蔣良群 翟有龍 王杰 舒成強 劉守江

摘要：應用GIS技術及分形理論，以四川南充新復鄉(xiāng)為研究區(qū)，將土地利用類型劃分為耕地、林地、園地、工礦住宅用地、坑塘水域、公路用地、其他用地（含裸地）七大類，并進行各土地利用類型圖斑分形維數及穩(wěn)定性分析。結果表明：新復鄉(xiāng)土地利用類型具有分形結構，各土地利用分形維數在108～127，穩(wěn)定性指數在022～042，由小到大依次為耕地、其他用地、林地、園地、坑塘水域、公路用地。

關鍵詞：GIS；土地利用類型；分形理論；南充

DOI： 1013651/jcnkifjnykj201808019

Fractal Analysis of Suburban Land Use Types Based on GIS

——Taking Xinfu Township in Nanchong as an Example

JIANG Liangqun， ZHAI Youlong， WANG Jie， SHU Chengqiang， LIU Shoujiang

（School of Land and Resources， China West Normal University， Nanchong， Sichuan 637009）

Abstract： Using GIS technology and fractal theory， taking Xinfuxiang， Nanchong， Sichuan as the research area， the land use types were divided into seven categories： cultivated land， forest land， garden land， industrial and mining residential land， pit and pond water area， highway land and other land （including bare land）， and the fractal dimension and stability of land use maps were analyzed. The results showed that the land use types of Xinfuxiang possessed the fractal structure， the fractal dimension of each land use was 1.08-1.27， and the stability index was 0.22-0.42. From small to large， the order was cultivated land， other land， forest land， garden land， pit and pond water area， and highway land.

Key words： GIS； land use type； fractal theory； Nanchong.

土地利用/覆被變化（LUCC）研究是當前地理學領域研究的熱點問題之一，其中土地結構研究是其重點內容。土地利用結構可以從不同土地利用類型的空間分布、景觀格局及分形特征等來研究其相關性、復雜性和穩(wěn)定性。其中，分形是一門數學統(tǒng)計方法，最早由法國數學家Mandelbrot于20世紀70年代中期提出，被定義為組成部分以某種方式和整體相似的形[1]，是對具有標度不變性的特征進行統(tǒng)計計算[2]，對特征進行定量分析，而該過程需要大量的統(tǒng)計數據，用人工進行數據統(tǒng)計，不但費時費力，而且精度達不到規(guī)定的要求[3]，而運用GIS軟件的空間查詢、檢索功能，可以快速得到所需的數據，再利用屬性輸出功能將所有的數據轉換為excel格式數據進行計算處理，即可得到分形維數和穩(wěn)定性指數。南充市位于川東丘陵地區(qū)，土地利用類型多樣，既有一定地形起伏條件下連續(xù)成片的水田，又有低山前的大量旱地；既有自然狀態(tài)下連綿起伏的低山林地，也有人為干擾條件下的休閑農業(yè)用地。新復鄉(xiāng)在南充市近郊，因其丘陵地形的有利優(yōu)勢，以發(fā)展生態(tài)旅游和特色農業(yè)為主，土地利用類型多樣，結構復雜，土地穩(wěn)定性受到一定的影響。本研究以新復鄉(xiāng)為例，應用RS和GIS技術進行土地利用類型的提取和分形特征研究，以期為城郊土地利用及土地資源的合理配置提供參考和依據。

1研究區(qū)概況

新復鄉(xiāng)位于四川省南充市順慶區(qū)北部郊區(qū)，東臨石樓鄉(xiāng)，北接共興鎮(zhèn)，西接金臺鎮(zhèn)，南距南充市區(qū)6 km，交通便利，地理條件優(yōu)越。全鄉(xiāng)主要為丘陵地形，面積1847 km2，耕地面積734 km2，其中退耕還林193 km2，轄坦山鋪、高階沿、元池壩、水池壩、天生橋、西河邊、長遠溝、謝村河、回龍場、半截溝等10個行政村，總人口8152人。海拔280 m。新復鄉(xiāng)土地肥沃，自然資源豐富，主產水稻、小麥、玉米、紅苕、雪梨等農作物，是順慶區(qū)農業(yè)特色鄉(xiāng)鎮(zhèn)之一。已建成雪梨基地200 hm2、二線蔬菜基地67 hm2以及沿西河沿岸紅葉楊速豐林基地667 hm2。

2數據來源與研究方法

21數據來源與數據處理

蔣良群等：基于GIS的城郊土地利用類型分形研究——以南充市新復鄉(xiāng)為例2018年第8期2018年第8期蔣良群等：基于GIS的城郊土地利用類型分形研究——以南充市新復鄉(xiāng)為例從中國科學院遙感與數字地球研究所對地觀測數據共享計劃網站（網址http：//ids.ceode.ac.cn/index.aspx）下載2幅覆蓋研究區(qū)域的Landsat8 OLI影像作為數據源。Landsat8衛(wèi)星是在2013 年2月11日，由美國航空航天局（NASA） 成功發(fā)射。Landsat8衛(wèi)星上攜帶2個傳感器，分別是OLI陸地成像儀（Operational Land Imager）和TIRS熱紅外傳感器（Thermal Infrared Sensor）。OLI陸地成像儀有9個波段，其中band17空間分辨率為30 m，band 8為15 m分辨率的全色波段，波段范圍較窄，可以更好區(qū)分植被和非植被區(qū)域。影像的成像時間為2013年6月，影像質量較好，云量在5%以下，下載級別為Level 1T地形較正影像。根據研究需要，無須再進行幾何校正。利用ENVI53進行遙感圖像預處理，包括對影像進行輻射定標和大氣校正。然后用GS（Gramschmidt）融合方法將8波段30 m的多光譜數據和15 m的全色數據進行融合，得到非常好的融合效果。選用6、5、2波段，即遠紅外、近紅外和藍波波段進行波段組合，組合后對農業(yè)地類顯示較為明顯，裸地與耕地可明顯區(qū)分，林地表現(xiàn)出明顯的顏色和紋理特性，尤其是郁閉度≥20%的有林地表現(xiàn)出較為明顯的顏色和紋理特性，水體表現(xiàn)為易于識別的藍色。對增強處理后的2幅影像進行鑲嵌，利用行政區(qū)劃矢量邊界進行圖像裁剪，得到研究區(qū)域的遙感影像圖。最后利用監(jiān)督分類的最大似然法進行土地利用類型的提取。

22土地利用類型提取

根據研究區(qū)域特點，利用ENVI 53的監(jiān)督分類技術對其土地利用類型進行分類。根據丘陵地區(qū)土地利用結構及城市郊區(qū)土地利用特點，結合城郊實際情況和遙感影像可區(qū)分性，將新復鄉(xiāng)土地利用類型分為耕地、林地、園地、工礦住宅用地、坑塘水域、公路用地、其他用地（含裸地）七大類，如圖1所示。河流水域土地利用類型相對穩(wěn)定，不參與本研究中的分形分析，另外，受遙感影像分辨率的影響，鄉(xiāng)村公路未能進行類型提取，可能會影響到后面的分形結果分析。結合丘陵地區(qū)地形地貌特點和野外實地抽樣調查驗證結果進行分類修正，對解譯結果進行精度評價，總體精度達到932%，解譯精度符合研究要求。

23分形計算

分形維數是檢驗土地利用斑塊形狀復雜程度的指標，其值越大，則該土地斑塊形狀越復雜；反之，斑塊形狀復雜程度越低[4]。

對于不同土地利用類型，用分形維數進行定量化[5-8]可表示為：

lgA（r）= [2×lgP（r）]/D+C（1）

式中A（r）為某一斑塊面積，P（r）為同一圖斑周長，D為分維，C為常數。由（1）式可建立新復鄉(xiāng)各地類斑塊的周長-面積關系。如果土地利用類型的結構具有分形特征，可以根據（1）建立lgP（r）-lgA（r）的一元線性回歸模型，散點分布在一定標度域內的一條直線上，通過求得直線斜率來得到土地利用類型分維數D，D=2/k（k為直線斜率）。D值介于1～2，D=10，表示土地斑塊的形狀為正方形，D=20，表示空間上的鑲嵌結構最復雜。而當D=15時，表示處于一種類似于布朗運動的隨機運動狀態(tài)，即空間結構最不穩(wěn)定，D值越接近15，表示空間結構越不穩(wěn)定；反之，穩(wěn)定性越強。地類空間結構穩(wěn)定性指數（SK）計算公式[9]為：

SK=|15-D|（2）

SK值越大，表明空間結構越穩(wěn)定。穩(wěn)定性指數是檢驗土地利用結構狀態(tài)穩(wěn)定性的指標，其值反映土地利用狀態(tài)在簡單和復雜情況下的穩(wěn)定程度。

3結果與分析

31土地利用類型統(tǒng)計

在軟件ArcGIS103的支持下，提取南充市新復鄉(xiāng)每一類土地利用類型斑塊的面積與周長數據，統(tǒng)計各土地利用類型的面積，并分析其總體占比情況，具體如表1所示。

根據分類結果，新復鄉(xiāng)土地利用類型主要為耕地和林地，面積分別為734 km2和697 km2，各占土地總面積的3974%和3774%；其次為園地，面積為249 km2，占土地總面積的1348%；工礦住宅用地占206%，坑塘水域用地占260%；公路用地最少，僅占土地總面積的011%。

32土地利用類型穩(wěn)定性分析

將土地利用類型圖的屬性表導入excel軟件，根據研究區(qū)土地利用類型不同的斑塊周長、面積統(tǒng)計資料，基于（1）式用最小二乘法回歸原理計算k值，從而得到分形維數D。表2是估算出的各主要土地利用類型斑塊的分維值及有關參數。

根據D值大小可知研究區(qū)內各土地利用類型復雜程度及其空間差異。由表2可知，在各土地利用類型空間鑲嵌結構中，工礦住宅用地分維值為12738，說明該類型用地復雜差異性最大，比較分散；其次由大到小依次是耕地、其他用地、林地、園地、坑塘水域，公路用地（10834）的復雜差異性最小，說明其空間結構最為簡單。

根據SK值大小可知土地利用穩(wěn)定性程度，可以反映土地利用空間行為的結果。在各土地利用類型空間鑲嵌結構中，工礦住宅用地SK值為02262，說明其穩(wěn)定性最低，主要原因在于鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)一打造城郊生態(tài)旅游和休閑觀光農業(yè)，需要逐次拆遷并集中安置所涉及的居民點；其次由小到大依次為耕地、其他用地、林地、園地、坑塘水域，主要是因為耕地中的旱地有一部分被規(guī)劃為園地，如梨園、橘園等，其他用地和少部分林地一般會被規(guī)劃建設為休閑觀光旅游及附屬設施用地等，園地、坑塘水域一般受人為干擾較少，穩(wěn)定性較高；公路用地一旦修建，由于地形原因，基本設有變化和調整，穩(wěn)定性最高，SK值為04166。

4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周長-面積關系，揭示其空間鑲嵌結構的復雜程度和穩(wěn)定性，定量表示土地利用結構和空間分異規(guī)律[10]。

新復鄉(xiāng)土地利用類型中，耕地和林地是主要土地利用類型，其斑塊面積較大且集中連片，空間鑲嵌結構復雜程度較小，穩(wěn)定性較強。工礦住宅用地由于受到丘陵地區(qū)地形地貌限制及郊區(qū)旅游、經濟影響，其空間鑲嵌結構復雜程度較大，一般是順路、順坡而建，而且隨著郊區(qū)生態(tài)旅游項目的開展，工礦住宅用地會進行較大的搬遷和集中，從而其穩(wěn)定性也會受到較大影響。耕地、林地、園地、坑塘水域由于丘陵地區(qū)地形及人們生產生活方式的影響，一般比較穩(wěn)定。公路用地由于其自身形態(tài)和人為外部干擾較少，空間結構比較簡單，穩(wěn)定性較好，但鄉(xiāng)村土路未涉及分形分析，因此會對結果產生一定的影響。

為了更好地實現(xiàn)城郊與城鄉(xiāng)建設的相互結合，應根據當地的實際情況，結合自身的自然環(huán)境、地形地貌等有利優(yōu)勢，充分考慮地區(qū)經濟和農業(yè)發(fā)展的特點，合理規(guī)劃城郊土地利用并進行優(yōu)化，避免土地資源浪費、二次閑置及重復建設等現(xiàn)象的發(fā)生。

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（責任編輯：劉新永）2018年第8期