)。謝軼群等(2013)采用DEM及其在水文分析中的多種衍生數(shù)據(jù),通過(guò)逆向追蹤、鄰域特征判斷等手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)多種溝谷點(diǎn)的提取,準(zhǔn)確性相對(duì)較好,但涉及的算法復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度較大。上述研究對(duì)地形特征點(diǎn)進(jìn)行單要素的逐個(gè)提取,只考慮了特征點(diǎn)之間的空間差異性,對(duì)空間耦合關(guān)系考慮較少,且流量閾值的確定主觀性強(qiáng)。均值變點(diǎn)法是地學(xué)中常用的一種統(tǒng)計(jì)方法,該方法考慮了特征點(diǎn)之間的空間結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)提高了流量閾值確定的科學(xué)性,在徑流分期(涂新軍和陳曉宏, 2010)和地貌單元統(tǒng)計(jì)(范建容等, 2015)中被廣泛運(yùn)用。。

地形特征線主要包括山脊線和山谷線?；贒EM的地形特征線提取主要有以下四類方法。①圖像處理法(夏雙等, 2012),利用邊緣檢測(cè)算法可以分析柵格數(shù)據(jù)內(nèi)部的曲線結(jié)構(gòu)位置(Guru et al., 2004),利用曲線結(jié)構(gòu)結(jié)合微分幾何方法可以提取山脊線 (Liu et al., 2007);②地表幾何形態(tài)分析法,Chang et al. (1998)使用剖面識(shí)別和破除多邊形算法 (Profile recognition and Polygon breaking Algorithm,PPA)自動(dòng)提取了谷脊線,之后有學(xué)者對(duì)PPA算法進(jìn)行了完善 (劉亞鑫,2014),解決了主要特征線提取不連續(xù)的問(wèn)題;③地表水流物理模擬法,一般采用D8算法通過(guò)高程差來(lái)確定流向,但此算法會(huì)因柵格單元的噪聲導(dǎo)致一些錯(cuò)誤流向,且很難判斷平坦處的水流方向;④地表水流分析結(jié)合幾何分析法,此方法同時(shí)利用等高線和DEM,解決了偽河道和平行河道的問(wèn)題。上述四種方法,①和②簡(jiǎn)單高效,提取的特征線噪聲多,精度較低;③和④提取結(jié)果的精度大幅度提升。

2.7 總結(jié)

綜上所述,地貌對(duì)構(gòu)造活動(dòng)的響應(yīng)是直接的,而構(gòu)造與地貌對(duì)氣候的響應(yīng)是間接的,構(gòu)造-氣候-地表過(guò)程的耦合關(guān)系是當(dāng)前乃至今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)地學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn),數(shù)字高程模型(DEM)的出現(xiàn),尤其是全球DEM數(shù)據(jù)的免費(fèi)開(kāi)放,令其成為構(gòu)造地貌研究,特別是對(duì)河流階地、河流裂點(diǎn)等進(jìn)行定量分析不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；贒EM的構(gòu)造地貌定量分析應(yīng)用,主要集中在基本地形因子、流域地貌特征、古地貌面的重塑、構(gòu)造地貌發(fā)育模式、地貌分類與制圖以及地形特征提取算法等幾個(gè)方面。其研究對(duì)象以河流和山地地貌類型為重點(diǎn),研究過(guò)程經(jīng)歷了從初期地貌形態(tài)的定性描述到多種地貌參數(shù)的半定量、定量分析的轉(zhuǎn)變;研究尺度大到整個(gè)流域,小到流域內(nèi)的溝谷節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前雷達(dá)干涉測(cè)量(In SAR)技術(shù)提供了海量、快速獲取的數(shù)據(jù)源,隨著數(shù)據(jù)精度的不斷提高,基于機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)也可對(duì)不同空間尺度的地形、地貌特征開(kāi)展高分辨率的影像分析,以實(shí)現(xiàn)構(gòu)造地貌和地表過(guò)程的可視化及其地貌指標(biāo)的定量表達(dá)。

3 展望與問(wèn)題思考

當(dāng)前,構(gòu)造地貌學(xué)研究新理論、新技術(shù)不斷發(fā)展,國(guó)際上有關(guān)地貌演化及其對(duì)構(gòu)造隆升、氣候變化的響應(yīng)機(jī)制以及其在地球表層系統(tǒng)的紐帶作用研究持續(xù)增溫。中國(guó)地質(zhì)背景復(fù)雜,地貌類型豐富,其構(gòu)造地貌的顯著特征受到大地構(gòu)造單元與地震活動(dòng)的影響,國(guó)內(nèi)構(gòu)造地貌的定量化研究雖起步較晚,但眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)構(gòu)造地貌參數(shù)的相關(guān)研究很好地揭示了隱含在構(gòu)造地貌中的構(gòu)造活動(dòng)信息,促進(jìn)了構(gòu)造地貌的定量化研究。當(dāng)然,也存在一定不足,在以下幾方面有待更深入的研究。

3.1 新型DEM的構(gòu)建與獲取

已有的DEM模型注重于對(duì)地表形態(tài)的刻畫,一定程度上滿足了地貌學(xué)空間性特征的研究需要。然而,目前的DEM中缺乏“時(shí)間”和“地表物質(zhì)”等地貌分析中幾個(gè)主要的要素,使得目前構(gòu)造地貌的研究難以真正實(shí)現(xiàn)從形態(tài)到地貌過(guò)程、機(jī)理的多因素的定量分析,不能更好地認(rèn)識(shí)地貌演化的過(guò)程。因此,有必要對(duì)傳統(tǒng)具有位置、高程屬性的DEM模型進(jìn)行屬性增值,集成“位置”、“高程”、“時(shí)間”、 “物質(zhì)組成”、 “下伏地形”為一體的新型數(shù)字高程模型(熊禮陽(yáng)等, 2021)。在新型DEM數(shù)據(jù)和新理論方法的支撐下,地貌學(xué)的研究將從單純的地表形態(tài)分析,拓展到地貌過(guò)程與機(jī)理分析,有助于DEM數(shù)字地貌定量化研究的方法創(chuàng)新。

DEM數(shù)據(jù)獲取方面,無(wú)人機(jī)(UAV)技術(shù)、多視覺(jué)移動(dòng)攝影測(cè)量技術(shù)(SFM)的成熟及雷達(dá)技術(shù)的突破(LiDAR DEM)使得三維地形的模擬取得很好的效果,相比遙感衛(wèi)星獲取的地形數(shù)據(jù),利用無(wú)人機(jī)搭載SFM技術(shù)的相機(jī)在數(shù)據(jù)采集中更高效,成本更低,這些技術(shù)有力地推動(dòng)了高精度構(gòu)造地貌參數(shù)的獲取和構(gòu)造地貌參數(shù)在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究中的應(yīng)用。

3.2 大尺度古DEM的構(gòu)建

古地貌的重建有助于各種地貌分析,當(dāng)前只有少數(shù)研究提供了構(gòu)建古DEM的方法流程。已有的研究多是在小范圍的區(qū)域進(jìn)行了嘗試,缺乏對(duì)大尺度古DEM的構(gòu)建。筆者認(rèn)為古DEM的構(gòu)建可以由下面兩種思路出發(fā):一是通過(guò)對(duì)來(lái)自地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)和考古學(xué)數(shù)據(jù)的沉積面上的各種觀測(cè)值進(jìn)行內(nèi)插,“自下而上”重建古地形;二是根據(jù)現(xiàn)代DEM“自上而下”重建古地形,剝離年輕的地貌元素以獲得古地形,保持DEM中不變的部分,對(duì)剝離部分重新插值?！白韵露稀钡姆椒ㄐ枰囟ǖ臄?shù)據(jù),例如具有年齡限制的沉積剖面,對(duì)整個(gè)研究區(qū)觀察密度和質(zhì)量的差異非常敏感,此方法主要適用于相對(duì)較小的地區(qū),且該地區(qū)有足夠的數(shù)據(jù)來(lái)保證古DEM重建所需的分辨率和精度?！白陨隙隆钡姆椒▋?yōu)點(diǎn)是所需的數(shù)據(jù)通常是按區(qū)域收集的,既有LiDAR輸入的DEM,也有基礎(chǔ)設(shè)施和土地利用的可剝離的數(shù)據(jù)集。因此,此類方法更適合較大區(qū)域古DEM的重建。通過(guò)古地形、地貌的復(fù)原,可以揭示抬升、剝蝕、沉積對(duì)地表演化過(guò)程的響應(yīng)程度,僅靠今天的數(shù)字高程模型研究古地貌過(guò)程和事件是不夠的,因?yàn)椴糠值匦我驯蝗藶樾薷幕蜃匀贿^(guò)程改變,因此,在定量分析之前,這些部分應(yīng)該在古DEM中重建,這也為古地貌重建的信息化提供一種新的研究手段。

3.3 數(shù)字流域的建設(shè)

流域和河流作為獨(dú)立的地理單元、地貌演化的驅(qū)動(dòng)力及生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)對(duì)象,其數(shù)字化建設(shè)越發(fā)受到社會(huì)的關(guān)注。數(shù)字流域的框架層次包括數(shù)據(jù)層、模型層和應(yīng)用層。目前,中國(guó)的數(shù)字流域建設(shè)已初具規(guī)模,黃河、長(zhǎng)江、黑河等一系列大—中型水系的“數(shù)字河流”建設(shè),在防洪、供水、水污染治理等方面意義重大。在現(xiàn)有數(shù)字河流的基礎(chǔ)上嵌入地貌學(xué)方面的研究成果,具體思路是以實(shí)體模型為鏈接,以數(shù)學(xué)模型為工具,將DEM、正射影像、地質(zhì)圖、其他數(shù)字專題圖(如構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度、巖石成分、河道侵蝕速率、河床抬升速率等)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組,生成三維仿真的開(kāi)放性數(shù)字流域平臺(tái)模型。并可嘗試嵌入一些子模型去不斷完善這樣一個(gè)開(kāi)放性的平臺(tái),如利用水流侵蝕模型再現(xiàn)地表的隆升過(guò)程和河流的侵蝕過(guò)程,通過(guò)水文分析模型來(lái)計(jì)算洪流量和淹沒(méi)范圍。建成后的數(shù)字流域?qū)⒃谒禐?zāi)害的防治、地質(zhì)災(zāi)害的防治、流域水資源的合理調(diào)配、流域環(huán)境的保護(hù)與治理等方面發(fā)揮積極作用。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)造地貌學(xué)的研究中,多學(xué)科的交叉運(yùn)用已成為必然趨勢(shì),構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)、地球物理學(xué)和地理信息科學(xué)貢獻(xiàn)了構(gòu)造地貌學(xué)研究的主要部分,氣候?qū)W、沉積學(xué)、年代學(xué)等內(nèi)容也逐漸被納入到研究之中。

(2)涉及到多種地貌參數(shù)的構(gòu)造地貌學(xué)研究,需要研究地球表層各種地貌形態(tài)的特點(diǎn),需要了解形成這些地貌體的內(nèi)外動(dòng)力作用及過(guò)程,需要考慮這些地貌體的物質(zhì)組成和動(dòng)力關(guān)系,需要學(xué)習(xí)掌握傳統(tǒng)地貌學(xué)的經(jīng)典方法論,尊重與繼承地貌學(xué)研究已經(jīng)成熟的理論體系,真正實(shí)現(xiàn)計(jì)量地貌學(xué)的 “形態(tài)”與 “過(guò)程”、 “空間”與 “時(shí)間”的契合。

(3)地貌學(xué)的發(fā)展還需信息理論技術(shù)的支撐,基于DEM的構(gòu)造地貌定量化研究需要尋求突破,構(gòu)建新的地表三維模型已成必然。在對(duì)地貌參數(shù)進(jìn)行提取和分析的同時(shí),探索建立新的有關(guān)地表過(guò)程演化的數(shù)學(xué)模型,將有助于反演和解釋地貌演化的過(guò)程。

(4)通過(guò)深入研究不同時(shí)間尺度下的氣候—構(gòu)造—地表過(guò)程,認(rèn)識(shí)構(gòu)造地貌在全球變化中的角色,完善地質(zhì)科學(xué)理論,加深對(duì)地球系統(tǒng)的科學(xué)理解,為減輕自然災(zāi)害、修復(fù)生態(tài)環(huán)境和合理開(kāi)發(fā)資源提供有力支撐。