基于GIS和分形理論的沱江流域土地利用結構動態分析①

謝賢健

基于GIS和分形理論的沱江流域土地利用結構動態分析①

謝賢健

(內江師范學院地理與資源科學學院，四川內江 641000)

以沱江流域2000年、2020年土地利用空間數據庫為基礎，應用GIS技術及分形理論，定量分析研究區土地利用空間結構復雜性、穩定性以及空間分布規律。結果表明：①各種土地利用類型都具有分形特征，分形維數可以表征土地利用空間格局的變化。②20年間，沱江流域的土地利用類型以耕地和林地為主，占研究區總面積的90% 以上，受人為活動影響，流域內不同土地利用類型之間存在相互轉化的過程，主要的轉化特點是耕地和林地大面積減少，而城鄉建設用地迅速擴張。③流域2期土地利用的總分形維數分別為 1.351、1.503，上升趨近于臨界值1.5；土地利用整體空間結構穩定性指數從0.149下降到0.003，說明總體上流域土地空間鑲嵌結構趨于復雜化，穩定性變差。④流域各地類的分形維數和穩定性指數變化存在一定差異，除未利用地外，其他土地利用類型的分形維數均呈變大趨勢，空間鑲嵌結構趨于復雜化；耕地、林地、草地、城鄉建設用地穩定性指數均減小，減小的幅度分別達80.137%、52.439%、55.556%、26.957%，空間結構變得不穩定；水域穩定性指數變大，空間結構變得穩定。

沱江流域；土地利用；分形維數；穩定性

分形(fractal)是指事物局部與整體具有自相似的特征[1–2]。分形理論由曼得爾布羅特(Mandelbrot)于20世紀60至70年代提出[3]，可以用于描述復雜系統的非線性結構形態。土地利用系統具有典型的非線性動力特征[4]，其結構具有高度的多維性和近似的或者統計意義上的分形特征[5–8]，用分形理論對土地利用系統進行探討具有較強的理論價值[5]。

國外在土地利用分形特征研究方面早有報道，Batty和Longley[9]及Cola[10]利用分形理論系統研究了城市區域內土地利用類型的分形特征。Torbick等[11]基于分形理論，評價了城市化對土地利用變化的影響，解釋了土地利用變化的預測模型。國內較多學者在研究土地利用結構方面，主要分析了土地利用的分形維數值、分形研究方法、土地的分形模型等。陸彩紅和安如[6]通過解譯徐州市礦區1990年、2000年、2010年3期TM影像，在分析3個時期土地利用數量變化的基礎上，研究了分形維數與穩定性指數的動態變化特征，從不同地類空間形態的變化上定量探討了徐州礦區20 a土地利用的演變，結果表明，在城市化驅動下，經濟發展、城市擴張、生態保護是區域土地利用分形特征與結構穩定變化的主要驅動因素。盧德彬等[7]研究發現，土地利用類型的分形維數值和穩定性指數值的大小可以較好地表征土地利用空間結構的特征。瓦哈甫·哈力克等[8]探討了且末綠洲土地利用類型結構的分形維數和復雜性、穩定性的關系，揭示了土地利用變化的內部機制。吳漣敏和廖善剛[12]以閩侯縣1994年、2004年和2015年3期遙感影像為數據源，在RS、GIS和統計分析工具的支持下，基于分形理論分析了土地利用類型的復雜度與穩定度及其空間格局變化，從而闡述了不同土地利用類型的空間分布規律。總體上，在地理學領域內，分形理論應用廣泛，為土地利用空間形態結構的研究提供了有力的理論支撐[13]。

由于時空環境的演變往往造成同一土地利用類型空間形態存在較大差異，因而土地利用圖斑的形態、數量、空間位置等都蘊含了豐富的時空演變信息[14–16]。土地利用圖斑數量、形狀、面積及其構成等決定了土地利用的復雜性和穩定性，而這種復雜性和穩定性受到人為因素的強烈影響，通過對土地利用空間格局演變的研究，可以為政府協調水土開發、區域土地合理利用以及優化土地利用結構提供支持。目前，利用分形理論對土地利用類型的穩定性、土地利用結構的動態變化和土地利用的空間占據程度等方面有一定的研究，然而從流域角度探討土地利用的分形特征時空變化規律鮮有報道。因此，本研究以沱江流域為例，應用GIS技術及分形理論，定量分析研究區土地利用空間結構復雜性、穩定性以及空間分布規律，以豐富、發展、完善、補充我國流域土地利用結構評價的理論機制，為研究區土地資源的優化配置提供一定的理論指導。

1 研究區概況

沱江流域位于四川省中部，流域范圍涉及德陽市、成都市、簡陽市、資陽市、內江市、自貢市、瀘州市等大中城市所轄部分行政區(圖1)，流域面積3.86萬km2，沱江流域區位示意圖見圖1。流域內大、中型工廠超過千余座，是四川省工業集中之地，人口密度之高冠于其他各河。該流域地處四川省的腹心地帶，對全省社會經濟發展起重要的作用。

圖1 沱江流域區位示意圖

2 研究方法與數據來源

2.1 評價單元確立

沱江流域涉及縣市眾多，為便于研究分析，若市、縣、區僅部分行政轄區位于沱江流域范圍內，也納入研究區；基于此，分別在沱江流域的上、中、下游選取成都、德陽、內江、自貢、瀘州市相關38個市縣區作為研究單元，確定研究區范圍，具體見圖1。

2.2 數據來源

本研究選取的2000年、2020年沱江流域Landsat-MSS、Landsat 8遙感影數據源自地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)。遙感影像采用ENVI5.1軟件進行監督分類解譯[12]，土地利用分類標準參照中科院土地利用覆被變化(LUCC)分類體系[17]進行，共計劃分耕地、林地、草地、水域、城鄉建設用地和未利用地6個類型(表1)，2期土地利用現狀圖如圖2所示。經混淆矩陣法精度驗證，2期影像圖分類精度均大于0.85，滿足研究需要。

表1 土地利用分類標準[17]

2.3 土地利用轉移分析

基于GIS技術，首先將2期土地利用數據中相同類型的土地利用進行融合，然后利用Intersect命令將2期數據進行疊加，獲得新的交集圖層，在交集圖層中建立面積字段并計算面積，利用表轉Excel工具，將交集圖層中屬性表轉成Excel表并打開插入數據透視表，將2000年的土地利用類型數據設置為行，2020年的土地利用類型數據設置為列，即得到土地利用轉移矩陣表。同時，基于GIS技術，在交集圖層中新建一個轉換字段，用字段計算器輸入公式[2000land]+ “–”+[2020land]，并計算轉換字段，計算結果為不同土地利用之間的轉化情況；利用轉換字段制圖，即可得到不同土地利用類型在空間上的相互轉化圖。

2.4 分形維數計算

目前分形維數和穩定性指數計算方法相對成熟，本研究采用參考文獻[12]中的方法計算土地利用類型的分維數和穩定性指數。

3 結果與分析

3.1 土地利用現狀及轉移

基于GIS技術，構建沱江流域2000年、2020年土地利用空間數據庫，并計算土地利用轉移矩陣(表2)和輸出土地利用轉移圖(圖3)。

由表2可知，沱江流域2000年和2020年的土地利用類型以耕地和林地為主，占研究區總面積的90%以上。各用地類型按面積大小依次為耕地>林地>城鄉建設用地>水域>草地>未利用地。2000—2020年間，沱江流域各類用地面積變化總量依次為耕地>林地>城鄉建設用地>水域>草地>未利用地；其中，耕地、林地面積減少，其他土地利用類型面積增加；耕地面積減少最多，為89 338.286 hm2；城鄉建設用地增加最多，為121 565.242 3 hm2。由此說明耕地、林地和城鄉建設用地受到了人為活動的強烈干擾。

圖2 沱江流域2000年、2020年土地利用現狀圖

圖3 2010—2020年土地利用類型轉移圖

Fig. 3 Transfer map of land use types from 2010 to 2020

結合表2和圖3分析可知，20年間，受到人為因素的影響，沱江流域不同土地利用類型之間相互轉化，轉移率大小表現為未利用地>林地>草地>水域>城鄉建設用地>耕地。2000年和2020年未利用地占流域面積本身很少，2020年增加的面積主要來自于林地，達到6 258.987 hm2。從空間分布來看，轉移自林地的未利用地主要為灌木林和部分人工林，且絕大部分分布在沱江流域上游的綿竹市、什邡市、彭州市和都江堰市。

2000年林地面積占流域面積14.169%，2020年減少的面積主要轉化為耕地、城鄉建設用地和未利用地，面積分別為107 784.470、8 102.464、6 258.987 hm2。從空間分布來看，轉移自林地的耕地主要為沱江中上游的疏林地和下游的人工林地，每個縣市均有轉移；轉移自林地的城鄉建設用地主要為沱江上游的新都區、青白江區、龍泉驛區、金堂縣的疏林地和下游沿灘區、自流井區、大安區、貢井區的有林地，其他區域零星轉化；轉移自林地的未利用地主要分布于沱江流域上游的綿竹市、什邡市、彭州市和都江堰市的灌木林和部分人工林。

2000年草地面積占流域面積1.177%，2020年增加的面積主要來自于耕地和林地，面積分別為6 193.080、5 586.783 hm2。從空間分布來看，轉移自耕地的草地主要為零星分布于沱江流域中上游的旱地；轉移自林地的草地主要為分布于沱江流域上游的綿竹市、什邡市、彭州市和都江堰市的灌木林。

2000年水域面積占流域面積1.633%，2020年增加的面積主要來自于耕地和林地，面積分別為13 134.948、3 336.699 hm2。從空間分布來看，轉移自耕地和林地的水域均零星分布于全流域，多為旱地和疏林地。

2000年城鄉建設用地面積占流域面積2.533%，2020年增加的面積主要來自于耕地和林地，面積分別為130 700.851、8 102.464 hm2。從空間分布來看，轉移自耕地的城鄉建設用地主要集中分布于各大城市周圍的水田；轉移自林地的城鄉建設用地主要集中分布于沱江流域上游新都區、青白江區、龍泉驛區、金堂縣的疏林地和中下游大安區、貢井區、沿灘區的人工林地。

2000年耕地面積占流域面積80.474%，2020年減少的面積主要轉化為城鄉建設用地、林地和水域，面積分別為130 700.851、79 923.183、13 134.948 hm2。從空間分布來看，轉移自耕地的林地在全流域均有分布；轉移自耕地的水域多為旱地，零星分布于全流域。

總體來看，20年間，流域內不同土地利用類型之間存在相互轉化的過程。耕地的轉移率雖然最小，但是面積變化卻是最大，主要轉化為城鄉建設用地；林地面積在整個沱江流域中排第二，轉移率也排第二，且主要轉化為耕地和城鄉建設用地；未利用地面積雖少，但轉移率卻排第一，主要是林地退化成未利用地。可見，流域內土地利用主要的轉化特點是耕地和林地大面積減少，而城鄉建設用地迅速擴張，人為活動強烈擾動土地利用類型的轉變。這一結論與龍杰[18]的研究結果相一致。

3.2 不同土地利用類型的分形特征

基于GIS技術，以2000年、2020年的土地利用數據為基礎，計算得到不同土地利用類型的面積、周長，并根據分形模型，計算分形維數值(表3)。由表3可知，各地類斑塊面積與斑塊周長的雙對數回歸方程擬合效果均較好，2均在0.895以上，說明不同的土地利用類型均有分形特征，應用分形理論評價土地利用結構的復雜性和穩定性是具有可行性的。

分形維數值的變化反映出土地利用變化的趨勢，其值越大，空間鑲嵌結構越復雜，反之空間結構越簡單[19-20]。由表3可知，2000年內江市整體城市土地利用類型分形維數值為1.351，2020年為1.503。總體上，研究區土地利用的分形維數呈現變大的趨勢，空間鑲嵌結構趨于復雜化。

從表3還可以看出，2000年沱江流域不同土地利用類型分形維數值的大小排序為：水域>未利用地>耕地>林地>草地>城鄉建設用地。水域分形維數值接近1.5，表示其空間鑲嵌結構非常復雜，空間結構最不穩定；未利用地、耕地、林地、草地分形維數值在1.35左右，它們的空間鑲嵌結構相對復雜；城鄉建設用地分形維數值最小，表明空間上的鑲嵌結構比較簡單。2020年沱江流域不同土地利用類型分形維數值的大小排序為：水域>耕地>林地>草地>未利用地>城鄉建設用地，可見，在2020年內沱江流域土地利用結構中，仍以水域空間鑲嵌結構最為復雜，除未利用地外，其他土地利用類型的分形維數值均增大，空間鑲嵌結構更加復雜化。

3.3 不同土地利用類型的面積、斑塊數量與分維數之間的關系

由表4可以發現，2000—2020年，沱江流域耕地斑塊數減少且變化較大，斑塊面積減少最多，平均斑塊面積增加，分形維數在變大且2020年其值接近于臨界值1.5，說明耕地的空間鑲嵌結構趨于復雜化且很不穩定。林地的斑塊數增加，斑塊面積和平均斑塊面積均在減少，分形維數變大，說明林地空間分布趨于復雜化。草地的斑塊數、斑塊面積增加，平均斑塊面積減少，分形維數增大，說明草地的空間分布趨于復雜化。水域的斑塊數減少，斑塊面積和平均斑塊面積增加，分形維數變大且最大，說明水域的空間分布趨于復雜化。城鄉建設用地的斑塊數、斑塊面積、平均斑塊面積均增加，分形維數變大，說明該用地空間分布趨于復雜化。未利用地的斑塊數、斑塊面積、平均斑塊面積均增加且幅度最大，分形維數未發生變化，說明該用地空間結構穩定；分形維數不變的原因是未利用地面積占比太少，空間分布主要集中于流域上游，復雜化程度低。

由以上分析可知，分形維數并不是單一因素的簡單疊加和直接反映，而是表征土地利用變化中面積、斑塊數量和平均斑塊面積等單項指標的綜合定量指標，本研究結果與孫棟元等[21]的結論一致。

表4 不同土地利用類型斑塊面積、數量與分形維數

3.4 不同土地利用類型穩定性指數的時空動態變化

根據穩定性指數計算公式，計算得出各土地利用類型的空間結構穩定性指數(圖4)，2000年沱江流域土地利用整體空間結構穩定性指數為0.149，2020年為0.003，說明整個研究區土地利用類型的空間結構穩定性差且趨于不穩定。據圖4，隨時間推移，耕地、林地、草地、城鄉建設用地穩定性指數均減小，減小的幅度分別達80.137%、52.439%、55.556%、26.957%，說明這幾類土地利用類型的空間結構趨于不穩定；水域穩定性指數變大，說明其空間結構趨于穩定；未利用地穩定性指數未發生變化。比較分析2020年6種土地利用空間結構穩定性指數可知，空間結構穩定性最高的是城鄉建設用地(0.168)，該土地類型的斑塊數量不多，形態結構簡單，分形維數最小(表4)，易受人類活動的影響。實際上，城市建設用地通常形態較規則且集中分布，因而其分形維數較小，結構穩定性較高。結構穩定性指數其次的是未利用地(0.129)，其斑塊數量較少，集中分布于沱江流域上游，斑塊結構相對比較簡單，因而其穩定性較高。草地、林地、水域、耕地結構穩定性指數分別為0.084、0.078、0.072、0.029，接近0，土地利用結構極不穩定。這是因為草地主要零星分布于沱江流域的中上游，分布不規則，且斑塊數量增加，同時受到土地利用轉化的影響，穩定性指數也不高；林地雖然面積大但在減少，而斑塊數在增加，主要轉變成耕地和城鄉建設用地，受人為影響很大，結構復雜化，因此穩定性不高；水域穩定性指數略有增加，但斑塊數減少，斑塊面積和平均斑塊面積增加，主要沿各江河零星分布于全流域，形態不規則，因此穩定性不高；耕地面積最大但減少數量最多，主要轉變成城鄉建設用地和林地，且在全流域廣泛分布，形態不規則，受人為影響很大，結構復雜化，因此穩定性差。

圖4 不同土地利用空間結構穩定性指數

4 結論

土地利用在時空維度上受自然、社會經濟因素的影響，具有分形特征，分形理論對揭示土地利用的復雜性和穩定性是一種很好的方法。基于GIS軟件和分形理論，對沱江流域2000年和2020年土地利用結構進行動態評價，得到以下結論：

1) 沱江流域2000年和2020年的土地利用類型以耕地和林地為主，占研究區總面積的90% 以上。各用地類型按面積大小依次為耕地>林地>城鄉建設用地>水域>草地>未利用地。20年間耕地、林地面積減少，其他土地利用類型面積增加；城鄉建設用地增加幅度最大，說明流域內用地類型受到了人為活動的強烈干擾。根據土地利用轉移矩陣，20年間，流域內不同土地利用類型之間存在相互轉化的過程，土地主要的轉化特點是耕地和林地大面積減少，而城鄉建設用地迅速擴張，這進一步說明了人為活動對流域土地利用類型的改變具有強烈的擾動作用。

2) 從時間角度來看，沱江流域2期土地利用的總分形維數分別為 1.351、1.503，上升趨近于臨界值1.5，說明總體上流域土地空間鑲嵌結構更加復雜化，穩定性變差。除未利用地外，耕地、林地、城鄉建設用地、水域、草地的分形維數值均變大，表明其空間鑲嵌結構的復雜性有所增加。

3) 20年間沱江流域土地利用整體空間結構穩定性指數從0.149下降到0.003，說明整個研究區土地利用類型的空間結構穩定性差且趨于不穩定。受到人為因素的強烈影響，耕地、林地、草地、城鄉建設用地穩定性指數劇烈減小，空間結構趨于不穩定；水域穩定性指數變大，空間結構趨于穩定；未利用地穩定性指數未發生變化。

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Dynamic Analysis of Land Use Structure in Tuojiang River Basin Based on GIS and Fractal Theory

XIE Xianjian

(School of Geography and Resources Science of Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641000, China)

Based on the spatial land use database of Tuojiang River Basin in 2000 and 2020 year, the complexity, stability and dynamic change of the spatial structure of land use were quantitatively analyzed by using GIS technology and fractal theory. The results show that: 1) All land use types has fractal characteristics. Fractal dimension can represent the change of land use spatial pattern. 2) In the past 20 years, the main land use types in Tuojiang River Basin are cultivated and forest lands, accounting for more than 90% of the total area. Affected by human activities, there is a process of mutual transformation between different land use types. The main characteristics of land transformation are that cultivated and forest lands decreases in a large area, while urban and rural construction land expands rapidly. 3) The total fractal dimension of land use is increased from 1.351 to 1.503, the stability index of the overall spatial structure of land use is decreased from 0.149 to 0.003, which indicate that the spatial mosaic structure of land tends to be more complex and the stability become worse. 4) There are some differences in fractal dimensions and stability indexes of different land use types. Except for unused land, the fractal dimensions of other land use types tend to increase, and the spatial mosaic structure tends to be complex. The stability indexes of cultivated, forest, grass and urban and rural construction lands are decreased by 80.137%, 52.439%, 55.556% and 26.957% respectively, and the spatial structure tends to be unstable, while the stability index of water area become larger and its spatial structure tends to be stable.

Tuojiang River Basin; Land use; Fractal dimension; Stability

F301.24

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.025

謝賢健. 基于GIS和分形理論的沱江流域土地利用結構動態分析. 土壤, 2023, 55(2): 433–440.

長江科學院開放研究基金項目(CKWV2017523/KY)和四川省教育廳重點項目(16ZA0312)資助。

謝賢健(1978—)，男，四川廣漢人，博士，教授，主要從事水土保持理論及技術研究。E-mail: 249983710@qq.com