基于分維值和形狀指數(shù)的利川市謀道鎮(zhèn)土地利用變化研究

羅 瓊, 瞿聲華, 付存華

((湖北省核工業(yè)地質(zhì)局,湖北 孝感 432000)

基于分維值和形狀指數(shù)的利川市謀道鎮(zhèn)土地利用變化研究

羅 瓊, 瞿聲華, 付存華

((湖北省核工業(yè)地質(zhì)局,湖北 孝感 432000)

通過分維值和形狀指數(shù)對謀道鎮(zhèn)土地利用類型的復(fù)雜性和空間緊湊度進(jìn)行研究,土地類型分維值排序為:草地<城鎮(zhèn)及工礦用地<園地<林地<耕地<交通運輸用地<其他用地<水域及水利設(shè)施用地。謀道鎮(zhèn)各土地利用類型具有分形特征,林、耕兩類用地的復(fù)雜性偏高,且穩(wěn)定性較低,有必要在土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整中進(jìn)一步加大對此兩類用地的保護(hù)和集約利用;各土地類型地塊的空間緊湊度表現(xiàn)出隨地塊規(guī)模不斷增大而逐漸降低的特征,表明謀道鎮(zhèn)對規(guī)模田塊的集約利用程度仍有待提高。分維值和形狀指數(shù)可明確有效分析謀道鎮(zhèn)土地利用情況,分維值和形狀指數(shù)的分形理論對區(qū)域土地利用有著重要的指導(dǎo)意義。

分維值;形狀指數(shù);土地規(guī)劃;土地利用類型

土地資源作為一種不可再生的自然資源,在人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性作用[1],土地資源開發(fā)利用的科學(xué)性與合理性是社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求。分形(Fractal)理論由法國數(shù)學(xué)家曼德爾布羅特(Mandelbrot)于20世紀(jì)60—70年代提出[2-4],經(jīng)過不斷地發(fā)展,分形理論已被廣泛應(yīng)用于城市空間形態(tài)、土地利用等多個研究領(lǐng)域[5-10]。土地利用類型作為人類與自然共同作用下的產(chǎn)物,具有不規(guī)則性、不穩(wěn)定性和復(fù)雜性等特點,可以利用分維理論來進(jìn)行探討。

謀道鎮(zhèn)是湖北省的重點口子鎮(zhèn),也是鄂西南的旅游重鎮(zhèn)。本文以利川市謀道鎮(zhèn)為例,通過研究區(qū)各土地利用類型分維值和形狀指數(shù)的測定,對研究區(qū)土地利用類型的復(fù)雜性和緊湊度進(jìn)行研究,闡述現(xiàn)階段研究區(qū)土地利用類型空間結(jié)構(gòu)的特征。研究結(jié)果對了解鄂西南地區(qū)及具有邊貿(mào)屬性山區(qū)的土地利用空間結(jié)構(gòu)特征具有重要指示意義,并可為優(yōu)化區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局提供參考。

1 區(qū)域概況

謀道鎮(zhèn)地處鄂西南邊陲,位于利川市西北部,東鄰南坪鄉(xiāng),南接汪營鎮(zhèn),西、北與重慶市接壤,地理坐標(biāo)東經(jīng)108°33′45″～108°52′30″,北緯30°17′30″～30°37′30″,是鄂渝邊境的咽喉要道,湖北省的重點口子鎮(zhèn)。謀道鎮(zhèn)屬亞熱帶大陸季風(fēng)性氣候,人口7.1萬人。依據(jù)全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù),全鎮(zhèn)總面積336 km2,土地利用總面積約337.47 km2。該鎮(zhèn)土地利用類型以耕地、林地為主,其中耕地面積約113.78 km2,占總面積的33.72%;林地面積約182.14 km2,占總面積的53.97%(圖1、表1)。

表1 謀道鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀表

2 研究方法

2.1 分形理論

圖1 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖Fig.1 Map for present land use in research area

描述分形結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)為分形維數(shù)(Fractal Dimension)。1991年,曼德爾布羅特在研究動物腦褶分形結(jié)構(gòu)時,提出分維值最初的計算模型,董連科[11]在他的基礎(chǔ)上通過物理量綱方法推導(dǎo)得出了n維歐式空間分維值的計算模型。目前土地利用研究中,廣泛采用的土地利用類型分維值的計算模型為:

lnA(r)=(2/D)lnP(r)+C

(1)

式中:C為常數(shù),分維值D∈[1～2]。D值越大,說明地類斑塊在空間上的嵌套結(jié)構(gòu)越趨于復(fù)雜,穩(wěn)定性越低;D值越小,則說明地類斑塊在空間上的嵌套結(jié)構(gòu)越趨于簡單,穩(wěn)定性越高。對于某一土地類型而言,只要得到該土地類型中所有斑塊的面積和周長數(shù)據(jù),然后構(gòu)建如公式(1)的回歸模型。同時,研究表明,當(dāng)D=1.5時,圖形處于一種布朗隨機運動狀態(tài),此時圖形最不穩(wěn)定[6-10]。因此可用圖形分維值與臨界值1.5的差值的絕對值|1.5-D|來對圖形的穩(wěn)定性進(jìn)行判定,得到的穩(wěn)定性指數(shù)越小,則圖形越不穩(wěn)定,反之圖形穩(wěn)定性則越高。

2.2 形狀指數(shù)

形狀指數(shù)描述了地塊輪廓形態(tài)的特征,反映了地塊空間形態(tài)上的緊湊程度,計算公式[5]如下:

(2)

式中:H為形狀指數(shù);L為斑塊周長;S為同一斑塊面積。形狀指數(shù)越小,地塊輪廓形狀越規(guī)整,緊湊度越高;形狀指數(shù)值越大,則表示地塊輪廓形狀越不規(guī)整,緊湊度越低(H=1時,地塊形狀為圓形,圓形內(nèi)部各空間高度壓縮,是最為緊湊的圖形)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 分維值分析

依據(jù)分維值公式,通過構(gòu)建各土地利用類型ln(A)與ln(B)的散點圖,并利用spss軟件進(jìn)行線性回歸擬合,最終得到分維值D。圖2和表2中各土地類型ln(A)與ln(B)線性相關(guān)系數(shù)R2均在0.9左右,說明模型擬合度較高。同時,各土地類型回歸模型的P值均小于顯著性水平0.01,這表明回歸模型是顯著的,通過分形理論對研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行研究是可行的。

表2中各土地類型分維值排序為:草地<城鎮(zhèn)及工礦用地<園地<林地<耕地<交通運輸用地<其他用地<水域及水利設(shè)施用地。與其他用地比較,林地和耕地分維值最為接近,它們是謀道鎮(zhèn)主要的土地利用類型,其占比分別為53.97%和33.72%。林地和耕地在空間上相互嵌套最為緊密,彼此在邊界形狀上的影響最大,使得二者分維值呈現(xiàn)出相近的特征。從林地和耕地的穩(wěn)定性指數(shù)來看,二者距離穩(wěn)定性臨界值1.5較近,其穩(wěn)定性指數(shù)分別為0.113和0.073,表明這兩種土地類型在空間上的穩(wěn)定性較差。鑒于謀道鎮(zhèn)近幾年經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,林地和耕地保護(hù)壓力逐漸增大,因此,在后期土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中,謀道鎮(zhèn)應(yīng)進(jìn)一步加大對此二類用地的保護(hù)和合理利用,提高土地集約節(jié)約利用程度。

圖2 各土地類型散點圖Fig.2 Maps for scatter plot of each land type

表2 各土地類型分維值

Table 2 Fractal dimension value of each land type

土地類型回歸方程R2P值分維值穩(wěn)定性指數(shù)耕地y=1．4017x+0．13290．93540．0001．4270．073園地y=1．5095x-0．41460．9160．0001．3250．175林地y=1．4418x-0．0270．94360．0001．3870．113草地y=1．5722x-0．79520．93770．0001．2720．228城鎮(zhèn)及工礦用地y=1．5713x-0．64220．93620．0001．2730．227交通運輸用地y=1．3426x+0．75710．99920．0001．4900．01水域及水利設(shè)施用地y=1．1657x+1．47890．88390．0001．7160．216其他用地y=1．3073x+0．75370．95560．0001．5300．03

草地在所有土地類型中分維值最低,僅為1.272,這表明草地在空間上的嵌套結(jié)構(gòu)相對趨于簡單,邊界形狀較為規(guī)整。謀道鎮(zhèn)草地資源主要分布在東南部的齊岳山處,是中國南方最大的山地草場,草地資源在空間分布上相對集中連片,因此,使得草地的分維值較低。同時,其穩(wěn)定性指數(shù)為0.228,也說明草地邊界形狀較為規(guī)則,空間上的穩(wěn)定性較高。

城建用地分維值為1.273,略大于草地,說明其在空間嵌套結(jié)構(gòu)上也趨于簡單,邊界形狀也呈現(xiàn)規(guī)整的特征。這主要是由于城建用地面積所占比例較小,在空間上呈相對集中分布。同時,城鎮(zhèn)自身建設(shè)也要求用地結(jié)構(gòu)較為規(guī)整、緊湊,以充分發(fā)揮城鎮(zhèn)自身的功能,使得城建用地分維值較小。城建用地穩(wěn)定性指數(shù)較大,為0.227,說明其空間穩(wěn)定性較強。目前來看,謀道鎮(zhèn)城鎮(zhèn)近期建設(shè)主要是沿318國道,呈南北軸線有序延伸發(fā)展。

水域及水利設(shè)施用地分維值最大,達(dá)到了1.716,表明其邊界形狀較為復(fù)雜,與這類用地大多保留自然邊界形態(tài)密切相關(guān)。用地穩(wěn)定性指數(shù)0.216,說明其空間形態(tài)較為穩(wěn)定,謀道鎮(zhèn)水域及水利設(shè)施用地在空間嵌套結(jié)構(gòu)上趨于復(fù)雜的特征在短期內(nèi)不會改變。

園地分維值為1.325,略小于林地,謀道鎮(zhèn)園地所占比例較少,主要分布在區(qū)域中部和西北部,在空間上較為集中連片,使得用地邊界形狀較為規(guī)整。其穩(wěn)定性指數(shù)為0.175,說明用地在空間形態(tài)上較為穩(wěn)定。

交通用地和其他用地所占比例較小,分別僅占研究區(qū)土地利用總面積的0.04%和0.24%。二者分維值分別為1.490和1.530,穩(wěn)定性指數(shù)分別為0.01和0.03,說明用地邊界形狀較為復(fù)雜,空間形態(tài)穩(wěn)定性較低。

3.2 形狀指數(shù)分析

依據(jù)形狀指數(shù)計算公式,對各土地類型的形狀指數(shù)進(jìn)行計算。為了更好地體現(xiàn)出不同尺度的土地類型形狀指數(shù)的特征,反映出地塊規(guī)模變化與形狀指數(shù)之間的關(guān)系,本文將各土地類型進(jìn)行了分類。依據(jù)研究區(qū)實際情況,采用自然間斷點分級法對各土地類型進(jìn)行分類,本文在此將各土地類型按照不同尺度由小到大分為7類(表3)。

從表4和圖3中可以看出,各土地類型均表現(xiàn)出隨地塊規(guī)模不斷增大,形狀指數(shù)也逐漸走高的趨勢,說明地塊規(guī)模不斷增大,而地塊空間形態(tài)的緊湊程度卻在逐漸變小。受地形的影響,各土地類型地塊規(guī)模由小增大時,其空間形態(tài)逐漸趨向于長條形和破碎化特征,而這其中,又以林地和耕地最為突出,從而造成規(guī)模較大地塊形狀指數(shù)較高。這表明,謀道鎮(zhèn)在土地利用的過程中,對規(guī)模田塊的集約節(jié)約利用程度還有待提高。因此,謀道鎮(zhèn)在日后的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整中,應(yīng)進(jìn)一步提高土地利用效率,尤其是進(jìn)一步加大規(guī)模田塊的集約利用程度。

表3 各土地類型不同尺度分類表

表4 不同尺度各土地類型形狀指數(shù)

圖3 不同尺度各土地類型形狀指數(shù)Fig.3 Shape indexes of each land type in different scales

4 結(jié)語

(1) 研究區(qū)各土地利用類型具有較強分形特征,通過分形理論對研究區(qū)土地利用的科學(xué)性與合理性進(jìn)行分析是可行的、有意義的。

(2) 謀道鎮(zhèn)土地利用類型邊界形狀的復(fù)雜程度各不相同,穩(wěn)定性也各有差異。謀道鎮(zhèn)土地利用類型穩(wěn)定性較低,這主要是耕地、林地在空間上的穩(wěn)定性較低造成的,在耕、林兩類用地保護(hù)壓力不斷增大的背景下,謀道鎮(zhèn)應(yīng)進(jìn)一步加大對這兩類用地的保護(hù)和合理利用,以提高用地整體集約利用程度。

(3) 對謀道鎮(zhèn)不同尺度地塊的形狀指數(shù)研究發(fā)現(xiàn)地塊空間形態(tài)的緊湊程度表現(xiàn)出隨地塊規(guī)模不斷增大而逐漸降低的特征。這說明謀道鎮(zhèn)對規(guī)模田塊的集約利用程度仍有待提高。

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(責(zé)任編輯：陳文寶)

Analysis on Land Use Change Based on Fractal Dimension Value and Shape Index—A Case Study of Moudao Town，Lichuan

LUO Qiong, QU Shenghua, FU Cunhua

(NuclearIndustryGeologyBureauofHubeiProvince，Xiaogan，Hubei432000)

Based on fractal dimension value and shape index，the authors analyse the complexity and spatial compactness of Moudao town’s land use types，and point out that the fractal dimension value sequence of land type is grassland

fractal dimension value； shape index； reallocation of land； land use types

2016-01-21;改回日期:2016-03-18

羅瓊(1980-)女,工程師,碩士,地球化學(xué)專業(yè),從事資源勘查和同位素地球化學(xué)研究工作。E-mail:luoqiong_2005@126.com

F301

A

1671-1211(2016)05-0784-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.026

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0814.006.html 數(shù)字出版日期:2016-08-11 08:14