基于分維值和形狀指數的利川市謀道鎮土地利用變化研究

羅 瓊, 瞿聲華, 付存華

((湖北省核工業地質局,湖北 孝感 432000)

基于分維值和形狀指數的利川市謀道鎮土地利用變化研究

羅 瓊, 瞿聲華, 付存華

((湖北省核工業地質局,湖北 孝感 432000)

通過分維值和形狀指數對謀道鎮土地利用類型的復雜性和空間緊湊度進行研究,土地類型分維值排序為:草地<城鎮及工礦用地<園地<林地<耕地<交通運輸用地<其他用地<水域及水利設施用地。謀道鎮各土地利用類型具有分形特征,林、耕兩類用地的復雜性偏高,且穩定性較低,有必要在土地利用結構調整中進一步加大對此兩類用地的保護和集約利用;各土地類型地塊的空間緊湊度表現出隨地塊規模不斷增大而逐漸降低的特征,表明謀道鎮對規模田塊的集約利用程度仍有待提高。分維值和形狀指數可明確有效分析謀道鎮土地利用情況,分維值和形狀指數的分形理論對區域土地利用有著重要的指導意義。

分維值;形狀指數;土地規劃;土地利用類型

土地資源作為一種不可再生的自然資源,在人類社會經濟發展中發揮著極其重要的基礎性、戰略性作用[1],土地資源開發利用的科學性與合理性是社會可持續發展的必然要求。分形(Fractal)理論由法國數學家曼德爾布羅特(Mandelbrot)于20世紀60—70年代提出[2-4],經過不斷地發展,分形理論已被廣泛應用于城市空間形態、土地利用等多個研究領域[5-10]。土地利用類型作為人類與自然共同作用下的產物,具有不規則性、不穩定性和復雜性等特點,可以利用分維理論來進行探討。

謀道鎮是湖北省的重點口子鎮,也是鄂西南的旅游重鎮。本文以利川市謀道鎮為例,通過研究區各土地利用類型分維值和形狀指數的測定,對研究區土地利用類型的復雜性和緊湊度進行研究,闡述現階段研究區土地利用類型空間結構的特征。研究結果對了解鄂西南地區及具有邊貿屬性山區的土地利用空間結構特征具有重要指示意義,并可為優化區域土地利用結構和產業布局提供參考。

1 區域概況

謀道鎮地處鄂西南邊陲,位于利川市西北部,東鄰南坪鄉,南接汪營鎮,西、北與重慶市接壤,地理坐標東經108°33′45″～108°52′30″,北緯30°17′30″～30°37′30″,是鄂渝邊境的咽喉要道,湖北省的重點口子鎮。謀道鎮屬亞熱帶大陸季風性氣候,人口7.1萬人。依據全國第二次土地調查數據,全鎮總面積336 km2,土地利用總面積約337.47 km2。該鎮土地利用類型以耕地、林地為主,其中耕地面積約113.78 km2,占總面積的33.72%;林地面積約182.14 km2,占總面積的53.97%(圖1、表1)。

表1 謀道鎮土地利用現狀表

2 研究方法

2.1 分形理論

圖1 研究區土地利用現狀圖Fig.1 Map for present land use in research area

描述分形結構特征的參數為分形維數(Fractal Dimension)。1991年,曼德爾布羅特在研究動物腦褶分形結構時,提出分維值最初的計算模型,董連科[11]在他的基礎上通過物理量綱方法推導得出了n維歐式空間分維值的計算模型。目前土地利用研究中,廣泛采用的土地利用類型分維值的計算模型為:

lnA(r)=(2/D)lnP(r)+C

(1)

式中:C為常數,分維值D∈[1～2]。D值越大,說明地類斑塊在空間上的嵌套結構越趨于復雜,穩定性越低;D值越小,則說明地類斑塊在空間上的嵌套結構越趨于簡單,穩定性越高。對于某一土地類型而言,只要得到該土地類型中所有斑塊的面積和周長數據,然后構建如公式(1)的回歸模型。同時,研究表明,當D=1.5時,圖形處于一種布朗隨機運動狀態,此時圖形最不穩定[6-10]。因此可用圖形分維值與臨界值1.5的差值的絕對值|1.5-D|來對圖形的穩定性進行判定,得到的穩定性指數越小,則圖形越不穩定,反之圖形穩定性則越高。

2.2 形狀指數

形狀指數描述了地塊輪廓形態的特征,反映了地塊空間形態上的緊湊程度,計算公式[5]如下:

(2)

式中:H為形狀指數;L為斑塊周長;S為同一斑塊面積。形狀指數越小,地塊輪廓形狀越規整,緊湊度越高;形狀指數值越大,則表示地塊輪廓形狀越不規整,緊湊度越低(H=1時,地塊形狀為圓形,圓形內部各空間高度壓縮,是最為緊湊的圖形)。

3 研究結果與分析

3.1 分維值分析

依據分維值公式,通過構建各土地利用類型ln(A)與ln(B)的散點圖,并利用spss軟件進行線性回歸擬合,最終得到分維值D。圖2和表2中各土地類型ln(A)與ln(B)線性相關系數R2均在0.9左右,說明模型擬合度較高。同時,各土地類型回歸模型的P值均小于顯著性水平0.01,這表明回歸模型是顯著的,通過分形理論對研究區土地利用類型進行研究是可行的。

表2中各土地類型分維值排序為:草地<城鎮及工礦用地<園地<林地<耕地<交通運輸用地<其他用地<水域及水利設施用地。與其他用地比較,林地和耕地分維值最為接近,它們是謀道鎮主要的土地利用類型,其占比分別為53.97%和33.72%。林地和耕地在空間上相互嵌套最為緊密,彼此在邊界形狀上的影響最大,使得二者分維值呈現出相近的特征。從林地和耕地的穩定性指數來看,二者距離穩定性臨界值1.5較近,其穩定性指數分別為0.113和0.073,表明這兩種土地類型在空間上的穩定性較差。鑒于謀道鎮近幾年經濟快速發展,林地和耕地保護壓力逐漸增大,因此,在后期土地利用結構調整過程中,謀道鎮應進一步加大對此二類用地的保護和合理利用,提高土地集約節約利用程度。

圖2 各土地類型散點圖Fig.2 Maps for scatter plot of each land type

表2 各土地類型分維值

Table 2 Fractal dimension value of each land type

土地類型回歸方程R2P值分維值穩定性指數耕地y=1．4017x+0．13290．93540．0001．4270．073園地y=1．5095x-0．41460．9160．0001．3250．175林地y=1．4418x-0．0270．94360．0001．3870．113草地y=1．5722x-0．79520．93770．0001．2720．228城鎮及工礦用地y=1．5713x-0．64220．93620．0001．2730．227交通運輸用地y=1．3426x+0．75710．99920．0001．4900．01水域及水利設施用地y=1．1657x+1．47890．88390．0001．7160．216其他用地y=1．3073x+0．75370．95560．0001．5300．03

草地在所有土地類型中分維值最低,僅為1.272,這表明草地在空間上的嵌套結構相對趨于簡單,邊界形狀較為規整。謀道鎮草地資源主要分布在東南部的齊岳山處,是中國南方最大的山地草場,草地資源在空間分布上相對集中連片,因此,使得草地的分維值較低。同時,其穩定性指數為0.228,也說明草地邊界形狀較為規則,空間上的穩定性較高。

城建用地分維值為1.273,略大于草地,說明其在空間嵌套結構上也趨于簡單,邊界形狀也呈現規整的特征。這主要是由于城建用地面積所占比例較小,在空間上呈相對集中分布。同時,城鎮自身建設也要求用地結構較為規整、緊湊,以充分發揮城鎮自身的功能,使得城建用地分維值較小。城建用地穩定性指數較大,為0.227,說明其空間穩定性較強。目前來看,謀道鎮城鎮近期建設主要是沿318國道,呈南北軸線有序延伸發展。

水域及水利設施用地分維值最大,達到了1.716,表明其邊界形狀較為復雜,與這類用地大多保留自然邊界形態密切相關。用地穩定性指數0.216,說明其空間形態較為穩定,謀道鎮水域及水利設施用地在空間嵌套結構上趨于復雜的特征在短期內不會改變。

園地分維值為1.325,略小于林地,謀道鎮園地所占比例較少,主要分布在區域中部和西北部,在空間上較為集中連片,使得用地邊界形狀較為規整。其穩定性指數為0.175,說明用地在空間形態上較為穩定。

交通用地和其他用地所占比例較小,分別僅占研究區土地利用總面積的0.04%和0.24%。二者分維值分別為1.490和1.530,穩定性指數分別為0.01和0.03,說明用地邊界形狀較為復雜,空間形態穩定性較低。

3.2 形狀指數分析

依據形狀指數計算公式,對各土地類型的形狀指數進行計算。為了更好地體現出不同尺度的土地類型形狀指數的特征,反映出地塊規模變化與形狀指數之間的關系,本文將各土地類型進行了分類。依據研究區實際情況,采用自然間斷點分級法對各土地類型進行分類,本文在此將各土地類型按照不同尺度由小到大分為7類(表3)。

從表4和圖3中可以看出,各土地類型均表現出隨地塊規模不斷增大,形狀指數也逐漸走高的趨勢,說明地塊規模不斷增大,而地塊空間形態的緊湊程度卻在逐漸變小。受地形的影響,各土地類型地塊規模由小增大時,其空間形態逐漸趨向于長條形和破碎化特征,而這其中,又以林地和耕地最為突出,從而造成規模較大地塊形狀指數較高。這表明,謀道鎮在土地利用的過程中,對規模田塊的集約節約利用程度還有待提高。因此,謀道鎮在日后的土地利用結構調整中,應進一步提高土地利用效率,尤其是進一步加大規模田塊的集約利用程度。

表3 各土地類型不同尺度分類表

表4 不同尺度各土地類型形狀指數

圖3 不同尺度各土地類型形狀指數Fig.3 Shape indexes of each land type in different scales

4 結語

(1) 研究區各土地利用類型具有較強分形特征,通過分形理論對研究區土地利用的科學性與合理性進行分析是可行的、有意義的。

(2) 謀道鎮土地利用類型邊界形狀的復雜程度各不相同,穩定性也各有差異。謀道鎮土地利用類型穩定性較低,這主要是耕地、林地在空間上的穩定性較低造成的,在耕、林兩類用地保護壓力不斷增大的背景下,謀道鎮應進一步加大對這兩類用地的保護和合理利用,以提高用地整體集約利用程度。

(3) 對謀道鎮不同尺度地塊的形狀指數研究發現地塊空間形態的緊湊程度表現出隨地塊規模不斷增大而逐漸降低的特征。這說明謀道鎮對規模田塊的集約利用程度仍有待提高。

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[11] 董連科.分形理論及其應用[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1991.

(責任編輯：陳文寶)

Analysis on Land Use Change Based on Fractal Dimension Value and Shape Index—A Case Study of Moudao Town，Lichuan

LUO Qiong, QU Shenghua, FU Cunhua

(NuclearIndustryGeologyBureauofHubeiProvince，Xiaogan，Hubei432000)

Based on fractal dimension value and shape index，the authors analyse the complexity and spatial compactness of Moudao town’s land use types，and point out that the fractal dimension value sequence of land type is grassland

fractal dimension value； shape index； reallocation of land； land use types

2016-01-21;改回日期:2016-03-18

羅瓊(1980-)女,工程師,碩士,地球化學專業,從事資源勘查和同位素地球化學研究工作。E-mail:luoqiong_2005@126.com

F301

A

1671-1211(2016)05-0784-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.026

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0814.006.html 數字出版日期:2016-08-11 08:14