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中国沙漠, 2021, 41(6): 88-98 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00090

基于DEM的地球与火星格状沙丘对比分析

杨旭艳,1, 董治宝,2, 杨勤科,1, 李超2

1.西北大学 城市与环境学院,陕西 西安 710127

2.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119

Comparison of networked dunes in the Earth and the Mars based on DEM

Yang Xuyan,1, Dong Zhibao,2, Yang Qinke,1, Li Chao2

1.College of Urban and Environmental Science,Northwest University,Xi'an 710127,China

2.School of Geography and Tourism,Shaanxi Normal University,Xi'an 710119,China

通讯作者: 董治宝(E-mail: zbdong@snnu.edu.cn杨勤科(E-mail: qkyang@nwu.edu.cn

收稿日期: 2021-05-06   修回日期: 2021-07-19  

Received: 2021-05-06   Revised: 2021-07-19  

作者简介 About authors

杨旭艳(1987—),女,陕西铜川人,博士研究生,主要从事区域土壤侵蚀评价和数字地形分析研究E-mail:yxyxd_gis@163.com , E-mail:yxyxd_gis@163.com

摘要

沙丘是柴达木盆地可类比火星的重要地貌类型,沙丘形态是类火星风沙地貌研究的重要内容。基于数字地形分析(DTA)的方法,采用高程、坡度、坡向及地表复杂程度4个地形计量学指标对火星(北极地区)和地球(柴达木盆地)格状沙丘的地貌形态特征进行定量对比分析。结果表明:(1)两个研究区的高程剖面、坡度、坡向的地理学空间分布格局具有较大相似性;(2)高程、高程梯度、坡度和坡向的直方图相似度指数均大于0.7;(3)不同尺度上的分形维数近似相等,即地表复杂程度相似。用数字地形分析与直方图相似度指数结合的方法,定量或半定量地分析两个研究区沙丘地貌形态的相似性,这对类火星风沙地貌研究中科学选择试验点是一种新的尝试,以期为反演火星风沙地貌的形成与演化提供科学依据。

关键词: 数字地形分析 ; 分形维数 ; 沙丘地貌形态 ; 火星 ; 地球

Abstract

A dune is an important geomorphologic type in Qaidam Basin, to which the similar type of unit on the Mars can be compared, and the morphological characteristic of a dune is an important study content of the aeolian geomorphology on the Mars. In this paper, geomorphologic characteristics of lattice dunes on the north polar area of the Mars were analyzed in comparison of the dunes in Qaidam Basin on the earth. Digital Terrain Analysis (DTA) was used in the study by considering elevation, slope, aspect and surface complexity. The results show: (1)There is a great similarity of elevation cross-sections, slope steepness, distributions of aspect between the two study sites, ie Qaidam on the Earth, and north pole of the Mars. (2) The histogram similarity index of elevation, elevation gradient, slope steepness and aspect from a statistical analysis are all greater than 0.7. (3) The fractal dimensions remain almost the same at different scales, that means complexities on the two ground surfaces, north pole of the mars and Qaidam, are significantly similar to each other. A quantitative or semi-quantitative study of similarity of aeolian dune geomorphologies between the two planets, the Mars and the Earth, based on Digital Terrain Analysis(DTA)and Histogram Similarity methods, is a new attempt. This study will be expected to provide a scientific evidence for formation and evolution process of the aeolian geomorphologies on the Mars.

Keywords: Digital Terrain Analysis (DTA) ; fractal dimension ; dune geomorphology ; Mars ; Earth

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本文引用格式

杨旭艳, 董治宝, 杨勤科, 李超. 基于DEM的地球与火星格状沙丘对比分析. 中国沙漠[J], 2021, 41(6): 88-98 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00090

Yang Xuyan, Dong Zhibao, Yang Qinke, Li Chao. Comparison of networked dunes in the Earth and the Mars based on DEM. Journal of Desert Research[J], 2021, 41(6): 88-98 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00090

0 引言

地貌指地区表面的起伏形态1。风沙地貌是以风为外营力塑造的地表景观,是地球系统中重要的乃至不可或缺的组成部分,也是研究现代行星表面过程及其环境演化历史的主要依据2。沙丘是风力作用下沙粒的堆积体3,沙丘形态是区域风力、沙源和植物相互作用并达到动态平衡的产物4,是研究风沙地貌的重要基础5。风成地貌为火星当前的主要景观,研究火星地表广泛分布的沙丘及其地貌形态具有非常重要的意义6-8。在火星风沙地貌研究的初期主要借助各种地面或太空望远镜进行观测,根据观测到的各种现象和过程对火星存在的风沙活动进行推测9。在无法对火星风沙地貌进行实地观测的同时,在地球上选择与火星类似的地方开展类火星研究10,将对推演火星风沙地貌的形成与演化具有重要的意义9。国际上已经建立了50多个火星类比区,包括南美洲西海岸中部的阿塔卡玛沙漠、南极干谷、澳大利亚中部、美国西部沙漠、北非等11-13。近年来,中国学者们围绕柴达木盆地开展了类火星地貌、类火星矿物、天体生物学等相关研究14-16。柴达木盆地独特的地理和环境条件使其形成了多种可类比现代火星的地貌类型,例如沙丘和雅丹等17。但目前对于类火星风沙地貌试验点的确定大多是基于地貌景观、地貌形态学参数(高度、宽度、间距、长宽比等)等,依赖于学者们对于地貌认识的经验,从地形计量学指标的角度定量分析火星与地球沙丘地貌形态特征的相似度研究鲜见报道。

数字地形分析(Digital Terrain Analysis,DTA)是在数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)上进行地形属性计算和特征要素提取、分析地形特征属性和特征指标与地表过程关系的理论与技术体系18-19。随着GIS和遥感技术的发展,基于DEM的地貌研究已经从地球表面延伸到了海底、月球、火星表面,甚至将来会应用在其他可以获得DEM的行星表面20。本文在总结和汲取国内外沙丘形态提取及地表形态指标的基础上,以火星(北极地区)和地球(柴达木盆地)的格状沙丘为例,基于数字地形分析的方法,用高程、坡度、坡向和地表复杂度4个地形计量学指标定量分析地球和火星沙丘地貌形态的异同,以期能为类火星风沙地貌试验点的确定提供科学参考,为研究火星沙丘地貌的形成和演化过程提供可靠的依据,回答火星探测的重大科学问题。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

柴达木盆地是青藏高原东北缘的一个大型山间断陷盆地,36°00′—39°30′N、90°00′—98°30′E,总面积达12万km2,平均海拔2 800 m21,分布着地球上海拔最高的沙漠16。盆地气候极度干旱,年均降水量为60—80 mm,年均蒸发量达1 800 mm,年均气温为3.5 ℃22,呈现出独特的高寒、干旱荒漠景观21,这与现代火星的气候环境十分相似17。盆地的沙丘主要分布于西南部山前地区、三湖地区和东南部边缘3个区域16,风沙地貌面积为23 163 km2[23。盆地四周高山环绕,沉积物巨厚,但并未形成茫茫沙漠,反而形成广大盐碱地表,反映沙源丰富度不足的环境,其风沙地貌形态、类型和分布与火星极为类似,被作为类火星风沙地貌研究地16。本文选择柴达木盆地西南部的格状沙丘作为研究对象(图1),格状沙丘是以两组近乎垂直相交的沙梁在平面上形成的网格状沙丘类型,区域的主风向形成了格状沙丘的主梁,主梁的走向与地区主风向垂直,与主风基本垂直的次风在主梁间形成副梁24,在主风和次风的共同作用下形成并维持其形态25,它在世界沙漠中的分布比较广泛26

图1

图1   柴达木盆地研究区位置示意图(A)及研究区沙丘放大图(B)

A、B图影像、注记等数据来自91卫图,影像空间分辨率为15 m

Fig.1   The location of the studied site in the Qaidam Basin (A) and enlargement of studied site (B)


火星是太阳系八大行星中距离太阳第四近的行星,也是与地球最相似且距离最近的行星27。现代火星绝大部分区域处于极度干旱的环境,仅在极冠和周边的高纬度地区地表以下存在着冰28。火星表面风沙活动十分明显,平均风速达4.3 m·s-1,在地形交界处的风速高达50 m·s-1,且风向变换不定,并常常伴有强烈的尘暴,而形成大量的沙丘29。火星上沙丘总面积约为9.75×105 km2[8,主要分布于北极地区,呈环带状30。在其他区域的分布比较零散,35°—65°S分布相对集中,且通常与撞击坑、河谷和山谷相伴分布30。从沙丘形态来讲,尽管发育环境参数有很大的不同,但火星上和地球上的沙丘形态非常相似30-31。本文选择火星(北极地区)奥林匹亚高原(Olympia Planum)西北部的格状沙丘为研究对象(图2)。奥林匹亚高原(Olympia Planum)位于北极高原(Planum Boreum)北部(79°04′48″—84°50′24″N、136°43′12″—240°36′36″E),中心位于82°10′48″N、188°48′36″E,直径804.39 km32,形状呈月牙形33。奥林匹亚高原的大部分被广阔的奥林匹亚沙漠(Olympia Undae)所掩埋34,它是组成环绕北极地区环带状沙丘的最大沙漠,广泛分布着格状沙丘、新月形沙丘、新月形沙丘链及少量钉状沙丘35

图2

图2   火星研究区位置示意图(A)及研究区沙丘放大图(B)

A图DEM数据来自USGS(https://astrogeology.usgs.gov/),空间分辨率463 m;注记来自《火星风沙地貌图》35。B图格状沙丘放大图DEM数据来自华盛顿大学行星数据系统(Planetary Data System, PDS)地学数据节点(https://ode.rsl.wustl.edu/mars/index.aspx),空间分辨率1 m

Fig.2   The location of the studied site in the Mars (A) and enlargement of studied site (B)


1.2 研究数据

地球(柴达木盆地)DEM数据来自Earthdata官网(https://earthdata.nasa.gov/)发布的1弧秒分辨率SRTM,实验中为保证局部变形较小,采用基于GCS_WGS_84地理坐标系的正轴等面积割圆锥投影,分析过程中重采样到20 m。影像数据来自91卫图,空间分辨率为15 m,坐标和投影系统与DEM数据相同。火星研究区DEM和影像数据来自华盛顿大学行星数据系统(Planetary Data System, PDS)地学数据节点(https://ode.rsl.wustl.edu/mars/index.aspx),原始DEM数据空间分辨率为1 m,投影坐标为正轴等角方位投影,实验中转换为正轴等面积割圆锥投影,分析过程中重采样到20 m。影像数据的空间分辨率为2 m,坐标和投影系统与DEM数据相同。火星的高程系统为火星大地水平面系统(水准面为接近平均海拔的重力等位面),本文的研究区位于在该水准面以下,研究中给高程加5 000 m,以避免高程出现负值。

1.3 研究方法

1.3.1 高程格局和统计特征分析

在沙丘地貌研究中,高度、宽度是描述沙丘形态的重要参数36。首先,借助ArcGIS10.7软件的3D Analyst模块,在格状沙丘DEM图层上,布设与主梁垂直的剖面线(图3),然后生成剖面曲线图。其次,在Matlab环境中计算对应的波峰、波谷及其差值,进而推算沙丘相对高度和宽度,分析其形态特征。最后,借助数字图像处理中直方图分析的方法,绘制高程分布直方图,计算直方图相似度指数,结合高程的基本统计特征值分析两个研究区的高程统计相似性。为了便于火星和地球沙丘的对比,高程直方图中的高程值进行了极值归一化处理。以相对面积x为横坐标,以相对高程y为纵坐标,对直角坐标系中一系列xy组成的点进行拟合,拟合效果最好的函数y=fx)即为面积-高程积分曲线,而其积分值即曲线包围的面积。相对面积x=a/Aa表示该流域内某条等高线以上的面积,A为整个流域面积),相对高程y=h/Hh表示该等高线与流域内最低点的高差,H为流域最大高差)。

图3

图3   研究区剖面线布设

Fig.3   The distribution of profile lines of studied sites on the Mars (A) and Earth (B)


高程梯度pq分别指高程z在平面坐标系中xy两个方向上的变化率37-38。本文选用Shary等39改进的Evans-Yong算法。首先,利用Python语言编程完成pq的计算。然后,借助数字图像处理中直方图分析的方法,绘制高程梯度直方图、计算直方图相似度指数,从高程梯度的角度分析两个研究区高程格局的相似程度。

本文通过计算直方图的交来计算直方图相似度指数(Histogram Similarity,HS)40-41

HSX,Y=i=0nmin(xi,yi)

式中:XY分别表示火星和地球格状沙丘地形因子的直方图;xiyi分别表示某地形因子在第i个分级值对应的频率。

1.3.2 地形指标提取

地形定量因子是为有效研究与表达地貌形态特征所设定的具有一定意义的参数或指标42。在沙丘地貌研究中,坡度、风况是研究沙丘形态的重要参数36,而坡向与沙丘发育过程中的风况密切相关。因此,本文选取坡度、坡向两个基本的地形特征变量指标对火星和地球格状沙丘的相似程度进行分析。研究中,将坡度小于3°地貌划为沙地,坡度大于3°的地貌划为沙丘43。坡度分级图绘制中,为了达到较好的可视化效果,将坡度分成7个级别。坡向分为3级,-1为无坡向,292.5°—360°和0° —112.5° 为阴坡112.5°—292.5° 为阳坡。

首先,基于ArcGIS10.7制作坡度、坡向专题图,从可视化的视角观察它们的地理空间分布格局。其次,绘制坡度直方图、坡向雷达图,并结合各地形因子的统计特征值综合分析。最后,采用直方图相似度指数定量评价火星和地球格状沙丘的相似度。

1.3.3 分形维数

地形分析中,分形维数用来描述地形的粗糙程度及起伏程度44。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,其分维值体现了沙丘地貌的地表复杂程度45。本文采用Clarke46提出的尺度-表面积法计算分形维数(D)。

D=2-Mi=1M(lg ri)(lg A(ri))-i=1Mlg rii=1Mlg A(ri)Mi=1M(lg ri)2-i=1Mlg ri2

式中:D为曲面的分形维数;ri表示不同的计算尺度;Ari)为不同ri下求得的表面积。在Matlab环境中根据公式(2)编写代码,分别计算两个研究区的分形维数(D)。由于地球格状沙丘DEM的原始分辨率为30 m,火星DEM的原始分辨率为1 m,为了兼顾原始分辨率对分形维数的影响,试验中将两个研究区DEM数据分别重采样到1、10、20、30 m,计算系列尺度上DEM对应的分形维数。

2 结果与分析

2.1 高程分析

火星格状沙丘的波形较为规则且高差较小,地球格状沙丘的波形较细碎且个别波的高差较大(图4)。综合分析表1得出,火星与地球格状沙丘的相对高度(h)、宽度(w)差异较小,平均值的差异分别为2.70 m、29.93 m;火星的各种统计值,大约是地球的0.72—1.35倍。从标准差可以看出,地球格状沙丘相对高度(h)、宽度(w)的离散程度均大于火星格状沙丘,即火星比地球沙漠中的沙丘更稀疏,规模更一致。

图4

图4   研究区高程剖面曲线图

Fig.4   Elevation profile of studied sites on the Mars (A) and Earth (B)


表1   研究区格状沙丘形态参数表 (m)

Table 1  The dune networks geomorphology parameters of studied sites

特征值相对高度宽度
火星地球火星/地球火星地球火星/地球
最小值13.159.751.35169.97147.991.15
最大值47.8752.070.92464.46534.480.87
均值27.7325.031.11352.05322.121.09
标准差8.929.940.9072.46101.260.72
变异系数0.320.390.820.210.310.67

格状沙丘的相对高度指波峰、波谷之间的高差。

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火星和地球格状沙丘的高程频率曲线均接近正态分布,但火星格状沙丘的高程频率曲线整体高于地球格状沙丘(图5)。结合高程统计特征值(表2)综合分析,地球格状沙丘高程值的离散程度大于火星格状沙丘,这与沙源、风场、地形等因素密切相关。虽然,两个研究区高程频率曲线高度不一致,但曲线形态相似,计算两条高程频率曲线的HS=0.71,说明火星和地球格状沙丘的高程统计分布特征的相似程度较高。

图5

图5   高程频率

Fig.5   Elevation statistical histogram


表2   格状沙丘高程统计 (m)

Table 2  Elevation statistical characteristics of dune networks

研究区特征值
最小值最大值均值标准差众数中位数
火星6914010715.47112105.48
地球3 0363 2073 129.1826.603 1283 128

表中火星的高程值是在原始高程基础上加5 000 m,以避免计算中出现负值。高程的最小值取累计频率的0.5%,最大值取累计频率的99.5%。

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火星和地球格状沙丘的面积-高程积分曲线的形态相似(图6),火星、地球格状沙丘的高程积分值HI(Hypsometric Integral)值分别为0.48、0.52,差异较小(0.04)。这个指标虽然不能说明其发育阶段,但是可以说明其形态相似,均为简单沙丘,这种地貌特征初步归因于沙源供应不足、沙丘发育时间短47

图6

图6   面积-高程积分曲线

Fig.6   Area-Hypsometric Integral curve


火星和地球格状沙丘高程梯度p的偏度系数分别为0.0005、0.0015,高程梯度q的偏度系数分别为 -0.011、-0.014,均接近于0,说明两个研究区的高程梯度pq的频率曲线均接近正态分布(图7)。同时,两个研究区p值的峰度值分别为-0.02、-0.01,q值的峰度值分别为-0.04、-0.01,也十分接近。两个研究区高程梯度p值直方图的HS=0.77,q值直方图的HS=0.76,说明两个研究区的高程梯度直方图相似程度较高。不同之处在于,火星格状沙丘的pq频率曲线整体高于地球格状沙丘,这是由于地球格状沙丘高程梯度值的离散程度较高。

图7

图7   研究区高程梯度频率

Fig.7   Elevation gradient histogram of studied sites


2.2 坡度、坡向分析

火星、地球格状沙丘坡度都表现出高地起伏的特征,只是起伏程度存在一定的差异,这与研究区的沙丘规模相关(图8)。坡向的排列较为规则,但由于风况、沙源等环境因素的影响,其方向存在差异(图9)。从坡度的宏观空间分布上观察,格状沙丘阳坡的坡度值较其他位置大。从坡度的微观分布上观察,沙脊线两侧的坡度较大,沿着坡面向下坡度值逐渐减小,沙地的坡度值最小。两个研究区坡度、坡向在空间分布格局上具有较大的相似性。

图8

图8   研究区格状沙丘坡度图

Fig.8   Slope map of dune networks of studied sites on the Mars (A) and Earth (B)


图9

图9   研究区格状沙丘坡向图

Fig.9   Aaspect map of dune networks of studied sites on the Mars (A) and Earth (B)


火星、地球格状沙丘坡度值域分别为[0.7°, 22°]、[0.6°, 30.7°],标准差的差值为4.7,说明地球格状沙丘的离散程度略高(表3),而导致火星格状沙丘坡度的频率曲线略高于地球。坡度值≥3°所占的比例的差值为0.2%,其他坡度级别上所占的比例也近似相等(表4)。火星和地球格状沙丘的坡度直方图均基本呈正态分布,且峰值坡度接近(图10)。坡度直方图的HS为0.79,说明火星和地球格状沙丘坡度直方图的相似程度较高。不同的是,火星格状沙丘的坡度值总体小于地球格状沙丘,但是变异性大于地球。火星与地球格状沙丘的坡向差异大致为90°(图9),这与沙丘发育过程的风况密切相关,风向决定风沙运动的方向和风沙地貌形态特征36。为了分析两个研究区的坡向异同,将火星格状沙丘DEM图像旋转90°,然后分别绘制坡向雷达图(图11)。坡向雷达图均呈椭圆形分布,形态上具有较大的相似性。火星(旋转90 °)和地球格状沙丘坡向雷达图的HS为0.82,说明两个研究区的坡向相似度较高。

表3   研究区坡度统计特征值 (°)

Table 3  Slope statistical characteristic values of studied sites

研究区特征值
最小值最大值均值标准差众数中位数变异系数
火星0.72213.58.27.412.80.61
地球0.630.722.912.95.923.10.56

表中坡度的最小值取累计频率的0.5%,最大值取累计频率的99.5%。

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表4   研究区坡度、坡向分级统计表

Table 4  Slope and aspect classification statistical of studied sites

地形 因子分级比例/%
火星地球差值
坡度0°~3°8.28.4-0.2
≥3°91.891.60.2
坡向无坡向1.00.50.5
阳坡41.545.6-4.1
阴坡57.953.94.0

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图10

图10   研究区格状沙丘坡度频率

Fig.10   Slope histogram of the dune networks of studied sites


图11

图11   研究区格状沙丘坡向雷达图

Fig.11   Aspect radar chart of the dune networks of studied sites on the Mars (A) and Earth (B)


2.3 地形的分形分析

地形复杂程度是一个随观测分析尺度变化的量,当观察尺度越大,地形的宏观复杂度表现更为突出,反之则以微观的复杂度表现为主48。本文研究区的沙丘高度集中在30 m左右,且坡度较缓,同时获取火星DEM数据范围有限,因此选择较小的观察尺度能更好地反映研究区微观地形复杂程度。栅格尺寸为1 m时,两个研究区分形维数(D)的差异很小(0.0002),说明两个研究区的微观地形复杂程度接近,地貌类型相同。栅格尺寸为20 m时,分形维数的差异最大(0.0559),但仍认为两者的地貌类型相同,地表复杂程度接近,这是由于不同沙丘地貌类型分形维数的差异一般应大于0.245。不同之处在于,火星格状沙丘的分形维数总体上略高于地球,这是因为火星格状沙丘的高度、宽度均大于地球,导致其沙丘地表形态更复杂、层次更丰富(表5)。

表5   研究区格状沙丘不同尺度的分形维数

Table 5  The fractal dimension of dune networks at different scales of studied sites

尺度 /m分形维数(D)
火星地球差值
12.00022.00000.0002
102.01242.00830.0041
202.05682.00090.0559
302.09192.04860.0443
均值2.04032.01440.0261

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3 讨论

3.1 地形因子的选取

在沙丘地貌的研究中,独立沙丘形态参数包括沙丘高度、间距、宽度、坡度、脊线长度、脊线走向等36。风况是风沙地貌形成的动力条件,风况的细微差异,将导致风沙地貌形态特征差异36,这种形态差异会表现出不同的坡度、坡向特征。目前,国内外沙丘形态参数获取方法主要有两类:一是Ewing等49的目视解译方法,测量卫星影像中沙丘地貌的形态学参数(沙丘脊线长度、高度、间距、缺损密度等);二是基于3S技术提取沙丘形态(坡度、起伏度、高程、高度、间距、轴长、轴向等)的方法434750

结合前人的研究成果,本文采用数字地形分析的方法,选择高度、宽度、坡度、坡向作为评价沙丘形态的基本参数,沙丘地貌形态的复杂程度采用分形维数(D)来定量评价。沙丘相对高度、宽度基于DEM的剖面线在Matlab环境计算得出,坡度、坡向通过ArcGIS和简单编程提取,分形维数(D)在Matlab环境中编程计算。研究中,将两个研究区的DEM统一重采样至20 m,但由于DEM原始空间分辨率的差异,可能会对以上参数的精度及专题图的纹理、规律性带来影响。今后的研究中,若能获取相同或更高分辨率的DEM数据,研究结果将更精确。

3.2 沙丘地貌形态相似度的评价

目前,对于类火星风沙地貌试验点的确定大多是基于地貌景观、地貌形态学参数(高度、宽度、间距、长宽比等),这种方式对于研究学者们的经验有较高要求。本文选择的高程、高程梯度、坡度、坡向均属于地形计量学指标,是描述地貌形态特征的有效量化指标42,再结合直方图相似度指数,定量地对火星和地球格状沙丘各因子直方图的相似程度进行对比分析。首先,从空间格局和统计分布两个方面进行比较。空间格局方面,采用了剖面分析方法,但具有局限性,模式识别和面向对象的要素提取,是值得探讨的方法。统计分布是针对研究区的总体分布情况,从高程和高程梯度、坡度和坡向(高程的一阶导数)两个层次进行分析。但这里存在研究空间范围问题,面积过大会导致区域地形特征的异质性增大,不能保证地表类型的单一且增加工作量51。面积过小,流域范围内的地表过程和侵蚀形态不完整,统计分布不能代表所在区域的地形特征51。尽管风沙地貌不像流水侵蚀地貌那样以流域为单元,地貌形态比较均一,但也应该存在适合科学研究的的最小面积阈值51。最后,采用Clarke46提出的尺度-表面积法在Matlab环境编程中计算分形维数(D),该方法能够较好地描述地表的曲折度,能够综合表达地表局部的粗糙程度及起伏程度48

通过上述3个方面的综合分析,不仅从可视化角度判断了专题图的相似性,而且从定量的角度进行了佐证,形成了较为准确全面的评价沙丘地貌形态相似性的方法。对于能够获取表面DEM的其他行星,该方法也具有普遍适用性。

3.3 与相关研究结果的对比

柴达木盆地有地球上海拔最高、最干燥、面积最大的沙漠之一,同时还存在代表干旱环境下湖泊演化不同阶段的盐湖和干盐湖,这与现代火星表面环境十分相似,而成为了类火星地貌的潜在试验点52。Kong等53、Mayer等54、Wang等55、Zheng等56从蒸发沉积物和矿物学方面分析了柴达木盆地与火星表面物质的相似性。Xiao等16从柴达木盆地风成地貌特征、独特的蒸发沉积物、演化的盐湖、极端气候和地质条件下的极端微生物等方面确定柴达木盆地是火星的最佳陆地模拟试验点。

本文从地形因子的空间分布格局、统计分布、地表复杂程度3个方面,采用定性、定量相结合的方式,从沙丘地貌形态特征的角度认为地球与火星格状沙丘具有高度的相似性,这与前人认为柴达木盆地是类火星地貌的潜在试验点具有一致性。基于地形特征评价沙丘地貌相似度的方法,与地貌景观、地貌形态学参数、矿物学等判断柴达木盆地是火星的最佳陆地试验点的方法互相补充,进一步佐证了前人研究成果。

3.4 反演火星沙丘地貌的形成及演化过程的依据

火星独特的地貌和物理特性,承载了丰富的演化信息,其演化与太阳系的起源及演化之间的关系,是火星探测必须回答的重大科学问题28。随着探测技术的发展,越来越多的细节被发现,显现出基于还原论思想研究的必要性10。不同星球沙丘地貌的发育条件差异较大,但沙丘的形成机理是一致的47,在无法对火星风沙地貌进行实地观测的同时,对分布于地球上的类火星风沙地貌的形成演化进行研究,对反演火星风沙地貌的形成与演化具有重要的意义。曾永年等21通过对柴达木盆地各地形剖面上古风成砂剖面进行分析得出:柴达木盆地大规模沙漠活动出现于末次盛冰期;末次盛冰期以来,随着全球气候的波动变化柴达木盆地的沙漠经历了多次扩展和缩小固定的两相组合式有序波动的演化过程。那么,火星风沙地貌的形成是否也经历着类似的演化过程,是值得深入探讨的问题。

尽管火星和地球表面沙丘的发育环境参数有很大的不同,但是沙丘的外部形态却非常相似30-31,这种相似性在认识火星环境及其形成与演化中发挥着重要作用。Dong等57认为柴达木盆地沙丘形态特征归因于沙源供给不充分和发育时间短。那么基于沙丘形态的相似性,是否可以认为火星上沙丘形成的古时期沙源不足且发育时间短;或者火星上的沙丘发育在现代火星的某个特殊条件下。风沙动力学理论普遍认为沙丘发育条件的差异会导致沙丘形态的差异,但这一理论尚无法解释火星和地球沙丘形态的相似性,这可能是由于火星沙丘的特殊性引起的,或者该理论的适用性需要进一步验证。通过对分布于不同环境中的风沙地貌进行研究,才能验证基于地球环境的相关风沙地貌学理论,使风沙地貌学理论不断得到丰富和完善9

4 结论

火星和地球格状沙丘在空间分布格局上具有相似性。坡度、坡向分级统计结果比例相当,坡度、坡向专题图的空间分布呈现相似的规律性。

火星和地球格状沙丘的统计特征具有相似性。坡度直方图的HS=0.79,坡向雷达图的HS=0.82,高程直方图的HS=0.71,高程梯度p值的HS=0.77,高程梯度q值的HS=0.76。沙丘地形特征因子的统计特征,说明两个研究区的地表形态特征具有很高的相似性。

火星和地球格状沙丘地表复杂程度相似。基于尺度-表面积法计算分形维数(D),选择较小的观察尺度来反映研究区微观地形复杂程度。栅格尺寸为1 m时分形维数的差异最小(0.0002),栅格尺寸为20 m时,分形维数的差值最大(0.0559),但差异值未超过0.2,说明两个研究区的地表复杂程度相似。

火星和地球格状沙丘也存在一定的差异性。火星与地球表面的风况、沙源丰富程度、地表状况等不尽相同,导致相同类型的沙丘在规模、排列规则性,以及微观形态上存在一定的差异。

参考文献

周成虎.地貌学辞典[M].北京中国水利水电出版社2006.

[本文引用: 1]

董治宝吕萍.

70年来中国风沙地貌学的发展

[J].地理学报,2020753):509-528.

[本文引用: 1]

李振山倪晋仁.

国外沙丘研究综述

[J].泥沙研究,2000105):73-81.

[本文引用: 1]

Arens S MSlings QDevries C N.

Mobility of a remobilized parabolic dune in kennemer land,the-nether land

[J].Geomorphology,200459175-188.

[本文引用: 1]

李恩菊.

巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠沉积物特征的对比研究

[D].西安陕西师范大学2011.

[本文引用: 1]

Bridges NGeissler PSilvestro Set al.

Bedform migration on Mars:current results and future plans

[J].Aeolian Research,20139133-151.

[本文引用: 1]

Malin M CEdgett K S.

Mars global surveyor Mars orbiter camera:interplanetary cruise through primary mission

[J].Journal of Geophysical Research-Planets,2001106E10):23429-23570.

Hayward R KFenton L KTitus T N.

Mars global digital dune database(MGD3):global dune distribution and wind pattern observations

[J].Icarus,201423038-46.

[本文引用: 2]

李继彦董治宝.

火星风沙地貌研究进展

[J].中国沙漠,2016364):951-961.

[本文引用: 3]

董治宝吕萍李超.

火星风沙地貌研究方法

[J].地球科学进展,2020358):771-788.

[本文引用: 2]

Baldridge A MFarmer J DMoersch J E.

Mars remote-sensing analog studies in the Badwater Basin,Death Valley,California

[J].Journal of Geophysical Research-Planets,2004109E12006.

[本文引用: 1]

Cabrol N AWettergreen DWarren-Rhodes Ket al.

Life in the Atacama:searching for life with rovers (science overview)

[J].Journal of Geophysical Research-Biogeosciences,2007112583-590.

Essefi EKomatsu GFairen A Get al.

Groundwater influence on the aeolian sequence stratigraphy of the Mechertate-Chrita-Sidi EI Hani system,Tunisian Sahel:analogies to the wet-dry aeolian sequence stratigraphy at Meridiani Planum,Terby crater,and Gale crater,Mars

[J].Planetary and Space Science,20149556-78.

[本文引用: 1]

Angles ALi Y L.

The western Qaidam basin as a potential Martian environmental analogue:an overview

[J].Journal of Geophysical Research-Planets,2017122856-888.

[本文引用: 1]

Wang ASobron PKong Fet al.

Dalangtan saline playa in a hyperarid region on Tibet Plateau:II.preservation of salts with high hydration degrees in subsurface

[J].Astrobiology,2018181254-1276.

Xiao LWang JDang Yet al.

A new terrestrial analogue site for Mars research:the Qaidam Basin,Tibetan Platear(NW China)

[J].Earth-Science Reviews,201716484-101

[本文引用: 5]

包刚曲帅屹傅泽华.

柴达木盆地红崖中国“火星村”选址区与火星的类比研究

[J].矿物岩石地球化学通报,202039).

[本文引用: 2]

HengTReuter H.Geomorphmetry Concepts,Software,Application [M].Boston,USAElsevier2009.

[本文引用: 1]

Wilson J P.

Digital terrain modeling

[J].Geomorphology,20121371):107-121.

[本文引用: 1]

Lv GXiong LChen Met al.

Chinese progress in geomorphometry

[J].Journal of Geographical Sciences,20172711):1389-1412.

[本文引用: 1]

曾永年冯兆东曹广超.

末次冰期以来柴达木盆地沙漠形成与演化

[J].地理学报,2003583):452-457.

[本文引用: 3]

何先虎.

大柴旦盐湖柱硼镁石矿床的形成环境与气候特征

[D].西宁中国科学院青海盐湖研究所2014.

[本文引用: 1]

董治宝.青藏高原风沙地貌图集[M].西安西安地图出版社201714-15

[本文引用: 1]

刘英姿.

腾格里沙漠中格状沙丘形态及成因研究

[D].西安陕西师范大学2013.

[本文引用: 1]

哈斯董光荣王贵勇.

腾格里沙漠东南缘格状沙丘的形态-动力学研究

[J].中国科学D辑:地球科学,19995):466-471.

[本文引用: 1]

Cook RWarren AGoudie A.Desert Geomorphology[M].London,UKUCL Press1994368-396.

[本文引用: 1]

Glasby G P.

Mars,our neighbor

[J].Geology Today,2012286):214-246.

[本文引用: 1]

欧阳自远肖福根.

火星探测的主要科学问题

[J].航天器环境工程,2011283):205-217.

[本文引用: 2]

Yu LLai Z.

OSL chronology and palaeoclimatic implications of aeolian sediments in the eastern Qaidam Basin of the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau

[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2012337-338120-129.

[本文引用: 1]

Chojnacki MBurr D MMoersch J E.

Valles Marineris dune fields as compared with other martian populations:diversity of dune compositions,morphologies,and thermophysical properties

[J].Icarus,201423096-142.

[本文引用: 4]

Hayward R KMullins K FFenton L Ket al.

Mars global digital dune database and initial science results

[J].Journal of Geophysical Research,2007112E11007):1-17.

[本文引用: 2]

https://planetarynames.wr.usgs.gov/Feature/14281[Z].

[本文引用: 1]

Massé MBourgeois OLe Mouélic Set al.

Martian polar and circum-polar sulfate-bearing deposits:sublimation tills derived from the North Polar Cap

[J].Icarus,20102098):434-451.

[本文引用: 1]

Kenneth LTanaka JAlexis Pet al.

North polar region of Mars:advances in stratigraphy,structure,and erosional modification

[J].Icarus,20081962):318-358.

[本文引用: 1]

董治宝李超吕萍.火星风沙地貌图[M].西安西安地图出版社2020.

[本文引用: 2]

张正偲董治宝.

风沙地貌形态动力学研究进展

[J].地球科学进展,2014296):734-747.

[本文引用: 5]

Olaya V.

Basic land-surface parameters

[J].Developments in Soil Science,2009833):141-169.

[本文引用: 1]

Gonzalez R CWoods R E.Digital Image Processing[M] Beijing,ChinaPublishing House of Electroics Industry2010.

[本文引用: 1]

Shary P ASharaya L SMitusov A V.

Fundamental quantitative methods of land surface analysis

[J].Geoderma,20021071):1-32.

[本文引用: 1]

Swain M JBallard D H.

Color indexing

[J].International Journal of Computer Vision,199171):11-32.

[本文引用: 1]

Stricker MOrengo M.

Similarity of color images

[J].Proceedings of SPIE-the International Society for Optical Engineering,19952420381-392.

[本文引用: 1]

汤国安刘学军闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].北京科学出版社2005.

[本文引用: 2]

丛殿阁庞红丽方苗.

基于DEM和ETM的腾格里沙漠北缘沙丘形态特征提取

[J].中国矿业,201423():153-159.

[本文引用: 2]

Mandelbort B B.The Fractal Geometry of Nature[M].New York,USAFreeman1982.

[本文引用: 1]

徐建华艾南山.

沙漠化的分形特征研究

[J].中国沙漠,2002221):6-10.

[本文引用: 2]

Clarke K C.

Computation of the fractal dimension of topographic surfaces using the triangular prism surface area method

[J].Computers & Geosciences,1989125):713-722.

[本文引用: 2]

李超董治宝吕萍.

火星沙丘地貌的形态学窥究

[J].科学通报,2020651):80-90.

[本文引用: 3]

龙毅周侗汤国安.

典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形研究

[J].山地学报,2007254):385-392.

[本文引用: 2]

Ewing R CKocurek GLake L W.

Pattern analysis of dune-field parameters

[J].Earth Surface Processes and Landforms,200631):1176-1191.

[本文引用: 1]

汪克奇赵晖Sheng Yongwei.

基于DEM数据的巴丹吉林沙漠沙丘分布规律及其形态参数

[J].中国沙漠,2020404):81-94.

[本文引用: 1]

赵孜博杨勤科王春梅.

坡度统计分析的最小面积阈值研究

[J].测绘科学,2020452):172-177.

[本文引用: 3]

董治宝吕萍.

深空探测时代的风沙地貌学

[J].地球科学进展,20193410):1001-1014.

[本文引用: 1]

Kong FKong WHu Bet al.

Sedimentary salts at Dalangtan Playa and its implication for the formation and preservation of martian salts

[C]//Lunar and Planetary Science Conference20131336.

[本文引用: 1]

Mayer DArvidson RWang Aet al.

Mapping minerals at a potential Mars analog site on the Tibetan Plateau

[C]//Lunar and Planetary Science Conference20091877.

[本文引用: 1]

Wang AZheng M.

Evaporative salts from saline lakes on Tibetan Plateau:an analog for salts on Mars

[C]//Lunar and Planetary Science Conference20091858.

[本文引用: 1]

Zheng MKong WZhang Xet al.

A comparative analysis of evaporate sediments on Earth and Mars:implications for the climate change on Mars

[J].Acta Geologica Sinica,2013873):885-897.

[本文引用: 1]

Dong ZHu GQian Get al.

High-altitude aeolian research on the Tibetan Plateau

[J].Reviews of Geophysics,2017554):864-901.

[本文引用: 1]

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