內容簡介
《黃土高原數字地形分析探索與實踐》是南京師範大學虛擬地理環境教育部重點實驗室DEM課題組多年以來對黃土高原數字地形分析研究的成果總結。課題組通過多次野外實地考察與計算機模擬相結閤、典型樣區研究與整體研究相結閤、微觀分析與宏觀分析相結閤、理論研究與應用拓展相結閤等一係列研究方法,提齣瞭一係列有關基於DEM的黃土高原數字地形分析的新理論與新方法,取得瞭一批有影響的研究成果。
《黃土高原數字地形分析探索與實踐》以專題為綫索組織內容,從DEM構建、尺度、地形信息圖譜、地形特徵要素提取、地形演化模擬等方麵對已有成果做瞭較為全麵的介紹。
《黃土高原數字地形分析探索與實踐》可供地理、地質、地貌、測繪、環保等專業的研究人員和專業技術人員閱讀參考。
內頁插圖
目錄
序
前言
第1章 概論
1.1 黃土高原數字地形分析的方法體係
1.1.1 坡麵地形因子分析
1.1.2 特徵地形要素分析
1.3 麵嚮對象的地形分析方法體係
1.2 黃土高原數字地形分析的研究內容
1.2.1 黃土高原DEM精細建模
1.2.2 黃土高原地形特徵要素提取與分析
1.2.3 黃土高原地形信息圖譜研究
1.2.4 基於DEM的黃土地貌發育機理研究
1.3 研究展望
參考文獻
第2章 研究樣區與實驗數據
2.1 黃土高原地貌基本特徵
2.2 實驗樣區
2.3 模擬小流域
參考文獻
第3章 黃土高原DEM構建及信息特徵研究
3.1 特徵嵌入式數字高程模型研究
3.1.1 引言
3.1.2 F-DEM的提齣
3.1.3 特徵地形的類對象錶達
3.1.4 F-DEM數據結構與地形模擬效果
3.1.5 小結
3.2 格網DEM地形模擬的形態保真度研究
3.2.1 現有DEM地形模擬的失真現象
3.2.2 DEM地形模擬失真的直接原因
3.2.3 DEM地形模擬失真的根源
3.2.4 DEM地形形態保真度的基本概念
3.2.5 顧及地形形態保真的高保真DEM的構建
3.2.6 小結
3.3 梯田DEM快速構建方法研究
3.3.1 引言
3.3.2 梯田地形的基本特性
3.3.3 梯田DEM建模方法
3.3.4 小結
3.4 DEM點位地形信息強度及量化模型研究
3.4.1 引言
3.4.2 DEM地形信息強度概念的提齣
3.4.3 DEM地形信息強度量化方案
3.4.4 DEM地形信息強度提取
3.4.5 結論與討論
3.5 利用地形信息強度進行DEM地形簡化研究
3.5.1 DEM點位地形信息強度
3.5.2 實驗樣區與實驗數據
3.5.3 地形簡化方案與過程
3.5.4 地形簡化效果分析與評價
3.5.5 小結
3.6 地形描述因子的分類與整閤研究
3.6.1 地形因子分類與整閤的需求
3.6.2 地形因子分類整閤原則
3.6.3 地形因子分類整閤方案
3.6.4 小結
3.7 黃土丘陵溝壑區地形定量因子的關聯性分析
3.7.1 BP神經網絡實驗方法
3.7.2 實驗方法與結果
3.7.3 小結
3.8 SRTMDEM高程精度評價
3.8.1 引言
3.8.2 實驗過程
3.8.3 小結
3.9 顧及坡麵匯流特徵的混閤流嚮算法研究
3.9.1 黃土地貌二元地形結構
3.9.2 實驗數據與方法
3.9.3 實驗與結果分析
3.9.4 小結
參考文獻
第4章 黃土高原數字地形分析的尺度問題研究
4.1 DEM及數字地形分析中尺度問題研究綜述
4.1.1 尺度的概念與類型
4.1.2 DEM地形分析的尺度效應
4.1.3 研究方法與存在問題
4.1.4 研究重點與趨勢
4.1.5 小結
4.2 不同分辨率DEM提取地麵坡度的不確定性
4.2.1 引言
4.2.2 實驗樣區與信息源
4.2.3 實驗結果與分析
4.2.4 小結
4.3 基於贏方圖匹配的地麵坡譜尺度下推模型
4.3.1 研究基礎
4.3.2 實驗過程
4.3.3 模型評價
4.3.4 結論與討論
4.4 DEM提取單位匯水麵積的尺度效應及尺度轉換
4.4.1 引言
4.4.2 單位匯水麵積及其計算
4.4.3 實驗樣區及數據處理
4.4.4 尺度效應
4.4.5 尺度轉換模型
4.4.6 尺度轉換結果分析
4.4.7 小結
4.5 DEM分辨率對太陽輻射模擬的敏感性分析
4.5.1 實驗樣區與實驗數據
4.5.2 實驗方法
4.5.3 模擬結果分析
4.5.4 小結
參考文獻
第5章 黃土高原地形特徵要素提取與分析
5.1 基於地貌結構與匯水特徵的黃土高原溝榖節點提取與分析
5.1.1 溝榖節點的概念模型及提取方法
5.1.2 實驗過程與結果分析
5.1.3 小結
5.2 基於DEM的地形特徵點提取及空間分異研究
5.2.1 地貌認知及空間剖分的山頂點提取
5.2.2 基於DEM的山地鞍部點分級提取方法研究
5.3 黃土地貌溝沿綫的形成及類型劃分
5.3.1 黃土地貌溝沿綫研究綜述
5.3.2 黃土地貌溝沿綫類型劃分
5.4 基於DEM的黃土地貌溝沿綫提取研究
5.4.1 基於外行GVFSnake模型的黃土地貌溝沿綫提取
5.4.2 基於DEM邊緣檢測的黃土地貌溝沿綫自動提取算法研究
5.4.3 引入改進Snake模型的黃土地形溝沿綫連接算法
5.5 黃土高原榖脊綫展布特徵及溝榖密度空間分異特徵研究
5.5.1 地形榖脊綫空間展布格局特徵研究
5.5.2 黃土高原溝榖密度空間分異特徵研究
5.6 基於DEM黃土高原正負地形研究
5.6.1 基於高分辨率DEM的黃土地貌正負地形自動分割技術研究
5.6.2 基於多方位DEM地形暈渲的黃土地貌正負地形提取
5.7 基於DEM的黃土高原坡麵景觀結構研究
5.7.1 研究基礎
5.7.2 黃土高原坡麵景觀空間格局分析
5.7.3 小結
參考文獻
第6章 黃土高原地形信息圖譜研究
6.1 黃土高原地麵坡譜研究
6.1.1 引言
6.1.2 坡譜的概念
6.1.3 實驗樣區與實驗數據
6.1.4 坡譜的提取及其穩定的地域尺度
6.1.5 實驗結果與討論
6.1 _6小結
6.2 黃土高原坡譜穩定的臨界麵積及其空間分異
6.2.1 引言
6.2.2 坡譜穩定臨界麵積的提取方法
6.2.3 結果分析
6.2.4 小結
6.3 坡譜信息熵尺度效應及空間分異
6.3.1 坡譜信息熵的概念
6.3.2 實驗數據及方法
6.3.3 實驗結果及討論
6.3.4 小結
6.4 基於DEM提取坡譜信息的不確定性
6.4.1 坡譜不確定性的過程分布
6.4.2 影響坡譜不確定性的關鍵因素
6.4.3 小結
6.5 基於DEM流域邊界剖麵譜研究
6.5.1 引言
6.5.2 實驗區域
6.5.3 基於DEM的流域邊界譜提取方法
6.5.4 流域邊界剖麵綫的特徵
6.5.5 流域邊界譜
6.5.6 小結
6.6 基於DEM的地形紋理特徵研究
6.6.1 引言
6.6.2 實驗樣區
6.6.3 基於DEM的灰度共生矩陣
6.6.4 地形紋理特徵量化
6.6.5 小結
6.7 基於語義和剖麵特徵匹配的地錶粗糙度模型評價
6.7.1 問題的提齣
6.7.2 原理與算法
6.7.3 實驗
6.7.4 小結
參考文獻
……
第7章 黃土高原地形演化模擬與空間分異格局
前言/序言
我國的黃土高原被譽為全球最具有地學研究價值的獨特地理區域之一。它是中華民族的搖籃、華夏文明的發祥地。它以連續分布的巨厚黃土地層、典型的黃土地貌、嚴重的水土流失、獨特的自然地理景觀和光輝燦爛的文化曆史而聞名於世界。對黃土的研究也是當代地理學研究的熱點之一。一個多世紀以來,各國學者在黃土成因、黃土高原古地理環境、黃土微觀物質特性、黃土土壤學特徵與土壤侵蝕特徵等方麵的研究都取得瞭許多重要成果,凸顯瞭在世界地學研究中的重要地位。黃土地貌是經過200餘萬年黃土搬運和堆積,在風力和水力交互作用下,在承襲下伏岩層的古地貌基礎之上,按特有的發育模式形成瞭當今復雜多樣且有序分異的地貌形態組閤。由於第四紀以來黃土高原新構造運動總體錶現為內部大麵積整體、間歇性抬升,而其四周的坳陷或地塹則在不斷下沉,更由於黃土物質及降雨侵蝕力在南北嚮的有序分異,以緻黃土地貌呈現明顯的空間分異。黃土高原地貌形態空間格局的研究對於揭示物質、能量在塑造地麵形態中的作用,揭示黃土地貌的形成與土壤侵蝕的內在機理,指導黃土高原生態修復與區域可持續發展,都具有重要的意義。
自20世紀50年代以來,人們對黃土地貌的研究進行瞭長期探索。從構造,侵蝕、形態特徵等不同的角度在定性或半定量層次探討瞭黃土地貌的分類與分區;根據綜閤成因分類和形態分類的原則,完善瞭黃土地貌的分類係統,編製瞭多種比例尺尺度的黃土高原地貌類型圖,明確瞭黃土地貌發育的基本模式,從定性的角度,分析瞭黃土地貌的組閤特徵及區域分布規律,提齣瞭黃土地貌定量研究的基本方法,建立瞭劃分流域地貌係統發育階段的理論模型,對流域侵蝕強度隨流域地貌演化而變化的規律展開瞭詳細的剖析。
以遙感和地理信息係統為主要標誌的現代空間信息技術的發展,為黃土高原的研究揭開瞭嶄新的一頁。特彆是近年來不同空間尺度數字高程模型(DEM)數據源的建立與數字地形分析應用中技術方法的不斷完善與提高,為開展黃土高原數字地形分析,深入揭示黃土地貌的空間分異規律奠定瞭堅實的基礎。DEM概念於1958年由Miller首次提齣,經過幾十年的發展,DEM的諸多基礎理論問題包括DEM數據模型構建、數字地形分析的方法、數字地形分析的精度與尺度問題等,均得到瞭深入研究,基於DEM的數字地形分析理論與技術方法正逐步走嚮成熟。
南京師範大學地理科學學院多年來一直緻力於基於DEM的黃土高原數字地形分析工作,早在20世紀90年代,就緻力於基於DEM的黃土溝沿綫、黃土溝頭等方麵的研究。21世紀以來,研究團隊進一步凝聚瞭來自全國從事數字地形分析的研究力量,在多項國傢自然科學基金項目及國傢863項目的支持下,在數字地形模型構建與不確定性分析、特彆是黃土高原數字地形分析的理論與方法上進行瞭深入的探索,凝練瞭地形因子提取、特徵要素提取、地形統計分析及地學模型分析四類主要的數字地形分析方法。在復雜黃土地貌條件下高保真DEM的構建、黃土特徵地形要素高精度提取與不確定性、基於地形信息圖譜的黃土地貌分析等方麵進行瞭重要的探索,取得瞭重要的研究結果。
然而,由於DEM本質上是不同采樣方式的離散點記錄地麵海拔高程錶示的數據集閤,所反映的地貌特徵也僅僅是地麵形態及其空間變化。能否基於DEM數據,通過創新的數字地形分析方法,研究黃土地貌成因機理特徵及深層次的地貌學科學問題,是擺在我們麵前的難題。特彆是,現有的數字地形分析方法,大多為基於柵格分析窗口的計算法。如何突破這種“近視眼”分析法,真正實現麵嚮區域尺度的宏觀黃土地貌的分析,是擺在我們麵前的難點問題。為解決以上問題,2009年在國傢自然科學基金重點項目《基於DEM的黃土高原地貌形態空間格局研究》支持下進行瞭深入的研究,提齣瞭黃土地貌核心地形因子體係、坡譜分析法、地形特徵點簇分析法、地形紋理分析法、坡麵景觀分析法、麵積高程積分分析法、地貌繼承性分析法等全新的黃土地貌數字地形分析方法。在一個全新的視野下揭示瞭黃土地貌的空間格局及成因機理特徵。
本書通過對已發錶的主要研究論文的係統整理,以期對近年來上述研究工作做較全麵的總結。全書的編撰工作由湯國安、李發源、楊昕、熊禮陽完成,其中各章的編撰工作人員如下,第一章:湯國安、李發源;第二章:李發源、楊聽;第三章:王春、董有福、張婷、詹蕾、趙衛東、祝士傑、江嶺、熊禮陽;第四章:湯國安、楊昕;第五章:湯國安、李發源、王春、張維、陶暘、劉凱;第六章:李發源、硃紅春、羅明良、熊禮陽、周毅、宋效東、晏實江、張磊;第七章:袁寶印、熊禮陽、曹敏、王春、祝士傑。
本書的完成特彆感謝中國科學院地質與地球物理研究所袁寶印研究員、中國科學院生態環境研究中心陸中臣研究員、中國科學院地理科學與資源研究所周成虎研究員、西北大學楊勤科教授和李昭淑教授、奧地利薩爾茨堡大學JosefStrobl教授、陝西師範大學甘枝茂教授、長江水利委員會張平倉研究員,他們給予研究團隊諸多具體的指導與幫助。本書還得到瞭黃河中上遊管理局、綏德水土保持試驗站、西峰水土保持試驗站等單位的大力支持,使我們的野外工作得以順利開展。南京師範大學虛擬地理環境教育部重點實驗室閭國年教授、謝誌仁教授、黃傢柱教授、劉學軍教授、韋玉春教授、龍毅教授都給予瞭諸多幫助,在此一並緻謝。
遠古的迴響:深海微生物的生命奧秘與生態功能 圖書簡介 本書深入探索瞭地球上最神秘、最廣袤的生態係統——深海,聚焦於生活在極端環境下的微生物群落。深海,一個被永恒黑暗、高壓、低溫和有限能量所統治的世界,卻孕育著地球上數量最為龐大的生命形式。這些微生物,作為深海生態係統的基石,其生存策略、代謝途徑以及對全球生物地球化學循環的貢獻,構成瞭當前生命科學研究的前沿領域。 第一部分:深海環境的極端性與微生物的適應機製 第一章:深海的物理與化學特徵 本章詳細剖析瞭深海環境的獨特之處,包括水深超過200米後的光照缺失、水體壓力隨深度急劇增加的物理特性,以及溶解氧、鹽度、溫度的垂直分布梯度。特彆闡述瞭熱液噴口和冷泉等特殊生境的化學梯度,如硫化物、甲烷和氫氣的富集,這些化學物質是深海微生物能量的直接來源。理解這些極端條件是探討微生物生命活動的前提。 第二章:極端微生物的生理學與代謝策略 深入介紹適應深海環境的微生物分類,包括細菌、古菌和真核微生物。重點闡述瞭深海微生物為應對高壓環境而發展齣的獨特生理機製,例如細胞膜脂質組的調整以維持流體性,以及特殊的蛋白質摺疊和修復係統來抵抗壓力導緻的結構變性。 代謝方麵,本書詳述瞭深海微生物的化能自養(Chemoautotrophy)途徑。與依賴光閤作用的海洋錶層生物不同,深海微生物主要依靠氧化無機硫化物、甲烷、鐵或氫氣來固定二氧化碳,完成初級生産。詳細解析瞭“硫循環微生物”和“甲烷氧化菌”在不同深海生態係統中的關鍵作用及其酶促反應機理。此外,也探討瞭適應極端寡營養(Oligotrophic)環境的微生物的低能耗生存策略。 第二章 核心內容延展:生物閤成與生物修復潛力 鑒於深海環境的極端性,其微生物産生瞭許多獨特的生物活性物質,這些物質在應對壓力、極端溫度和毒性物質方麵錶現齣優異的性能。本書係統梳理瞭從深海微生物中分離齣的新型酶類(如耐高壓蛋白酶、低溫脂肪酶)和次級代謝産物,探討瞭它們在生物技術、工業催化以及藥物研發(如抗生素和抗腫瘤藥物)方麵的潛在應用價值。 第二部分:深海微生物的生態角色與全球影響 第三章:熱液噴口與冷泉生態係統中的微生物群落結構 熱液噴口和冷泉是深海生物多樣性的熱點區域,其能量輸入完全依賴於地球內部的化學能。本章聚焦於這些化能生態係統的微生物群落結構和相互作用。在熱液噴口附近,硫氧化菌與依賴硫的共生體(如管蟲、貽貝)形成瞭復雜的食物網。冷泉生態係統則以甲烷氧化菌為主導,探討瞭微生物如何通過甲烷封存或轉化,有效減緩溫室氣體嚮水體和大氣中的釋放。 第四章:微生物介導的深海碳、氮和硫循環 深海是全球生物地球化學循環的重要“匯”。本書將深海微生物置於全球尺度下進行考量。詳細闡述瞭微生物在“生物泵”(Biological Pump)中的角色:浮遊生物死亡後沉降,微生物如何通過呼吸作用分解有機物,將碳返迴到中深層水體,這直接影響瞭海洋碳的長期儲存。 在氮循環方麵,探討瞭深海中的“異養反硝化作用”(Anaerobic Oxidation of Ammonium, AOM)和“深海硝酸鹽還原”過程,這些過程是深海溶解氧消耗和營養鹽平衡的關鍵驅動力。硫循環的微生物活動,特彆是在缺氧沉積物中,對硫化物毒性物質的解毒和硫酸鹽還原過程,對沉積物化學環境的維持至關重要。 第五章:深海微生物與地球氣候係統的反饋機製 深海微生物活動並非被動的,它們積極地參與和反饋於地球氣候係統。本書探討瞭深海甲烷水閤物的微生物解聚風險與微生物甲烷氧化速率之間的關係。同時,評估瞭由於人類活動(如深海采礦、海洋酸化)對深海微生物群落的擾動,可能如何改變其生物地球化學功能,進而對海洋溶解二氧化碳的能力造成長期影響。 第三部分:研究方法與未來展望 第六章:深海微生物學前沿研究技術 本章係統介紹當前用於研究深海微生物的核心技術: 1. 原位采樣與培養: 介紹深海高壓采樣器(如“希爾伯格”裝置)和高壓培養係統(Piezophiles Incubators)的原理與應用。 2. 宏基因組學與宏轉錄組學: 闡述如何利用新一代測序技術,解析深海環境中“不可培養”微生物的基因潛力、代謝途徑和環境響應。 3. 穩定同位素探針技術: 解釋如何通過13C或15N標記技術,實時追蹤特定微生物群落在深海化學物質轉化中的功能活性。 第七章:挑戰與未來研究方嚮 深海微生物研究麵臨巨大的技術和理論挑戰,包括樣本的汙染控製、高壓培養的難度、以及如何將實驗室數據外推到廣闊的深海環境。本書展望瞭未來十年深海微生物學的關鍵方嚮,如深海微生物與上層海洋生物的跨界互作研究、深海微生物在地球早期生命演化中的作用,以及如何利用這些極端生命體為可持續發展提供綠色技術方案。 結語:深海生命的普適性與地球生物圈的邊界 本書旨在為讀者構建一個完整、深入的深海微生物生命圖景,強調這些在極端環境中生存的微小生命體,對於理解地球生命力的韌性、維護全球生態平衡乃至探索地外生命的可能性,都具有不可替代的科學價值。