典型喀斯特丘陵提取及空间分异研究

作     者：吴巍巍 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖唐付;彭韬

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：喀斯特 地形开度 深度学习 遥感生态指数 

摘      要：贵州省位于我国南方喀斯特核心区,是西南碳酸盐岩集中分布区的中心,喀斯特分布面积占全省面积的61.92%。该地区成土速率低,土层薄且分布不均匀,受到了严重的土壤侵蚀问题,石漠化问题严峻,人地矛盾尖锐,导致该地生态系统的脆弱性增加。且该地区发育的地貌类型繁多且典型,贵州高原面上除了发育锥峰、塔峰等典型热带喀斯特丘陵,同时也大量分布有穹丘(馒头山)等非热带喀斯特丘陵。然而以往的石漠化治理以及分区研究,未考虑到贵州除了锥锋塔锋外,还分布大量的穹丘,将贵州高原视为一体治理,会造成资源的大量浪费。锥锋的石质地面积比例高、土层薄,石漠化严重;穹丘的石质地面积比例低、土层厚,石漠化轻微。因此喀斯特地区应以喀斯特丘陵锥锋塔锋和穹丘特征空间分异等为基础,结合不同的岩性背景、地形和气候等制约因素,因地制宜,指定更合理的石漠化治理和修复生态的方法。然而,目前关于不同喀斯特丘陵的形态特征及空间分异研究较少,因此本研究以贵州省常见的三种地貌类型(穹丘、浅碟型峰丛洼地、漏斗型峰丛洼地)为研究对象,对喀斯特地区正地形自动提取方法进行研究,在此基础之上,对典型喀斯特丘陵形态特征的进行定量化研究以及对不同岩性下的典型喀斯特丘陵的生态环境进行分析。取得的主要认识如下: (1)基于地形开度方法以及均值变点法统计得到:普定浅碟型峰丛洼地的最佳分析半径为242 m、最佳阈值为-1;兴义漏斗型峰丛洼地的最佳分析半径为226 m、最佳阈值为0;大方穹丘样区的最佳分析半径为315 m、最佳阈值为1。通过山顶点数据,统计得到地形开度方法提取正地形精确度达到95.65%。基于深度学习提取喀斯特正地形研究中,对比了Unet、Segnet和Linknet网络模型,三个模型的总体精度分别为90.54%、86.24%、83.22%。在小样本数据集中分割精度最优的是Unet模型。最后,将地形开度和Unet模型提取的结果,结合影像对比。得出:Unet模型提取的正地形效果优于地形开度方法。 (2)选取宏观地形因子、微观地形因子和复杂度地形因子进行相关性分析,选取三种典型喀斯特丘陵最具代表性且具有显著区别的地形因子:坡度和分形维数进行定量化。基于正态分布的3原则,本研究将(μ-σ,μ+σ)区间范围定义成不同喀斯特丘陵类型的坡度优势区间。漏斗型峰丛洼地的坡度优势区间为(25.15,47.63);浅碟型峰丛洼地的坡度优势区间为(19.89,45.11);黔北威宁穹丘坡度的优势区间为(6.12,20.36);黔北大方穹丘坡度的优势区间为(7.29,21.45)。无论分析窗口大小,浅碟型峰丛洼地的分形维数均小于漏斗型峰丛洼地。在小分析窗口下,穹丘的分形维数均值大于漏斗型、浅碟型峰丛洼地。在较大分析窗口下,穹丘的分形维数均值小于漏斗型、浅碟型峰丛洼地。 (3)基于喀斯特正地形自动提取方法和Google Earth Engine(GEE)平台,结合喀斯特的地质背景,将白云岩和石灰岩两种岩性条件下的典型喀斯特丘陵为研究对象,统计由基岩裸露率耦合了绿度、湿度、干度和热度构建的喀斯特生态遥感指数KRISE,对不同岩性条件下典型喀斯特丘陵在2005-2020期间进行生态环境评价。得出:石灰岩丘陵的生态恢复状况较白云岩丘陵好,在生态修复治理中,应对石灰岩和白云岩丘陵地区因地制宜,采用不同且适宜的模式进行治理。