陸彩紅，安 如

（1.河海大學(xué) 地科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

土地利用結(jié)構(gòu)分形特征動態(tài)分析

陸彩紅1，安 如1

通過解譯徐州市礦區(qū)1990年、2000年、2010年3期TM影像，獲取土地利用類型、面積、斑塊數(shù)等屬性數(shù)據(jù)。利用Fragstats軟件，計算3個時期各地類的分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)。在分析3個時期土地利用數(shù)量變化的基礎(chǔ)上，研究分形維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)的動態(tài)變化特征，從不同地類的空間形態(tài)的變化上定量探討徐州礦區(qū)20 a土地利用的演變。結(jié)果表明，1990～2000年，徐州礦區(qū)空間形態(tài)趨于簡單，穩(wěn)定性上升；2000年是一個轉(zhuǎn)折點，1990年相對于2000年，5類地物分維數(shù)降低，穩(wěn)定性上升；

土地利用變化；分形理論；徐州礦區(qū)

由于自然和社會經(jīng)濟等條件的地區(qū)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(jié)構(gòu)。根據(jù)其成因和基本特征，土地利用結(jié)構(gòu)可理解為某一區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型在質(zhì)和量上的對比關(guān)系，以及組合形成的一定格局或圖式，包括數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)兩方面。按照系統(tǒng)論的觀點，結(jié)構(gòu)決定功能，土地利用系統(tǒng)的核心在于土地利用結(jié)構(gòu)[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(tài)指標來揭示土地利用空間形態(tài)內(nèi)在特征。但是土地利用的空間形態(tài)具有不規(guī)則、不穩(wěn)定和復(fù)雜性。傳統(tǒng)的歐氏幾何只適合于描述簡單、規(guī)則的實體。這里選擇分形來定量揭示這種復(fù)雜特征。國外對土地利用分形維數(shù)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(qū)域范圍內(nèi)土地利用類型的分形維數(shù)做過系統(tǒng)的分析。也有學(xué)者將其利用在評價城市化過程中土地利用/覆蓋變化的環(huán)境影響[4]、解釋與評價土地利用變化模型的預(yù)測結(jié)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(tài)復(fù)雜程度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度在時間維上的變化，把握其動態(tài)特征，可為土地資源的可持續(xù)發(fā)展提供有利借鑒[5-9]。徐州礦區(qū)近20 a來經(jīng)濟快速發(fā)展，土地利用發(fā)生了劇烈變化，用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的調(diào)整，礦區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)研究對其今后的規(guī)劃發(fā)展很有必要。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)處理

徐州礦區(qū)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(jīng)礦區(qū)，交通發(fā)達，是淮海經(jīng)濟發(fā)展區(qū)的中心，華東地區(qū)重要的交通樞紐。本文采用USGS網(wǎng)站下載的1990年、2000 年和2010年的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)，同時以徐州市行政區(qū)劃圖（2000年）和1∶50 000地形圖、徐州市礦區(qū)1990～2000年的人口、耕地等社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為輔助參考。

數(shù)據(jù)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(chǔ)，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(xiàn)狀分類原則以及徐州礦區(qū)土地利用實際情況，通過監(jiān)督分類，將礦區(qū)土地類型分為水體、林地、耕地、建成區(qū)和未利用地5類，3期圖像的Kappa系數(shù)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(qū)土地利用類型分類，在ArcGIS中計算斑塊面積及周長，然后根據(jù)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(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)，并且討論3個年份分維數(shù)與穩(wěn)定性的動態(tài)變化特征。

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

圖1 徐州礦區(qū)3期主要土地利用類型圖

而董連科[11]應(yīng)用Mandelbrot的分形幾何體形態(tài)結(jié)構(gòu)模型推導(dǎo)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與穩(wěn)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(shù)；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(jié)構(gòu)越復(fù)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(tài)，即結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定；D值越接近于1.5，表示該要素越不穩(wěn)定。

各斑塊要素鑲嵌結(jié)構(gòu)空間形態(tài)穩(wěn)定指數(shù)SK為：

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

3 實驗分析

3.1 土地利用數(shù)量變化分析

從表1可以看出：①建成區(qū)（包括農(nóng)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(qū)面積增加趨緩。1990～2000年斑塊數(shù)目減少了1 288個，2000～2010年斑塊數(shù)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(qū)中部與南部的湖泊河流并沒有太大改變，導(dǎo)致2000～2010年水域面積快速增加的是，礦區(qū)塌陷地變?yōu)樗w，以及微山湖附近由原有的耕地變?yōu)樗w，這是人為的退耕還湖與礦區(qū)塌陷地改造湖泊的結(jié)果。③耕地面積由于經(jīng)濟發(fā)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(shù)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(tài)。⑤未利用地在這20 a間一直在減少。

表1 土地利用數(shù)量變化表

3.2 土地利用分形維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)分析

3.2.1 分形維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)總體變化分析

從3期數(shù)據(jù)分維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)的平均值上看（表2、圖2、圖3），徐州礦區(qū)土地利用空間形態(tài)1990～2000年間較為簡單，2000～2010年間趨于復(fù)雜。通常，分維數(shù)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(guī)整，用地越緊湊。分維值增加表明區(qū)域內(nèi)土地利用斑塊形態(tài)趨于復(fù)雜，各地類型在空間上趨于相互交錯和滲透，土地利用更復(fù)雜無序?？傮w上，1990～2010 年空間形態(tài)趨于簡單，穩(wěn)定性指數(shù)平均值從1990年的0．342 3上升到2010年的0．353 8，空間結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

表2 土地利用分形維數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)表

圖2 1990~2000年各土地利用類型分維數(shù)

圖3 1990~2000年各土地利用類型穩(wěn)定性指數(shù)

根據(jù)各年份的穩(wěn)定性排序，可見水體的空間形態(tài)較穩(wěn)定，建成區(qū)的空間形態(tài)較不穩(wěn)定。從穩(wěn)定性指數(shù)的變化上，1990～2000年，建成區(qū)、耕地的穩(wěn)定性指數(shù)增量大，2000～2010年，除去未利用地的穩(wěn)定性稍增加，其他各類地物的穩(wěn)定性都在降低，其中以耕地與建成區(qū)穩(wěn)定性減少最多?？傮w上，1990～2010年20 a間，除耕地外，各類地物的穩(wěn)定性都在上升。

綜合看分維值與穩(wěn)定值，建成區(qū)屬于分維值較高，而穩(wěn)定值較低的一類，而水體屬于分維值較低，穩(wěn)定值較高的一類，可以說明人類在改造土地利用結(jié)構(gòu)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(tài)復(fù)雜、穩(wěn)定性降低。

3.2.2 分形維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)動態(tài)變化分析

根據(jù)圖4、5，可得3個時期各類地物的分維數(shù)與穩(wěn)定值的變化情況。

1）水體。在5類地物中水體的分維數(shù)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(fā)是分維數(shù)減少的主要原因。2000～2010年分維數(shù)增加了0．001 2，邊界形態(tài)較以前稍復(fù)雜，穩(wěn)定性下降了0．001 2，變動不大。結(jié)合2000～2010年水體面積大幅度的增加，說明在近10 a的發(fā)展中該地區(qū)更加注重水體的保護?？傮w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(jīng)濟的發(fā)展，城市的擴張，對水體的形態(tài)還是產(chǎn)生了一定影響。

圖4 1990~2000年地類分維數(shù)動態(tài)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(wěn)定值增加0．027 7，這一時期存在為了發(fā)展侵占林地，林地轉(zhuǎn)換為耕地的情況，體現(xiàn)對林地規(guī)劃開發(fā)，人類干預(yù)的結(jié)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(shù)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(guī)則，分維數(shù)較低。且這一時期分維值減少了0．034 7，穩(wěn)定值增加了0．034 7。說明這時期耕地向著形態(tài)規(guī)整，空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的方向發(fā)展。2000～2010年分形維數(shù)增加了0．049，穩(wěn)定性指數(shù)減少了0．049。由表1看出，2000～2010年耕地斑塊數(shù)增加了159個，面積繼續(xù)減少，耕地斑塊更加破碎，形態(tài)復(fù)雜，分維數(shù)增加，穩(wěn)定性下降。

4）建成區(qū)。1990～2000年建成區(qū)面積增加了21 467．7 hm2，分維值增減少了0．063，穩(wěn)定值增加了0．063，是這一時期分維值減少最多，穩(wěn)定值增加最多的地類，注重城市發(fā)展規(guī)劃、城市內(nèi)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(wěn)定值減少了0．047。近10 a，是礦區(qū)城市化快速發(fā)展時期, 徐州市經(jīng)濟快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化迅速，人口的增加和建設(shè)用地大量占用耕地、未利用地，人類活動對建成區(qū)這類地物作用十分劇烈, 原本相對比較規(guī)整的土地利用斑塊因缺乏土地規(guī)劃管理制約，在快速開發(fā)行為下，土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，邊界復(fù)雜，其分維數(shù)增加。雖然2010年相較于1990年建成區(qū)分維值下降0．016，穩(wěn)定性上升0．016，建成區(qū)土地利用總體向著集約、規(guī)整、穩(wěn)定的方向發(fā)展，但是從2000～2010年的數(shù)據(jù)變動不難看出，經(jīng)濟的高速發(fā)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(qū)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(shù)持續(xù)下降，穩(wěn)定值持續(xù)增加。

4 結(jié) 語

通過分形維數(shù)能夠表現(xiàn)各種土地類型的空間形態(tài)特征變化趨勢，數(shù)據(jù)顯示：①1990～2010 年，徐州礦區(qū)土地利用發(fā)生了巨大變化，其土地利用空間結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了較大變化。整體上從3期分維數(shù)與穩(wěn)定值的平均數(shù)上看，徐州礦區(qū)5類土地類型的空形態(tài)基本經(jīng)歷了由復(fù)雜到簡單，再到復(fù)雜的過程，穩(wěn)定性基本經(jīng)歷了由穩(wěn)定到不穩(wěn)定，再到穩(wěn)定的變化，唯獨未利用地穩(wěn)定性在一直上升。綜合看，1990～2000年徐州礦區(qū)空間形態(tài)趨于簡單，穩(wěn)定性在上升。這標志著土地利用向一種較好的方向發(fā)展。②2000年是一個轉(zhuǎn)折點，1990年相對于2000年，5類地物處于分維數(shù)都在降低，穩(wěn)定性上升狀態(tài)。對于建成區(qū)，由于城市發(fā)展規(guī)劃，城市內(nèi)部空隙被填充，耕地則更為規(guī)整。而林地則處于被過度開發(fā)規(guī)劃的狀態(tài)，分維數(shù)降低。2010年相較于2000年，總體上5類地物趨于分形維數(shù)上升，穩(wěn)定性下降的狀態(tài)，特別是建成區(qū)與耕地分形維數(shù)與穩(wěn)定性，均體現(xiàn)出分形維數(shù)上升，穩(wěn)定性大幅下降，表明斑塊破碎程度加劇、形狀更加復(fù)雜，體現(xiàn)出該區(qū)處于工業(yè)化中期階段，建設(shè)用地總量擴張迅速。城市化加速發(fā)展，2000年以來徐州城市總體規(guī)劃提出主城區(qū)建設(shè)用地以向東和東南方向發(fā)展為主 ,并在徐州東南方向規(guī)劃面積50 km2，居住人口40多萬的城市新區(qū)[12]。新規(guī)劃指出，2005年全市二三產(chǎn)業(yè)比重為86．0%，城市化水平為44．1%，正處于工業(yè)化、城市化加速發(fā)展時期，土地利用表現(xiàn)為建設(shè)用地總量擴張與結(jié)構(gòu)調(diào)整并行，總量增長占主導(dǎo)，成長型土地利用特征明顯。水體與林地分形維數(shù)的小幅度上升，穩(wěn)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(chǎn)生了良好的效果。

土地利用空間形態(tài)的變化與經(jīng)濟發(fā)展、城市擴張、生態(tài)保護的基本趨勢一致[13]。將分維與其他景觀指數(shù)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(qū)未來的土地利用中，應(yīng)該堅持對水體與林地的保護，使它們回復(fù)到自然狀態(tài)，面對經(jīng)濟發(fā)展需要，耕地資源日益減少的現(xiàn)狀，今后徐州礦區(qū)土地利用的規(guī)劃中應(yīng)該謹慎發(fā)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(shù)方法與應(yīng)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(chǔ)研究發(fā)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(qū)與耕地這2類地物分形維數(shù)上升，穩(wěn)定性下降幅度較大。在城市化驅(qū)動下，經(jīng)濟發(fā)展，城市擴張，生態(tài)保護是區(qū)域土地利用分形特征與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定變化的主要驅(qū)動因素。