基于分形理论的重庆市渝北区土地利用空间分析

(成都理工大学地球科学学院 四川 成都 610059)

基于分形理论的重庆市渝北区土地利用空间分析

梁欣彭世勇刘森皓

(成都理工大学地球科学学院四川成都610059)

本研究以重庆市渝北区为研究区，将土地利用类型划分为耕地、林地、水域、建设用地、裸地和其它土地利用类型6类，以分形理论和景观生态学为指导，分析了影响景观分布特征的驱动力。研究结果为该地区今后可持续发展和土地资源的合理利用提供了科学的决策依据。

分形理论；土地利用；景观格局；重庆市渝北区

土地利用/覆盖变化研究已经成为全球变化研究的重要组成部分[1-2]。借助景观生态学的方法来分析土地利用/覆盖变化的生态环境效应是近年土地利用/覆盖变化研究的热点问题[3]。分形理论主要研究利用分形维数来量度自相似性，即如何定义分形维及其测算方法[4-8]。空间系统中充满了支离破碎、没有规则的地理现象及其不可积分的非线性过程，这些过程在空间上、时间上常常表现出统计意义上的自相似性[9]。基于此，本文以重庆市渝北区为例，通过分形理论对研究区域土地利用的强度和稳定度进行探讨，以期为该区域土地资源的合理配置和优化提供参考[10]。

一、研究区概况

渝北区位于重庆主城北部，地跨东经106°27'30"-106°57'58"和北纬29°34'45"-30°07'22"之间，地势西北高东南低，属于亚热带湿润气候区，渝北区过境河流主要有长江和嘉陵江。幅员面积14520.03km2。

二、研究方法

该研究充分考虑实际情况，选取了重庆市渝北区作为实验研究区，土地利用类型斑块分形维数的估算方法采用根据斑块周长和面积之间的关系来估算分维数，A(r)为某一图斑面积，P(r)为同一图斑周长，D为分维数，C为一待定常数(截距)，最后拟合出一条关于ln[A(r)]和ln[P(r)]两者关系的直线，通过其斜率2/D，就可求出分形维数D。景观类型分离度指数Fi，反应同类图斑在空间上的分离程度；景观形状指数Si反应了图斑的形状复杂程度；景观破碎化指数Ci是测定某一景观类型破碎化程度的定量指标；优势度指数LDI描述一种或多种类型的图斑在一个景观中的优势程度。结合这些指标可以更加合理的反应图斑类型的稳定合理程度通过遥感影像数据利用GIS平台对分形理论的分形维数D及景观格局指数对土地利用结构进行探讨与分析。揭示土地利用景观格局在空间上变化的一般性规律。

三、数据处理

遥感影像数据为Landsat8数据。首先应用ENVI5.1对影像进行预处理。再结合训练样本进行监督分类，最后将重庆市渝北区的土地类型分为6类：耕地，林地，建筑用地，水域，裸地和其它用地。利用ARCGIS10.2对周长和面积进行统计，利用EXCEL进行分维数D的计算，即做周长-面积的双对数散点图，并进行线性拟合，最后对数据进行线性分析，获得散点图的回归方程。最后通过得到的回归方程斜率K=2/D的关系计算出每个土地利用类型的分维数。最后利用以上步骤得到的图斑数、面各类图斑的积、周长和分形维数，利用相关统计工具求出各景观指数。

四、结果与分析

(一)土地利用类型稳定性分析

重庆市渝北区的土地利用总图斑数为8764个，土地总面积为190248.93hm2，各地类图斑的总周长为18640260m。分维数D用来测定斑形状的复杂程度，其值的大小体现了所受人类活动干扰强度的差异性，其值越大表明该区域土地利用类型越稳定；越小表明该区域土地利用类型稳定性越差。将重庆市渝北区2016年各土地利用类型稳定指数从大到小进行排列，裸地〉其他用地〉林地〉建筑用地〉耕地〉水域。裸地分维值最小，稳定度最高，说明这类土地利用类型结构较简单，边界规则，受人为干涉最高；其次为其他用地、林地、建筑用地、耕地，也受到人为因素的干扰，边界较规则，相对稳定。水域分维值最大，稳定度最小为0.1518，说明其结构复杂边界最不规则，受人为干扰较少，多为天然水域或湖泊。

(二)土地利用各类型景观指数分析

重庆市渝北区2016年景观分离度指数由大到小排序为林地>建筑用地>耕地>水域>其它用地>裸地。林地的分离度指数最大为2.0455，说明此类土地利用在研究区域中最分散，在城市规划中，林地大多围绕道路和居民地分布。裸地的分离度指数最小为0.0006，裸地受人为干扰因素大，说明在那一片区域人类活动较剧烈。观形状指数由大到小排序为水域>其他用地>建筑用地>裸地>林地>耕地。其中景观形状指数最大的为水域，167.7188，说明重庆市渝北区水域的边界较为复杂形状不规则，与前文水域的稳定度最低受人为干扰较小相一致。景观形状指数最小的为耕地，78.6316，表明重庆市渝北区的耕地图斑边界相较与其他土地利用类型规则，受的人为干扰较大。景观破碎化指数由大到小排序为水域〉其他用地〉林地〉耕地〉裸地〉建筑用地。建筑用地的破碎化指数最小，0.0031，表明受人类干扰大，用地相对集中连片。景观优势度指数由大到小排序为裸地>其他用地>水域>耕地>林地>建筑用地。

五、讨论

渝北区地处华蓥山主峰以南的巴渝平行岭谷地带，地势从西北向东南缓缓倾斜。作为重庆主城和新型工业化发展的主要扩展区，其景观格局特征具有典型的代表性。本文通过对渝北区各土地利用进行分类，分别计算其面积和周长。运用分形理论进行土地利用空间格局分析，在分析其各土地利用类型的稳定度、分离度指数、形状指数、破碎度指数和优势度指数等景观格局指数的基础上，对渝北区景观格局特征进行了研究和分析。虽然本文对重庆市渝北区的土地利用进行了空间分析，但并未涉及时空演化过程，将在后续工作中继续讨论。

[1]傅伯杰.景观生态学原理与应用.北京：科学出版社，2001

[2]许君燕,陈松林,施明乐. 基于分形理论的土地利用景观格局变化研究——以长乐市为例[J]. 云南地理环境研究,2006,(06):30-33.

[3]鲁恒，李永树，何政伟.RS与GIS在泸桥镇土地利用类型分形研究中的应用.测绘，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，王向阳.分形理论与分形的计算机模拟.沈阳：东北大学出版社,1993

[9]郄瑞卿,刘富民. 基于分形理论的土地利用景观格局变化研究——以镇赉县镇赉镇为例[J]. 水土保持研究,2013,(02):217-222.

[12]王聃同,袁春,周伟,张寅玲. 基于分形理论的土地利用景观格局特征分析——以湖北省咸丰县为例[J]. 资源与产业,2012,(03):147-152.