基于矢量和柵格數據的土地利用穩定性研究
——以山東省臨沂市為例

吳 晨，張 建 新，吳 國 平，劉 培 學，汪 佳 莉，范 慶 亞

(南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210093)

基于矢量和柵格數據的土地利用穩定性研究
——以山東省臨沂市為例

吳 晨，張 建 新，吳 國 平*，劉 培 學，汪 佳 莉，范 慶 亞

(南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210093)

數據格式(矢量和柵格)和柵格粒度的選擇對準確分析土地利用穩定性、正確指導土地利用規劃至關重要。該文以臨沂市2010年1∶5 000比例尺土地利用現狀圖為基礎數據源，運用分形理論和GIS技術研究不同數據源下臨沂市區土地利用類型的分維值和穩定度。結果表明：臨沂市土地利用總體穩定性弱，建設用地、園地穩定性較強，水體、未利用地、林地穩定性較弱，耕地、交通用地、草地屬于受數據格式影響大的敏感地類；敏感地類突出反映了矢量和柵格研究結果的偏差，最佳適宜粒度下的柵格數據產生的是平穩偏差，通過采用第一尺度域內的粒度作為最佳適宜粒度降低了與矢量結果的偏差。該研究對土地利用景觀格局分析中數據源的選擇具有參考意義。

矢量；柵格粒度；土地利用；分維值；穩定度：臨沂市

城市發展過程中存在的土地資源浪費、土地利用不穩定等狀況不利于城市可持續發展。區域土地利用穩定性研究可以為優化土地利用結構和可持續利用土地資源提供依據。分形理論近年來被廣泛應用于土地利用穩定性研究[1-9]。但已有的研究數據或來源于矢量格式土地利用現狀圖，或來源于柵格格式土地利用現狀圖，同時用這兩種數據結構分別對同一區域的土地利用穩定性進行對比研究則少有涉足。在實際研究中為簡化結構，減少數據量，通常將矢量數據柵格化，直接利用Fragstats軟件得到相應的分維值對土地利用穩定性開展研究。但柵格化過程存在數據精度損失[10]，無論如何提高轉換精度，都會產生一定的誤差，如面積、圖斑形狀結構、幾何位置、屬性等誤差[11]。本研究聚焦于不同格式土地利用數據源得到的土地利用穩定性研究結果有何相同及不同之處、分維值和穩定度隨著柵格粒度的不同會有何變化，以臨沂市2010年1∶5 000比例尺土地利用現狀圖為基礎數據源，同時將其柵格化為10～300 m不同粒度大小的柵格數據，分別基于矢量和柵格數據對土地利用穩定性進行研究，并對結果進行比較分析，為數據源的選擇提供參考。

1 研究區概況與數據來源

臨沂市(34°22′～36°13′N，117°24′～119°11′E)地處山東省東南部，是山東省面積最大的城市，屬溫帶大陸性季風氣候，地形以沖積平原為主，河網密集。本研究選取臨沂市中心城區(蘭山、羅莊、河東三區)為研究區，年均氣溫13.7℃，2010年城區總面積2 288.22 km2，總人口210.93萬人。臨沂市城鎮化發展起步相對較晚，2010年城鎮化率為48%，低于山東省平均水平，同時也表明臨沂市的城鎮建設空間很大，其土地利用強度將越來越大，勢必導致土地數量、質量、利用類型的改變及土地形態的破壞。因此，對其土地利用結構穩定性的研究顯得尤為必要。

矢量數據為2010年臨沂市區1∶5 000比例尺土地利用現狀圖(基于二調)，來源于臨沂市國土資源局。土地利用類型參考《土地利用現狀分類》 (2007)，同時根據研究需要將《土地利用現狀分類》中的05、06、07、08、09一級類歸并為建設用地，共分為耕地、林地、草地、園地、建設用地、交通用地、水體及未利用地8大類。結合研究區的面積將土地利用矢量現狀圖通過ArcGIS10.0中Feature To Raster工具轉換為10～300 m、間隔10 m的不同粒度的柵格數據。社會經濟數據來源于《臨沂統計年鑒2011》。

2 研究模型與方法

2.1 分維模型

本文的研究對象是一類具線狀分形特征的土地斑塊，因此選擇景觀格局分析中適用于這一特征的面積-周長分維數度量各地類的分形情況。公式如下：

lnA=(2/D)lnP-lna

(1)

其中，A為斑塊面積，P為同一斑塊周長，D為分形維數，a為待定常數[12]。如果研究區土地利用類型具有分形特征，則各地類斑塊的面積、周長對數散點圖回歸于一條直線，通過直線的斜率即可求得土地利用類型的分維值[13]。D值介于1～2之間，D越大表明地類邊界越彎曲，形狀復雜；D=1.5時，表明地類斑塊處于一種隨機運動狀態，結構不穩定。

基于柵格數據的周長-面積分維值通常由Fragstasts軟件直接計算得到，計算公式和含義參見文獻[14]或Fragstasts 網站(http://www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html)。

2.2 穩定度模型

采用徐建華等[15]給出的土地利用穩定性指數S，計算公式如下：

S=|1.5-D|

(2)

其中，D為相應土地利用類型的分維數。S越小表明土地利用類型越不穩定。

2.3 研究方法

基于矢量數據的分維值和穩定度的計算主要在Excel 2007中完成。首先從ArcMap中將8大地類各自所有斑塊的周長、面積等屬性字段導到Excel對應的工作簿中，然后利用Excel的函數功能對周長、面積兩列數據取對數進行線性分析，最終得到各地類及景觀層次下斑塊的周長-面積線性關系式(如式(1))，進而求得各地類的分維數D和穩定度S。

柵格數據分維值的計算主要在Fragstats4.2中實現。每個粒度數據分別選取景觀水平上的周長-面積分維數(PAFRAC)和類型水平(Class metrics)上的周長-面積分維數作為景觀格局指數，然后將各粒度下的周長-面積分維值按地類和景觀層次整理到Excel中，計算相應的穩定度，繪制分維值—粒度、穩定度—粒度關系圖，最后找出最佳適宜粒度對臨沂市土地利用穩定性進行定量評價。

3 結果分析

3.1 基于矢量數據的土地利用穩定性

根據矢量數據得到的臨沂市各景觀類型的分維值和穩定度結果如表1。臨沂市區各地類斑塊的周長和面積相關系數均大于0.92，二者具有高相關性。各分維值均介于1～2之間，表明臨沂市區土地具有分形特征，可以用分維值和穩定度對其土地利用結構穩定性進行分析。

表1 基于矢量數據的各景觀類型的分維值和穩定度

Table 1 Fractal dimension and stability of landscape types based on vector data

景觀類型總面積(km2)斑塊數周長面積對數關系式相關系數分維值穩定度景觀層次2288.218132661lnA=1.6195lnP-1.06090.9371.2350.265耕地1113.46865242lnA=1.7780lnP-1.87280.9591.1250.375林地178.52817859lnA=1.5928lnP-0.93940.9391.2560.244園地76.0915755lnA=1.7085lnP-1.46470.9571.1710.329水體155.15513094lnA=1.3421lnP+0.25760.9251.4900.010草地13.2621477lnA=1.6112lnP-1.16480.9491.2410.259建設用地670.98621864lnA=1.7108lnP-1.53000.9801.1690.331交通用地76.2646861lnA=1.2786lnP+0.10380.9211.5640.064未利用地4.464509lnA=1.5883lnP-0.96320.9541.2590.241

表1中景觀層次分維值是1.235，穩定度為0.265，表明臨沂市整體土地利用穩定性良好，景觀結構較簡單。這主要是因為2010年是《臨沂市土地利用總體規劃(2006-2020)》的近期規劃年和《臨沂市土地開發整理規劃(1997-2010)》的最后一年，土地規劃成果顯著，土地利用由粗放型向集約型轉變，內部結構得到了優化。

從類型層次上看，各地類穩定度關系是耕地>建設用地>園地>草地>林地>未利用地>交通用地>水體。耕地和建設用地的穩定性較高，主要是因為 “十一五”期間臨沂市對土地集約利用采取了一系列高效措施。耕地方面，臨沂市規劃建設標準化農田，保護集中連片的耕地，調出零星破碎、區位偏僻、不易管理的基本農田等；建設用地方面，制定《開發建設房屋搬遷安置和征地補償的實施辦法》， 中心城區、城中村實施了大規模的拆遷改造，此外，建設用地(尤其是城鎮用地)多分布在城區規整的交通廊道，形狀規則，穩定度較高。耕地和建設用地面積占臨沂市總面積的78%，這兩大地類的高穩定性保證了臨沂市整體土地利用的相對穩定。

臨沂市新增的園地、林地、牧草地大多是利用緩坡地，并按照適宜性原則對布局進行調整，使其穩定性較高。然而，臨沂市未利用地結構復雜，在城鎮化建設中數量不斷變化，穩定度較低。

水體的穩定性最小，次之是交通用地。臨沂市的水體多是自然形態，其中形狀復雜、不規則的溝渠、坑塘等占據了整個水體的38%，使得水體整體穩定性很低。交通用地大類下面包括農村道路，其占整個交通用地的35%。2010年臨沂市城鎮化水平為48%，農村交通用地多是鄉間小路，這些村路規模小且分散，導致整個交通用地的穩定性較差。

3.2 基于柵格數據的土地利用穩定性

圖1是各地類的分維值(縱坐標)隨粒度(橫坐標)變化的趨勢圖，圖2是各地類的穩定度(縱坐標)隨粒度(橫坐標)變化的趨勢圖,其中的水平趨勢線依次是矢量分維值(圖1)和矢量穩定度(圖2)。

圖1 各景觀類型分維值的粒度效應

Fig.1 The relationship between perimeter-area fractal dimension and grain sizes of landscape types

所有的分維值介于1～2之間，證實了臨沂市土地在各柵格粒度下均具有分形特征，可以從分形角度對土地利用穩定性進行研究。從分維值和粒度的關系(圖1)看：1)耕地、林地、景觀層次、建設用地、水體、園地、草地和交通用地、未利用地走勢相似，即都是在粒度較小(10～40 m或50 m)時呈快速增加(或減小)狀態，之后隨著粒度變大分維值上升(下降)幅度變緩，說明臨沂市這幾個景觀類型在粒度較小時(10～40 m)分維值對粒度的響應最強烈，之后變弱，40 m(或50 m)是斑塊面積、周長、屬性等特征信息丟失力度的轉折點。2)交通用地是最特殊的一類,其分維值隨著粒度的增大而變小，且二者相關性較高。交通用地主要呈條帶狀分布，某些斑塊(如大量農村道路)二維面狀特征不明顯，在分辨率較小(粒度較大)時可簡化為一條線或略去，這些小的道路信息丟失，剩下的較寬整的公路、鐵路等被規則的單元格劃分，結構簡單，分維值變小。當粒度較小時,大量較小的、邊界崎嶇的農村道路仍然得以表現，結構復雜，故分維值較高。3)分別觀察圖1、圖2中各景觀類型粒度曲線與矢量分維值和矢量穩定度的偏離情況，發現水體、交通用地等廊道型景觀在一定柵格粒度下求得的分維值(穩定度)與相應的矢量分維值(矢量穩定度)相同，其他非廊道型景觀各柵格粒度的分維值均大于矢量分維值，穩定度均小于矢量穩定度。

景觀層次和各地類穩定度隨粒度變化趨勢可分為三類：1)呈現先減小后增加趨勢，但轉折點不同。景觀類型、耕地、林地、水體、建設用地屬于這一類，耕地、林地在100 m左右轉折，景觀類型在200 m左右轉折，水體在50 m，建設用地在250 m。2)隨粒度增加總體呈現減小趨勢，在一定粒度之后圍繞某一值上下波動。這一類有園地、草地、交通用地，大致在150 m之后變化緩慢，均圍繞某個接近零的值波動。3)趨勢變化不太明顯。未利用地面積少、用地特征模糊，其穩定度隨粒度變化趨勢不明顯。

粒度不同會對研究區景觀格局的分析產生較大的影響[16]，因而必須選擇合適的柵格粒度對臨沂市土地利用穩定性進行分析。通常根據第一尺度域尋找最佳適宜粒度[17]。圖1和圖2中大多數地類第一轉折點出現在30 m或40 m，總體上臨沂市1∶5 000土地利用圖的第一尺度域為(10 m，30 m)，最佳適宜粒度為20～30 m，根據粒度最小最佳的原則[20]最終確定20 m為臨沂市1∶5 000土地利用圖的最佳柵格粒度，用以穩定性分析。同時，本文(1∶5 000比例尺)的第一轉折點30 m比趙傳武等得出的100 m(1:250 000比例尺)、150 m(1∶500 000比例尺)都要小，遵循了隨著比例尺增大景觀指數值第一尺度轉折點到來越早的一般規律[20]，結果比較合理。

圖2 各景觀類型穩定性的粒度效應

Fig.2 The relationship between stability and grain sizes of landscape types

20 m粒度下景觀層次的穩定度為0.149，其他各地類穩定性關系為建設用地>園地>草地>耕地>交通用地>林地>未利用地>水體(表2)，穩定性均小于0.3。結合前面矢量各地類穩定性關系發現，建設用地、園地、林地、未利用地相對關系變化不大，耕地和交通用地變化最大，次之是草地和景觀層次，水體穩定性仍然最差。在將各地類穩定度達到0.3視為穩定性強的標準下，臨沂市土地利用總體穩定性弱，建設用地、園地穩定性較強，水體、未利用地、林地穩定性較弱，耕地、交通用地、草地穩定性受數據格式影響較大。當用20 m×20 m的柵格表現臨沂市土地利用圖時，一些較小的、邊界崎嶇的農村道路信息丟失，此時交通用地的穩定度相對矢量數據下的穩定性變大。臨沂市耕地的斑塊面積基本大于400 m2，在20 m粒度下大量的大斑塊被分割成破碎小斑塊，導致耕地總體穩定性下降。可見斑塊面積、存在狀態、分布方式、斑塊數量等均影響柵格化的信息損失量。

表2 基于20 m柵格粒度的各景觀類型的分維值和穩定度

Table 2 Fractal dimension and stability of landscape types based on the grid size of 20 m

景觀層次耕地林地園地水體草地建設用地交通用地未利用地分維值1.3511.3311.371.3091.4751.311.2641.6681.38穩定度0.1490.1690.130.1910.0250.190.2360.1680.12

4 結論和討論

通過對臨沂市2010年土地利用類型的分形研究，發現用分形模型對臨沂市土地利用穩定性進行研究具有可行性。臨沂市土地利用總體穩定性弱，建設用地、園地穩定性較強，水體、未利用地、林地穩定性較弱，耕地、交通用地、草地屬于受數據格式影響大的敏感地類。

矢量數據下的研究結果能真實反映土地利用情況，但存在龐大的數據處理問題，因此數據結構相對簡單的柵格數據成為景觀格局研究青睞的數據源。在一定精度下柵格數據的研究結果可以替代矢量數據，但也存在著適宜粒度的選取和敏感地類的問題，如本文中20 m是臨沂市土地利用穩定性研究的最佳粒度，耕地、交通用地、草地是敏感地類。本文研究結果表明：1)敏感地類突出反映了矢量和柵格研究結果的偏差。偏差的最初來源是柵格化過程中諸如斑塊形狀、面積、分布方式、斑塊數等的精度損失。2)偏差分平穩偏差和偶然偏差，最佳適宜粒度的柵格數據產生的是平穩偏差，同時通過采用第一尺度域內的粒度作為最佳適宜粒度可以降低與矢量結果的偏差。3)廊道型景觀(水體、交通用地)的矢量分形指數(矢量分維值和穩定度)和柵格分形指數(柵格分維值和穩定度)的關系呈現出一致的規律，非廊道型景觀的研究結果呈現出另一類規律；還需更多基于矢量和柵格數據的景觀指數研究來探索廊道型景觀和非廊道型景觀各自的響應規律以及這些規律是否具有共性。4)探索數據格式對土地利用景觀格局分析產生的具體影響，不僅為評判此類研究結果的可行度和嚴謹性提供依據，同時為研究區土地的合理規劃和利用、區域持續快速發展提供參考。

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Stability Study of Land Use Based on Vector and Raster Data:A Case Study of Linyi City in Shandong Province

WU Chen，ZHANG Jian-xin，WU Guo-ping，LIU Pei-xue，WANG Jia-li，FAN Qing-ya

(School of Geography and Ocean Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

It is very important that an appropriate data format or an appropriate grain size is selected to accurately analyze land-use landscape patterns and rationally guide land use planning.Based on urban land and use map of Linyi in 2010 ,this paper used fractal theory and GIS as guide for the study of the fractal dimension and stability of land-use types based on different data format .There were some results as followings:1)the overall stability of land use in Linyi City was low.The stability of construction land and garden land was high relatively and that the water land,unused land and forestland was lower,and cultivated land,traffic land and grassland were more sensitive to the influence of data format.2)The sensitive land-use types highlighted the deviation between raster results and vector results .The results deviation generated by the raster data under the most appropriate grain size was smooth and steady.By using the size in the first scale domain as the most appropriate grain size,the deviation between raster results and vector results was reduced.All in all,the research has important reference value for the format selection of data sources in the analysis of land use landscape pattern.

vector;grid size;land use;fractal dimension;stability;Linyi City

2015-04-24；

2015-11-30

吳晨(1990-)，女，碩士研究生，主要從事GIS在土地規劃中的應用研究。*通訊作者E-mail:wood2258@qq.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.01.022

F301；P208

A

1672-0504(2016)01-0117-05