土地利用結構分形特征動態分析

陸彩紅，安 如

（1.河海大學 地科學與工程學院，江蘇 南京 210098）

土地利用結構分形特征動態分析

陸彩紅1，安 如1

通過解譯徐州市礦區1990年、2000年、2010年3期TM影像，獲取土地利用類型、面積、斑塊數等屬性數據。利用Fragstats軟件，計算3個時期各地類的分形維數和穩定性指數。在分析3個時期土地利用數量變化的基礎上，研究分形維數與穩定性指數的動態變化特征，從不同地類的空間形態的變化上定量探討徐州礦區20 a土地利用的演變。結果表明，1990～2000年，徐州礦區空間形態趨于簡單，穩定性上升；2000年是一個轉折點，1990年相對于2000年，5類地物分維數降低，穩定性上升；

土地利用變化；分形理論；徐州礦區

由于自然和社會經濟等條件的地區差異性以及人們對其利用目的和方式的不同，形成了不同的土地利用結構。根據其成因和基本特征，土地利用結構可理解為某一區域內各種土地利用類型在質和量上的對比關系，以及組合形成的一定格局或圖式，包括數量結構和空間結構兩方面。按照系統論的觀點，結構決定功能，土地利用系統的核心在于土地利用結構[1]。不同土地利用類型斑塊具有不同圖形信息特征。因此可以通過斑塊形態指標來揭示土地利用空間形態內在特征。但是土地利用的空間形態具有不規則、不穩定和復雜性。傳統的歐氏幾何只適合于描述簡單、規則的實體。這里選擇分形來定量揭示這種復雜特征。國外對土地利用分形維數的研究起步較早，Batty[2]和Cola[3]等曾用周長-面積分型維對城市及區域范圍內土地利用類型的分形維數做過系統的分析。也有學者將其利用在評價城市化過程中土地利用/覆蓋變化的環境影響[4]、解釋與評價土地利用變化模型的預測結果[2]等方面。

我國在土地利用的分形研究方面做了大量的研究。通過各土地利用類型的形態復雜程度和結構穩定度在時間維上的變化，把握其動態特征，可為土地資源的可持續發展提供有利借鑒[5-9]。徐州礦區近20 a來經濟快速發展，土地利用發生了劇烈變化，用地內部結構發生了巨大的調整，礦區土地利用結構的動態研究對其今后的規劃發展很有必要。

1 研究區與數據處理

徐州礦區位于江蘇省北部，處于隴海、津浦鐵路干線交點,京杭運河流經礦區，交通發達，是淮海經濟發展區的中心，華東地區重要的交通樞紐。本文采用USGS網站下載的1990年、2000 年和2010年的Landsat TM遙感影像數據，同時以徐州市行政區劃圖（2000年）和1∶50 000地形圖、徐州市礦區1990～2000年的人口、耕地等社會經濟統計數據作為輔助參考。

數據處理時，以地形圖為基準，先對2010年TM影像圖進行幾何精校正，然后以2010年遙感影像為基礎，分別對1990年和2000 年遙感影像進行幾何精校正，參照土地利用現狀分類原則以及徐州礦區土地利用實際情況，通過監督分類，將礦區土地類型分為水體、林地、耕地、建成區和未利用地5類，3期圖像的Kappa系數均大于85%, 滿足精度需要（圖1）。

2 研究方法和分形模型計算

通過對3期遙感影像的解譯，得到徐州礦區土地利用類型分類，在ArcGIS中計算斑塊面積及周長，然后根據各年份5種土地類型的面積、斑塊屬性在Fragstats軟件中計算出分形維數和穩定性指數，并且討論3個年份分維數與穩定性的動態變化特征。

Mandelbrot在研究動物腦褶分形結構時提出表面積S（r）與體積V（r）的分形關系為[10]：

圖1 徐州礦區3期主要土地利用類型圖

而董連科[11]應用Mandelbrot的分形幾何體形態結構模型推導出適合n維歐氏空間的分維計算公式，對于二維空間中分形幾何體，其分維為：

式中，D為土地斑塊的分維，其值的大小表示該斑塊要素鑲嵌結構的復雜性與穩定性；A （r ）代表以r為測量尺度的某種土地斑塊類型面積；P （r）為該斑塊類型的周長；C為常數；2/D為斜率，分維D等于2除以斜率，D值介于1～2 之間。對于某一種景觀要素而言，D值越大，表示該要素鑲嵌結構越復雜；當D=1.5 時，表示該景觀要素處于一種類似布朗運動的隨機狀態，即結構最不穩定；D值越接近于1.5，表示該要素越不穩定。

各斑塊要素鑲嵌結構空間形態穩定指數SK為：

SK值越大，表示景觀要素空間形態越穩定，也表示某類地物抵抗人類活動或自然災害干擾能夠維持其自身形狀的能力。穩定性指數是檢驗土地利用形態穩定性的指標，其值反映土地利用形態在簡單和復雜情況下的穩定程度。

3 實驗分析

3.1 土地利用數量變化分析

從表1可以看出：①建成區（包括農村居民點和城市居民點）面積1990～2000年增加了21 467．7 hm2。

2000～2010年增加了16 006．86 hm2，分別增長了35．7%、19．6%。這表示，2000～2010年建成區面積增加趨緩。1990～2000年斑塊數目減少了1 288個，2000～2010年斑塊數目增加了536個。②水體面積1990～2000年增加了602．64 hm2，增長速率為3．9%。2000～2010年面積增加了6 670．61 hm2，增長速率為42．44%。由各時期的土地利用分類圖可以看出，礦區中部與南部的湖泊河流并沒有太大改變，導致2000～2010年水域面積快速增加的是，礦區塌陷地變為水體，以及微山湖附近由原有的耕地變為水體，這是人為的退耕還湖與礦區塌陷地改造湖泊的結果。③耕地面積由于經濟發展的原因，一直在減少。1990～2000年減少了20 031．03 hm2，2000～2010年減少了22 064．85 hm2。但是斑塊數目不斷增加，說明耕地更加破碎。④林地面積變化處于先降低，后升高狀態。⑤未利用地在這20 a間一直在減少。

表1 土地利用數量變化表

3.2 土地利用分形維數與穩定性指數分析

3.2.1 分形維數與穩定性指數總體變化分析

從3期數據分維數與穩定性指數的平均值上看（表2、圖2、圖3），徐州礦區土地利用空間形態1990～2000年間較為簡單，2000～2010年間趨于復雜。通常，分維數的減少表明土地斑塊與其周邊其他斑塊的接觸面減小，邊界干擾的機會越小，土地類型邊界越規整，用地越緊湊。分維值增加表明區域內土地利用斑塊形態趨于復雜，各地類型在空間上趨于相互交錯和滲透，土地利用更復雜無序。總體上，1990～2010 年空間形態趨于簡單，穩定性指數平均值從1990年的0．342 3上升到2010年的0．353 8，空間結構更加穩定。

表2 土地利用分形維數、穩定性指數表

圖2 1990~2000年各土地利用類型分維數

圖3 1990~2000年各土地利用類型穩定性指數

根據各年份的穩定性排序，可見水體的空間形態較穩定，建成區的空間形態較不穩定。從穩定性指數的變化上，1990～2000年，建成區、耕地的穩定性指數增量大，2000～2010年，除去未利用地的穩定性稍增加，其他各類地物的穩定性都在降低，其中以耕地與建成區穩定性減少最多。總體上，1990～2010年20 a間，除耕地外，各類地物的穩定性都在上升。

綜合看分維值與穩定值，建成區屬于分維值較高，而穩定值較低的一類，而水體屬于分維值較低，穩定值較高的一類，可以說明人類在改造土地利用結構這一過程中，人造景觀侵食自然景觀，受人類活動影響大的地類空間形態復雜、穩定性降低。

3.2.2 分形維數與穩定性指數動態變化分析

根據圖4、5，可得3個時期各類地物的分維數與穩定值的變化情況。

1）水體。在5類地物中水體的分維數變化量比較小，1990～2000年水域的面積增加了602．64 hm2，分維值減少了0．011，水體開發是分維數減少的主要原因。2000～2010年分維數增加了0．001 2，邊界形態較以前稍復雜，穩定性下降了0．001 2，變動不大。結合2000～2010年水體面積大幅度的增加，說明在近10 a的發展中該地區更加注重水體的保護。總體上，1990～2010年水域的分維值減小，盡管對水體采取保護措施，但經濟的發展，城市的擴張，對水體的形態還是產生了一定影響。

圖4 1990~2000年地類分維數動態變化

2）林地。林地的情況與水體大致一致，1990～2000 年徐州市林地面積減少，分維值減少0．027 7，穩定值增加0．027 7，這一時期存在為了發展侵占林地，林地轉換為耕地的情況，體現對林地規劃開發，人類干預的結果。2000～2010年，林地面積增加，分維值增加了0．019 7。

3）耕地。耕地是5類地物中分維值變化較大的一類地物。1990年和2000年耕地的分維數一直處于較低值，耕地是受人類影響較大的地類，耕地外圍輪廓規則，分維數較低。且這一時期分維值減少了0．034 7，穩定值增加了0．034 7。說明這時期耕地向著形態規整，空間結構穩定的方向發展。2000～2010年分形維數增加了0．049，穩定性指數減少了0．049。由表1看出，2000～2010年耕地斑塊數增加了159個，面積繼續減少，耕地斑塊更加破碎，形態復雜，分維數增加，穩定性下降。

4）建成區。1990～2000年建成區面積增加了21 467．7 hm2，分維值增減少了0．063，穩定值增加了0．063，是這一時期分維值減少最多，穩定值增加最多的地類，注重城市發展規劃、城市內部空隙被填充，是分維減少的原因。2000～2010年面積增加了16 006 hm2，分維值增加0．047，穩定值減少了0．047。近10 a，是礦區城市化快速發展時期, 徐州市經濟快速發展，城鎮化迅速，人口的增加和建設用地大量占用耕地、未利用地，人類活動對建成區這類地物作用十分劇烈, 原本相對比較規整的土地利用斑塊因缺乏土地規劃管理制約，在快速開發行為下，土地利用結構穩定性下降，邊界復雜，其分維數增加。雖然2010年相較于1990年建成區分維值下降0．016，穩定性上升0．016，建成區土地利用總體向著集約、規整、穩定的方向發展，但是從2000～2010年的數據變動不難看出，經濟的高速發展不可避免地帶來土地利用的不合理性。

5）未利用地。徐州礦區未利用地以山體裸巖為主，1990～2010年，未利用地面積一直處于減少的趨勢，分維數持續下降，穩定值持續增加。

4 結 語

通過分形維數能夠表現各種土地類型的空間形態特征變化趨勢，數據顯示：①1990～2010 年，徐州礦區土地利用發生了巨大變化，其土地利用空間結構也隨之發生了較大變化。整體上從3期分維數與穩定值的平均數上看，徐州礦區5類土地類型的空形態基本經歷了由復雜到簡單，再到復雜的過程，穩定性基本經歷了由穩定到不穩定，再到穩定的變化，唯獨未利用地穩定性在一直上升。綜合看，1990～2000年徐州礦區空間形態趨于簡單，穩定性在上升。這標志著土地利用向一種較好的方向發展。②2000年是一個轉折點，1990年相對于2000年，5類地物處于分維數都在降低，穩定性上升狀態。對于建成區，由于城市發展規劃，城市內部空隙被填充，耕地則更為規整。而林地則處于被過度開發規劃的狀態，分維數降低。2010年相較于2000年，總體上5類地物趨于分形維數上升，穩定性下降的狀態，特別是建成區與耕地分形維數與穩定性，均體現出分形維數上升，穩定性大幅下降，表明斑塊破碎程度加劇、形狀更加復雜，體現出該區處于工業化中期階段，建設用地總量擴張迅速。城市化加速發展，2000年以來徐州城市總體規劃提出主城區建設用地以向東和東南方向發展為主 ,并在徐州東南方向規劃面積50 km2，居住人口40多萬的城市新區[12]。新規劃指出，2005年全市二三產業比重為86．0%，城市化水平為44．1%，正處于工業化、城市化加速發展時期，土地利用表現為建設用地總量擴張與結構調整并行，總量增長占主導，成長型土地利用特征明顯。水體與林地分形維數的小幅度上升，穩定性下降，可以看出是近10 a徐州市對于水體、林地的采取還湖、退耕還林的政策，產生了良好的效果。

土地利用空間形態的變化與經濟發展、城市擴張、生態保護的基本趨勢一致[13]。將分維與其他景觀指數一起探討土地利用變化研究，是一種研究土地利用變化的有效方法。在徐州礦區未來的土地利用中，應該堅持對水體與林地的保護，使它們回復到自然狀態，面對經濟發展需要，耕地資源日益減少的現狀，今后徐州礦區土地利用的規劃中應該謹慎發展，珍惜土地。

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P237

B

1672-4623（2016）01-0082-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.024

陸彩紅，碩士，研究方向為遙感技術方法與應用。

2015-04-13。

項目來源：國家科技支撐計劃資助項目（2013BAC03B04）；國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2009CB421105）；江蘇省“六大人才高峰”資助項目（2017-B09030）。

2010年相較于2000年，特別是建成區與耕地這2類地物分形維數上升，穩定性下降幅度較大。在城市化驅動下，經濟發展，城市擴張，生態保護是區域土地利用分形特征與結構穩定變化的主要驅動因素。