基于分形理論的重慶市渝北區土地利用空間分析

(成都理工大學地球科學學院 四川 成都 610059)

基于分形理論的重慶市渝北區土地利用空間分析

梁欣彭世勇劉森皓

(成都理工大學地球科學學院四川成都610059)

本研究以重慶市渝北區為研究區，將土地利用類型劃分為耕地、林地、水域、建設用地、裸地和其它土地利用類型6類，以分形理論和景觀生態學為指導，分析了影響景觀分布特征的驅動力。研究結果為該地區今后可持續發展和土地資源的合理利用提供了科學的決策依據。

分形理論；土地利用；景觀格局；重慶市渝北區

土地利用/覆蓋變化研究已經成為全球變化研究的重要組成部分[1-2]。借助景觀生態學的方法來分析土地利用/覆蓋變化的生態環境效應是近年土地利用/覆蓋變化研究的熱點問題[3]。分形理論主要研究利用分形維數來量度自相似性，即如何定義分形維及其測算方法[4-8]。空間系統中充滿了支離破碎、沒有規則的地理現象及其不可積分的非線性過程，這些過程在空間上、時間上常常表現出統計意義上的自相似性[9]。基于此，本文以重慶市渝北區為例，通過分形理論對研究區域土地利用的強度和穩定度進行探討，以期為該區域土地資源的合理配置和優化提供參考[10]。

一、研究區概況

渝北區位于重慶主城北部，地跨東經106°27'30"-106°57'58"和北緯29°34'45"-30°07'22"之間，地勢西北高東南低，屬于亞熱帶濕潤氣候區，渝北區過境河流主要有長江和嘉陵江。幅員面積14520.03km2。

二、研究方法

該研究充分考慮實際情況，選取了重慶市渝北區作為實驗研究區，土地利用類型斑塊分形維數的估算方法采用根據斑塊周長和面積之間的關系來估算分維數，A(r)為某一圖斑面積，P(r)為同一圖斑周長，D為分維數，C為一待定常數(截距)，最后擬合出一條關于ln[A(r)]和ln[P(r)]兩者關系的直線，通過其斜率2/D，就可求出分形維數D。景觀類型分離度指數Fi，反應同類圖斑在空間上的分離程度；景觀形狀指數Si反應了圖斑的形狀復雜程度；景觀破碎化指數Ci是測定某一景觀類型破碎化程度的定量指標；優勢度指數LDI描述一種或多種類型的圖斑在一個景觀中的優勢程度。結合這些指標可以更加合理的反應圖斑類型的穩定合理程度通過遙感影像數據利用GIS平臺對分形理論的分形維數D及景觀格局指數對土地利用結構進行探討與分析。揭示土地利用景觀格局在空間上變化的一般性規律。

三、數據處理

遙感影像數據為Landsat8數據。首先應用ENVI5.1對影像進行預處理。再結合訓練樣本進行監督分類，最后將重慶市渝北區的土地類型分為6類：耕地，林地，建筑用地，水域，裸地和其它用地。利用ARCGIS10.2對周長和面積進行統計，利用EXCEL進行分維數D的計算，即做周長-面積的雙對數散點圖，并進行線性擬合，最后對數據進行線性分析，獲得散點圖的回歸方程。最后通過得到的回歸方程斜率K=2/D的關系計算出每個土地利用類型的分維數。最后利用以上步驟得到的圖斑數、面各類圖斑的積、周長和分形維數，利用相關統計工具求出各景觀指數。

四、結果與分析

(一)土地利用類型穩定性分析

重慶市渝北區的土地利用總圖斑數為8764個，土地總面積為190248.93hm2，各地類圖斑的總周長為18640260m。分維數D用來測定斑形狀的復雜程度，其值的大小體現了所受人類活動干擾強度的差異性，其值越大表明該區域土地利用類型越穩定；越小表明該區域土地利用類型穩定性越差。將重慶市渝北區2016年各土地利用類型穩定指數從大到小進行排列，裸地〉其他用地〉林地〉建筑用地〉耕地〉水域。裸地分維值最小，穩定度最高，說明這類土地利用類型結構較簡單，邊界規則，受人為干涉最高；其次為其他用地、林地、建筑用地、耕地，也受到人為因素的干擾，邊界較規則，相對穩定。水域分維值最大，穩定度最小為0.1518，說明其結構復雜邊界最不規則，受人為干擾較少，多為天然水域或湖泊。

(二)土地利用各類型景觀指數分析

重慶市渝北區2016年景觀分離度指數由大到小排序為林地>建筑用地>耕地>水域>其它用地>裸地。林地的分離度指數最大為2.0455，說明此類土地利用在研究區域中最分散，在城市規劃中，林地大多圍繞道路和居民地分布。裸地的分離度指數最小為0.0006，裸地受人為干擾因素大，說明在那一片區域人類活動較劇烈。觀形狀指數由大到小排序為水域>其他用地>建筑用地>裸地>林地>耕地。其中景觀形狀指數最大的為水域，167.7188，說明重慶市渝北區水域的邊界較為復雜形狀不規則，與前文水域的穩定度最低受人為干擾較小相一致。景觀形狀指數最小的為耕地，78.6316，表明重慶市渝北區的耕地圖斑邊界相較與其他土地利用類型規則，受的人為干擾較大。景觀破碎化指數由大到小排序為水域〉其他用地〉林地〉耕地〉裸地〉建筑用地。建筑用地的破碎化指數最小，0.0031，表明受人類干擾大，用地相對集中連片。景觀優勢度指數由大到小排序為裸地>其他用地>水域>耕地>林地>建筑用地。

五、討論

渝北區地處華鎣山主峰以南的巴渝平行嶺谷地帶，地勢從西北向東南緩緩傾斜。作為重慶主城和新型工業化發展的主要擴展區，其景觀格局特征具有典型的代表性。本文通過對渝北區各土地利用進行分類，分別計算其面積和周長。運用分形理論進行土地利用空間格局分析，在分析其各土地利用類型的穩定度、分離度指數、形狀指數、破碎度指數和優勢度指數等景觀格局指數的基礎上，對渝北區景觀格局特征進行了研究和分析。雖然本文對重慶市渝北區的土地利用進行了空間分析，但并未涉及時空演化過程，將在后續工作中繼續討論。

[1]傅伯杰.景觀生態學原理與應用.北京：科學出版社，2001

[2]許君燕,陳松林,施明樂. 基于分形理論的土地利用景觀格局變化研究——以長樂市為例[J]. 云南地理環境研究,2006,(06):30-33.

[3]魯恒，李永樹，何政偉.RS與GIS在瀘橋鎮土地利用類型分形研究中的應用.測繪，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，王向陽.分形理論與分形的計算機模擬.沈陽：東北大學出版社,1993

[9]郄瑞卿,劉富民. 基于分形理論的土地利用景觀格局變化研究——以鎮賚縣鎮賚鎮為例[J]. 水土保持研究,2013,(02):217-222.

[12]王聃同,袁春,周偉,張寅玲. 基于分形理論的土地利用景觀格局特征分析——以湖北省咸豐縣為例[J]. 資源與產業,2012,(03):147-152.