基于贡献效率的沙丘相对高度的底点选取方法

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00125

摘要/Abstract

摘要：

沙丘相对高度是沙丘形成演化的重要参数，沙丘底点选取是相对高度测量的关键。传统人工测量无法大面积开展，且底点选取主观性强；现有遥感算法对底点选取规则讨论不充分。本研究提出贡献效率的概念用于度量地形局部最低值点对沙丘相对高度的贡献，据此在沙丘顶点附近的众多局部最低值点中择优作为沙丘底点。3种地形数据2个沙漠对比发现：（1）本底点选取方法的结果在空间分布和高度数值上优于前人结果；（2）数据源水平分辨率带来的误差大于高程精度，小于50 m的沙丘受误差影响大；（3）本方法所得最大沙丘高度接近实测值。本研究可实现大范围、客观、全自动的沙丘高度测量，可推广到全球范围，是沙丘形态测量的新思路，也可为实地测量选择底点。

关键词: 沙丘相对高度, 沙丘底点, 贡献效率, 数字高程模型, 巴丹吉林沙漠

Abstract:

The relative height of dunes serves as a pivotal parameter in understanding the formation and evolutionary dynamics of aeolian landforms. Accurate determination of the base point for dune height measurement is crucial for this parameter's quantification. Traditional manual measurement techniques are not feasible for extensive studies due to their limitations in scalability and subjectivity involved in selecting base points. Furthermore， existing digital terrain analysis algorithms have not adequately addressed the criteria for base point selection. This study introduces the concept of contribution efficiency to quantify the significance of local terrain minima in contributing to the relative height of dunes. Utilizing this concept， the most appropriate base point is identified from among numerous local minima adjacent to the dune crest. An analysis comparing two deserts with three distinct types of terrain data demonstrates that：（1） The proposed method for base point selection outperforms previous techniques in terms of both spatial distribution and height value accuracy；（2） The error associated with horizontal data resolution exceeds that of elevation accuracy， with dunes less than 50 meters in height being particularly susceptible to such errors；（3） The maximum dune height as determined by this method aligns closely with field measurements. This research facilitates large-scale， objective， and fully automated dune height measurement， which holds potential for global application. It represents an innovative approach to the morphometric analysis of dunes and offers a valuable reference for base point selection in field surveys.

Key words: relative dune height, dune base point, contribution efficiency, digital elevation modeling, Badain Jaran Sand Sea

中图分类号:

U652.4

马璇, 牛震敏, 吴晓兰. 基于贡献效率的沙丘相对高度的底点选取方法[J]. 中国沙漠, 2025, 45(5): 266-276.

Xuan Ma, Zhenmin Niu, Xiaolan Wu. A method for selecting the base point of relative dune height based on contribution efficiency index[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(5): 266-276.

图/表 9

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沙丘高度/m	数据源
沙丘高度/m	AW3D30	SRTM	ASTER
合计	121	43	311
绝对高度
1 100~1 200	33	4	83
1 200~1 300	48	7	203
1 300~1 400	21	12	9
1 400~1 500	6	10	5
1 500~1 600	11	10	8
1 700~1 800	2	0	3
合计	121	43	311
相对高度
0~50	78	9	264
50~100	12	7	23
100~150	7	6	5
150~200	4	3	1
200~250	4	5	7
250~300	4	5	0
300~350	3	5	2
350~400	5	2	5
400~450	2	1	2
450~500	2	0	2

沙丘高度/m	数据源
沙丘高度/m	AW3D30	SRTM	ASTER
合计	121	43	311
绝对高度
1 100~1 200	33	4	83
1 200~1 300	48	7	203
1 300~1 400	21	12	9
1 400~1 500	6	10	5
1 500~1 600	11	10	8
1 700~1 800	2	0	3
合计	121	43	311
相对高度
0~50	78	9	264
50~100	12	7	23
100~150	7	6	5
150~200	4	3	1
200~250	4	5	7
250~300	4	5	0
300~350	3	5	2
350~400	5	2	5
400~450	2	1	2
450~500	2	0	2

指标	AW3D30	AW3D30 （调整顶点后）	ASTER	ASTER （调整顶点后）	SRTM	SRTM （调整顶点后）
沙丘顶点绝对高度/m	1 616	1 616	1 624	1 624	1 573	1 573
数据源的误差/m	5	5	17	17	16	16
沙丘顶点绝对高度/m（调整后）	—	1 621	—	1 641	—	1 589
搜索距离/m	4 941	4 999	5 182	5 347	4 479	4 718
沙丘绝对高度/m	1 616	1 621	1 624	1641	1 573	1 589
沙丘相对高度/m	461	466	465	482	389	405
搜索范围的面积/m	32 716 417	33 800 964	35 556 949	39 803 180	25 642 515	28 507 286
沙丘底点横坐标/m	548 718	548 718	548 776	548 776	551 760	551 760
沙丘底点纵坐标/m	4 415 991	4 415 991	4 416 334	4 416 334	4 414 148	4 414 148
沙丘顶点横坐标/m	551 567	551 567	551 532	551 532	551 509	551 509
沙丘顶点纵坐标/m	4 415 800	4 415 800	4 415 800	4 415 800	4 415 740	4 415 740

指标	AW3D30	AW3D30 （调整顶点后）	ASTER	ASTER （调整顶点后）	SRTM	SRTM （调整顶点后）
沙丘顶点绝对高度/m	1 616	1 616	1 624	1 624	1 573	1 573
数据源的误差/m	5	5	17	17	16	16
沙丘顶点绝对高度/m（调整后）	—	1 621	—	1 641	—	1 589
搜索距离/m	4 941	4 999	5 182	5 347	4 479	4 718
沙丘绝对高度/m	1 616	1 621	1 624	1641	1 573	1 589
沙丘相对高度/m	461	466	465	482	389	405
搜索范围的面积/m	32 716 417	33 800 964	35 556 949	39 803 180	25 642 515	28 507 286
沙丘底点横坐标/m	548 718	548 718	548 776	548 776	551 760	551 760
沙丘底点纵坐标/m	4 415 991	4 415 991	4 416 334	4 416 334	4 414 148	4 414 148
沙丘顶点横坐标/m	551 567	551 567	551 532	551 532	551 509	551 509
沙丘顶点纵坐标/m	4 415 800	4 415 800	4 415 800	4 415 800	4 415 740	4 415 740

高度/m	测量方法	参考文献
465	地形图和航片	[34]
460	便携式梭曼高度计	[35]
453	电子全站仪	[36]
433	遥感地形分析	[14]
461±10	本研究算法	本研究（AW3D30数据）
465±34	本研究算法	本研究（ASTER GDEM数据）
402±32	本研究算法	本研究（SRTM数据）