沙漠化的分形特征研究

在国内外有关学者研究的基础上,运用分形理论研究沙漠化的分形特征。结果表明:①作为风沙地貌形成的物质基础──沙粒,其粒径分布具有分形特征,其分维值的大小差异体现了沙物质分布的区域差异性。②风沙地貌是一种典型的分形几何实体,沙丘分布具有分形特征,其分维值体现了风沙地貌的自相似性规律。③风沙流结构不但是分形,而且是多重分形,其分维值与风速有着极大的关系。④荒漠绿洲景观镶嵌结构具有分形特征,各景观要素的分维值大小代表着该要素镶嵌结构的复杂性和稳定性程度。在黑河流域,自然绿洲的镶嵌结构最具复杂性,也最具稳定性。⑤沙漠化过程具有多重分形特征,如果用降水和风速为标度度量沙漠化过程,都表现出某种不规则性。     

月表高程分布特征及其分级标准初探

月球是地球的唯一天然卫星,也是现阶段深空探测的主要天体。月表形貌研究有助于了解月球的状态、结构和组成,能够为探究月球起源和演化等科学问题提供直接、可靠的证据。与地貌分类相比,月貌研究起步较晚,发展较为缓慢。尽管月貌研究已取得了一定进展,但月球形貌分类过程中仍旧缺乏对于形貌指标,如高程等的应用,对于形貌特征的描述仍存在部分缺失。本文通过分析月球表面高程的整体特征以及月海、撞击坑、南极艾肯盆地等典型地质构造单元的高程特征,认为-2500 m等高线能够较好的区分月海内部区域;-1500 m等高线能够较好的区分月海区域与月陆区域;1000 m等高线与南极艾肯盆地边界拟合程度较好;3000 m等高线能够较好地突出月陆地区撞击坑的边界。在此基础上,提出以-2500 m、-1500 m、1000 m、3000 m 4个高程值作为月球形貌分类体系中的高程分类标准,将月球表面划分为极低海拔、低海拔、中海拔、高海拔和极高海拔5个形貌类型。     

数学形态学在黄土地貌单元分类学上的应用

以黄土高原的遥感图像为基本信息源,利用数学形态学方法提取黄土高原地貌单元,分别计算出各个地貌单元的形状指数、面积周长比、分形分维指数和由形状复杂和边界扭曲引起的FD(分形分维)值变化数等6项数学形态特征,并进行统计分析,利用这些参数对每类地貌单元进一步分类,同时对各项数学形态特征在黄土高原地貌单元分类上作为分类特征的可靠性和可行性进行论证,并对黄土高原地貌单元分类进行定量化方面的探讨和研究,取得了较理想的结果。     

大渡河上游丹巴地区地貌分维特征的地质解析

基于高精度DEM,采用滑动窗口技术,计算丹巴地区的地貌分形特征.结果表明:地质构造决定地貌的宏观格架,构造规模和期次与地貌的平均分维值和标准差呈正相关关系;地层岩性决定地貌的中观和微观布局,变质作用与平均分维值和最大分维值呈正相关关系;地貌维度的极大值区多为地质环境异常区.该项研究对山地本体认知、地质环境调查及评价具有重要的参考价值.     

河南省城镇体系空间结构的多分形特征及其与水系分布的关系探讨

基于河南省城镇体系空间结构的多分形性质及其与水系的分维关系的实证探讨发现如下地理规律:①在较大标度范围内,河南省城市体系的空间结构为简单分形,但在较小标度范围内,系统已经具有明确的多重分形特征;②多分维谱在参数q≈-4处出现标度间断,从而城市体系的空间结构发生对称破缺。③城市体系空间结构的分维小于水系空间结构的分维。由此证明:第一,多分形是由单分形演化而来,城镇体系的多分形结构是基于地球表面的分形支体由测度集中区向测度疏散区渐近发育的。第二,城市体系的分形发育与水系的分维结构具有一定的数理关系,城市体系的分维理当小于水系维数。     

走向分形地貌学

从Ｓｃｈｅｉｄｅｇｇｅｒ的疏忽、Ｓｔｅｉｎｈａｕｓ的怪圈到Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ的成功,Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ的分形理论诞生于地貌学的肥沃土壤。地貌的分形特征、地貌分维的量测等分形地貌学的基本概念尚有许多问题等待研究。     

走向分形地貌学

从Ｓｃｈｅｉｄｅｇｇｅｒ的疏忽、Ｓｔｅｉｎｈａｕｓ的怪圈到Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ的成功,Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ的分形理论诞生于地貌学的肥沃土壤。地貌的分形特征、地貌分维的量测等分形地貌学的基本概念尚有许多问题等待研究。     

辽东半岛黄土粒度分维特征及其环境意义

应用分形理论中的幂指函数关系法,分别选取粒径r区间和质量累计百分含量5%～95%的范围为无标度区,对辽东半岛黄土的粒度分维特征进行分析。结果显示:以粒径r区间为无标度区(0.76～263.75μm),七顶山马兰黄土的粒度分维值介于2.2085～2.3184之间,平均值为2.2744,相关系数为0.8835;离石黄土粒度分维值介于2.2748～2.4237之间,平均值为2.3467,相关系数为0.8920。全剖面粒度分维值在2.2085～2.4237之间,平均值为2.3187,相关系数达0.88以上,粒度分布具有分形特征。而以质量累计百分含量5%～95%的范围为无标度区,马兰黄土分维值介于2.4220～2.5042之间,平均值为2.4761,相关系数为0.9889,分选系数为2.4067;离石黄土分维值介于2.4268～2.545之间,平均值2.4993,相关系数为0.983,分选系数为2.5097。全剖面分维值介于2.422～2.545之间,相关系数达0.98以上。研究得出:分维值的大小对黄土的形成环境有良好的指示意义,对同一种成因以及不同种成因的沉积物分维特征研究应注意无标度区的选择。本区马兰黄土比离石黄土...     

基于DEM的月球雨海地区粗糙度研究

月球表面粗糙度是揭示月表地貌形态空间分异特征的重要指标,并在一定程度上映射月表地貌的形成与演化机理。运用基于中国“嫦娥一号”卫星获取的DEM数据,提取月球雨海地区的月表粗糙度,并在月球正面地质图数据辅助下,分析月表粗糙度分布特征及其与地质单元岩性以及地质年龄的关系。结果显示:月球雨海地区的粗糙度与地质单元岩性存在较强相关关系,且随着地质年龄的增长,玄武岩单元的粗糙度呈现增大的趋势。此外,在小于7 km的尺度范围内,雨海地区受持续撞击作用的影响,Hurst指数分布在0.7~0.9之间,地形较为粗糙;在更大尺度上,由于受到火山熔岩流充填机制的控制,Hurst指数不断减小,地形不断趋于平缓。     

砾石土分形特征及其与泥石流启动关系试验

对116条泥石流沟取样,所取土样共182个,通过室内颗分试验得到其颗粒组成特征,以此为基础引入分形理论计算各土样的分维值,并分析分维值与级配特征之间的关系。分析发现:泥石流源区砾石土以一重分形特征为主,分维值介于2.250~2.798之间,分维值大的砾石土颗粒组成较为均匀,分维值减小,砾石土中的细颗粒含量逐渐降低。基于砾石土分维值分布区间,在野外配置土样开展泥石流启动试验,综合分析试验现象、孔隙水压力及含水量变化情况得到以下结论:形成泥石流的砾石土具有临界特征,分维值小于2.4的砾石土不易形成泥石流;分维值介于2.4~2.6时,以土力类泥石流为主,泥石流重度较高且规模较大;分维值介于2.6~2.7时,以水力类泥石流为主,泥石流的重度较低,以稀性泥石流为主,并伴有明显的阵性特征。分维值及降雨条件相同时,土体变形(未启动形成泥石流)或破坏启动形成泥石流的时间与密度呈正相关关系。     

月面形貌仿真设计及在嫦娥三号任务中的应用

月面形貌仿真可以为嫦娥三号着陆前地形建立及视觉导航仿真测试提供逼真的三维月面环境。利用分形随机算法并结合月面撞击坑与石块的数学分布模型,在实现月面数字地形的基础上利用纹理映射和纹理融合的方法为月面地形添加纹理,完成了月面逼真三维环境的构建。结合导航相机的外方位元素和光照条件,实现了对该仿真月面环境的模拟环拍,支撑了嫦娥三号发射前月球车导航相机数据获取、地形建立、通行代价图计算、月球车路径规划等遥操作任务过程仿真测试。测试结果表明,仿真月面三维地形具有良好的视觉效果,满足了巡视器导航相机测试验证对精细月面地形和纹理的需求,为导航相机测试验证提供了有效的月面形貌仿真数据。     

Self-affinity dimensions of topography and its implications in morphotectonics: an example from Taiwan

This paper discusses the self-affinity dimensions of landscape surfaces at a short-range scale and the link to morphotectonic features of the young orogenic belts of Taiwan. The variogram method is adopted to estimate such parameters as the fractal dimension (D), the ordinate-intercept (γ) and the range (R) from data subsets of the digital elevation model (DEM) in a moving-window operation. The fractal morphology expressed by D and γ is found to be useful in defining geomorphic provinces that are related to tectonic features. The mountainous terrain is characterized by high gamma values and low fractal dimensions in contrast to the coastal plains where low gamma values and high fractal dimensions are found. A zone, defined by the fractal parameters (2.4<D<2.6 and 0<γ<2.4), is found to coincide with the most tectonically active zone of Taiwan. Active faults often occur at the boundary between landscapes with contrasting fractal patterns. In the flat lowlands along the western coast, the fractal morphology displays a west-facing amphitheatric pattern, which may be related to the indentation of the pre-Miocene Peikang Basement High. The fractal morphology may reflect some subtle changes in surface textures of a landscape sculpted by surface processes, which in turn are influenced by tectonic activities. The surface roughening and diffusive smoothing may concur to shape the landscape surface at the short ranges we discuss in this study.     

长江中游城市群空间结构的多分形特征

在城市群越来越演化为多尺度、多区域复杂系统背景下,有必要引入多分形理论与方法研究其空间结构。本文基于2018年NPP-VIIRS夜间灯光数据,计算长江中游城市群整体及其局部的多分维谱,根据谱线分析不同尺度下长江中游城市空间结构的多分形特征。结果显示：① 长江中游城市群夜间灯光容量维在整体和局部都出现双标度现象。② q < -5.5时,整体广义关联维谱线突破理论上限2,在q > 0时,武汉城市圈和环长株潭城市群的分维显著较高。③ 整体的局部分维谱和武汉城市圈、环长株潭城市群、环鄱阳湖城市群、宜荆荆城市群局部分维谱表现为单峰偏右。根据上述结果,得到和验证了以下结论：① 长江中游城市群区域一体化程度较低。② 长江中游城市群不同层级和区域的空间结构差异显著,呈现出多尺度复杂特征。③ 长江中游城市群在不同尺度中均倾向于中心集聚式发展。研究揭示多分形模型能够从尺度依赖视角有效揭示巨型城市群空间结构的复杂性及其背后的问题,具有很好的理论探索和实践分析前景。     

苏宏图戈壁沉积物分形空间变异性及其成因

戈壁沉积物组分结构具有分形特征,能否利用分形特征及其变异性指示戈壁地表沉积物形成过程中的风沙作用目前认识不足.通过计算内蒙古苏宏图戈壁地表表层沉积物的分形维数值并分析了其空间变异性.结果 表明:沉积物分形维数值随0.050～0.179 mm跃移组分含量的增大而增大,随0.179～20.919 mm蠕移及风蚀残余组分含量...     

典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形研究

黄土高原地貌形态与地形复杂度自南向北有序变化,构成了举世瞩目的独特的地理景观。选择陕西省南北剖面六个典型黄土地貌样区为基本实验区,以其1∶1万栅格DEM为数据源,探讨典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形与空间分异特征。首先提出的元分维模型方法,以计算得到的DEM元分维值作为特征指标,研究样区的地形复杂度问题。这种通过滑动窗口的扩展分维分析方法,既可以用于分析该区域不同尺度下的地形复杂度变化情况,也可以探讨区域的局部单元复杂程度及其空间分布,从而不再局限于对全区域的单一分维评价。以此为基础,进一步应用元分维谱方法,研究地貌网格单元的元分维分级分布情况。实验结果表明:以绥德和延川为代表的黄土峁状丘陵沟壑区最为复杂,以宜君和甘泉为代表的梁状丘陵沟壑区居中,而以淳化为代表的黄土塬区和以神木为代表的风沙黄土过渡区最为平缓。实验进一步证明了扩展分形方法在黄土地貌研究中的可行性。     

南京市旅游景区景点系统空间结构分形研究

应用分形理论,以南京市旅游景区景点系统为例,测算出其聚集维数、网格信息维数和空间关联维数三种分形维数,对景区景点系统的空间结构进行研究。通过对维数值和分维数坐标图进行了分析,认为南京市景区景点体系的空间结构是分形的,系统的有序度高,空间结构紧致,具有景点体系空间结构演化自组织优化的趋势,南京市景区景点的空间分布集聚性很强,且是沿着某些方向上的集聚,自组织优化趋势受到无序因素的干扰而打断,空间结构需要进行调整。     

砒砂岩区地貌形态三维分形特征量化及空间变异

针对现有地貌形态三维分形模型结构存在的不足,构建一个新的地貌形态三维分形维数测算模型。基于该模型对砒砂岩区274个小流域的地貌形态三维分形维数进行计算并分析其空间变异规律。研究表明：① 基于该模型计算的分形维数能更准确地反映地貌形态复杂度信息;② 砒砂岩区小流域地貌形态三维分形维数介于1.683 6~1.948 6之间;③ 地貌形态三维分形维数整体上覆土砒砂岩区（均值为1.765 9）<裸露砒砂岩强度侵蚀区（均值为1.785 4）和剧烈侵蚀区（均值为1.774 8）<覆沙砒砂岩区（均值为1.796 6）。由于地表覆盖物、砒砂岩裸露程度和土壤侵蚀机理的差异而形成的不同地貌特征是该区地貌形态分形特征空间变异的主要原因。     

坝上地区沙漠化过程对景观格局影响的研究

用分维数、修改分维数和景观间隙度指数等分析方法，对坝上地区正兰旗南部７０年代和８０年代的沙漠化土地空间格局进行了分析。研究结果表明：在７０年代，潜在沙漠化土地和强烈发展中沙漠化土地格局的聚集度分别为１．４９和１．１２４，随着沙漠化的发展到８０年代，上述两类型的格局趋向分散；而正在发展中沙漠化土地和严重沙漠化土地的聚集度增高，分别为１．４３７和１．０４８。在沙漠化的发展过程中，整个景观的格局和格局多样性趋向复杂，Ｄ和Ｄｍ分别从１．２７９和１．５９１增加到１．２８５和１．５９９；与此相反，不同沙漠化土地斑块的格局和格局多样性却趋向简单，Ｄ和Ｄｍ分别由１．２５９和１．５８４减少到１．１９４和１．４１４。此外，在沙漠化的发展过程中（从７０年代到８０年代），景观格局和格局多样性的变化，小于斑块格局及其格局多样性的变化     

基于分形理论的鄱阳湖地区土地利用空间行为特征分析

土地景观形态能够反映土地利用空间行为特征。在对鄱阳湖地区1995年、2000年、2015年和2018年4个时间点的土地利用现状进行描述的基础上,通过分形维数、分形稳定性、斑块密度、斑块形状破碎度和景观隔离指数分析区域景观格局变化,并运用分形理论对土地利用空间行为进行分析。研究结果显示在1995年到2018年的20多年间,建设用地一直是分形维数最高的土地类型;但从时间尺度上,建设用地的分形维数呈下降趋势,表明建设用地空间形态在土地利用空间行为的作用下逐渐向有序方向发展。水田、旱地和有林地一直是分形维数最低的土地利用类型,且处于景观分形不稳定状态。斑块密度、斑块形状破碎化指数以及景观分离度指数的计算结果支持了分形维数分析的结论。从实现区域土地合理布局的角度,建议通过科学合理的规划,降低区域建设用地的分形维数,引导建设用地有序发展。对于诸如有林地、灌木林地、高覆盖度草地和水域等自然景观,应增加其分形维数以减少人为干扰,维护其稳定性。同时建议在国土空间规划中引入分形维数,将分形维数作为评价区域土地利用格局合理性的一项指标。