基于分形理论的土地利用空间行为特征_以江西东江源流域为例

“生命之水” 的发源地 。源区位于江西省赣州境内 , 是珠江三大水系之一的东江源头 , 含安远 、 寻乌 、 定 2 南三县 ,江西省内流域土地总面积3 502km ( 图 1) 。 源区以山地 、 丘陵为主 , 地貌可概称 “八山半水一分 田 ,半分道路与庄园” 。源区呈典型的亚热带丘陵山 区湿润季风气候 , 常年平均气温 1819 ℃, 年均日照 时数为 1 690 ～ 1 984h , 无霜期 282 ～ 293 天 , 降雨量 1 526 ～ 1 700mm 。源 区 河 网 密 布 , 主 河 流 总 长
i =1
等工作 ,根据解译标志把空间栅格数据矢量化并且 进行地类编码 ,在 ArcGIS910 中建立拓扑关系 , 最终 生成土地利用图形库和属性数据库 , 主要的土地利 用类型包括 : 水田 、 旱地 、 有林地 、 灌木林地 、 疏林地 、 其他林地 、 高覆盖度草地 、 中低覆盖度草地 、 水域和 居民点及工矿用地等 。主要利用了两个年代的东江 源流域土地利用解译数据 , 对建立的空间数据库进 行分析 ,试图发现其中的一些土地利用景观格局及 其动态变化特征 。
第 30 卷第 12 期 2008 年 12 月 文章编号 :1007 - 7588 (2008) 12 - 1866 - 07
资 源 科 学 RESOURCES SCIENCE
Vol. 30 ,No. 12 December ,2008
基于分形理论的土地利用空间行为特征
— — — 以江西东江源流域为例
Landsat TM 影像进行图像镶嵌 、 几何纠正 、 判读解译
S K = | 115 - FD |
( 3) 景观斑块形状破碎度 ( FS ) FS = 1 - 1Π AS I
N
其中 AS I =
i =1
∑A ( i ) S I ( i ) ΠA ;
A ( i) ] ;
N
S I ( i ) = P ( i ) Π [4 A =
式中 P 为斑块周长 ; A 为斑块面积 ; k 为回归方程 的斜率 ; FD 表示包含多个斑块的某一景观的 “平
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资 源 科 学
第 30 卷第 12 期
4 结果与分析
411 土地利用结构变化
利用 GIS 技术获得江西东江源流域土地利用变 化结果 ,见表 1 。可以看出 , 居民点及工矿用地 、 水 域和林地的面积有不同程度的增加 ,而耕地 、 草地和 未利用土地等类型则有不同程度的减少 , 说明在过 去 15 年内 ,江西东江源流域土地利用结构有很大变 动 ,城镇扩张 、 植被建设以及退耕还林等 , 是居民点 及工矿用地和林地的面积增加的直接原因 , 同时也 导致了其他土地利用类型面积的减少 。
325km ,平均河流密度 172kmΠ km Baidu Nhomakorabea区内植被类型属
2
我国东南部原生型常绿针叶林 、 针阔混交林及阔叶 林 ,森林覆盖率为 74 % ,多为针叶林 ,且系中 、 幼林 。 源区人口总数53 139 × 10 人 ,其中农业人口为4 617 × 10 人 。
4 4
3 数据来源与研究方法
311 数据来源
谢花林
1 ,2
,李秀彬
2
( 11 江西财经大学资源与环境管理学院 ,南昌 330032 ; 21 中国科学院地理科学与资源研究所 ,北京 100101)
摘 要 :为增进对土地利用空间行为变化的理解 ,以分形理论为指导 ,在 RS 和 GIS 技术支持下 ,建立了东江源 流域土地利用空间数据库 ,运用分形模型和提取数据对江西东江源流域土地利用空间格局的变化进行了研究 。获 得了 1985 年和 2000 年两个时期各个土地利用类型的分形维数和不稳定性指数 ,并且参照了常用的景观指数 ,包括 斑块密度指数 、 景观斑块形状破碎化指数和景观类型分离度指数 ,对土地利用空间行为变化进行了定量分析 ,研究 结果显示 ,景观斑块破碎度指数由 01 945 变为 01 936 ,呈下降趋势 ; 其他林地和有林地等土地利用类型的稳定性呈 上升趋势 ,而高覆盖度草地 、 水域 、 灌木林地 、 旱地 、 水田等土地利用类型的稳定性明显降低 , 说明近期应当对它们 进行适当保护 ; 对其他林地和有林地而言 ,分形维数降低的程度 ,一方面说明了土地斑块形态规整化改善的程度 , 另一方面也说明了人们改善土地形态的行为强度 ,如植树造林 、 退耕还林 。 关键词 : 分形理论 ; 土地利用变化 ; 空间行为特征 ; 不稳定性 ; 东江源流域
注 : 3 为各类土地变化量的绝对值之和 。
412 分形维数分析
各土地利用类型分维数的计算 。各类土地类型 包含多个土地利用行为主体的土地 , 在同一土地类 型中每个土地利用行为主体可能有一个或者多个土 地斑块 。不单独讨论单个土地斑块的分形情况 , 也 不讨论某个土地利用行为主体的所有地块的分形情 况 。重点讨论某一土地利用类型的分布是否具有分 形特点 ,并通过统计分析来验证 。某类土地利用类 型的分形维数是一种统计意义上的多个同类型土地 图斑的 “平均” 分形维数 。 具体方法是对计算分形维数的公式两边取对 数 ,将每个图斑的面积和周长数据代入对数公式 ,对 每一对数据作出散点图 , 然后对所有散点进行线性 模拟 ,再通过线性方程的斜率与分形维数的关系求 出某类土地的分形维数 。图 2 是 1985 年和 2000 年 江西东江源流域有林地各斑块面积和周长取对数后 的散点图 。 运用相同的方法对东江源流域其它地类图斑数 据进行处理 。表 2 和表 3 分别列出了该流域 1985 年和 2000 年各种土地利用类型的回归方程 、 回归方 差、 统计量和回归统计的斑块样本数 。各类土地的 分形维数见表 4 。
( 1)
同斑块分布的分离程度 。分离度在一定程度上反映 了人类活动强度对景观结构的影响 ,其计算公式为 : ( 5) F = Di Π Si 其中 Di =
AΠ Ni Π 2
S i = A i Π A 式中 F 为某一景观类型分离度 ; Di 为景观类型 i 的 距离指数 ; S i 景观类型 i 的面积指数 ; A i 为景观类 型 i 的面积 ; A 为景观的总面积 。
作者简介 : 谢花林 ,江西莲花县人 ,博士后 ,主要研究领域为土地利用 、 生态安全和 GIS 应用 。
E2mail :xiehl - 2000 @1631com
第 30 卷第 12 期
谢花林等 : 基于分形理论的土地利用空间行为特征
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均” 分形维数 , 也是统计意义上的景观分形维数 。
FD 值的理论范围为 [ 110 ,210 ] , F = 110 时代表形状
图1 江西东江源流域地理位置示意
Fig11 The location of Dongjiang Riverhead watershed in Jiangxi province
表示该要素越不稳定 数 ( SK) 可定义为 :
[5 ]
。因而各景观要素的稳定指
( 2) ( 3)
局及其变化 ,对流域景观格局的变化规律进行实证 分析 。 运用 ArcGIS910 、 MGE 、 ERDAS815 等 GIS 和遥感 图像处理软件 , 参照东江源流域 1 ∶ 10 万地形图 、 土 地利用现状图 , 对不同时期的区域陆地资源卫星
PD =
1
A
n
n
所谓分形就是指部分以某种形式与整体相似的 形状 ,自相似性和标度不变性是它的两个重要特 征
[7～10 ]
i =1
∑N
i
i
( 4)
其中 A =
。一个系统的自相似性是指 “某种结构或过
i =1
∑A
式中 PD 为景观总体斑块密度 ; n 为研究范围某空 间分辨率上景观要素类型总数 ; A 为研究范围内景 观总面积 , A i 为第 i 类景观要素的面积 。 某类景观要 素的斑块密度为 PDi , PDi = N i Π Ai 。
最简单的正方形斑块 , F = 210 时表示等面积下周长 最复杂的斑块 。 ( 2) 景观稳定性指数 对于某种景观要素而言 ,
FD 值越大 ,表示该要素的镶嵌结构越复杂 ; 当 FD
= 115 时 ,表示该景观要素处于一种类似于布朗运
动的随机状态 ,即不稳定状态 ; FD 值越接近 115 ,就
(5) 景观类型分离度 ( F) 指某一景观类型中不
程的特征从不同的时间尺度或空间尺度上看都是相 似的” ,标度不变性是指 “自相似性的系统不具有特 征长度 ,具有自相似的结构一定满足标度不变性” 。 分形维数是表征自相似系统或结构的定量指标之 一 ,研究景观的分维 ,主要是定量描述其核心面积的 大小及其边界线的曲折性 。 研究用到的相关指标 , 及其计算方法以及模型 中各参数的意义如下 。 (1) 分形维数 ( FD) 所应用的用来计算分形维 数的周长 - 面积模型为 : ln ( PΠ 4) = k ln ( A ) + c , FD = 2 k
表1 东江源流域 1985 年～2000 年土地利用变化分类统计
Table 1 Dynamic change of land use from 1985 to 2000 in Dongjiang Riverhead w atershed 1985 2000 68 510 515 652 12 403 2 910 866 0 600 341 (hm2 , %)
变化量
- 151 600 - 755 155 176 - 25 1 862
3
变化率
- 0122 0112 - 5174 5163 25151 - 100100 0131
耕地 林地 草地 居民点及工矿用地 水域 未利用地 合计
68 661 515 052 13 158 2 755 690 25 600 341
2 研究区概况
江西东江源流域是香港和珠江三角洲地区人民
收稿日期 :2008 - 05 - 19 ; 修订日期 :2008 - 07 - 11
在 RS 和 GIS 支持下 ,以江西东江源流域范围的 土地利用变化为研究对象 , 用景观生态学的理论与 方法 ,尤其是分形理论的方法 ,研究土地利用景观格
( 编号 :2006BAB15B02) ; 国家自然科学基金项目 “ 基金项目 : 国家科技支撑计划项目 “ : 区域土地资源安全保障与调控关键技术研究” : 基于 ( 编号 :40801106) ; 中国博士后科学基金项目 “ 约束性 CA 的红壤丘陵区土地利用安全格局情景模拟研究” : 生态用地和耕地保护约束下的 ( 编号 :20080430544) ; 教育部人文社会科学基金项目 “ 区域土地经济承载力评估方法研究” : 快速城镇化地区土地经济承载力测度和预警实 ( 编号 :08JC790050) 。 证研究”
1 引言
分形 ( Fractal ) 理论是 20 世纪 70 年代中期以来 发展起来的一种横跨自然科学 、 社会科学和思维科 学的新理论 ,已被广泛应用于各学科领域 ,成为国际 [1～4 ] 上科学领域的前沿研究课题之一 。20 世纪 90 年代以来 ,分形理论在我国地理学中的应用日益广 泛 ,并在地貌学 、 城市地理学 、 地图学和遥感等分支 学科取得了较大进展 。景观生态学是研究空间异质 [5 ] 性的学科 ,空间格局是景观生态研究的重要内容 。 因此 ,以分析空间结构而见长的分形理论也被越来 越多地应用于景观镶嵌结构的复杂性与稳定性等景 观生态研究 ,其中运用最多和最成熟的是景观斑块 [5 ,6 ] 的面积 - 周长模型 ,但是大多数研究都局限在对 景观格局变化分析 , 很少具体分析土地利用的空间 行为 ,本文试图利用分形理论对土地利用空间行为 进行尝试性研究 。
312 研究方法
∑A ( i )
式中 FS 为某一景观类型斑块形状破碎化指数 ; ASI 为用面积加权的景观斑块平均形状指数 ; SI ( i ) 为景 观斑块 i 的形状指数 ; P ( i ) 为景观斑块 i 的周长 ; A ( i ) 为景观斑块 i 的面积 ; A 为该景观类型的总面 积 ; N 为该景观类型的斑块数 。 (4) 景观斑块密度 ( PD ) 表示景观中包括全部异 质要素斑块的单位面积斑块数 ,计算公式为 :