海面-地面系統(tǒng)中三維古地面反演計(jì)算的剝蝕算法研究

王 琳,鐘鶴翔,謝志仁

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇南京 210008;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100039; 3.江蘇省信息中心,江蘇南京 210013;4.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210097）

海面-地面系統(tǒng)中三維古地面反演計(jì)算的剝蝕算法研究

王 琳1,2,鐘鶴翔3,謝志仁4

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇南京 210008;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100039; 3.江蘇省信息中心,江蘇南京 210013;4.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210097）

三維古地面反演計(jì)算是海面-地面系統(tǒng)研究中的一個(gè)基礎(chǔ)研究。該文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了三維古地面反演計(jì)算的剝蝕算法,并與傳統(tǒng)的加積算法做了比較分析,得出剝蝕算法比加積算法有對(duì)時(shí)間序列離散判斷簡(jiǎn)單、方便計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),在GIS平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了該算法,并以長(zhǎng)江三角洲地區(qū)為試驗(yàn)區(qū),進(jìn)行了古地面虛擬反演計(jì)算,取得了較好的效果。

地理信息系統(tǒng);海面-地面系統(tǒng);古地面反演計(jì)算

地理環(huán)境的表達(dá)和認(rèn)知、古地理環(huán)境的恢復(fù)和再現(xiàn),始終是國(guó)內(nèi)外地學(xué)、地圖學(xué)、認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱點(diǎn);研究并建立基于 GIS技術(shù)和虛擬環(huán)境技術(shù)的沿海地區(qū)古地貌演變模型是海面-地面系統(tǒng)變化研究的一個(gè)重要方向[1-3]。三維古地面反演計(jì)算是古地理環(huán)境恢復(fù)和再現(xiàn)的重要研究?jī)?nèi)容之一,也是海面-地面系統(tǒng)研究中的基礎(chǔ)內(nèi)容。海面-地面系統(tǒng)研究就是將海面升降變化和地面升降變化作為一個(gè)統(tǒng)一的整體加以考察,通過(guò)對(duì)保存在地面外部形態(tài)特征和內(nèi)部地層構(gòu)成中有關(guān)信息的提取,用來(lái)演繹海面和地面變化的歷史過(guò)程、當(dāng)前動(dòng)態(tài)和未來(lái)趨勢(shì)[4]。在海面-地面系統(tǒng)中,如何進(jìn)行古海面-地面變化的反演以及未來(lái)海面-地面變化的預(yù)演是整個(gè)研究的核心。對(duì)于海面-地面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的模擬計(jì)算、古地面高程的反演計(jì)算、古地形模擬已有一些研究成果[5-13]。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出海面-地面系統(tǒng)中三維古地面的剝蝕算法,并在GIS平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了該算法;然后選擇長(zhǎng)江三角洲地區(qū)進(jìn)行三維古地面反演模擬,取得了較好的效果。

1 三維古地面反演計(jì)算的剝蝕算法

1.1 剝蝕算法

傳統(tǒng)的三維古地面反演計(jì)算模型是以沉積物隨時(shí)間的推移在沉積基底之上逐漸加積從而導(dǎo)致地面升高為主線,同時(shí)考慮到海面的升降、地殼升降運(yùn)動(dòng)與沉積物壓實(shí)沉降等地球物理作用而設(shè)計(jì)的概念模型,在此基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)出三維古海面計(jì)算模型。該算法在時(shí)間尺度離散上存在著時(shí)間斷點(diǎn)判斷復(fù)雜、計(jì)算困難等缺點(diǎn)。鑒于此,通過(guò)逆向思維方式提出了三維古地面計(jì)算的剝蝕算法。算法的基本思路如下:現(xiàn)代地形中空間上離散點(diǎn)的高程值,都是由地殼運(yùn)動(dòng)、沉積作用及沉積壓實(shí)作用等在一定的地質(zhì)時(shí)間內(nèi)共同作用的結(jié)果。因此從現(xiàn)代地形中層層剝離掉這些作用造成的地面增高,便可以反演古地形的高度,同時(shí)與當(dāng)時(shí)的古海面高程進(jìn)行基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換,從而得到各離散點(diǎn)的古高程值。

對(duì)于單一離散空間點(diǎn)的古高程計(jì)算式如下:

式中:O ld ET為歷史反演目標(biāo)時(shí)間 T時(shí)期的古高程值;L an E為現(xiàn)代的地形高度;U pperSedDT為歷史反演目標(biāo)時(shí)間T到現(xiàn)在這一連續(xù)時(shí)段內(nèi)的沉積物厚度;U pperConSed T為歷史反演目標(biāo)時(shí)間 T到現(xiàn)在這一連續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度;TecV、EusV、Com V分別為歷史反演目標(biāo)時(shí)間T到現(xiàn)在這一連續(xù)時(shí)段的平均地殼升降運(yùn)動(dòng)速率、地殼均衡運(yùn)動(dòng)速率和沉積壓實(shí)作用速率;O ldSLT為歷史反演目標(biāo)時(shí)間 T時(shí)期的古海面高程,用來(lái)進(jìn)行古海面基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換計(jì)算。其計(jì)算流程如圖1所示。

計(jì)算式(1）中用到的各數(shù)據(jù),假設(shè)將10 000 aB.P.至今分為 N個(gè)時(shí)段,并給出每個(gè)時(shí)間分段的時(shí)間點(diǎn)。具體計(jì)算流程如下。

(1）計(jì)算各時(shí)段的沉積持續(xù)時(shí)間:ConSed T[i]。每個(gè)地面離散點(diǎn)的沉積持續(xù)時(shí)間首先取決于它開(kāi)始接受沉積的第一時(shí)段的位置。在精細(xì)的古地貌模擬中,不能將地層界面視為等時(shí)面。例如,沿海地帶不同地點(diǎn)的全新世沉積起始時(shí)間應(yīng)該是一個(gè)與古地面高程和遭受全新世海侵相關(guān)的變量,不能簡(jiǎn)單地一律設(shè)定為10 000 aB.P.,而必須通過(guò)一定的判別計(jì)算才能確定。基本計(jì)算公式為:

圖1 古海面-地面變化中三維古地面反演計(jì)算流程Fig.1 The flow chart of three-dimensional paleosurface inversion algorithm in sea level-land surface changes

式中:i為第i個(gè)時(shí)段;ConSed T[i]為在第i個(gè)時(shí)段內(nèi)的沉積延續(xù)時(shí)間;Sub T[i]為時(shí)間段的分段時(shí)間點(diǎn);StartT為該離散點(diǎn)上開(kāi)始接受沉積的起始時(shí)間。3個(gè)公式分別表示3種情況下ConSed T[i]的值。計(jì)算時(shí)先判斷StartT位于哪個(gè)時(shí)間分段內(nèi),假設(shè)其位于第i個(gè)分段內(nèi),則第i個(gè)分段以前的各段沒(méi)有沉積,沉積持續(xù)時(shí)間為0,即:ConSed T[i-1]=0;第i個(gè)分段內(nèi)的沉積持續(xù)時(shí)間為第i個(gè)時(shí)段的分段時(shí)間點(diǎn)與沉積開(kāi)始時(shí)間之差,即:Start T-Sub T[i];第i個(gè)分段后的所有分段的沉積持續(xù)時(shí)間為相鄰兩個(gè)分段時(shí)間點(diǎn)的差,即:Sub T[i]-Sub[i+1]。

(2）計(jì)算不同時(shí)段內(nèi)的沉積速率:SedV[i]。由于整個(gè)沉積時(shí)期的不同時(shí)段內(nèi)的沉積速度不同,要想達(dá)到最佳的歷史時(shí)期古地貌的擬合效果,就必須把整個(gè)沉積厚度離散分段,根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)對(duì)不同時(shí)期賦以不同的比值,這樣在計(jì)算中不同的時(shí)期就會(huì)有沉積速率的差異。SedV[i]的計(jì)算公式為:

式中:SedV[i]為第i個(gè)時(shí)間分段內(nèi)的沉積速率; Sed T為整個(gè)模擬時(shí)段內(nèi)形成的沉積厚度;ConSed T [1]…ConSed T[N]為每個(gè)分段的沉積延續(xù)時(shí)間;k [i]為沉積速率分量控制參數(shù)。

(3）計(jì)算沉積厚度(即每個(gè)時(shí)段的沉積速度與沉積持續(xù)時(shí)間積之和）:U pperSedD T。公式如下:

式中:SedV[i]T為所求目標(biāo)時(shí)間T(或沉積開(kāi)始時(shí)間StartT）所在時(shí)間分段的沉積速度;ConSed T[i]T為所求目標(biāo)時(shí)間T(或沉積開(kāi)始時(shí)間Start T）所在時(shí)間分段的沉積持續(xù)時(shí)間。

(4）計(jì)算升降校正:Rec H T。公式為:

式中:TecV、EusV和Com V分別是該離散點(diǎn)的垂直方向上構(gòu)造運(yùn)動(dòng)速率、均衡運(yùn)動(dòng)速率和壓實(shí)作用速率;U pperConSed T則為所求目標(biāo)時(shí)間到目前的沉積持續(xù)時(shí)間。

(5）計(jì)算古地面高程?；竟綖?

式中:O ld ET為歷史反演目標(biāo)時(shí)間 T以現(xiàn)代高程系為基準(zhǔn)的古地面高程;Land E為該地面離散點(diǎn)的現(xiàn)代地面高程;U pperSedDT為歷史反演目標(biāo)時(shí)間 T到現(xiàn)在這一連續(xù)時(shí)段內(nèi)的沉積物厚度;R ec HT為升降校正高度。

(6）古海面基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換計(jì)算?；竟綖?

式中:OldSLT為基于現(xiàn)代高程系的古海面高程,當(dāng)古海面值低于現(xiàn)代海面時(shí)取古海面高程為負(fù)值,否則為正值;SLO ld ET為基于古海面基準(zhǔn)高程的古地面高程值,該值體現(xiàn)的是反演目標(biāo)時(shí)間的海陸關(guān)系。

通過(guò)以上計(jì)算可以得到三維古地面的高程,然后通過(guò)檢驗(yàn),對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行判斷,基本符合驗(yàn)證數(shù)據(jù)的結(jié)果便是所求結(jié)果,對(duì)于不符合的則重新進(jìn)行計(jì)算。

1.2 算法模型所需數(shù)據(jù)分析

從算法模型的古高程計(jì)算方程可以看出,該算法所需的原始數(shù)據(jù)主要有4類(lèi):沉積啟動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)、沉積厚度數(shù)據(jù)、沉積校正數(shù)據(jù)和古海面高程數(shù)據(jù)。其中沉積校正數(shù)據(jù)又包含:地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地殼均衡運(yùn)動(dòng)和沉積壓實(shí)作用產(chǎn)生的沉積校正數(shù)據(jù)。在整個(gè)反演算法計(jì)算過(guò)程中,通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)半自動(dòng)的時(shí)空離散來(lái)達(dá)到算法的自適應(yīng)計(jì)算模擬,并通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的驗(yàn)證逐步向真實(shí)的古海面-地面地形逐步逼近,以得到最佳反演結(jié)果。因此,算法中除原始數(shù)據(jù)外,還有時(shí)間離散控制參數(shù)和空間離散控制參數(shù)。

(1）沉積啟動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)。沉積啟動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)是控制反演區(qū)域沉積開(kāi)始時(shí)間的數(shù)據(jù),它是通過(guò)空間離散控制參數(shù)把整個(gè)反演區(qū)域離散為柵格點(diǎn)沉積起始時(shí)間。在晚更新世末期的低海面時(shí)期,現(xiàn)在的三角洲平原區(qū)是一個(gè)大面積處于水面以上的受侵蝕的丘陵崗地地貌,起伏的地形決定了遭受海水淹沒(méi)并開(kāi)始接受沉積的時(shí)間會(huì)有很大差別。因此每個(gè)柵格點(diǎn)開(kāi)始接受沉積的起始時(shí)間是不同的,該值可以通過(guò)滑動(dòng)底界模型求得[4]。

(2）沉積厚度數(shù)據(jù)。對(duì)于三角洲近海及平原區(qū)域,第四紀(jì)以來(lái)的沉積物加積作用是造成古地面變化的最為重要的因素,因此沉積厚度數(shù)據(jù)決定了整個(gè)反演計(jì)算結(jié)果的精度,也決定了時(shí)空離散參數(shù)的設(shè)定。因?yàn)檎麄€(gè)算法都是建立在對(duì)沉積厚度數(shù)據(jù)數(shù)理分析的基礎(chǔ)上,只有通過(guò)對(duì)沉積厚度的分析,才能獲取相對(duì)精確的時(shí)間分段并計(jì)算出各個(gè)分段的平均沉積速率。

(3）沉積校正數(shù)據(jù)。沉積校正數(shù)據(jù)是用來(lái)校正地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地殼均衡運(yùn)動(dòng)和沉積壓實(shí)作用對(duì)海面-地面高程的影響。但3種運(yùn)動(dòng)計(jì)算比較困難,在實(shí)際的試驗(yàn)中可以由簡(jiǎn)單模式確定,如平行狀等速率線所代表的向海掀斜運(yùn)動(dòng)模式;地殼均衡運(yùn)動(dòng)、沉積壓實(shí)作用與沉積厚度呈線性關(guān)系。算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)留有數(shù)據(jù)接口和線性關(guān)系式參數(shù)接口。

(4）古海面高程控制。古海面高程是反演古海面-地面系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)演變的重要控制參數(shù),它是相對(duì)古地面的一個(gè)重要的高度參考數(shù)據(jù)。在實(shí)際試驗(yàn)中可以對(duì)已知離散時(shí)間上的古海面高度進(jìn)行內(nèi)插從而求得目標(biāo)時(shí)刻的古海面高度,以此作為相對(duì)古地面的基本海面標(biāo)高。

(5）空間離散控制參數(shù)。通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)(包括現(xiàn)代地形數(shù)據(jù)、沉積厚度數(shù)據(jù)等）進(jìn)行柵格化來(lái)對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行空間離散。在整個(gè)研究區(qū),通過(guò)數(shù)據(jù)分析,將沉積過(guò)程基本一致、數(shù)據(jù)采集良好的區(qū)域分割成一個(gè)個(gè)單一試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn);然后對(duì)每個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行柵格化,柵格的大小可以根據(jù)試驗(yàn)的要求和原始數(shù)據(jù)的精度來(lái)確定。

(6）時(shí)間離散控制參數(shù)。在整個(gè)第四紀(jì)地質(zhì)時(shí)期的沉積過(guò)程中不同時(shí)段的沉積速度有差異,但不可能把每個(gè)時(shí)段的沉積速度都求出?？梢愿鶕?jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn),在對(duì)原始的沉積厚度、鉆井資料分析的基礎(chǔ)上,把試驗(yàn)區(qū)的整個(gè)沉積過(guò)程大致分成幾個(gè)相應(yīng)的沉積間段,在每個(gè)沉積間段內(nèi)假設(shè)有著同樣的沉積速率。不同時(shí)段間的沉積速率有個(gè)比值,在模型計(jì)算過(guò)程中可以調(diào)整此比值來(lái)進(jìn)行不同沉積間段的沉積速度控制,在算法中可以通過(guò)時(shí)間分段技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算過(guò)程的自動(dòng)、半自動(dòng)反演計(jì)算。

從數(shù)據(jù)分析可以看出,沉積厚度數(shù)據(jù)是影響反演計(jì)算結(jié)果的最重要的數(shù)據(jù)。而對(duì)研究區(qū)進(jìn)行時(shí)空離散,通過(guò)時(shí)間分段技術(shù)進(jìn)行的時(shí)間維度的離散,計(jì)算不同時(shí)段內(nèi)的平均沉積速率,并可以通過(guò)模型對(duì)每個(gè)時(shí)段內(nèi)的沉積速率自動(dòng)調(diào)節(jié),達(dá)到模型自我不斷反演逼近真實(shí)地形的算法思想與數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。

1.3 與傳統(tǒng)算法比較分析

在傳統(tǒng)的算法中以沉積基底上的沉積物加積作用為基本計(jì)算依據(jù),同時(shí)考慮到海面的升降、地殼運(yùn)動(dòng)與沉積壓實(shí)等地球物理作用等來(lái)計(jì)算古地面,姑且把該算法稱(chēng)為“加積算法”,其基本方程如下:

式中:Lan E-Sed T項(xiàng)的地學(xué)意義是現(xiàn)代的地形(Lan E）剝除模擬時(shí)段內(nèi)形成的沉積總厚度(Sed T）之后,以現(xiàn)代高程基面計(jì)算的古地形高程,即模擬的起始地貌面;Low erConSed T為沉積持續(xù)時(shí)間:TStartT;Low erSedDT為從沉積起始時(shí)間到特定反演目標(biāo)時(shí)間T時(shí)段內(nèi)的沉積厚度,其計(jì)算公式為:

式中:Low erConSed T[i]T為目標(biāo)時(shí)間T所在的第i個(gè)時(shí)間分段到第i-1個(gè)時(shí)間分段的沉積延續(xù)時(shí)間。

從式(10）可以看出,剝蝕算法與加積算法的主要差異為所求的沉積物厚度位于目標(biāo)時(shí)間T之前還是之后(圖2）。

圖2 兩種算法所求沉積物厚度的位置差異Fig.2 Location differentia between the aggradation thickness as results of the two kinds of algorithm

Low erSedD T的求解思路與U pperSedD T基本相同,即每個(gè)時(shí)段的沉積速度與沉積持續(xù)時(shí)間積的和。SedV[1]s為開(kāi)始沉積的所在時(shí)間分段的沉積速度;Low erConSed T[1]s為沉積開(kāi)始時(shí)間StartT的所在時(shí)間分段沉積持續(xù)時(shí)間;SedV[i]T為所求目標(biāo)時(shí)間T所在的時(shí)間分段的沉積速度;Low er-ConSed T[i]T為所求目標(biāo)時(shí)間T所在的時(shí)間分段的沉積持續(xù)時(shí)間。

比較式(6）和式(11）可以看出:式(11）要多求解一個(gè)SedV[1]s和Low erConSed T[1]s;此外,由于StartT與目標(biāo)時(shí)間T在時(shí)間分段上的位置差異,使得LowerConSed T[1]s和LowerConSed T[i]T在時(shí)間分段上定位的情況可能比較多。僅考慮所求目標(biāo)時(shí)間在沉積起始時(shí)間之后的情況,StartT與目標(biāo)時(shí)間T可能性分布如圖3,共有N×(N+1）/2種可能性。

圖3 StartT與目標(biāo)時(shí)間 T可能性分布Fig.3 The possible distribution of Sta rtT and target T

在加積算法實(shí)現(xiàn)時(shí),可以先判斷Start T與T的先后位置。如果StartT在T之后,則沒(méi)有沉積,整個(gè)Low erSedD T為零;如果StartT在T之前,需分別判斷StartT和T所在的時(shí)間分段,這樣將N×(N+1）/2種可能性的判斷減少為2N次判斷。

在剝蝕算法實(shí)現(xiàn)時(shí),在判斷StartT與T的先后位置后,如果StartT早于T,則從所求目標(biāo)時(shí)間T開(kāi)始計(jì)算沉積厚度;如果StartT晚于T,則從沉積起始時(shí)間StartT開(kāi)始計(jì)算沉積厚度。這樣只需判斷StartT或T的時(shí)間分段的位置,最多判斷N次。與加積算法相比對(duì)于一個(gè)離散的柵格單元就減少一半的判斷次數(shù),當(dāng)對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以大大減少循環(huán)判斷的次數(shù),提高運(yùn)算速度。

綜上所述,剝蝕算法和加積算法雖然在計(jì)算步驟上基本相同,而且兩個(gè)計(jì)算公式可以相互轉(zhuǎn)換,因此它們?cè)谠紨?shù)據(jù)相同,控制參數(shù)數(shù)據(jù)項(xiàng)目、反演目標(biāo)時(shí)間相同的情況下,反演計(jì)算的結(jié)果是相同的。但是它們?cè)跁r(shí)間分段技術(shù)上采用算法思想不同,在計(jì)算對(duì)于沉積持續(xù)時(shí)間位置判斷的次數(shù)上有很大差異。從上面的比較可以看出,如果把整個(gè)沉積時(shí)間分為N段,則剝蝕算法只需進(jìn)行2N次判斷,而加積算法則需進(jìn)行N×(N+1）/2次判斷,剝蝕算法能夠大大提高計(jì)算速度。

2 三維古地面計(jì)算的剝蝕算法試驗(yàn)

三角洲是陸海相互作用的產(chǎn)物,海面-地面系統(tǒng)變化是三角洲發(fā)育演變的控制性因素[1]。研究三角洲地區(qū)的海面-地面系統(tǒng)變化可以為三角洲平原古環(huán)境反演研究提供依據(jù)。本文選取長(zhǎng)江三角洲地區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行三維古地面反演計(jì)算的剝蝕算法試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)范圍為:北緯32°10′～30°30′,東經(jīng)119°20′～122°。根據(jù)剝蝕算法,在A rcGIS平臺(tái)下,通過(guò)VBA+Desktop的開(kāi)發(fā)方式對(duì)該算法進(jìn)行開(kāi)發(fā),在開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)區(qū)域的剝蝕算法試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)備上,采用現(xiàn)代地面高程、全新世沉積厚度古海面標(biāo)高、全新世分時(shí)段沉積速率比值、構(gòu)造升降速率、均衡調(diào)整速率、壓實(shí)作用速率等數(shù)據(jù)作為古地面反演計(jì)算模擬的原始數(shù)據(jù),將考古遺址點(diǎn)數(shù)據(jù)、古海濱砂堤數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中空間離散參數(shù)選取了50 m ×50 m的柵格;在時(shí)間離散上對(duì)1萬(wàn)年前的地質(zhì)歷史時(shí)期劃分了早、中、晚3個(gè)時(shí)期,分別為1 000～7 500 aB.P.、7 500～2 500 aB.P.、2 500 aB.P.至今;壓實(shí)作用速率和地殼均衡調(diào)整速率采用與沉積厚度呈線性關(guān)系的控制關(guān)系式參數(shù)數(shù)據(jù)。在不同沉積速率比等控制參數(shù)條件下對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行三維古地面反演計(jì)算,并通過(guò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)的驗(yàn)證分析,最終得出較好的模擬結(jié)果。其模擬結(jié)果的部分古地面時(shí)間切片如圖4。試驗(yàn)結(jié)果顯示了該研究區(qū)的現(xiàn)代海陸格局大體上在3 000 aB.P.奠定基礎(chǔ)。在全新世海侵的大背景下,盡管這次模擬所采用的海面控制參數(shù)在全新世中期曾經(jīng)幾度高于現(xiàn)代海面,但從模擬結(jié)果看,研究區(qū)從未成為汪洋大海,有大片的陸地可供古人棲息。但是也不排除研究區(qū)內(nèi)歷史上可能有不少地帶曾受海洋的影響,幾度成為0～-2 m的海濱濕地。

圖4 部分模擬結(jié)果的二維渲染Fig.4 Some simulation results of two-dimensional renderingmap

3 結(jié)論與討論

(1）本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了三維古地面反演計(jì)算的剝蝕算法,并與傳統(tǒng)的加積算法相比,發(fā)現(xiàn)剝蝕算法在對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行離散、分時(shí)段求沉積速率和沉積持續(xù)時(shí)間,從而求得古地面的計(jì)算模擬上,有著沉積時(shí)間位置判斷簡(jiǎn)單、方便計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。

(2）本算法的核心思想是對(duì)研究區(qū)進(jìn)行時(shí)空離散逐步逼真的反演模擬,其中最重要的是通過(guò)時(shí)間分段技術(shù)所進(jìn)行的時(shí)間維度的離散。該算法思想與原始數(shù)據(jù)無(wú)關(guān),可以廣泛應(yīng)用于主要由沉積作用造成的古地形變化的反演計(jì)算過(guò)程中,目前已有學(xué)者把該算法應(yīng)用于黃土高原的古地形反演模擬中。已實(shí)現(xiàn)的算法模型可以廣泛應(yīng)用到大河三角洲沖積地區(qū)的古地形反演計(jì)算。該算法的計(jì)算結(jié)果精度取決于研究區(qū)數(shù)據(jù)的精度,尤其是沉積厚度數(shù)據(jù)的精度。

(3）利用GIS平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了三維古地面反演計(jì)算的剝蝕算法,并以長(zhǎng)江三角洲地區(qū)作為試驗(yàn)區(qū),進(jìn)行了古地面虛擬反演計(jì)算,取得較好的模擬效果。

(4）在本研究的算法實(shí)現(xiàn)和地區(qū)試驗(yàn)中,仍需進(jìn)一步探討和完善。例如,本文僅對(duì)全新世以來(lái)的沉積延續(xù)時(shí)間根據(jù)早、中、晚三個(gè)時(shí)期離散成3段,并分別求出這3段的沉積速率,在今后的研究中應(yīng)對(duì)時(shí)段進(jìn)一步離散后再進(jìn)行計(jì)算,并進(jìn)行比較分析,得出在計(jì)算效率和結(jié)果上最佳的分段組合。

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Research on Denudation Arithmetic of Three-Dimensional Paleosurface Inversion Algorithm in Sea Level-Land Surface System

WANG Lin1,2,ZHONG He-xiang3,XIE Zhi-ren4
(1.N anjing Institute of Geography and L im nology,Chinese Academ y of Sciences,N anjing 210008;
2.Graduate University of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100039;3.Jiangsu Information Center, N anjing 210013;4.College of Geographical Science,N anjing N orm al University,N anjing 210097,China）

Three-dimensional paleosurface inversion algo rithm is a basic study in sea level-land surface system research.Based on p revious studies,a denudation arithmetic of three-dimensional paleosurface inversion calculation is p roposed.The algorithm is to peel off the layersof increased heightw hich was caused by crustalmovement,sedimentation,and sedimentary compaction,etc.in a certain geological period of time,and inverse the height of ancient terrain.Then,a datum conversion of the inversed height is conducted using the ancient sea surface height at that time,and get the value of discrete pointsof the ancient elevation.The algorithm is independent w ith the raw data,and can be w idely used in the calculation of the inversion p rocess mainly caused by deposition of ancient terrain changes.The calculation accuracy of denudation arithmetic depends on the accuracy of the data in study areas,especially the accuracy of sedimentary thickness.Compared w ith traditional aggradation arithmetic,the denudation arithmetic ismuch more convenient in time sequence discrete judgments.In addition,the Yangtze River Delta region is selected as a case study area to perfo rm the denudation arithmetic,and better results areobtained w hen an inversion calculation to simulate 10 thousand years terrain changes in this region p rocessed.

geographic information system;sea level-land surface system;paleosurface inversion algo rithm

P208

A

1672-0504(2010）02-0049-05

2009-09-27;

2009-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40171008）

王琳(1981-）,女,博士研究生,主要從事資源利用與生態(tài)效應(yīng)、區(qū)域環(huán)境建模及其應(yīng)用等研究。E-mail:wanglinnt@126.com