基于复杂网络的流域地貌形态空间模式研究

流域地貌系统属于自然复杂系统，客观准确的刻画流域地貌形态是研究流域地貌系统复杂性基础，对地貌形态空间模式的有效表达和准确测度，是链接地貌空间原型和地貌空间模型的核心环节。为探索流域地貌形态的结构复杂性，认知地貌形态对象相互作用关系，本课题以流域地貌类型典型多样的陕北高原为例，以网络的认知方式，对流域地貌形态进行抽象、塑造，建立不同地貌类型流域形态地形网络。借助图论、统计物理、GIS、复杂网络等研究方法，分析流域形态网络拓扑结构，探讨空间模式分割算法，确立空间网络相似性特征，试图揭示流域地貌形态的普适性特征；在此基础上分析人工干扰下地形网络结构的稳定性，探讨地形网络结构与地貌类型之间的耦合关系，以达到深入理解流域地貌形态变化物理过程的目的。本课题是运用复杂网络在地貌方面一次有意义创新，可望成为数字地形分析方法的重要补充，扩展复杂网络的应用范围。

课题以研究小流域地貌系统特征入手，分析空间结构的复杂性和多样性，验证了复杂网络的适用性。以地形序列为系统要素，采用网络框架将坡面-沟谷等地形要素联系起来，建立小流域地形景观网络，分析网络的拓扑结构特征，研究系统网络功能特征，探讨了外部环境变化下流域地形景观网络的动态变化。研究结果如下：.（1）在系统的空间结构中，以不同类型的坡面和不同等级的沟谷为地形序列表示系统要素。依据坡度、平面曲率、坡面曲率、最小曲率和相对位置指数等参数，制定地形序列单元分类规则。采用面向对象分割方法得到地形序列单元，地形序列={steep slope，flat slope，LL，CC，CL，VV，VL，Gully}。将地形序列为网络结点，根据空间的连接关系为网络的边，构建流域地貌形态系统的网络模型。.（2）借助复杂网络中度、度分布、集聚系数、平均路径长度、介数等指标，分析不同类型的网络拓扑结构。在模拟流域坡面地貌系统中，不考虑沟谷要素，得到网络结构具有无标度网络特征，重力侵蚀发育的steep坡是坡面网络中重要结点。在自然黄土小流域地貌系统中，考虑不同等级的沟谷与坡面类型耦合，其构建的网络具有无标度网络特征，在1级沟谷与坡面连接性高，随着沟谷等级的提高，坡面类型的连接度降低。.（3）以栅格单元为对象建立地形网络连通指数，研究小流域地貌系统的侵蚀地形单元的连通性，反映了流域内的侵蚀潜力特征。以宽度函数和基于网络空间状态模型来分析流域地形景观网络的水文功能特征，有着较好的表现。.（4）总结了模拟小流域系统的多期的坡面景观网络的拓扑结构变化规律，steep slope为网络关键结点，控制着网络的结构。网络结构分中心越来越多，其结构趋于有序。以复杂网络的谱半径和代数连通为指标，揭示了多期坡面类型状态转换系统同步规律，其网络的同步效应在坡面发育不同阶段发挥着增强和抑制作用。人工对自然地形改造的影响，系统通过增加网络要素和改变要素空间连接关系，使其地形景观网络结构发生变化，影响着小流域系统的水文和输沙过程。.研究表明采用复杂网络框架研究流域地貌系统的空间结构、功能和动态变化非常适合。可为流域系统管理提供一种新的方法。