大数据揭示地貌河流活动性的独特模式与速率：开启河流研究新视野

　　为探究河流地貌调整模式和速率的相关理论，研究人员利用 Landsat 影像（1988 - 2019）得出的位置概率，对菲律宾 10 个流域 600 km2 的河床动态进行量化研究。结果发现河流活动性空间变化不均，且与局部因素无单调关系，该研究为河流行为研究提供新视角。

　　在广袤的大自然中，河流就像大地上的灵动血脉，不断地演变着。长久以来，河流地貌调整的模式和速率一直是科学界的重要研究课题。过去，河流地貌学家虽已开发出多种预测工具，但大多局限于对不同河道模式类型的调整形式和速率的评估，对于河流系统整个活动宽度内的地貌活动性，在系统和局部尺度上都缺乏严谨的记录。尽管从全球尺度利用卫星分析能发现河流范围变化（侵蚀和沉积）的热点区域，但想要深入了解河流在动态景观中的行为，仅关注这些是远远不够的。

在这样的背景下，来自英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）、利物浦大学（University of Liverpool）、伦敦布鲁内尔大学（Brunel University London）、新西兰奥克兰大学（University of Auckland）以及菲律宾大学（University of the Philippines）等多所机构的研究人员，共同开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦于菲律宾 10 个大型河流系统，利用多十年的卫星数据，对 101 - 102 km 的河流河段进行研究，旨在揭示地貌河流活动性的规律。最终，他们的研究成果发表在《Nature Communications》上。

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研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。首先，利用谷歌地球引擎（Google Earth Engine，GEE）从 Landsat 卫星影像中提取二进制活动河道掩码（binary active channel masks），通过归一化差异植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和修改后的归一化差异水指数（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）等多光谱指数对活动河道进行分类。然后，运用 MATLAB 对提取的掩码进行清理和质量检查，去除误分类的伪影。最后，通过计算位置概率（locational probability）来量化地貌河流活动性，并结合全国数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）进行地形分析。

下面来看具体的研究结果：

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• 卫星衍生的位置概率：研究人员将 1988 - 2019 年的 32 年 Landsat 卫星影像处理成两年时间窗口，对活动河道进行分类，并计算每像素的位置概率。位置概率分布通过累积频率分布（CFD）曲线来总结，同时计算了跨谷位置概率（cross - valley locational probability），以此来表示地貌河流活动性的空间动态。
• 跨空间尺度的地貌河流活动性：CFD 曲线和每像素位置概率的统计数据表明，不同流域的河流活动性存在显著差异。所有干流河道都有一定程度的活动性，最稳定的河道约一半的活动河道面积在整个分析期内持续被占据，而最不稳定的河道这一比例不到五分之一。跨谷位置概率显示，河道在空间上呈现出相对稳定区和不稳定区交错分布的特征，不同河道的活动性热点在大小、位置和强度上都有所不同。对时间跨度的分析发现，系统尺度上地貌河流活动性具有一定的稳定性，但空间模式的持续性存在差异，许多河段的地貌河流活动性存在时间变化。
• 局部因素对地貌河流活动性的控制：通过对不同河流上谷形态快速变化区域的研究，分析局部因素（活动河道宽度、谷底宽度和约束比）与跨谷位置概率的关系。结果发现，活动河道宽度与跨谷位置概率的相关性最强且为负相关，即较窄的活动河道部分更稳定；谷底宽度与跨谷位置概率的相关性较弱且为负相关。然而，这些关系在不同的干流河道之间存在差异，从整体数据来看，无法确定局部因素与地貌河流活动性之间的单调关系。
• 动态河道模式分类：研究人员选取了具有相似平均每像素位置概率的单线程和多线程河道模式的河流段进行分析，发现河道模式类型与调整速率之间没有关系。对于具有相似平均每像素位置概率的河流段，无论河道模式如何，其地貌河流活动性行为相似。这表明传统的静态河道模式分类方法需要改进，应补充表示其动态性的指标。

研究结论和讨论部分意义重大。通过卫星衍生的位置概率对地貌河流活动性的量化，为研究河流横向调整的空间变异性提供了新的视角。研究发现河流活动性在空间上呈现非均匀变化，不同尺度上的调整模式和速率具有独特性，这强调了在地貌研究中，基于过程的线性形态动力学和基于历史的非线性复杂地貌学的互补重要性。虽然局部因素对河流横向调整有重要影响，但由于涉及众多变量及其复杂的相互作用，预测河流活动性仍然困难。卫星衍生的位置概率为河道模式分类提供了新方法，有助于重新评估现有的解释河道模式的经验和理论方法，为河流健康和恢复能力的评估提供支持，对基于自然的河流管理应用具有重要意义。但该研究中位置概率方法隐含了数据集的时间平稳性假设，未来还需要进一步探索河流平面形态变化的时间性。这项研究为河流地貌学的发展开辟了新的道路，让我们对河流在动态景观中的行为有了更深入的理解。

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