基于分形理论的土地利用格局分析——以广东省韶关市辖区为例

王 卫，陈晓远

（韶关学院英东农业科学与工程学院，广东韶关 512005）

土地利用研究是当前地学研究的热点领域，是全球变化研究的一部分［1］。其中土地利用空间格局是土地利用研究的一个重要方面［2］。一些传统学科的理论和模型也逐步被应用到土地利用的研究上，尺度定量化研究土地利用的时空分布特征、景观格局、空间分异、统计特征、变化机理、稳定性和复杂性等多方面［3］，从而揭示出土地利用及土地利用变化的驱动因素、变化规律、利用形态、利用程度和各利用类型的相关性等。分形理论在地学研究领域的应用越来越广泛，在土地利用分析中定量表征尺度和维数及其复杂性和不稳定性［4］。笔者根据韶关市第二次全国土地利用调查数据，利用分形理论和空间分析手段研究韶关市的土地利用格局。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区与数据 韶关市地处南岭腹地，全境在大地构造上处于华夏活化陆台的湘粤褶皱带，地形以山地丘陵为主，河谷盆地分布其中，平原、台地面积约占20%，地势北高南低。韶关是我国典型的“丹霞地貌”所在地和命名地。韶关市具有丰富的森林资源和独特的生态系统，是广东省最大的再生能源基地和天然生物基因库，森林资源及野生动、植物资源极其丰富，森林覆盖率72.5%。韶关市属亚热带季风气候，四季特点为春季阴雨连绵，秋季降水偏少，冬季寒冷，夏季偏热，年平均气温18.8～21.6℃，年平均降雨量为1 700 mm，全年无霜期为310 d左右。韶关是传统的工业基地，韶关是“中国有色金属之乡”，有“中国锌都”称号，全市已探明储量的矿产有煤炭、铅、锌、铜等55种，保有储量位居全省第一的有23种。韶关市土地总面积18 218.06 km2，辖浈江区、武江区、曲江区3个区，始兴县、乳源瑶族自治县、仁化县、翁源县和新丰县5个县，乐昌市和南雄市2个市。根据第六次全国人口普查韶关市辖区人口99.15万，2013年GDP为1 010亿元。

数据主要来自韶关市第二次全国土地利用调查数据，行政区范围矢量图。土地利用类型分为耕地、园地、林地、草地、城镇村居民点、采矿用地、交通用地、水域和未利用地共9种(图1)。

1.2 研究方法 分形理论是1976年美国科学家曼德勃罗特(Mandelbrot)提出的［5］。所谓分形是指其组成部分以某种方式与整体相似的几何形态，或者是指在很宽的尺度范围内，无特征尺度却有自相似性或自放射性的一种现象［6-9］，其外表结构极为复杂，但内部却是有规律可循的。分形逐渐应用到土地利用研究中，成为表征土地时空间结构及其变化的有力工具［3～11］。但是，由于土地空间分形结构及其机制随尺度变化究竟具有怎样的特征并不明确，由此造成分形与分维在土地空间结构或是土地景观结构研究中应用的前提不明确，随意性较强［9］。

在分形理论中用，常用以下2个指数表征土地利用的稳定性和复杂性［5-9］。

1.2.1 斑块面积-周长关系及分维数［6］。土地分布复杂性与斑块的面积大小有密切关系。采用式(1)计算土地类型斑块面积-周长关系，从而计算各类型土地空间结构分维数。

式中，A为某一斑块面积;P为同一斑块周长;D为分维数;k为待定常数。

对于区域内土地利用类型而言，只要通过其系列斑块的周长、面积数据作双对数回归分析拟合，就可以求取其分维数D值，即拟合直线的斜率值等于2/D。通过自然对数的线

D值越大，则空间上的斑块镶嵌结构越复杂。当D=1.5时，表示处于一种类似于布朗运动的随机运动状态，即图斑镶嵌结构最不稳定。D值越接近于1.5，表示图斑镶嵌结构越不稳定。性回归分析，可建立研究区土地利用类型的面积-周长关系:

1.2.2 稳定性指数［6］。根据分形理论，土地类型图斑空间镶嵌结构决定其稳定性。该研究采用以下公式来测定土地利用类型稳定性指数:

SK值越大，表示斑块镶嵌结构越稳定。

2 结果与分析

2.1 研究区土地利用特征 根据全国第二次土地利用调查结果，韶关市辖区土地总面积2 870.83 km2，其中武江区土地面积 677.85 km2，浈江区土地面积 572.14 km2，曲江区土地面积1620.85 km2。由图2可知，韶关市土地利用类型中林地面积最大，占土地总面积的72.95%，其次为耕地，占12.48%，城镇村居民点占5.09%，园地占比最小，仅0.75%。

表1 韶关市各辖区土地利用类型结构 %

由表1可知，林地和耕地为韶关市各辖区的主要用地类型，采矿用地主要分布在曲江区，交通用地、水域、耕地和城镇村居民点用地浈江区的用地比重大于其他区。

2.2 韶关市辖区土地利用格局分析 根据公式(2)，构建研究区各土地利用类型斑块面积-周长关系，并对关系指数进行线性拟合，得出韶关市武江区、浈江区和曲江区各土地利用类型斑块面积-周长拟合图(图3～5)。通过对土地利用类型斑块面积和斑块周长的自然对数的散点图的线性拟合，获得韶关市3个区的土地利用类型的分形模型。由图可知韶关市各辖区土地利用类型面积-周长的关系指数R显著性通过检验，表明其显著性相关。

2.2.1 土地利用分形特征。在分形理论中，如果分形维数越大，则相同区域面积土地斑块的周长越长，土地的斑块形态越复杂。分形值越大，说明斑块占据的空间越大，空间镶嵌结构就越复杂［2］。

利用式(2)、(3)计算得出土地类型分形指数和稳定性指数(表2)。根据D值和SK值计算出韶关市辖区各土地利用类型的标准差和相同地类在不同区域的标准差，以得出林地、耕地、园地、草地、水域、城镇村居民点、交通用地、采矿用地和未利用地的分形指数和稳定性指数在空间分布和结构上的差异。

表2 韶关市辖区土地类型分维模型与稳定性指数

由表2可知，根据D值大小可知研究区内各土地利用类型复杂程度及其空间分异。在各土地利用类型空间镶嵌结构中采矿用地的复杂程度差异最小，其次由小到大依次是园地、城镇村居民点、林地、未利用地、草地、水域、耕地，交通用地的复杂程度差异性最大。研究区内各区的土地利用空间镶嵌结构复杂程度差异最大的是曲江区，其次是浈江区，武江区的土地利用空间镶嵌结构复杂程度差异性最小。

根据表2可得，浈江区土地利用类型分形维数中交通用地最大(1.596 4)，说明交通用地在浈江区的交通用地空间镶嵌结构最为复杂，分布形态多样，覆盖最广;浈江区的交通用地的分形维数是3个区中最大值，说明浈江区交通用地的覆盖度和通达度大于其他区。其次为水域(1.415 7)，说明水域在该区域分布形态较为多样，空间镶嵌结构较为复杂，覆盖较广;浈江区水域在3个区中的分维数值最小，说明浈江区水域分布比其他区域连片。耕地(1.384 4)分布也较为分散，分布形态也较为复杂，也是3个区域中最为复杂的。未利用地(1.343 0)、采矿用地(1.303 3)、园地(1.294 5)、草地(1.260 7)的空间镶嵌结构逐渐降低。城镇村居民点的分维指数较低(1.225 6)，说明其空间镶嵌结构较为简单，分布空间较为连片，形态较为单一;也是3个区中最小的值，在3个区中分布形态最为成片，聚集度最高。林地的分维指数最低(1.218 3)，林地在空间分布上多表现为山林，单个斑块面积大，集中连片，其空间镶嵌结构最为简单，但其连片程度小于其他2个区。

武江区土地利用类型中分形维数值最大的是交通用地(1.547 0)，其空间镶嵌结构最为复杂，道路的覆盖面广。其次为水域(1.470 4)、未利用地(1.305 5)，其空间镶嵌结构较为复杂。耕地(1.2972)分维数是3个区中最小的，其分布在3个区中最为连片，形态最为单一。采矿用地(1.292 7)、园地(1.283 2)和城镇村居民点(1.240 1)的空间镶嵌结构复杂程度依次降低。草地(1.238 2)分形维数较低，其分布形态较为简单，也是3个区中空间镶嵌结构复杂程度最低的地区。林地的分维指数最低(1.181 5)，林地在空间分布上多表现为山林，单个斑块面积大，其空间镶嵌结构最为简单，也是3个区中最低的地区，分布最为连片。

曲江区土地利用类型中分形维数值最大的是采矿用地(1.690 9)，曲江区是3个区中采矿用地占比最大的地区(表1)，也是韶关市采矿用地的分布最多的区域，其空间镶嵌结构最为复杂。其次是水域(1.489 3)，土地利用方式上坑塘等养殖水面分布较分散，也是3区中分布形态最为复杂的地区。耕地(1.345 5)分维数也较高，曲江是3区中耕地面积最大的区域，其复杂程度也较高。草地(1.299 5)、未利用地(1.294 9)、园地(1.272 8)的空间镶嵌结构复杂程度依次降低。交通用地(1.254 5)是3区中分维数值最小的区域，说明在3区中道路的分布形态最为简单，覆盖程度也最低。林地(1.205 0)的分维数最小，其空间镶嵌结构最为简单。

2.2.2 土地利用类型的稳定性。稳定性是与分形特征直接相关的一个指标，在土地利用研究中用来表征土地利用空间行为的结果。土地利用类型稳定性指数能够说明具有某一分形维数的土地斑块在自然状态下，抵御外部干扰，维持其自身及内部形态的能力［3］。

在各土地利用类型空间镶嵌结构中采矿用地的稳定性差异最小，其次由小到大是园地、城镇村居民点、林地、未利用地、草地、水域、耕地，交通用地的稳定性差异性最大。研究区内各区的土地利用空间镶嵌结构稳定性差异最大的是武江区，其次是曲江区，浈江区的土地利用空间镶嵌结构稳定性差异性最小。

浈江区的土地利用类型中，林地(0.281 7)的图斑镶嵌结构稳定性最高，说明其抗外部干扰能力最强，不易改变其分布形态，但相对于其他区域较低。其次城镇村居民点用地(0.274 4)，也是3个区域中稳定性最高的区域，空间镶嵌结构稳定性较高，城镇村居民点用地的用途较难改变为其他用地类型。草地(0.239 3)、园地(0.205 5)、采矿用地(0.196 7)和未利用地(0.157 0)的图斑镶嵌结构稳定性依次降低。耕地(0.115 6)的斑块镶嵌结构稳定性较低，也是3区中最低的，其抗干扰能力差，较易变更为其他土地利用类型或改变分布形态。交通用地(0.096 4)的斑块镶嵌结构稳定性也较低，其利用结构较易被改变。水域(0.084 3)斑块镶嵌结构稳定性最低，不仅有自然降水的原因，也有土地利用方式调整和土地整治的原因。

武江区的土地利用类型中，林地(0.318 5)的图斑镶嵌结构稳定性最高，也是3区中稳定性最高的地区。其次是草地(0.261 8)、城镇村居民点(0.259 9)、园地(0.216 8)、采矿用地(0.207 3)、耕地(0.202 8)、未利用地(0.194 5)和交通用地(0.047 0)，水域(0.029 6)的图斑镶嵌结构稳定性最差。

在曲江区的土地利用类型中，林地(0.295 0)的图斑镶嵌结构稳定性最高，其次是城镇村居民点(0.249 8)，在空间分布形态上表现较为聚集。曲江区水域(0.010 7)的图斑镶嵌结构稳定性最差，也是3个区中最差的地区，分布最为分散。

3 结论

分形理论应用在土地利用研究上，能够通过分析不同土地利用类型的斑块面积-周长关系，揭示其空间镶嵌结构的复杂程度和稳定性，定量表示土地利用结构和空间分异规律。基于分形理论的土地利用研究将各土地利用类型及其空间自相关性，用量化的指标进行对比，能够发现土地利用类型在整体和局部上的复杂程度和稳定性的差异。

韶关市辖区土地利用类型中，林地在数量上占有绝对的优势，其分布面积最大且较为集中连片，空间镶嵌结构复杂程度最小，稳定性最强。城镇村居民点在城区受到自然、经济和社会等因素的影响，其空间镶嵌结构复杂程度较小，稳定性较强。耕地、园地、草地、采矿用地、交通用地、水域和未利用地，由于其自身形态和人为的外部干扰，空间镶嵌结构复杂程度较大，稳定性较差。

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