(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610059)

基于分形理論的重慶市渝北區(qū)土地利用空間分析

梁欣彭世勇劉森皓

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院四川成都610059)

本研究以重慶市渝北區(qū)為研究區(qū)，將土地利用類型劃分為耕地、林地、水域、建設(shè)用地、裸地和其它土地利用類型6類，以分形理論和景觀生態(tài)學(xué)為指導(dǎo)，分析了影響景觀分布特征的驅(qū)動(dòng)力。研究結(jié)果為該地區(qū)今后可持續(xù)發(fā)展和土地資源的合理利用提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

分形理論；土地利用；景觀格局；重慶市渝北區(qū)

土地利用/覆蓋變化研究已經(jīng)成為全球變化研究的重要組成部分[1-2]。借助景觀生態(tài)學(xué)的方法來分析土地利用/覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是近年土地利用/覆蓋變化研究的熱點(diǎn)問題[3]。分形理論主要研究利用分形維數(shù)來量度自相似性，即如何定義分形維及其測算方法[4-8]?？臻g系統(tǒng)中充滿了支離破碎、沒有規(guī)則的地理現(xiàn)象及其不可積分的非線性過程，這些過程在空間上、時(shí)間上常常表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性[9]?；诖耍疚囊灾貞c市渝北區(qū)為例，通過分形理論對研究區(qū)域土地利用的強(qiáng)度和穩(wěn)定度進(jìn)行探討，以期為該區(qū)域土地資源的合理配置和優(yōu)化提供參考[10]。

一、研究區(qū)概況

渝北區(qū)位于重慶主城北部，地跨東經(jīng)106°27'30"-106°57'58"和北緯29°34'45"-30°07'22"之間，地勢西北高東南低，屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，渝北區(qū)過境河流主要有長江和嘉陵江。幅員面積14520.03km2。

二、研究方法

該研究充分考慮實(shí)際情況，選取了重慶市渝北區(qū)作為實(shí)驗(yàn)研究區(qū)，土地利用類型斑塊分形維數(shù)的估算方法采用根據(jù)斑塊周長和面積之間的關(guān)系來估算分維數(shù)，A(r)為某一圖斑面積，P(r)為同一圖斑周長，D為分維數(shù)，C為一待定常數(shù)(截距)，最后擬合出一條關(guān)于ln[A(r)]和ln[P(r)]兩者關(guān)系的直線，通過其斜率2/D，就可求出分形維數(shù)D。景觀類型分離度指數(shù)Fi，反應(yīng)同類圖斑在空間上的分離程度；景觀形狀指數(shù)Si反應(yīng)了圖斑的形狀復(fù)雜程度；景觀破碎化指數(shù)Ci是測定某一景觀類型破碎化程度的定量指標(biāo)；優(yōu)勢度指數(shù)LDI描述一種或多種類型的圖斑在一個(gè)景觀中的優(yōu)勢程度。結(jié)合這些指標(biāo)可以更加合理的反應(yīng)圖斑類型的穩(wěn)定合理程度通過遙感影像數(shù)據(jù)利用GIS平臺(tái)對分形理論的分形維數(shù)D及景觀格局指數(shù)對土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討與分析。揭示土地利用景觀格局在空間上變化的一般性規(guī)律。

三、數(shù)據(jù)處理

遙感影像數(shù)據(jù)為Landsat8數(shù)據(jù)。首先應(yīng)用ENVI5.1對影像進(jìn)行預(yù)處理。再結(jié)合訓(xùn)練樣本進(jìn)行監(jiān)督分類，最后將重慶市渝北區(qū)的土地類型分為6類：耕地，林地，建筑用地，水域，裸地和其它用地。利用ARCGIS10.2對周長和面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，利用EXCEL進(jìn)行分維數(shù)D的計(jì)算，即做周長-面積的雙對數(shù)散點(diǎn)圖，并進(jìn)行線性擬合，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，獲得散點(diǎn)圖的回歸方程。最后通過得到的回歸方程斜率K=2/D的關(guān)系計(jì)算出每個(gè)土地利用類型的分維數(shù)。最后利用以上步驟得到的圖斑數(shù)、面各類圖斑的積、周長和分形維數(shù)，利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)工具求出各景觀指數(shù)。

四、結(jié)果與分析

(一)土地利用類型穩(wěn)定性分析

重慶市渝北區(qū)的土地利用總圖斑數(shù)為8764個(gè)，土地總面積為190248.93hm2，各地類圖斑的總周長為18640260m。分維數(shù)D用來測定斑形狀的復(fù)雜程度，其值的大小體現(xiàn)了所受人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度的差異性，其值越大表明該區(qū)域土地利用類型越穩(wěn)定；越小表明該區(qū)域土地利用類型穩(wěn)定性越差。將重慶市渝北區(qū)2016年各土地利用類型穩(wěn)定指數(shù)從大到小進(jìn)行排列，裸地〉其他用地〉林地〉建筑用地〉耕地〉水域。裸地分維值最小，穩(wěn)定度最高，說明這類土地利用類型結(jié)構(gòu)較簡單，邊界規(guī)則，受人為干涉最高；其次為其他用地、林地、建筑用地、耕地，也受到人為因素的干擾，邊界較規(guī)則，相對穩(wěn)定。水域分維值最大，穩(wěn)定度最小為0.1518，說明其結(jié)構(gòu)復(fù)雜邊界最不規(guī)則，受人為干擾較少，多為天然水域或湖泊。

(二)土地利用各類型景觀指數(shù)分析

重慶市渝北區(qū)2016年景觀分離度指數(shù)由大到小排序?yàn)榱值?建筑用地>耕地>水域>其它用地>裸地。林地的分離度指數(shù)最大為2.0455，說明此類土地利用在研究區(qū)域中最分散，在城市規(guī)劃中，林地大多圍繞道路和居民地分布。裸地的分離度指數(shù)最小為0.0006，裸地受人為干擾因素大，說明在那一片區(qū)域人類活動(dòng)較劇烈。觀形狀指數(shù)由大到小排序?yàn)樗?其他用地>建筑用地>裸地>林地>耕地。其中景觀形狀指數(shù)最大的為水域，167.7188，說明重慶市渝北區(qū)水域的邊界較為復(fù)雜形狀不規(guī)則，與前文水域的穩(wěn)定度最低受人為干擾較小相一致。景觀形狀指數(shù)最小的為耕地，78.6316，表明重慶市渝北區(qū)的耕地圖斑邊界相較與其他土地利用類型規(guī)則，受的人為干擾較大。景觀破碎化指數(shù)由大到小排序?yàn)樗颉灯渌玫亍盗值亍蹈亍德愕亍到ㄖ玫?。建筑用地的破碎化指?shù)最小，0.0031，表明受人類干擾大，用地相對集中連片。景觀優(yōu)勢度指數(shù)由大到小排序?yàn)槁愕?其他用地>水域>耕地>林地>建筑用地。

五、討論

渝北區(qū)地處華鎣山主峰以南的巴渝平行嶺谷地帶，地勢從西北向東南緩緩傾斜。作為重慶主城和新型工業(yè)化發(fā)展的主要擴(kuò)展區(qū)，其景觀格局特征具有典型的代表性。本文通過對渝北區(qū)各土地利用進(jìn)行分類，分別計(jì)算其面積和周長。運(yùn)用分形理論進(jìn)行土地利用空間格局分析，在分析其各土地利用類型的穩(wěn)定度、分離度指數(shù)、形狀指數(shù)、破碎度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)等景觀格局指數(shù)的基礎(chǔ)上，對渝北區(qū)景觀格局特征進(jìn)行了研究和分析。雖然本文對重慶市渝北區(qū)的土地利用進(jìn)行了空間分析，但并未涉及時(shí)空演化過程，將在后續(xù)工作中繼續(xù)討論。

[1]傅伯杰.景觀生態(tài)學(xué)原理與應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2001

[2]許君燕,陳松林,施明樂. 基于分形理論的土地利用景觀格局變化研究——以長樂市為例[J]. 云南地理環(huán)境研究,2006,(06):30-33.

[3]魯恒，李永樹，何政偉.RS與GIS在瀘橋鎮(zhèn)土地利用類型分形研究中的應(yīng)用.測繪，2009

[4]Peitgen H O, Richter P H. The Beauty of Fractals. Berlin:Springer-Verlag,1986

[5]Peitgen H O, Saupe D. The Science of Fractal Images. Berlin: Springer-Verlag , 1988

[6]Barnsley M F. Fractals Everywhere. Boston:Academic Press Professional,1993

[7]Mandel bort B B. The Fractal Geometry of Naturel[M].New York:W H Freeman,1982

[8]曾文曲，王向陽.分形理論與分形的計(jì)算機(jī)模擬.沈陽：東北大學(xué)出版社,1993

[9]郄瑞卿,劉富民. 基于分形理論的土地利用景觀格局變化研究——以鎮(zhèn)賚縣鎮(zhèn)賚鎮(zhèn)為例[J]. 水土保持研究,2013,(02):217-222.

[12]王聃同,袁春,周偉,張寅玲. 基于分形理論的土地利用景觀格局特征分析——以湖北省咸豐縣為例[J]. 資源與產(chǎn)業(yè),2012,(03):147-152.