基于分形理論的洪山區土地利用變化研究

鄧書涵，彭 祎，董 可

(成都理工大學 地球科學學院，四川 成都610059)

1 研究區及數據源

1.1 研究區概況

洪山區，隸屬湖北省武漢市，因境內有洪山而得名，位于武漢市東南部，東與鄂州市隔長江相望，南鄰江夏區，西北環抱武昌區、青山區，東北與新洲區隔江相望。總面積約為480.2 平方公里。洪山區地貌以平原為主，有山有水，水闊地寬，西北略低，東南略高。洪山區屬亞熱帶季風濕潤區，全區水域面積約19.9 萬畝，占洪山區總面積的23.3%，在全國大城市區域中居首位。

1.2 數據源來源

研究數據來自中國科學院地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn/)，以2000 年、2011 年的Landsat5 TM遙感影像和2017 年的Landsat8 OLI 遙感影像為主要數據源。

在Map GIS 10 平臺的支持下，導入下載的影像數據，對其進行投影變換、柵格裁剪，并通過噪音去除、輻射校正等進行預處理操作。再進行AOI 區編輯，參照全國土地利用現狀分類標準(GT/T2010-2017)，將研究區土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、未利用地、城鄉建設用地和水域6 個地類，采用監督分類中的最大似然法，得到三個期次的土地利用分類結果，對分類后結果進行精度評價，并對分類后數據進行小區合并、錯分/漏分改正等處理，最后獲得解譯成果圖像(圖1)。經檢驗各幅解譯圖像Kappa 系數均大于85%。

圖1 2000-2017 年洪山區土地利用類型面積變化

2 研究方法

土地利用數量變化是區域土地利用變化研究的基礎和核心內容。其變化不僅反映在不同類型面積總量的變化上，同時也可以通過分析和比較土地利用變化的總量變化，揭示區域土地利用變化總的態勢及其結構變化特征。

土地利用與土地覆蓋變化幅度的模型(式1)為：

式(1)中，Ua、Ub分別為研究初期和末期某一土地利用類型的面積;Rd為研究時段內某一土地利用類型的變化幅度。

土地利用變化的速度可以通過土地利用動態度模型進行定量度量，可以反映區域土地利用動態變化的總體狀況及其區域分析。雙向動態度模型(式2)可以表明不同時期各土地利用類型變化特征。其模型為：

式(2)中，Rss為雙向動態指數，ΔUout為某一土地利用類型轉化為其他土地利用類型的面積;ΔUin為其他土地利用類型轉化為某一土地利用類型的面積;Ua為研究初期某一土地利用類型的面積;T 為研究階段。

邊界維數模型最初由Batty 和Longley 提出，用于測算城市的邊界復雜程度，后逐漸被應用到土地利用空間結構的研究中，利用邊界維數來表達城市土地各種斑塊結構的復雜度。

式(3)中，Db表示某一土地斑塊類型的邊界維數，A(r)是某一土地類型的斑塊面積，P(r)為相應的周長，C 為待定常數。Db的理論值介于1.0-2.0 之間，值越大，代表圖形越復雜。當Db=1.0，表示土地斑塊的形狀為正方形;當Db=2.0，表示土地斑塊的形狀最復雜;當Db=1.5，表示該類型土地斑塊處于一種類似于布朗運動的隨機狀態，即最不穩定狀態。

通過邊界維數可以計算出穩定性系數S，其計算公式為

式(4)中，S 理論值介于0-0.5，值越小，說明該類用地類型越區域離散狀態。S 的大小對于土地利用變化的潛在趨勢具有一定的表征意義。

3 結果分析

3.1 洪山區土地利用變化幅度分析

由表1 可知，2000-2011 年間，洪山區土地利用類型中，變化幅度最大的是城鄉建設用地和草地。其中城鄉建設用地面積增長7871.36hm2，幅度高達120.02%。草地面積減少1920.28hm2，幅度達72.22%。除此之外，耕地面積減少較多，11 年間減少6260.59hm。草地變化幅度雖大，但其面積相對較小，變化面積也較小，耕地變化幅度雖小，但其面積較大，變化面積仍較大。

表1 2000-2011 年洪山區土地利用構成及其變化

由表2 可知，從2011 年到2017 年，洪山區土地利用類型中，面積增加最多的是城鄉建設用地，增加了5161.36hm2，其次草地增加幅度最大，為295.94%，林地面積也有明顯增長趨勢。

表2 2011-2017 年洪山區土地利用構成及其變化

總體來說，從2000 年到2017 年間(圖2)，城鄉建設用地保持持續增長的增長幅度，草地變化幅度較大，耕地呈現下降的趨勢。

圖2 2000-2017 年洪山區土地利用類型面積變化

3.2 洪山區土地利用變化趨勢分析

土地利用變化的趨勢可以通過土地動態模型進行度量。表3 和表4 的變化轉移矩陣表明，洪山區土地利用變化呈現雙向變化。2000-2011 年耕地、未利用地、城鄉建設用地變化表現為雙向轉變，而草地、水域、林地以單向流出為主;2011-2017 年，耕地、未利用地、水域、城鄉建設用地表現為雙向變化，草地、林地以單向流入為主。

表3 2000-2011 年變化轉移矩陣(單位：像素)

表4 2011-2017 年變化轉移矩陣(單位：像素)

3.3 洪山區土地利用邊界維數及穩定性分析

由表5 可知，水域的邊界維數總體較低，接近于1，穩定性指數在不斷上升;表明水域形態逐漸變得規則，在空間上呈縮小的趨勢。草地的邊界維數逐漸趨近1.5，在六種土地類型中最不穩定，處于隨機擴展狀態。同樣未利用地的邊界維數逐漸趨近1.5，推測隨著經濟的發展，未利用土地得到大幅度開發與利用。城鄉建設用地的邊界維數逐漸擴大，表明其土地利用形態結構復雜，但是穩定性在逐漸上升，城鄉建設用地在逐年開發中得到有序的發展。耕地在17 年間復雜性降低又升高，穩定性不斷地降低，隨經濟發展，耕地面積不斷減少。林地的邊界維數值略有下降，而穩定性指數則略有增加，表明林地的空間分布復雜性減弱，穩定性增強，林地得到有效分區規劃、管理的趨勢。

表5 土地利用形態的邊界維數與穩定性指數

4 洪山區土地利用變化驅動力分析

城市土地利用變化是人地相互作用的典型表現形式，其城市土地利用變化的因由也是土地利用研究的重點，驅動力分析對揭示土地利用的時空變化起著關鍵作用。本文從自然、經濟、政策因素對洪山區土地利用變化進行分析。數據主要來源于武漢市統計年鑒、洪山區年鑒。

4.1 自然環境

武漢位于亞熱帶季風氣候，且位于平原、低山丘陵地區，水熱條件好，利于發展農業，早期耕地面積較大。且武漢位于長江流域，所轄范圍水系較多，水域面積較廣。但同時河流也會帶來大量的泥沙，通過2011 年與2000 年遙感影像圖對比表明，天興洲周圍裸露面積增大，推測為河流泥沙堆積所致，導致未利用地面積增大。

4.2 經濟

洪山區GDP(圖3)由2001 年的400480 億元增加到2011 年的5，384，000 億元再到2017 年的9，577，295 億元，經濟的發展和城市化進程的加快，城鎮用地的空間擴展成為土地利用的主要特征。通過雙向動態度指數，看出大量耕地和未利用地轉化為城鄉、工礦、居民用地，一定水域也轉化為城鄉、工礦、居民用地。

圖3 2001-2017 年洪山區GDP

4.3 政策

多所高校坐落于洪山區，科教智力密集，具有科技人才優勢。且在17 年間洪山區不斷推進大學城的建設，高新技術產業園的建設，使城市土地利用結構發生變化。同時科技推動產業結構的調整，農業科技的提升會導致農業單產提高，耕地面積減少。洪山區也曾積極發展都市型農業、綠色農業、休閑旅游農業，這對耕地、林地、草地面積變化都有較大的影響。天興洲為應對長江汛期，政府對天興進行生態保護與發展，使天興洲土地利用結構發生改變，由于其面積較大，在一定程度上也影響了洪山區土地利用結構的變化。

5 結論

分形理論可以用于土地利用和土地覆蓋的研究中，解釋地塊的破碎程度，對于解釋土地利用斑塊的變化和穩定性是一種有效的方法和工具。基于Map GIS 10 等軟件的支持，對武漢市洪山區2000、2011、2017 年三期遙感影像數據進行了處理和分析地類圖斑，得到以下結論。

(1)洪山區在2000-2017 年階段，耕地、水域面積不斷下降，城鄉建設用地面積不斷上升。未利用地、草地、林地面積在三個研究階段都有一定的起伏變化。耕地、未利用地、城鄉建設用地呈現雙向轉化的趨勢，水域、林地、草地等呈單向流動趨勢。耕地、城鄉建設用地優勢度高，在洪山區整個土地景觀格局中起主導作用，這種非天然類型用地的主導作用也說明土地利用受人為干擾因素較大。

(2)洪山區土地分形特征。通過組合分形模型可知，洪山區在2000-2017 年期間，土地利用形態日益復雜，城市開發強度增大，但城鄉建設用地在開發中取得有序發展，對城市生態環境的重視程度與保護力度逐漸提升，城市土地結構的均質性不斷增強，用地結構趨于合理化。

洪山區土地利用變化的驅動力因素。洪山區土地利用的變化，是自然條件和社會因素綜合作用下的產物，其中人類活動對區域土地利用變化起著主導作用。

盡管本研究應用了一系列經過驗證的理論體系，但由于數據與現實原因，本研究依舊存在誤差和不足，主要體現在：遙感影像主要選取在冬季，其林地、草地會隨季節變化發生改變，可能會存在像元錯分或漏分現象，一定程度影響數據精確度。洪山區所轄范圍在2000-2017 年間發生過變化，所依據的統計年鑒數據也因行政區劃范圍(面積)變化而受影響，因此，驅動力分析方面更多的是一種趨勢化表達。