鄒 敏, 張雯雯

(1.煙臺市地理信息中心, 山東 煙臺 264003; 2.煙臺市征地辦公室, 山東 煙臺 264003)

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煙臺市海岸帶土地利用空間結(jié)構(gòu)分形特征

鄒 敏1, 張雯雯2

(1.煙臺市地理信息中心, 山東 煙臺 264003; 2.煙臺市征地辦公室, 山東 煙臺 264003)

為深入刻畫煙臺市海岸帶土地利用空間結(jié)構(gòu)特征，以煙臺市農(nóng)村土地利用詳查成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用分形理論和GIS空間分析方法，選取邊界維數(shù)、計盒維數(shù)、信息維數(shù)和半徑維數(shù)4個特征參數(shù)，對海岸帶各土地利用類型的斑塊復(fù)雜性、空間占比、空間分布的均衡性和向海聚集性進行了分析。研究結(jié)果表明：受人為干擾強的建設(shè)用地、耕地、園地和其他土地邊緣相對比較規(guī)則且簡單，而自然性較強的草地、林地、水域及水利設(shè)施和灘涂在人類活動干擾下正處于運動變化的隨機狀態(tài)，斑塊邊緣相對復(fù)雜；海岸帶土地利用是以建設(shè)用地和耕地為主，其他用地類型為斑塊鑲嵌體的景觀結(jié)構(gòu)模式；土地利用空間分布的均衡性與空間占據(jù)能力表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性；各用地類型斑塊密度在海陸梯度上均呈現(xiàn)衰減的趨勢，向海聚集程度的強弱，使得土地利用形態(tài)在海陸梯度上呈現(xiàn)似圈層狀空間分異規(guī)律。分形理論的引入，為定量分析海岸帶土地利用的合理性和科學(xué)性提供了新的研究方法。

海岸帶; 土地利用; 分形理論

海岸帶是海陸生態(tài)系統(tǒng)之間進行物質(zhì)、能量、信息交換的重要生態(tài)過渡帶，是典型的生態(tài)交錯區(qū)和脆弱區(qū)，也是人類活動和社會經(jīng)濟發(fā)展最為集中的區(qū)域[1-3]。獨特的地理位置及其在海陸交互過程中的特殊地位與作用和其較高的人口、資源環(huán)境承載能力，使得海岸帶已成為區(qū)域LUCC研究的熱點地區(qū)[4-5]。眾多學(xué)者基于RS、GIS、地統(tǒng)計分析和景觀生態(tài)學(xué)的理論方法，從不同的視角，對不同尺度區(qū)域海岸帶LUCC進行了大量富有成效的研究與嘗試[1-8]。已有研究的熱點主要集中在海岸帶土地利用時空變化及驅(qū)動力分析方面，對于某一時間節(jié)點、中小區(qū)域尺度海岸帶土地利用空間結(jié)構(gòu)的深入研究較少，研究方法也較為單調(diào)，在分析土地利用中那些不規(guī)則、不穩(wěn)定和高復(fù)雜現(xiàn)象時已顯現(xiàn)諸多不足。分形理論的產(chǎn)生為描述復(fù)雜幾何形體指明了方向，也為科學(xué)地描述土地利用類型空間形態(tài)提供了有力工具[9]。分形理論在土地利用變化領(lǐng)域雖已得到了廣泛應(yīng)用[9-16]，但用于海岸帶的研究卻較為少見?；诖?，本研究運用分形理論，對煙臺市海岸帶土地利用空間結(jié)構(gòu)特征進行研究，旨在探索快速城市化背景下煙臺市海岸帶土地利用空間配置及其對比關(guān)系，以便管理者積極采取有效措施合理配置海岸帶區(qū)域內(nèi)的土地資源，通過不斷優(yōu)化土地利用空間結(jié)構(gòu)與布局，實現(xiàn)海岸帶土地利用的可持續(xù)性發(fā)展。

1　研究區(qū)概況

煙臺市地處山東半島中部，西接濰坊，西南與青島毗鄰，北瀕渤海、黃海，與遼東半島對峙，全市海岸線總長702.5 km，面積13 746.47 km2，地理坐標：119°34′—121°57′E，36°16′—38°23′N。煙臺市屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨水適中，空氣濕潤，氣候溫和。2010年全市人口651.1萬人，年平均降水量為771.1 mm，年平均氣溫12.1℃，日照時數(shù)2 419.9 h，無霜期209 d。根據(jù)全國海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查規(guī)程規(guī)定，海岸帶范圍是指自海岸線向陸方向延伸10 km左右，向海至水深10～15 m等深線處。本研究以2010年煙臺市域北部沿海城市萊州市、招遠市、蓬萊市、開發(fā)區(qū)、福山區(qū)、城區(qū)(包括芝罘區(qū)、萊山區(qū)、高新區(qū))和牟平區(qū)的海岸線為基線，以10 km緩沖半徑向陸一側(cè)建立緩沖區(qū)作為研究區(qū)。區(qū)內(nèi)地貌以微傾斜低平原和丘陵為主，土地利用類型主要以建設(shè)用地、耕地、園地和林地為主，海岸主要分巖岸和砂岸，潮汐自萊州到龍口沿海為不正規(guī)半日潮，龍口到牟平沿海為正規(guī)半日潮。區(qū)內(nèi)交通便利，社會經(jīng)濟優(yōu)越，濱海旅游資源和港口岸線等資源十分豐富,優(yōu)越的海岸區(qū)位條件使得全市約1/4的人口聚居于此。

2　數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

本研究的數(shù)據(jù)來源于煙臺市國土部門提供的2010年煙臺市農(nóng)村土地利用詳查成果數(shù)據(jù)，其可靠性和現(xiàn)勢性較強，土地利用分類采用土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB/T21010—2007)。自然地理和經(jīng)濟社會差異導(dǎo)致海岸帶土地利用的區(qū)域性特征較為突出，因此海岸帶土地利用分類系統(tǒng)也就自然而然地表現(xiàn)出較為顯著的區(qū)域針對性[17]。參考20世紀80年代全國海岸帶調(diào)查土地利用分類并結(jié)合煙臺市海岸帶土地利用的實際特點，本研究在詳查數(shù)據(jù)成果分類基礎(chǔ)上僅對部分地類進行了簡單調(diào)整，將城市、建制鎮(zhèn)、村莊、采礦用地、風景名勝及特殊用地合并為建設(shè)用地，將水域及水利設(shè)施用地中的沿海灘涂和內(nèi)陸灘涂分離出來形成灘涂用地類型，其他用地類型的含義與土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB/T21010—2007)保持一致，最終煙臺市海岸帶土地利用類型為：耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水域及水利設(shè)施、灘涂和其他土地8大類，并利用ArcGIS 10.0軟件完成了矢量數(shù)據(jù)處理和邊界維數(shù)、計盒維數(shù)、信息維數(shù)和半徑維數(shù)的計算。

2.2研究方法

2.2.1邊界維數(shù)對于任何一種用地類型斑塊形態(tài)，如果以r為尺度去測量其周長P(r)和面積A(r)，則分形模型可表示為[16]：

(1) 式中：D——邊界維數(shù)；A(r)——斑塊面積；P(r)——斑塊周長；r——空間測量尺度；C——常數(shù)。

本研究在計算邊界維數(shù)的時候，是直接將矢量數(shù)據(jù)中各地類斑塊的面積與周長的屬性值，建立形如公式(1)的回歸模型，從而得到回歸系數(shù)2/D，這樣就求出了該土地利用類型的邊界維數(shù)。邊界維數(shù)反映了用地類型斑塊邊緣的復(fù)雜性，其值為1～2，D值越小，表明用地類型斑塊的自我相似性越強,斑塊形狀越有規(guī)律，斑塊的集合形狀趨向簡單，表明受干擾程度越大，反之亦然。

2.2.2計盒維數(shù)以邊長為ε的網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)域，用N(ε)表示某土地利用類型圖斑包含的方格個數(shù)。當ε變化時，N(ε)的值也隨之變化，將ε值和相應(yīng)的N(ε)值點繪在雙對數(shù)坐標圖上，通過建立公式(2)回歸方程，即可計算出計盒維數(shù)[10]。

(2)

式中：N(ε)——斑塊空間結(jié)構(gòu)中所包含的方格個數(shù)；ε——網(wǎng)格邊長；D——計盒維數(shù)。

計盒維數(shù)越大，該用地類型的空間占據(jù)程度越大，反之亦然。

(3)

式中：I(ε)——某用地類型的總信息量；ε——網(wǎng)格邊長；D——信息維數(shù)。

信息維數(shù)越大，土地利用斑塊空間分布越均衡，反之，土地利用斑塊空間分布越集中，D值越小。當D值趨近1時,表明土地利用斑塊均勻地集中到一條線(如交通線、河流、海岸等)上[18]。

2.2.4半徑維數(shù)為更好從“海岸區(qū)位”的角度揭示海岸帶土地利用形態(tài)在海陸梯度上的空間分異特征，本研究在計算半徑維數(shù)時以海岸線為基線，以緩沖半徑r做緩沖，則r范圍內(nèi)某種地類面積為S(r)，假定S(r)∝rD，則有：

(4)

公式(4)兩邊取對數(shù)后轉(zhuǎn)化為：

(5)

式中：η——常數(shù)；r——緩沖半徑；S(r)——緩沖范圍內(nèi)某種地類面積；D——半徑維數(shù)。

將緩沖半徑r從1 km以1 km步長依次遞增到10 km，并計算相應(yīng)的面積S(r)，對lnS(r)與lnr進行線性擬合，得到半徑維數(shù)D值。半徑維數(shù)描述了土地利用密度在海陸梯度上的變化趨勢，半徑維數(shù)D值越小，土地利用密度衰減越快，向海聚集程度越強，即相對越偏向于海洋一側(cè)，反之，土地利用密度衰減越慢，向海聚集程度越弱，相對越偏向于陸地一側(cè)。因此，半徑維數(shù)D值能很好地反映出海岸帶土地利用形態(tài)在海陸梯度上空間分異規(guī)律。

3　結(jié)果與分析

3.1海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)總體特征.

由表1可以看出，煙臺市海岸帶土地利用類型以耕地和建設(shè)用地為主。其中建設(shè)用地的面積最大，占到總面積的31.29%；其次是耕地，占總面積的29.39%；園地和林地面積相對均衡，所占比重保持在10%～16%；其他類型用地比重均小于5%，其中其他土地面積最少，僅占總面積的0.79%。煙臺市海岸帶土地利用基本上還是以建設(shè)用地和耕地為基質(zhì)，園地、林地、灘涂和其他土地為斑塊鑲嵌體，以交通為廊道的景觀結(jié)構(gòu)模式。

表1煙臺市海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)總體特征

土地利用類型斑塊數(shù)目/個斑塊總周長/m斑塊總面積/hm2平均斑塊面積/hm2邊緣密度/(m·hm-2)比重/%耕地1004116116994.4681466.048.11197.8429.39園地971911081665.8643169.824.44256.7015.58林地52446591937.8529307.285.59224.9210.57草地66586614706.6913105.791.97504.724.73建設(shè)用地1057310831983.3786729.518.20124.8931.29水域及水利設(shè)施35273115693.8810274.332.91303.253.71灘涂126834611.7810895.186.4776.603.93其他土地727606525.162202.273.03275.410.79

3.2煙臺市海岸帶土地利用類型分形特征分析

3.2.1邊界維數(shù)分析由表2可知，煙臺市海岸帶不同土地利用類型分形特征顯著，斑塊邊界分維數(shù)差異明顯，總體上來看邊界維數(shù)的大小依次為：草地>林地>水域及水利設(shè)施>灘涂>耕地>園地>其他土地>建設(shè)用地。其中草地的分維數(shù)最大，為1.512 6，建設(shè)用地的分維數(shù)最小，為1.199 3。草地多為分布在低山丘陵山坡溝谷地帶的荒草地，基本處于自然狀態(tài)，邊界曲折程度無疑是最復(fù)雜的，因此草地邊界分維數(shù)最大。建設(shè)用地由于受城鎮(zhèn)規(guī)劃的影響，其形態(tài)大都簡單、邊界規(guī)則，因此分維數(shù)最小。林地、草地、水域及水利設(shè)施分維數(shù)保持在1.5左右，表明在受人類干擾的情況下最不穩(wěn)定，其鑲嵌結(jié)構(gòu)處于運動變化的隨機狀態(tài)。耕地、園地、灘涂和其他土地在長期的人類開發(fā)活動的影響下，空間結(jié)構(gòu)趨于簡單化，形成較為規(guī)則的形狀，因此邊界分維值僅次于建設(shè)用地。可見,自然景觀的斑塊形狀相對比較復(fù)雜,而人工景觀的斑塊形狀是比較有規(guī)律相對簡單。

表2　煙臺市海岸帶土地利用類型邊界維數(shù)

3.2.2計盒維數(shù)分析由表3可知，煙臺海岸帶土地利用空間結(jié)構(gòu)計盒維數(shù)的大小順序為：耕地>建設(shè)用地>園地>林地>灘涂>草地>水域及水利設(shè)施>其他土地。其中耕地的計盒維數(shù)最大，為1.760 7，其他土地的盒維數(shù)最小，為1.025 0。這說明研究區(qū)耕地分布最為復(fù)雜，空間占據(jù)程度高；建設(shè)用地面積最大，但其形狀最為規(guī)則，空間占據(jù)程度次之；園地和林地面積占據(jù)比較大且交錯分割，與其他地類上有較多的邊界，空間計盒維數(shù)較大；草地、水域及水利設(shè)施、灘涂和其他土地分布相對簡單且規(guī)模較小，空間計盒維數(shù)較小。對比分析表1和表3計算結(jié)果，可以看出計盒維數(shù)是面積、斑塊數(shù)量和平均斑塊面積等單項景觀指標有機結(jié)合的綜合表現(xiàn)，而不僅僅是某一單項因素的直接反映。

表3　煙臺市海岸帶土地利用類型計盒維數(shù)

3.2.3信息維數(shù)分析由表4可知，各用地類型信息維數(shù)大小順序為：耕地>建設(shè)用地>園地>林地>灘涂>草地>水域及水利設(shè)施>其他土地，表明煙臺市海岸帶用地類型斑塊分布的均勻程度存在明顯差異。耕地和建設(shè)用地信息維數(shù)較大，基本達到1.8，說明耕地和建設(shè)用地空間分布均勻。園地多分布于農(nóng)村居民點的周邊，信息維數(shù)超過了1.6，空間分布相對均勻適中。林地、草地和灘涂空間分布主要是受自然條件的影響，信息維數(shù)保持在1.4左右，斑塊集中分布較為明顯。水域及水利設(shè)施主要是河流及附屬設(shè)施，其他土地主要是一些城鎮(zhèn)、村莊內(nèi)部尚未利用的空閑地，斑塊基本沿交通線分布，兩者信息維數(shù)基本趨向于1，空間分布均勻度差，斑塊集中沿線狀分布的特征明顯。煙臺市海岸帶用地類型空間分布信息維數(shù)和計盒維數(shù)的大小關(guān)系具有完全一致的規(guī)律性，空間占據(jù)能力的大小與空間分布均衡程度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，空間占據(jù)能力較強的建設(shè)用地、耕地、園地和林地，相對于其他地類其空間分布表現(xiàn)地更為均勻。

3.2.4半徑維數(shù)分析半徑維數(shù)是從海岸區(qū)位的視角，反映海岸帶各種用地類型向海聚集程度和空間分布格局。由表5可以看出，不同土地利用類型半徑維數(shù)表現(xiàn)為：耕地>園地>水域及水利設(shè)施>草地>建設(shè)用地>其他土地>林地>灘涂，計算得出的半徑維數(shù)均小于2，說明煙臺市海岸帶各用地類型斑塊密度在海陸梯度上均呈現(xiàn)出由海向陸逐漸衰減的趨勢，半徑維數(shù)大小排序，反映了不同用地類型向海洋聚集程度的強弱，使得土地利用形態(tài)在海陸梯度上呈現(xiàn)出類似圈層狀結(jié)構(gòu)特征。研究區(qū)的灘涂主要是沿海灘涂，因此其半徑維數(shù)最小，向海洋聚集程度最強。灘涂的外圍分布有大量的海防林，因此林地向海洋聚集程度次之。建設(shè)用地受地形和交通線的吸引大都靠近海岸分布，而其他土地主要是一些城鎮(zhèn)、村莊、工礦內(nèi)部尚未利用的空閑地，因此均表現(xiàn)出較強向海洋聚集的特點。耕地和園地多分布于建設(shè)用地的外圍，草地多分布于低山丘陵山坡溝谷地帶，水域及水利設(shè)施在海陸梯度上呈線狀分布，因此向海聚集性均表現(xiàn)的不明顯。上述結(jié)果表明，煙臺市海岸帶土地利用形態(tài)在海陸梯度上的空間分異規(guī)律是自然因素和人為因素共同作用下的產(chǎn)物，隨著對海岸帶開發(fā)利用活動的加劇，土地利用形態(tài)在海陸梯度空間分異將更加明顯。

表4　煙臺市海岸帶土地利用類型信息維數(shù)

表5　煙臺市海岸帶土地利用類型半徑維數(shù)

4　結(jié) 論

分維值反映了無標度區(qū)間內(nèi)土地利用空間分布特征。將邊界維數(shù)、計盒維數(shù)、信息維數(shù)和半徑維數(shù)4種性質(zhì)不同、功能各異的分形維數(shù)作為特征指標，可以更加有效地從多種角度深入刻畫煙臺市海岸帶土地利用的空間格局特征，克服了傳統(tǒng)歐氏幾何模型、景觀生態(tài)學(xué)和單一分形維數(shù)在土地空間格局分析方面存在的局限性。

邊界維數(shù)、計盒維數(shù)、信息維數(shù)和半徑維數(shù)的計算結(jié)果代表了煙臺市海岸帶土地利用的空間復(fù)雜性，空間占比、空間分布均衡性和向海聚集性特征，為定量分析海岸帶土地利用的合理性和科學(xué)性提供了新的研究方法。

研究結(jié)果表明：受人為干擾強的建設(shè)用地、耕地、園地和其他土地邊緣相對比較規(guī)則且簡單，而自然性較強的草地、林地、水域及水利設(shè)施和灘涂在人類活動干擾下正處于運動變化的隨機狀態(tài)，斑塊邊緣相對復(fù)雜；海岸帶土地利用模式是以建設(shè)用地和耕地為主，其他用地類型為斑塊鑲嵌體的景觀結(jié)構(gòu)模式；土地利用空間分布的均衡性與空間占據(jù)能力表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，空間占據(jù)能力越強，空間分布就表現(xiàn)的越均勻；各用地類型斑塊密度在海陸梯度上均呈現(xiàn)衰減的趨勢，向海洋聚集程度的強弱，使得土地利用形態(tài)在海陸梯度上呈現(xiàn)似圈層狀空間分異規(guī)律。

值得指出的是本研究僅對2010年單一時間點的煙臺市海岸帶土地利用空間結(jié)構(gòu)分形特征進行了研究，隨著煙臺市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化向縱深發(fā)展，海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)和空間形態(tài)將持續(xù)發(fā)生變化，因此，基于分形理論開展長時間序列的煙臺市海岸帶土地利用空間演變特征及其驅(qū)動機制的研究將是下一步工作的重點。

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Fractal Analysis on Spatial Structure of Land Use in the Sea Coastal Zone of Yantai City

ZOU Min1, ZHANG Wenwen2

(1.GeographyInformationCenterofYantai,Yantai,Shandong264003,China;2.LandRequisitionManagementOfficeofYantai,Yantai,Shandong264003,China)

In order to further reveal spatial structure characteristics of land use in the sea coastal zone of Yantai City, based on the data of Yantai detailed rural land surveys, we used fractal theory and GIS spatial analysis method to analyze the patch complexity， spatial occupation，uniformity of spatial distribution and seaward agglomeration for each land use type through calculating the four parameters: boundary dimension, box-counting dimension, information dimension and radius dimension. The results indicate that the land uses under intensive human disturbance, such as construction land，cultivated land and garden plot, are comparatively regular and simple, while natural land uses, such as grassland，forestland，water body and water conservancy facilities, are more complicated and in the random state of motion and change. The model of land use is a landscape structure one with construction land and cultivated land as the dominant types and the other land use types as patches mosaic. There is the positive correlation between spatial occupation and uniformity of spatial distribution. On the sea-land gradient, patch desity of land use shows a descent tendency and the land use spatial patter presents a similar ring structure with different seaward agglomeration degrees. Fractal theory can provide a new research method for quantative analysis of the reasonability and scientilicality of land use in the sea coastal zone.

sea coastal zone; land use; fractal theory

2014-12-08

2015-03-02

鄒敏(1979—),男,山東臨沂人,碩士,工程師,主要從事RS、GIS應(yīng)用與國土資源信息化研究。E-mail:zoumin1910@sina.com

F301.24

A

1005-3409(2016)01-0092-05