基于分维值和形状指数的利川市谋道镇土地利用变化研究

罗 琼, 瞿声华, 付存华

((湖北省核工业地质局,湖北 孝感 432000)

基于分维值和形状指数的利川市谋道镇土地利用变化研究

罗 琼, 瞿声华, 付存华

((湖北省核工业地质局,湖北 孝感 432000)

通过分维值和形状指数对谋道镇土地利用类型的复杂性和空间紧凑度进行研究,土地类型分维值排序为:草地<城镇及工矿用地<园地<林地<耕地<交通运输用地<其他用地<水域及水利设施用地。谋道镇各土地利用类型具有分形特征,林、耕两类用地的复杂性偏高,且稳定性较低,有必要在土地利用结构调整中进一步加大对此两类用地的保护和集约利用;各土地类型地块的空间紧凑度表现出随地块规模不断增大而逐渐降低的特征,表明谋道镇对规模田块的集约利用程度仍有待提高。分维值和形状指数可明确有效分析谋道镇土地利用情况,分维值和形状指数的分形理论对区域土地利用有着重要的指导意义。

分维值;形状指数;土地规划;土地利用类型

土地资源作为一种不可再生的自然资源,在人类社会经济发展中发挥着极其重要的基础性、战略性作用[1],土地资源开发利用的科学性与合理性是社会可持续发展的必然要求。分形(Fractal)理论由法国数学家曼德尔布罗特(Mandelbrot)于20世纪60—70年代提出[2-4],经过不断地发展,分形理论已被广泛应用于城市空间形态、土地利用等多个研究领域[5-10]。土地利用类型作为人类与自然共同作用下的产物,具有不规则性、不稳定性和复杂性等特点,可以利用分维理论来进行探讨。

谋道镇是湖北省的重点口子镇,也是鄂西南的旅游重镇。本文以利川市谋道镇为例,通过研究区各土地利用类型分维值和形状指数的测定,对研究区土地利用类型的复杂性和紧凑度进行研究,阐述现阶段研究区土地利用类型空间结构的特征。研究结果对了解鄂西南地区及具有边贸属性山区的土地利用空间结构特征具有重要指示意义,并可为优化区域土地利用结构和产业布局提供参考。

1 区域概况

谋道镇地处鄂西南边陲,位于利川市西北部,东邻南坪乡,南接汪营镇,西、北与重庆市接壤,地理坐标东经108°33′45″～108°52′30″,北纬30°17′30″～30°37′30″,是鄂渝边境的咽喉要道,湖北省的重点口子镇。谋道镇属亚热带大陆季风性气候,人口7.1万人。依据全国第二次土地调查数据,全镇总面积336 km2,土地利用总面积约337.47 km2。该镇土地利用类型以耕地、林地为主,其中耕地面积约113.78 km2,占总面积的33.72%;林地面积约182.14 km2,占总面积的53.97%(图1、表1)。

表1 谋道镇土地利用现状表

2 研究方法

2.1 分形理论

图1 研究区土地利用现状图Fig.1 Map for present land use in research area

描述分形结构特征的参数为分形维数(Fractal Dimension)。1991年,曼德尔布罗特在研究动物脑褶分形结构时,提出分维值最初的计算模型,董连科[11]在他的基础上通过物理量纲方法推导得出了n维欧式空间分维值的计算模型。目前土地利用研究中,广泛采用的土地利用类型分维值的计算模型为:

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

(1)

式中:C为常数,分维值D∈[1～2]。D值越大,说明地类斑块在空间上的嵌套结构越趋于复杂,稳定性越低;D值越小,则说明地类斑块在空间上的嵌套结构越趋于简单,稳定性越高。对于某一土地类型而言,只要得到该土地类型中所有斑块的面积和周长数据,然后构建如公式(1)的回归模型。同时,研究表明,当D=1.5时,图形处于一种布朗随机运动状态,此时图形最不稳定[6-10]。因此可用图形分维值与临界值1.5的差值的绝对值|1.5-D|来对图形的稳定性进行判定,得到的稳定性指数越小,则图形越不稳定,反之图形稳定性则越高。

2.2 形状指数

形状指数描述了地块轮廓形态的特征,反映了地块空间形态上的紧凑程度,计算公式[5]如下:

(2)

式中:H为形状指数;L为斑块周长;S为同一斑块面积。形状指数越小,地块轮廓形状越规整,紧凑度越高;形状指数值越大,则表示地块轮廓形状越不规整,紧凑度越低(H=1时,地块形状为圆形,圆形内部各空间高度压缩,是最为紧凑的图形)。

3 研究结果与分析

3.1 分维值分析

依据分维值公式,通过构建各土地利用类型ln(A)与ln(B)的散点图,并利用spss软件进行线性回归拟合,最终得到分维值D。图2和表2中各土地类型ln(A)与ln(B)线性相关系数R2均在0.9左右,说明模型拟合度较高。同时,各土地类型回归模型的P值均小于显著性水平0.01,这表明回归模型是显著的,通过分形理论对研究区土地利用类型进行研究是可行的。

表2中各土地类型分维值排序为:草地<城镇及工矿用地<园地<林地<耕地<交通运输用地<其他用地<水域及水利设施用地。与其他用地比较,林地和耕地分维值最为接近,它们是谋道镇主要的土地利用类型,其占比分别为53.97%和33.72%。林地和耕地在空间上相互嵌套最为紧密,彼此在边界形状上的影响最大,使得二者分维值呈现出相近的特征。从林地和耕地的稳定性指数来看,二者距离稳定性临界值1.5较近,其稳定性指数分别为0.113和0.073,表明这两种土地类型在空间上的稳定性较差。鉴于谋道镇近几年经济快速发展,林地和耕地保护压力逐渐增大,因此,在后期土地利用结构调整过程中,谋道镇应进一步加大对此二类用地的保护和合理利用,提高土地集约节约利用程度。

图2 各土地类型散点图Fig.2 Maps for scatter plot of each land type

表2 各土地类型分维值

Table 2 Fractal dimension value of each land type

土地类型回归方程R2P值分维值稳定性指数耕地y=1．4017x+0．13290．93540．0001．4270．073园地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城镇及工矿用地y=1．5713x-0．64220．93620．0001．2730．227交通运输用地y=1．3426x+0．75710．99920．0001．4900．01水域及水利设施用地y=1．1657x+1．47890．88390．0001．7160．216其他用地y=1．3073x+0．75370．95560．0001．5300．03

草地在所有土地类型中分维值最低,仅为1.272,这表明草地在空间上的嵌套结构相对趋于简单,边界形状较为规整。谋道镇草地资源主要分布在东南部的齐岳山处,是中国南方最大的山地草场,草地资源在空间分布上相对集中连片,因此,使得草地的分维值较低。同时,其稳定性指数为0.228,也说明草地边界形状较为规则,空间上的稳定性较高。

城建用地分维值为1.273,略大于草地,说明其在空间嵌套结构上也趋于简单,边界形状也呈现规整的特征。这主要是由于城建用地面积所占比例较小,在空间上呈相对集中分布。同时,城镇自身建设也要求用地结构较为规整、紧凑,以充分发挥城镇自身的功能,使得城建用地分维值较小。城建用地稳定性指数较大,为0.227,说明其空间稳定性较强。目前来看,谋道镇城镇近期建设主要是沿318国道,呈南北轴线有序延伸发展。

水域及水利设施用地分维值最大,达到了1.716,表明其边界形状较为复杂,与这类用地大多保留自然边界形态密切相关。用地稳定性指数0.216,说明其空间形态较为稳定,谋道镇水域及水利设施用地在空间嵌套结构上趋于复杂的特征在短期内不会改变。

园地分维值为1.325,略小于林地,谋道镇园地所占比例较少,主要分布在区域中部和西北部,在空间上较为集中连片,使得用地边界形状较为规整。其稳定性指数为0.175,说明用地在空间形态上较为稳定。

交通用地和其他用地所占比例较小,分别仅占研究区土地利用总面积的0.04%和0.24%。二者分维值分别为1.490和1.530,稳定性指数分别为0.01和0.03,说明用地边界形状较为复杂,空间形态稳定性较低。

3.2 形状指数分析

依据形状指数计算公式,对各土地类型的形状指数进行计算。为了更好地体现出不同尺度的土地类型形状指数的特征,反映出地块规模变化与形状指数之间的关系,本文将各土地类型进行了分类。依据研究区实际情况,采用自然间断点分级法对各土地类型进行分类,本文在此将各土地类型按照不同尺度由小到大分为7类(表3)。

从表4和图3中可以看出,各土地类型均表现出随地块规模不断增大,形状指数也逐渐走高的趋势,说明地块规模不断增大,而地块空间形态的紧凑程度却在逐渐变小。受地形的影响,各土地类型地块规模由小增大时,其空间形态逐渐趋向于长条形和破碎化特征,而这其中,又以林地和耕地最为突出,从而造成规模较大地块形状指数较高。这表明,谋道镇在土地利用的过程中,对规模田块的集约节约利用程度还有待提高。因此,谋道镇在日后的土地利用结构调整中,应进一步提高土地利用效率,尤其是进一步加大规模田块的集约利用程度。

表3 各土地类型不同尺度分类表

表4 不同尺度各土地类型形状指数

图3 不同尺度各土地类型形状指数Fig.3 Shape indexes of each land type in different scales

4 结语

(1) 研究区各土地利用类型具有较强分形特征,通过分形理论对研究区土地利用的科学性与合理性进行分析是可行的、有意义的。

(2) 谋道镇土地利用类型边界形状的复杂程度各不相同,稳定性也各有差异。谋道镇土地利用类型稳定性较低,这主要是耕地、林地在空间上的稳定性较低造成的,在耕、林两类用地保护压力不断增大的背景下,谋道镇应进一步加大对这两类用地的保护和合理利用,以提高用地整体集约利用程度。

(3) 对谋道镇不同尺度地块的形状指数研究发现地块空间形态的紧凑程度表现出随地块规模不断增大而逐渐降低的特征。这说明谋道镇对规模田块的集约利用程度仍有待提高。

[1] 刘彦随.区域土地利用优化配置[M].北京:学苑出版社,1999.

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[4] Mandelbrot B B.The fractal geometry of nature[M].BostonUniversty:Birkh auser Verlag,1991.

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[9] 李新东,郭治兴,邓南荣,等.土地利用类型的分维值和稳定性指数空间变异分析[J].生态环境,2007(2):627-631.

[10] 秦占飞,常庆瑞.土地利用类型分维数及稳定性研究——以陕西省蒲城县为例[J].水土保持通报,2012(1):115-118.

[11] 董连科.分形理论及其应用[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1991.

(责任编辑：陈文宝)

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

罗琼(1980-)女,工程师,硕士,地球化学专业,从事资源勘查和同位素地球化学研究工作。E-mail:luoqiong_2005@126.com

F301

A

1671-1211(2016)05-0784-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.026

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0814.006.html 数字出版日期:2016-08-11 08:14