基于分形理論的洪山區(qū)土地利用變化研究

鄧書涵，彭 祎，董 可

(成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都610059)

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

洪山區(qū)，隸屬湖北省武漢市，因境內(nèi)有洪山而得名，位于武漢市東南部，東與鄂州市隔長江相望，南鄰江夏區(qū)，西北環(huán)抱武昌區(qū)、青山區(qū)，東北與新洲區(qū)隔江相望?？偯娣e約為480.2 平方公里。洪山區(qū)地貌以平原為主，有山有水，水闊地寬，西北略低，東南略高。洪山區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)，全區(qū)水域面積約19.9 萬畝，占洪山區(qū)總面積的23.3%，在全國大城市區(qū)域中居首位。

1.2 數(shù)據(jù)源來源

研究數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn/)，以2000 年、2011 年的Landsat5 TM遙感影像和2017 年的Landsat8 OLI 遙感影像為主要數(shù)據(jù)源。

在Map GIS 10 平臺的支持下，導(dǎo)入下載的影像數(shù)據(jù)，對其進行投影變換、柵格裁剪，并通過噪音去除、輻射校正等進行預(yù)處理操作。再進行AOI 區(qū)編輯，參照全國土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GT/T2010-2017)，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、未利用地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域6 個地類，采用監(jiān)督分類中的最大似然法，得到三個期次的土地利用分類結(jié)果，對分類后結(jié)果進行精度評價，并對分類后數(shù)據(jù)進行小區(qū)合并、錯分/漏分改正等處理，最后獲得解譯成果圖像(圖1)。經(jīng)檢驗各幅解譯圖像Kappa 系數(shù)均大于85%。

圖1 2000-2017 年洪山區(qū)土地利用類型面積變化

2 研究方法

土地利用數(shù)量變化是區(qū)域土地利用變化研究的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容。其變化不僅反映在不同類型面積總量的變化上，同時也可以通過分析和比較土地利用變化的總量變化，揭示區(qū)域土地利用變化總的態(tài)勢及其結(jié)構(gòu)變化特征。

土地利用與土地覆蓋變化幅度的模型(式1)為：

式(1)中，Ua、Ub分別為研究初期和末期某一土地利用類型的面積;Rd為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的變化幅度。

土地利用變化的速度可以通過土地利用動態(tài)度模型進行定量度量，可以反映區(qū)域土地利用動態(tài)變化的總體狀況及其區(qū)域分析。雙向動態(tài)度模型(式2)可以表明不同時期各土地利用類型變化特征。其模型為：

式(2)中，Rss為雙向動態(tài)指數(shù)，ΔUout為某一土地利用類型轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型的面積;ΔUin為其他土地利用類型轉(zhuǎn)化為某一土地利用類型的面積;Ua為研究初期某一土地利用類型的面積;T 為研究階段。

邊界維數(shù)模型最初由Batty 和Longley 提出，用于測算城市的邊界復(fù)雜程度，后逐漸被應(yīng)用到土地利用空間結(jié)構(gòu)的研究中，利用邊界維數(shù)來表達城市土地各種斑塊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。

式(3)中，Db表示某一土地斑塊類型的邊界維數(shù)，A(r)是某一土地類型的斑塊面積，P(r)為相應(yīng)的周長，C 為待定常數(shù)。Db的理論值介于1.0-2.0 之間，值越大，代表圖形越復(fù)雜。當(dāng)Db=1.0，表示土地斑塊的形狀為正方形;當(dāng)Db=2.0，表示土地斑塊的形狀最復(fù)雜;當(dāng)Db=1.5，表示該類型土地斑塊處于一種類似于布朗運動的隨機狀態(tài)，即最不穩(wěn)定狀態(tài)。

通過邊界維數(shù)可以計算出穩(wěn)定性系數(shù)S，其計算公式為

式(4)中，S 理論值介于0-0.5，值越小，說明該類用地類型越區(qū)域離散狀態(tài)。S 的大小對于土地利用變化的潛在趨勢具有一定的表征意義。

3 結(jié)果分析

3.1 洪山區(qū)土地利用變化幅度分析

由表1 可知，2000-2011 年間，洪山區(qū)土地利用類型中，變化幅度最大的是城鄉(xiāng)建設(shè)用地和草地。其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增長7871.36hm2，幅度高達120.02%。草地面積減少1920.28hm2，幅度達72.22%。除此之外，耕地面積減少較多，11 年間減少6260.59hm。草地變化幅度雖大，但其面積相對較小，變化面積也較小，耕地變化幅度雖小，但其面積較大，變化面積仍較大。

表1 2000-2011 年洪山區(qū)土地利用構(gòu)成及其變化

由表2 可知，從2011 年到2017 年，洪山區(qū)土地利用類型中，面積增加最多的是城鄉(xiāng)建設(shè)用地，增加了5161.36hm2，其次草地增加幅度最大，為295.94%，林地面積也有明顯增長趨勢。

表2 2011-2017 年洪山區(qū)土地利用構(gòu)成及其變化

總體來說，從2000 年到2017 年間(圖2)，城鄉(xiāng)建設(shè)用地保持持續(xù)增長的增長幅度，草地變化幅度較大，耕地呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖2 2000-2017 年洪山區(qū)土地利用類型面積變化

3.2 洪山區(qū)土地利用變化趨勢分析

土地利用變化的趨勢可以通過土地動態(tài)模型進行度量。表3 和表4 的變化轉(zhuǎn)移矩陣表明，洪山區(qū)土地利用變化呈現(xiàn)雙向變化。2000-2011 年耕地、未利用地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地變化表現(xiàn)為雙向轉(zhuǎn)變，而草地、水域、林地以單向流出為主;2011-2017 年，耕地、未利用地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地表現(xiàn)為雙向變化，草地、林地以單向流入為主。

表3 2000-2011 年變化轉(zhuǎn)移矩陣(單位：像素)

表4 2011-2017 年變化轉(zhuǎn)移矩陣(單位：像素)

3.3 洪山區(qū)土地利用邊界維數(shù)及穩(wěn)定性分析

由表5 可知，水域的邊界維數(shù)總體較低，接近于1，穩(wěn)定性指數(shù)在不斷上升;表明水域形態(tài)逐漸變得規(guī)則，在空間上呈縮小的趨勢。草地的邊界維數(shù)逐漸趨近1.5，在六種土地類型中最不穩(wěn)定，處于隨機擴展?fàn)顟B(tài)。同樣未利用地的邊界維數(shù)逐漸趨近1.5，推測隨著經(jīng)濟的發(fā)展，未利用土地得到大幅度開發(fā)與利用。城鄉(xiāng)建設(shè)用地的邊界維數(shù)逐漸擴大，表明其土地利用形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是穩(wěn)定性在逐漸上升，城鄉(xiāng)建設(shè)用地在逐年開發(fā)中得到有序的發(fā)展。耕地在17 年間復(fù)雜性降低又升高，穩(wěn)定性不斷地降低，隨經(jīng)濟發(fā)展，耕地面積不斷減少。林地的邊界維數(shù)值略有下降，而穩(wěn)定性指數(shù)則略有增加，表明林地的空間分布復(fù)雜性減弱，穩(wěn)定性增強，林地得到有效分區(qū)規(guī)劃、管理的趨勢。

表5 土地利用形態(tài)的邊界維數(shù)與穩(wěn)定性指數(shù)

4 洪山區(qū)土地利用變化驅(qū)動力分析

城市土地利用變化是人地相互作用的典型表現(xiàn)形式，其城市土地利用變化的因由也是土地利用研究的重點，驅(qū)動力分析對揭示土地利用的時空變化起著關(guān)鍵作用。本文從自然、經(jīng)濟、政策因素對洪山區(qū)土地利用變化進行分析。數(shù)據(jù)主要來源于武漢市統(tǒng)計年鑒、洪山區(qū)年鑒。

4.1 自然環(huán)境

武漢位于亞熱帶季風(fēng)氣候，且位于平原、低山丘陵地區(qū)，水熱條件好，利于發(fā)展農(nóng)業(yè)，早期耕地面積較大。且武漢位于長江流域，所轄范圍水系較多，水域面積較廣。但同時河流也會帶來大量的泥沙，通過2011 年與2000 年遙感影像圖對比表明，天興洲周圍裸露面積增大，推測為河流泥沙堆積所致，導(dǎo)致未利用地面積增大。

4.2 經(jīng)濟

洪山區(qū)GDP(圖3)由2001 年的400480 億元增加到2011 年的5，384，000 億元再到2017 年的9，577，295 億元，經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，城鎮(zhèn)用地的空間擴展成為土地利用的主要特征。通過雙向動態(tài)度指數(shù)，看出大量耕地和未利用地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，一定水域也轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地。

圖3 2001-2017 年洪山區(qū)GDP

4.3 政策

多所高校坐落于洪山區(qū)，科教智力密集，具有科技人才優(yōu)勢。且在17 年間洪山區(qū)不斷推進大學(xué)城的建設(shè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)，使城市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。同時科技推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)業(yè)科技的提升會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)單產(chǎn)提高，耕地面積減少。洪山區(qū)也曾積極發(fā)展都市型農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)、休閑旅游農(nóng)業(yè)，這對耕地、林地、草地面積變化都有較大的影響。天興洲為應(yīng)對長江汛期，政府對天興進行生態(tài)保護與發(fā)展，使天興洲土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，由于其面積較大，在一定程度上也影響了洪山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的變化。

5 結(jié)論

分形理論可以用于土地利用和土地覆蓋的研究中，解釋地塊的破碎程度，對于解釋土地利用斑塊的變化和穩(wěn)定性是一種有效的方法和工具。基于Map GIS 10 等軟件的支持，對武漢市洪山區(qū)2000、2011、2017 年三期遙感影像數(shù)據(jù)進行了處理和分析地類圖斑，得到以下結(jié)論。

(1)洪山區(qū)在2000-2017 年階段，耕地、水域面積不斷下降，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積不斷上升。未利用地、草地、林地面積在三個研究階段都有一定的起伏變化。耕地、未利用地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地呈現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)化的趨勢，水域、林地、草地等呈單向流動趨勢。耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地優(yōu)勢度高，在洪山區(qū)整個土地景觀格局中起主導(dǎo)作用，這種非天然類型用地的主導(dǎo)作用也說明土地利用受人為干擾因素較大。

(2)洪山區(qū)土地分形特征。通過組合分形模型可知，洪山區(qū)在2000-2017 年期間，土地利用形態(tài)日益復(fù)雜，城市開發(fā)強度增大，但城鄉(xiāng)建設(shè)用地在開發(fā)中取得有序發(fā)展，對城市生態(tài)環(huán)境的重視程度與保護力度逐漸提升，城市土地結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性不斷增強，用地結(jié)構(gòu)趨于合理化。

洪山區(qū)土地利用變化的驅(qū)動力因素。洪山區(qū)土地利用的變化，是自然條件和社會因素綜合作用下的產(chǎn)物，其中人類活動對區(qū)域土地利用變化起著主導(dǎo)作用。

盡管本研究應(yīng)用了一系列經(jīng)過驗證的理論體系，但由于數(shù)據(jù)與現(xiàn)實原因，本研究依舊存在誤差和不足，主要體現(xiàn)在：遙感影像主要選取在冬季，其林地、草地會隨季節(jié)變化發(fā)生改變，可能會存在像元錯分或漏分現(xiàn)象，一定程度影響數(shù)據(jù)精確度。洪山區(qū)所轄范圍在2000-2017 年間發(fā)生過變化，所依據(jù)的統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)也因行政區(qū)劃范圍(面積)變化而受影響，因此，驅(qū)動力分析方面更多的是一種趨勢化表達。