基于分形理論的土地利用格局分析——以廣東省韶關市轄區為例

王 衛，陳曉遠

（韶關學院英東農業科學與工程學院，廣東韶關 512005）

土地利用研究是當前地學研究的熱點領域，是全球變化研究的一部分［1］。其中土地利用空間格局是土地利用研究的一個重要方面［2］。一些傳統學科的理論和模型也逐步被應用到土地利用的研究上，尺度定量化研究土地利用的時空分布特征、景觀格局、空間分異、統計特征、變化機理、穩定性和復雜性等多方面［3］，從而揭示出土地利用及土地利用變化的驅動因素、變化規律、利用形態、利用程度和各利用類型的相關性等。分形理論在地學研究領域的應用越來越廣泛，在土地利用分析中定量表征尺度和維數及其復雜性和不穩定性［4］。筆者根據韶關市第二次全國土地利用調查數據，利用分形理論和空間分析手段研究韶關市的土地利用格局。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區與數據 韶關市地處南嶺腹地，全境在大地構造上處于華夏活化陸臺的湘粵褶皺帶，地形以山地丘陵為主，河谷盆地分布其中，平原、臺地面積約占20%，地勢北高南低。韶關是我國典型的“丹霞地貌”所在地和命名地。韶關市具有豐富的森林資源和獨特的生態系統，是廣東省最大的再生能源基地和天然生物基因庫，森林資源及野生動、植物資源極其豐富，森林覆蓋率72.5%。韶關市屬亞熱帶季風氣候，四季特點為春季陰雨連綿，秋季降水偏少，冬季寒冷，夏季偏熱，年平均氣溫18.8～21.6℃，年平均降雨量為1 700 mm，全年無霜期為310 d左右。韶關是傳統的工業基地，韶關是“中國有色金屬之鄉”，有“中國鋅都”稱號，全市已探明儲量的礦產有煤炭、鉛、鋅、銅等55種，保有儲量位居全省第一的有23種。韶關市土地總面積18 218.06 km2，轄湞江區、武江區、曲江區3個區，始興縣、乳源瑤族自治縣、仁化縣、翁源縣和新豐縣5個縣，樂昌市和南雄市2個市。根據第六次全國人口普查韶關市轄區人口99.15萬，2013年GDP為1 010億元。

數據主要來自韶關市第二次全國土地利用調查數據，行政區范圍矢量圖。土地利用類型分為耕地、園地、林地、草地、城鎮村居民點、采礦用地、交通用地、水域和未利用地共9種(圖1)。

1.2 研究方法 分形理論是1976年美國科學家曼德勃羅特(Mandelbrot)提出的［5］。所謂分形是指其組成部分以某種方式與整體相似的幾何形態，或者是指在很寬的尺度范圍內，無特征尺度卻有自相似性或自放射性的一種現象［6-9］，其外表結構極為復雜，但內部卻是有規律可循的。分形逐漸應用到土地利用研究中，成為表征土地時空間結構及其變化的有力工具［3～11］。但是，由于土地空間分形結構及其機制隨尺度變化究竟具有怎樣的特征并不明確，由此造成分形與分維在土地空間結構或是土地景觀結構研究中應用的前提不明確，隨意性較強［9］。

在分形理論中用，常用以下2個指數表征土地利用的穩定性和復雜性［5-9］。

1.2.1 斑塊面積-周長關系及分維數［6］。土地分布復雜性與斑塊的面積大小有密切關系。采用式(1)計算土地類型斑塊面積-周長關系，從而計算各類型土地空間結構分維數。

式中，A為某一斑塊面積;P為同一斑塊周長;D為分維數;k為待定常數。

對于區域內土地利用類型而言，只要通過其系列斑塊的周長、面積數據作雙對數回歸分析擬合，就可以求取其分維數D值，即擬合直線的斜率值等于2/D。通過自然對數的線

D值越大，則空間上的斑塊鑲嵌結構越復雜。當D=1.5時，表示處于一種類似于布朗運動的隨機運動狀態，即圖斑鑲嵌結構最不穩定。D值越接近于1.5，表示圖斑鑲嵌結構越不穩定。性回歸分析，可建立研究區土地利用類型的面積-周長關系:

1.2.2 穩定性指數［6］。根據分形理論，土地類型圖斑空間鑲嵌結構決定其穩定性。該研究采用以下公式來測定土地利用類型穩定性指數:

SK值越大，表示斑塊鑲嵌結構越穩定。

2 結果與分析

2.1 研究區土地利用特征 根據全國第二次土地利用調查結果，韶關市轄區土地總面積2 870.83 km2，其中武江區土地面積 677.85 km2，湞江區土地面積 572.14 km2，曲江區土地面積1620.85 km2。由圖2可知，韶關市土地利用類型中林地面積最大，占土地總面積的72.95%，其次為耕地，占12.48%，城鎮村居民點占5.09%，園地占比最小，僅0.75%。

表1 韶關市各轄區土地利用類型結構 %

由表1可知，林地和耕地為韶關市各轄區的主要用地類型，采礦用地主要分布在曲江區，交通用地、水域、耕地和城鎮村居民點用地湞江區的用地比重大于其他區。

2.2 韶關市轄區土地利用格局分析 根據公式(2)，構建研究區各土地利用類型斑塊面積-周長關系，并對關系指數進行線性擬合，得出韶關市武江區、湞江區和曲江區各土地利用類型斑塊面積-周長擬合圖(圖3～5)。通過對土地利用類型斑塊面積和斑塊周長的自然對數的散點圖的線性擬合，獲得韶關市3個區的土地利用類型的分形模型。由圖可知韶關市各轄區土地利用類型面積-周長的關系指數R顯著性通過檢驗，表明其顯著性相關。

2.2.1 土地利用分形特征。在分形理論中，如果分形維數越大，則相同區域面積土地斑塊的周長越長，土地的斑塊形態越復雜。分形值越大，說明斑塊占據的空間越大，空間鑲嵌結構就越復雜［2］。

利用式(2)、(3)計算得出土地類型分形指數和穩定性指數(表2)。根據D值和SK值計算出韶關市轄區各土地利用類型的標準差和相同地類在不同區域的標準差，以得出林地、耕地、園地、草地、水域、城鎮村居民點、交通用地、采礦用地和未利用地的分形指數和穩定性指數在空間分布和結構上的差異。

表2 韶關市轄區土地類型分維模型與穩定性指數

由表2可知，根據D值大小可知研究區內各土地利用類型復雜程度及其空間分異。在各土地利用類型空間鑲嵌結構中采礦用地的復雜程度差異最小，其次由小到大依次是園地、城鎮村居民點、林地、未利用地、草地、水域、耕地，交通用地的復雜程度差異性最大。研究區內各區的土地利用空間鑲嵌結構復雜程度差異最大的是曲江區，其次是湞江區，武江區的土地利用空間鑲嵌結構復雜程度差異性最小。

根據表2可得，湞江區土地利用類型分形維數中交通用地最大(1.596 4)，說明交通用地在湞江區的交通用地空間鑲嵌結構最為復雜，分布形態多樣，覆蓋最廣;湞江區的交通用地的分形維數是3個區中最大值，說明湞江區交通用地的覆蓋度和通達度大于其他區。其次為水域(1.415 7)，說明水域在該區域分布形態較為多樣，空間鑲嵌結構較為復雜，覆蓋較廣;湞江區水域在3個區中的分維數值最小，說明湞江區水域分布比其他區域連片。耕地(1.384 4)分布也較為分散，分布形態也較為復雜，也是3個區域中最為復雜的。未利用地(1.343 0)、采礦用地(1.303 3)、園地(1.294 5)、草地(1.260 7)的空間鑲嵌結構逐漸降低。城鎮村居民點的分維指數較低(1.225 6)，說明其空間鑲嵌結構較為簡單，分布空間較為連片，形態較為單一;也是3個區中最小的值，在3個區中分布形態最為成片，聚集度最高。林地的分維指數最低(1.218 3)，林地在空間分布上多表現為山林，單個斑塊面積大，集中連片，其空間鑲嵌結構最為簡單，但其連片程度小于其他2個區。

武江區土地利用類型中分形維數值最大的是交通用地(1.547 0)，其空間鑲嵌結構最為復雜，道路的覆蓋面廣。其次為水域(1.470 4)、未利用地(1.305 5)，其空間鑲嵌結構較為復雜。耕地(1.2972)分維數是3個區中最小的，其分布在3個區中最為連片，形態最為單一。采礦用地(1.292 7)、園地(1.283 2)和城鎮村居民點(1.240 1)的空間鑲嵌結構復雜程度依次降低。草地(1.238 2)分形維數較低，其分布形態較為簡單，也是3個區中空間鑲嵌結構復雜程度最低的地區。林地的分維指數最低(1.181 5)，林地在空間分布上多表現為山林，單個斑塊面積大，其空間鑲嵌結構最為簡單，也是3個區中最低的地區，分布最為連片。

曲江區土地利用類型中分形維數值最大的是采礦用地(1.690 9)，曲江區是3個區中采礦用地占比最大的地區(表1)，也是韶關市采礦用地的分布最多的區域，其空間鑲嵌結構最為復雜。其次是水域(1.489 3)，土地利用方式上坑塘等養殖水面分布較分散，也是3區中分布形態最為復雜的地區。耕地(1.345 5)分維數也較高，曲江是3區中耕地面積最大的區域，其復雜程度也較高。草地(1.299 5)、未利用地(1.294 9)、園地(1.272 8)的空間鑲嵌結構復雜程度依次降低。交通用地(1.254 5)是3區中分維數值最小的區域，說明在3區中道路的分布形態最為簡單，覆蓋程度也最低。林地(1.205 0)的分維數最小，其空間鑲嵌結構最為簡單。

2.2.2 土地利用類型的穩定性。穩定性是與分形特征直接相關的一個指標，在土地利用研究中用來表征土地利用空間行為的結果。土地利用類型穩定性指數能夠說明具有某一分形維數的土地斑塊在自然狀態下，抵御外部干擾，維持其自身及內部形態的能力［3］。

在各土地利用類型空間鑲嵌結構中采礦用地的穩定性差異最小，其次由小到大是園地、城鎮村居民點、林地、未利用地、草地、水域、耕地，交通用地的穩定性差異性最大。研究區內各區的土地利用空間鑲嵌結構穩定性差異最大的是武江區，其次是曲江區，湞江區的土地利用空間鑲嵌結構穩定性差異性最小。

湞江區的土地利用類型中，林地(0.281 7)的圖斑鑲嵌結構穩定性最高，說明其抗外部干擾能力最強，不易改變其分布形態，但相對于其他區域較低。其次城鎮村居民點用地(0.274 4)，也是3個區域中穩定性最高的區域，空間鑲嵌結構穩定性較高，城鎮村居民點用地的用途較難改變為其他用地類型。草地(0.239 3)、園地(0.205 5)、采礦用地(0.196 7)和未利用地(0.157 0)的圖斑鑲嵌結構穩定性依次降低。耕地(0.115 6)的斑塊鑲嵌結構穩定性較低，也是3區中最低的，其抗干擾能力差，較易變更為其他土地利用類型或改變分布形態。交通用地(0.096 4)的斑塊鑲嵌結構穩定性也較低，其利用結構較易被改變。水域(0.084 3)斑塊鑲嵌結構穩定性最低，不僅有自然降水的原因，也有土地利用方式調整和土地整治的原因。

武江區的土地利用類型中，林地(0.318 5)的圖斑鑲嵌結構穩定性最高，也是3區中穩定性最高的地區。其次是草地(0.261 8)、城鎮村居民點(0.259 9)、園地(0.216 8)、采礦用地(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)的圖斑鑲嵌結構穩定性最差。

在曲江區的土地利用類型中，林地(0.295 0)的圖斑鑲嵌結構穩定性最高，其次是城鎮村居民點(0.249 8)，在空間分布形態上表現較為聚集。曲江區水域(0.010 7)的圖斑鑲嵌結構穩定性最差，也是3個區中最差的地區，分布最為分散。

3 結論

分形理論應用在土地利用研究上，能夠通過分析不同土地利用類型的斑塊面積-周長關系，揭示其空間鑲嵌結構的復雜程度和穩定性，定量表示土地利用結構和空間分異規律?；诜中卫碚摰耐恋乩醚芯繉⒏魍恋乩妙愋图捌淇臻g自相關性，用量化的指標進行對比，能夠發現土地利用類型在整體和局部上的復雜程度和穩定性的差異。

韶關市轄區土地利用類型中，林地在數量上占有絕對的優勢，其分布面積最大且較為集中連片，空間鑲嵌結構復雜程度最小，穩定性最強。城鎮村居民點在城區受到自然、經濟和社會等因素的影響，其空間鑲嵌結構復雜程度較小，穩定性較強。耕地、園地、草地、采礦用地、交通用地、水域和未利用地，由于其自身形態和人為的外部干擾，空間鑲嵌結構復雜程度較大，穩定性較差。

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