盧德彬, 禹 真, 毛婉柳, 白 彬

(1.銅仁學院 經(jīng)濟與管理學院, 貴州 銅仁 554300; 2.華東師范大學 地球科學學部地理科學學院, 上海 200241)

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基于GIS和分形理論的山區(qū)土地利用空間結構研究

盧德彬1,2, 禹 真1, 毛婉柳2, 白 彬1

(1.銅仁學院 經(jīng)濟與管理學院, 貴州 銅仁 554300; 2.華東師范大學 地球科學學部地理科學學院, 上海 200241)

土地系統(tǒng)是自然環(huán)境與人文交叉最為密切的系統(tǒng)，成為全球環(huán)境變化研究熱點之一。定量研究土地結構有利于理解土地系統(tǒng)的利用與變化。基于ArcGIS軟件，以2009年貴州省銅仁市江口、印江和松桃縣全國第二次土地利用調(diào)查1∶10 000比例尺數(shù)據(jù)為研究基礎數(shù)據(jù)，在二調(diào)分類基礎上，將地類劃分為建設用地、耕地、林地、草地、水域和未利用，選用景觀格局指數(shù)、分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)為測量指標，對由江口縣、印江縣和松桃縣三縣組成的環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)的土地利用空間結構進行分析。研究結果表明該區(qū)域土地利用類型從景觀生態(tài)尺度上是以林地為基質，耕地、建設用地、草地、未利用地為斑塊鑲嵌結構，并且以水體和道路為線狀廊道的景觀結構模式。林地景觀類型在所有景觀類型中占有一定的支配地位，相對于林地，其他地類斑塊較破碎，且在空間上呈分散分布，景觀多樣性不高。土地利用空間結構的穩(wěn)定性總體水平不高，生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性。

土地利用; 景觀生態(tài); 分形; 梵凈山

山區(qū)地形復雜和氣候多變，具有豐富的生物多樣性的山地生態(tài)是人類食物、水、能量來源的重要場所[1]。在我國西南山區(qū)，山地生態(tài)系統(tǒng)脆弱，易受人類不合理的社會經(jīng)濟活動的干擾和破壞，特別是隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高和城鎮(zhèn)化速度的加快，山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭受人類活動的干擾加劇，最重要的體現(xiàn)就是土地利用的變化。山體遭受破壞，優(yōu)質耕地流失，土地利用結構的改變，正在影響山地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務功能，進而改變區(qū)域氣候和生態(tài)環(huán)境。關于土地利用與覆被變化的研究方興未艾[2-7]，而土地利用的空間結構是理解土地變化重要內(nèi)容之一，其體現(xiàn)了土地由自身條件、氣候條件和社會經(jīng)濟條件共同決定而導致的空間異質性[8-9]。在研究土地利用的空間異質性，分形理論提供了有力的工具[10]。20世紀90年代以來，該理論在地貌、城鎮(zhèn)體系、旅游空間結構和土地利用變化等地理學領域中得到廣泛的應用[11]，但對土地利用變化研究大多集中在大尺度地區(qū)或采用小比例尺數(shù)據(jù)[12-13]，僅有少數(shù)學者采用1∶10 000大比例尺數(shù)據(jù)對市、縣域中小尺度地區(qū)的土地分形進行研究[14-15]。隨著LUCC研究的不斷深入，需要針對更加多樣化的研究區(qū)域，尤其要加強中觀和微觀尺度的研究[16]。經(jīng)過全國第一次和第二次土地調(diào)查，我國大部分地區(qū)已獲得1∶10 000比例尺為主的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已成為土地利用規(guī)劃和資源管理的基礎數(shù)據(jù)，為進行中小尺度和大比例尺研究提供了數(shù)據(jù)保障。因此，本研究基于ArcGIS軟件為平臺和2009年第二次全國土地利用調(diào)查現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，以貴州省銅仁市環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)為研究區(qū)域，包括江口縣、印江縣和松桃縣，三個行政縣，數(shù)據(jù)比例尺為1∶10 000，運用分形理論，通過計算景觀格局指數(shù)、土地類型分形維值和不穩(wěn)定指數(shù)，定量描述土地利用類型的不規(guī)則性，不穩(wěn)定性、復雜性和非線性特征，分析該區(qū)域土地利用類型的復雜性、穩(wěn)定性及其與分維數(shù)之間的內(nèi)在關系，揭示了山區(qū)土地利用空間結構特征，目的是為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和土地資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和決策參考。

1　研究區(qū)概況

環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)包括印江土家族苗族自治縣、松桃苗族自治縣和江口縣3個縣，位于貴州省銅仁市，東臨湖南省，北接重慶市，西臨遵義市，南與碧江區(qū)接壤，距省會貴陽市244.48 km，介于東經(jīng)108°18′0″—109°23′34″,北緯27°28′21″—28°30′10″。地貌以中低山山原峽谷和低山丘陵為主，地形復雜，區(qū)域屬中亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，氣候宜人。水資源比較豐富，以梵凈山為分水嶺分為烏江水系和沅江水系，有烏江和錦江兩大河流。森林資源和生物資源富集，生態(tài)環(huán)境良好，主要自然植被為常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、暖性針葉林、針闊葉混交林、竹林、灌叢和灌草叢等類型，森林覆蓋率較高。核心區(qū)武陵主峰梵凈山為國家級自然保護區(qū)。2014年總人口142.46萬，GDP164.39億元，詳細介紹參見文獻[17-18]。該區(qū)地形復雜，是研究土地利用分形的良好區(qū)域。

2　材料與方法

2.1研究數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)來源銅仁市國土局2009年度江口縣、印江縣和松桃縣全國第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過ArcGIS軟件轉換為SHP矢量文件，坐標系統(tǒng)一為Xian80坐標系，采用高斯克呂格3°分帶投影方式，比例尺為1∶10 000，數(shù)據(jù)符合國家要求。地類劃分在全國土地利用分類標準方法的基礎上，結合區(qū)域和研究的需要，將研究區(qū)域土地利用類型劃分為建設用地、耕地、林地、水域、草地和未利用地6大類。

2.2研究方法

為了科學揭示研究區(qū)域土地利用空間結構特征，選取了聚集度、優(yōu)勢度、蔓延度、多樣性指數(shù)以及分形方法對研究區(qū)域土地利用在斑塊水平、類型水平以及景觀水平3個層次進行研究。

2.2.1聚集度指數(shù)景觀聚集度，反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度[19]。計算公式為：

(1)

式中：gi——根據(jù)單倍法的類型i相鄰的節(jié)點數(shù)；maxgii——基于單倍法的斑塊類型i像元之間的最大節(jié)點數(shù)；pi——景觀中斑塊類型i的面積比重，單位為%。當統(tǒng)一類型的斑塊最大化的分散時，AI=0，當整個景觀僅由一個類型組成時，AI=100。

2.2.2景觀優(yōu)勢度 景觀優(yōu)勢度采用香農(nóng)均勻性指數(shù)，是測度土地利用結構中一種或少數(shù)幾種土地類型占據(jù)支配地位的程度[20]，其計算公式為：

(2)

式中：SHEI——優(yōu)勢度；m——土地類型數(shù)目；pi——第i類土地面積占土地總面積的比重。值越大，表示土地結構受一種或少數(shù)幾種土地類型支配程度越大。

2.2.3景觀分離度 分離度反映區(qū)域中同一種土地類型的不同斑塊個體分布情況，在一定程度上反映了人類活動強度對景觀結構的影響[19]，計算公式為：

(3)

式中：DIVISION——某一景觀類型分離度；aij——斑塊ij的面積；A——土地總面積。值越大土地類型的斑塊分布越分散。

2.2.4景觀蔓延度景觀蔓延度描述景觀中不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢，是反映景觀格局的最重要指數(shù)之一[21]，計算公式如下：

(4)

式中：CONTAG——景觀蔓延度指數(shù)；gik——斑塊類型i與k相鄰斑塊數(shù)目。一般來說，較大，表明景觀中優(yōu)勢斑塊類型形成了良好的連接；反之，則表明景觀具有多種要素的散布格局，景觀破碎化程度較高。

2.2.5多樣性指數(shù) 多樣性指數(shù)是對土地利用類型豐富程度和均勻程度的綜合描述[20]，計算公式為：

(5)

式中：SHDI——土地利用多樣性指數(shù)；值越大,表示生態(tài)景觀的多樣性越豐富。

2.2.6土地利用空間結構分維數(shù)的計算曼德爾布羅特(Mandelbrot)[22]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：

s(r)1/D～V(r)1/3

(6)

式中：s(r)——表面積；V(r)——體積；r——度量尺度；D——分形維數(shù),即分維值。董連科，在此公式基礎上，運用物理量綱分析方法，推導得出了適用于n維歐式空間的分維數(shù)公式。其中可以表達二維歐式空間面積與周長的分維數(shù)公式為：

P(r)1/D=k·r1-D/D·A(r)1/2

(7)

式中：P(r)——周長；A(r)——面積；k——常數(shù)；對測量得到的一系列斑塊的面積與周長做對數(shù)變換得到[11]：

(8)

分維數(shù)D值表征某種土地利用類型邊界的曲折性，它的大小反映了該土地利用類型的復雜性。分維數(shù)D取值在1～2，D值越大，表明該土地利用類型的結構越復雜，反之亦然。當D=1.5時表示該土地類型處于一種類似于布朗運動的隨機狀態(tài),即最不穩(wěn)定狀，根據(jù)此原理，徐建華等[23]定義了土地利用穩(wěn)定性指數(shù)，計算公式如下：

Sak=|1.50-D|

(9)

式中：Ssk——土地利用類型的穩(wěn)定性指數(shù)，Sak取值范圍為0～0.5，值越大，表明該土地利用類型越穩(wěn)定，反義亦然。

3　結果與分析

3.1土地利用類型的總體特征

在一個特定的區(qū)域中，不同的土地利用類型斑塊交錯分布，有機結合在一起，形成了一個土地鑲嵌體[11]。利用ArcGIS軟件對環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)各種土地利用類型進行統(tǒng)計，計算出土地斑塊總數(shù)為271 643個，總面積為6 705.30 km2。其中林地斑塊面積最大為3 844 km2，比重為57.34%，其次為耕地面積為1 927.89 km2，比重為28.75%，第三為未利用地，面積為688.19%，比重為10.26%，第四為建設用地，面積為156.27 km2,比重為2.33%，草地、水域比例較小，具體見表1。按景觀生態(tài)學的基質—斑塊—廊道的模式，如果某種景觀要素類型在景觀中出現(xiàn)面積最大，在空間上具有高度連續(xù)性和在景觀功能上起著重要作用則可視為基質[19]。因此，在環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)土地利用類型從景觀生態(tài)尺度上來說，是以林地為基質，耕地、建設用地、草地、未利用地為斑塊鑲嵌結構，并且以水體和道路為線狀廊道的景觀結構模式。

表1　環(huán)梵凈山經(jīng)濟旅游區(qū)土地利用類型的總體特征

3.2土地利用景觀指數(shù)

根據(jù)上文計算公式，運用Fragstats 4.2軟件計算環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)土地利用景觀水平尺度的類型指數(shù)，見表2，根據(jù)計算，土地利用聚集度指數(shù)(AI)為82.33%，優(yōu)勢度指數(shù)(SHEI)為0.59，分離度指數(shù)(DIVISION)為0.87，蔓延度指數(shù)(CONTAG)為53.88，多樣性指數(shù)(SHDI)為1.06。環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)林地和耕地面積占比例較大，而且斑塊高度連接，使得聚集度指數(shù)和蔓延度指數(shù)表現(xiàn)出較高值，同時，以林地為基質的景觀結構模式中，林地景觀占有一定的支配地位，所以優(yōu)勢度指數(shù)為0.59，景觀多樣性程度不高。從分離度指數(shù)值可知，在區(qū)域內(nèi)雖然存在林地斑塊高度連接，但是其他地類在空間上，分散分布，而且斑塊破碎。

表2　環(huán)梵凈山經(jīng)濟旅游區(qū)土地利用景觀指數(shù)

3.3土地利用類型分形與穩(wěn)定性

基于ArcGIS軟件，統(tǒng)計出環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)不同土地利用類型斑塊的周長(p)和面積(A)，同時運用Origin軟件，分別繪制出不同地類圖斑的周長—面積的雙對數(shù)散點圖，并進行線性擬合，最后計算得出每個地類的分維值和穩(wěn)定性指數(shù)，見表3。

從表3可以得出環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)的各個土地利用類型都存在分形特征，其中建設用地分維值為1.412 4，耕地為1.426 5，林地為1.350 4，草地為1.325 4，水域為1.774 6，未利用為1.379 3。分維值最大為水域，最小為草地。這充分表明水體的空間分布結構最為復雜，而草地呈現(xiàn)出較為規(guī)則的空間形狀，空間鑲嵌結構比較簡單。建設用地和耕地兩者的分維值最接近隨機運動狀態(tài)值1.5，說明建設用地和耕地在這6種土地利用類型中最不穩(wěn)定，潛在的變化趨勢最大。表3中Ssk反映不同土地利用類型的穩(wěn)定程度，其值越大，表明該土地利用類型越穩(wěn)定，反之，則表明該土地利用類型穩(wěn)定性越差，由表3可知，環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)的建設用地穩(wěn)定性指數(shù)(Ssk)值為0.087 6，耕地穩(wěn)定性指數(shù)值為0.073 5，林地穩(wěn)定性指數(shù)值為0.149 6，草地穩(wěn)定性指數(shù)值為0.174 6，水域穩(wěn)定性指數(shù)值為0.274 6，未利用地穩(wěn)定性指數(shù)值為0.120 7。穩(wěn)定指數(shù)值最大為水域，最小為耕地，說明水域的空間分布結構最為穩(wěn)定，而耕地的空間結構最不穩(wěn)定。環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)各地類穩(wěn)定性指數(shù)普遍較低，表明該區(qū)域的土地利用空間結構的穩(wěn)定總體水平不高，這也反映了山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。

綜上所述，土地利用類型的分維值和穩(wěn)定性指數(shù)反映了土地利用類型的空間分布狀態(tài)，環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)受到地形因子的限制，圖斑較破碎。隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，城鄉(xiāng)建設用地需求增加，規(guī)劃尚未得到人們足夠的重視，建設用地擴張較不合理，處在農(nóng)村居民點和城鎮(zhèn)周邊的耕地遭受侵占，使得建設用地和耕地空間結構更加復雜，同時也趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。林地在該區(qū)域中起到基質的作用，總體上形狀較為簡單，但由于地形復雜，景觀相互交錯，也表現(xiàn)出低穩(wěn)定狀態(tài)，易受到人類活動的干擾。水域用地的空間形態(tài)雖然不規(guī)則，但較少開發(fā)，穩(wěn)定性較高。草地和未利用地在該區(qū)域屬較難開發(fā)的土地，受人類活動干擾較少，空間形狀較為規(guī)則，但受整體生態(tài)系統(tǒng)的影響，穩(wěn)定性指數(shù)值也較低。因此，在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展過程中，要注意生態(tài)系統(tǒng)脆弱性，避免引發(fā)生態(tài)問題。

表3　不同土地利用斑塊周長-面積雙對數(shù)線性擬合方程、分維值及穩(wěn)定性指數(shù)

4　結 論

(1) 環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)各土地利用類型都具有分形特征，各土地利用類型分維數(shù)D值為1.325 4～1.774 6。

(2) 環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)建設用地和耕地受人類活動影響最大，但受地形因素的影響，土地利用形態(tài)沒有林地、草地和未利用簡單，而且穩(wěn)定性較差。

(3) 環(huán)梵凈山旅游經(jīng)濟區(qū)各地類穩(wěn)定性指數(shù)普遍較低，說明土地利用空間結構的穩(wěn)定性總體水平不高，這也反映了山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。經(jīng)過上述分析，科學揭示了土地利用類型空間結構的復雜程度和不規(guī)則程度，為該區(qū)土地利用決策提供了一定的理論依據(jù)和決策參考，但本研究僅僅對該區(qū)域2009年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行分形描述，缺乏長時間序列的土地利用分形演變特征的分析。隨著土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)的增多，在今后的研究中，可做長時間序列分形分析以及空間演變規(guī)律的研究，從而為該區(qū)域提供更為有益的理論和實踐參考。

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Research on the Spatial Structure of the Mountainous Land Use Based on GIS and Fractal Theory

LU Debin1,2, YU Zhen1, MAO Wanliu2, BAI Bin1

(1.School of Economics and Management, Tongren University, Tongren, Guizhou Province 554300,China； 2.SchoolofGeographicSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

Land system has become one of hot spots for the global environmental change researches, as is the closest to the natural environment and the human system cross. Quantitatively measuring the structure of land utilization is conducive to the understanding of the use and changes of land system. We used the ArcGIS software, the second national survey of land use data of 1∶10 000 scale for Jiangkou County, Yinjiang County, and Songtao County in Tongren City, Guizhou Province in 2009 for the research of basic data and the second survey classification to divide classes into construction land, cultivated land, woodland, grassland, waterbody and unused land based on the landscape pattern index, fractal dimension and stability index for measuring index, We analyzed the land use spatial structure of the land around the Fanjing Mountain Tourism Economic Zone composed of Jiangkou County, Yinjiang County and Songtao County. The results show that the type of the land use in this area has a landscape structure model for woodland as matrix, cultivated land, construction land, grassland, unused land as plaque inlaid structure, and with water and road for linear corridor from the landscape ecological sense of scale. In all types of landscape patches, forest landscape types occupy the dominant position and with respect to forest land, the other classes of plaque are relatively broken, and dispersed and distributed spatially and the diversity of land scape is not high. The overall level of stability of spatial structure of land utilization is not high. And the ecological system is fragile.

land use; landscape; fractal theory; Fanjing Mountain

2015-04-08

2015-04-22

貴州科學技術資助項目(黔科合J字[2012]07號；LKT[2012]25號；[2014]7472號);貴州省科技支撐計劃社會發(fā)展攻關項目(SY[2013]3127號)

盧德彬(1987—),男,貴州荔波人,博士研究生,講師,主要從事城市生態(tài)系統(tǒng)模擬與規(guī)劃研究。E-mail:sooluo@163.com

F301.24

A

1005-3409(2016)02-0220-04