新文章发表：遥感发现失落的古代黄河

黄河 去趋势

本小组的博士生仉淑艳在Geomorphology（地貌学）上新近发表一篇论文《A new method for supporting interpretation of paleochannels in a large scale — Detrended Digital Elevation Model Interpretation》，介绍了我们开发的一种通过将数字地形模型做去趋势处理后增强古河道信息的方法，对古黄河在华北平原上的历史痕迹做了逐一跟踪，并且有所发现。

论文链接（杂志规定前50天是可以网络免费获取的）
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X20303470?dgcid=author

Geomorphology是中科院期刊分区地学2区，但是却是一个少见的TOP期刊，因此还算一个有特点的小众期刊。

在中国古代，受自然环境的影响，河流的河道变化频繁。古河道变化的研究可以为河道整治和水利建设提供依据，也可为地理环境演变提供重要的科学依据。然而，由于传统研究方法和现在的遥感解译的限制，古河道的位置确定极其困难。本文将介绍一种支持大尺度古河道解译的新方法——去趋势数字高程模型解译，该方法能极大提高大范围古河道识别的便利性与准确性。

自古以来，黄河自太行山脉以南出山，流经华北平原的广大地区，古河道交错复杂。且黄河的流经区域跨越山川平原，高程变化巨大。想要确定如此大范围又复杂的古河道的位置，仅仅采用钻孔资料和现有的遥感解译方法是很难做到的。例如，在光学影像利用作物和土壤标志可以识别古河道。然而，由于粗糙的光谱和空间分辨率、障碍物的存在等原因，古河道的痕迹通常只能部分可见。因此，这些年利用数字高程模型（DEM）作为数据源进行古河道解译越来越受欢迎。因为DEM不受周围地物环境的影响，真实的反应地形结构。当利用DEM在如此大范围、海拔变化巨大地区进行解译时，受高程差的影响，高海拔地区地物清晰可见，而低海拔地区却会变得模糊不清（图1.a）。因此往往采取DEM可视化技术来处理原始DEM，以突出低海拔地物细节。现有的阴影、渲染等可视化技术在突出低海拔地区地物细节方面有一定作用，但还不足够。因此本研究提出了一种新的DEM可视化技术——去趋势（Detrending）。

去趋势是指将河道的整体河谷坡度（down-valley slope）从DEM中去除的过程。河道的边缘被用来近似河谷的坡度。在此基础上，可以创建去趋势面，将DEM的地形由倾斜状态变为水平状态。河流的地形在这一过程中保持完整。去趋势DEM实质上是原始DEM的平版本，保留了局部地形变化，但缺少了DEM的整体坡度。去趋势技术减小了DEM的高程差，使低海拔地区地物清晰可见（图1.b）。

图1.(a)原始DEM和(b)去趋势DEM的比较

在去趋势DEM的基础上，利用辅助数据和历史资料，通过GIS分析对华北平原上的黄河古河道进行解译。解译得到的黄河古河道如图2，共分7个时期，包括山经和禹贡河时期(公元前2278年—公元前602年),秦、西汉时期(公元前602年—公元11年),东汉(公元11年—1048年),辽、宋王朝(公元1048年—1128年),南宋、金、元时期(公元1128年—1368年),明清时期(公元1368年—1855年),和现在的黄河(公元1855年至今)。实线代表地面上的古河流遗迹，可以用去趋势DEM进行识别；虚线代表从历史资料中追溯出来的古代河流。

图2.华北平原黄河古河道变迁图。

古河道变迁图中的古黄河河道，大多与前人所描述的古河道相吻合。但在翻阅历史资料时发现，阳谷县附近的东汉古河道与中国历史地图集上所绘有所不同。据《阳谷县纪》记载，金堤又称“王景堤”，是东汉时期王景治理黄河时修筑的。因此，该处古河道应位于金堤河北侧的金堤附近。巧合的是，在去趋势DEM中，金堤河北侧也存在线性轨迹(图3.a)。由此大胆推断，这些线性轨迹是金堤附近古河道的真实路径。图3.b为本研究推断的古河流与前人描述的河道的对比图。

图3.东汉金堤附近的古黄河地图

本研究提出的去趋势DEM解译方法，为提取大面积河流迁移的详细信息提供了可能。与其他遥感影像解译方法相比，采用去趋势DEM获得的解译图像具有更清晰的目视解译效果和更高的解译精度。去趋势DEM在显示地形细节时不容易受到周围环境的影响。此外，该方法可以去除整体地形梯度，弥补了原始DEM低海拔区域的细节模糊问题。用该方法修改的历史河流图对古河流考古学和历史地理学的研究也具有重要意义。

联系方式

陈甫 副研究员
中国科学院空天信息创新研究院
chenfu@aircas.ac.cn
13811147935