劉宇航，陳 春

(重慶交通大學建筑與城市規(guī)劃學院，重慶 400074)

土地利用和土地覆被變化是地理學研究中的一個熱點問題，在多年的研究過程中，學者們不斷對研究模型、研究方法進行更新，試圖得到最真實和有效的能契合土地實際發(fā)展規(guī)律的研究結論[1-2]。過去的研究中對于土地利用結構分析的主要是選取斑塊的大小、形狀等因子構建景觀格局指數[3-5]。朱闖等[6]對2001年和2017年中國土地利用變化的研究發(fā)現西部地區(qū)林地、草地變化明顯，而中部和東部地區(qū)建設用地變化明顯。李永飛等[7]定量闡述了丘陵地區(qū)城鄉(xiāng)接合部在城市發(fā)展過程中土地利用變化的規(guī)律。王璐等[8]提出了建立空間研究尺度與景觀格局指數的關系函數，提出了武漢市土地利用研究景觀格局指數的最佳研究尺度。

在對人地關系不斷進行探討的大背景下，中外學者進一步運用新方法對土地利用類型進行研究，聶拼等[9]基于最近鄰時空距離，運用蒙特卡洛隨機模擬方法探討了淮南市土地利用變化的時空演變模式。左曉慶等[10]基于隨機森林算法對河南省洛陽市城區(qū)土地覆被和變化做了分類研究和演變規(guī)律研究。季順平等[11]利用全空洞卷積神經元網絡對武漢市2014年和2017年的土地覆蓋和利用變化進行了研究。

20世紀80年代，分形(fractal)理論開始出現[12]。美國數學家曼德布羅特于1982年發(fā)表的TheFractalGeometryofNature是描述、解釋分形理論的經典之作[13]。分形常被用來分析歐氏距離難以解決的一些長度問題以及描述具有某些自相似性的圖形或者結構，為開放而復雜的地理學在定量研究中提供了可能，在海岸線提取[14]、地質災害及預測[15]、城市擴張研究[16]等領域形成了較多研究成果。中國學者也開始運用分形理論進行空間形態(tài)的研究，如雷利元等[17]運用GIS(geographic information system)技術對遼寧省域內的633個海島形狀進行研究，揭示了其在空間形態(tài)上的分形特征。楊汝婷等[18]基于分形理論對江西省楊梅村的空間形態(tài)進行了定量的分析。在土地覆被與土地變化領域，運用分形進行的研究也開始出現，如盧德彬等[19]利用分形理論對環(huán)梵凈山旅游經濟區(qū)的土地利用空間結構進行了研究分析；吳漣敏等[20]基于分形理論對福州閩侯縣的土地利用空間演變規(guī)律進行了研究；張立峰等[21]應用分形理論并通過疊加分析對蘭州新區(qū)1993—2013年間的5期土地利用動態(tài)變化進行了研究。以上研究主要集中在東部地區(qū)和西北干旱地區(qū)，對成渝地區(qū)的土地利用變化采取分形理論進行研究還相對較少。

現選取成渝雙城經濟圈的重要節(jié)點重慶永川區(qū)作為研究區(qū)域，基于永川區(qū)三期的土地利用數據，運用分形模型對土地利用同一分類系統(tǒng)下不同級別的分形維數進行計算，定量分析土地利用類型和地塊分形維數與穩(wěn)定性指數的關系，并從時間維度和空間維度兩個方面對各類土地利用變化的演變特征進行了分析，為永川區(qū)加速融入成渝雙城經濟圈和《重慶市土地利用總體規(guī)劃》(2006—2020)在永川區(qū)的順利實施提供相應參考，同時在一定程度上彌補土地利用變化傳統(tǒng)研究方法僅局限于土地利用類型面積變化而未考慮土地利用變化穩(wěn)定性的不足。

圖1 重慶市永川區(qū)區(qū)位示意Fig.1 Location of Yongchuan district, Chongqing

1 研究區(qū)與數據

1.1 研究區(qū)域

永川區(qū)隸屬重慶市，位于東經105°38′～106°05′，北緯28°56′～29°34′，位于長江上游北岸、重慶西部，東鄰江津，東北靠璧山，北界銅梁，西接榮昌，南與四川省合江縣、瀘縣接壤(圖1)。轄區(qū)面積1 576 km2，境內可分為低山槽谷、鋸狀與廂狀低山、山麓深丘中丘、中丘中谷、淺(或緩)丘寬谷、桌狀或饅頭狀方山中丘、坪狀中丘、階地等8種地貌類型，有云霧山等5條低山山脈呈川字排列，具有中國西南山地典型地貌特征。轄區(qū)內水資源豐富，有小安溪、臨江河等六條河域橫貫南北。現轄7個街道、16個鎮(zhèn)，城鎮(zhèn)化率69.76%。選取重慶永川區(qū)進行土地利用類型變化研究具有如下意義：①永川作為成渝雙城經濟圈的重要節(jié)點城市，歷為渝西交通樞紐和商貿、文化、金融中心，城鄉(xiāng)居民人均可支配收入遠高于重慶全市平均水平，城鎮(zhèn)化對土地利用影響較大；②永川區(qū)的資料保存較為完整，為長時間段分析土地利用類型變化提供了便利；③《重慶市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2007—2020)》[22]將永川區(qū)明確定位為“重慶西部區(qū)域性中心城市”。 2018年永川區(qū)的常住人口規(guī)模達到114.2×104人，國民生產總值達到了570.34×108元，在重慶市38個區(qū)縣中排第10位，是未來疏散重慶主城功能的先驅城市。因此，統(tǒng)籌永川區(qū)內土地利用方式，促進土地可持續(xù)利用，顯得尤為重要。

1.2 數據來源

研究選取的遙感多波段影像數據源自地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)，分別為覆蓋永川區(qū)的2005年和2010年的Landsat4-5 TM數據和2015年的Landsat8 OLI遙感影像數據。

利用ENVI軟件采用監(jiān)督分類法對遙感影像進行分類，參照全國土地利用現狀分類標準(GB/T 2010—2017)，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、未利用地、城鄉(xiāng)建設用地和水域6個地類(表1)，解譯成果圖像如圖2所示。經檢驗各幅解譯圖像的Kappa系數均大于85%，滿足研究精度的要求。

表1 土地利用類型劃分標準

圖2 永川區(qū)2005、2010、2015年土地利用現狀Fig.2 Status of land use in Yongchuan District in 2005, 2010 and 2015

2 研究方法

分形維數是對某一結構的自相似性的特征進行量化表達的指標，反映了一個分形體的不規(guī)則程度。即分形維數越大，則表明分形體的形狀越不規(guī)則[23]。在土地利用特征變化的研究中，以每一個不規(guī)則多邊形為研究對象，建立起周長與面積的關系式，對其周圍邊界的曲折性進行定量表述。即對于任一土地類型的任一地塊，以尺度i去測量多邊形的周長與面積關系，其計算公式為

(1)

式(1)中：D表示分形維數；A(i)表示不規(guī)則多邊形的實際面積；P(i)表示不規(guī)則多邊形的周長；C表示常數值。將解譯后的柵格圖層導入ArcGIS計算出各類斑塊的面積與周長，再將對應的數據導入SPSS軟件擬合出周長與面積的雙對數回歸分析函數式，從而得到各類用地的分形維數D。在一般情況下，D通常介于1～2。D越大，表示用地在空間分布上的自相似性越弱，地類斑塊的形狀越加趨于復雜。

通過分形維數D計算出穩(wěn)定性系數S，其計算公式為

S=|1.5-D|

(2)

式(2)中：S理論值介于0～0.5，S越小，說明該類用地越趨于離散狀態(tài)，越不穩(wěn)定，越大則代表該類用地越趨于穩(wěn)定狀態(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。

計算出永川區(qū)三期影像的六類一級用地類型的分形維數和穩(wěn)定性指數，并進行顯著性檢驗，R2均大于0.9，表明結果可信。

3 結果與分析

將ENVI解譯過后的柵格數據導入ArcGIS進行小圖斑的合并，再對面積、周長、斑塊數、平均斑塊面積等指標進行統(tǒng)計，再經過處理得到各類用地的斑塊數、平均斑塊面積等參數(表2)。

3.1 土地利用狀況分析

2005—2015年10年間，永川區(qū)變化幅度最大的用地類型是耕地和建設用地，其中耕地共減少了20 028.49 hm2；建設用地增加10 494.6 hm2，面積占比增加了7%，這兩類用地的變化受到了人類生產、生活的強烈干擾和影響。耕地面積雖然持續(xù)下降，但是后5年的下降速率比2005—2010年期間下降速率更快。耕地面積在研究時間段內持續(xù)減少，但其仍為研究區(qū)內最主要的用地類型。建設用地的面積增長幅度較為穩(wěn)定，2005—2010年的增長率為2.45%，2010—2015年的增長率為4.23%。林地面積在2010年之后有明顯的上升趨勢，這與國家退耕還林政策的深入落實有著一定的關系。水域面積和草地面積在研究區(qū)研究時段內變化不大，究其原因是草地在影像目視解譯中難以識別，在三期遙感影像解譯中，選擇的訓練樣區(qū)較為單一和固定，而水域面積本就與其他地物區(qū)分性較強，便于識別，且永川區(qū)境內過境河流流量較小，短時間范圍內水域面積難以擴張或減少。

3.2 永川區(qū)土地利用分形維數及穩(wěn)定性動態(tài)

從三期的土地利用斑塊分形維數和穩(wěn)定性指數來看，不同的時間點上，不同土地利用類型的斑塊的分形特征呈現出顯著的差別。2005、2010、2015年的總平均分形維數為1.512 3、1.352 7、1.297 7(表3)，呈現出逐年下降的趨勢。2005年分形維值由大到小依次為林地>耕地>建設用地>水域>草地，2010年為林地>水域>耕地>建設用地>草地，2015年各類用地的分形維數變化較大，依次為水域>林地>耕地>草地>建設用地。穩(wěn)定性指數分布在0.017 7～0.282 5，這表明永川區(qū)的各土地利用類型的異質性和景觀破碎程度不斷下降，各類邊界的形狀在逐漸趨向平整，結構及變化趨勢正在向穩(wěn)定的狀態(tài)轉移。

平均穩(wěn)定性指數在三個時間段分別為0.012 3、0.147 3和0.202 3(表3)?？傮w上永川區(qū)的土地穩(wěn)定性呈現出持續(xù)上升的趨勢，各類土地結構趨向穩(wěn)定。但各類土地的穩(wěn)定性指數存在差異，草地的多年平均穩(wěn)定性系數最高，林地的系數最低。從年份來看，2005年各類用地的穩(wěn)定性指數都低于2010年和2015年同類用地的穩(wěn)定性指數。

表2 不同時期永川區(qū)土地利用狀況

表3 2005、2010、2015年三個時期永川區(qū)各類土地的分形維數及穩(wěn)定性指數

3.3 各地類分形動態(tài)

3.3.1 耕地

耕地是研究區(qū)內占比最大的土地利用類型，表3中顯示耕地的分形維數從2005年的1.517 7降低至2010年的1.295 8直至2015年的1.262 1，表明了耕地的復雜性在研究初期即2005年最為突出。耕地的穩(wěn)定性系數在研究時段不斷增長。隨著退耕還林、還湖等國家政策的實施和城鎮(zhèn)建設用地擴張，空間上耕地面積減少明顯，但隨著“占補平衡”“土地復墾”等措施的開展，耕地的穩(wěn)定性得到了提高。

3.3.2 林地

10年間永川區(qū)的林地面積呈現持續(xù)增長的趨勢，面積占比從26%上升到32%左右。2010—2015年的增長幅度大于2005—2010年的增長幅度，其年均增長值分別為3.3%、1.1%，林地的分形維數持續(xù)減少，表明了林地的空間分布愈發(fā)趨近穩(wěn)定狀態(tài)。減少的耕地并未全部轉變?yōu)槌青l(xiāng)建設用地，還有一部分轉化成了林地，2010年之后林地數量明顯增加，“退耕還林”政策成效顯著。

3.3.3 草地

2005年草地的復雜性最強，穩(wěn)定性最低；2015年草地的復雜性最低，穩(wěn)定性最強。在研究期的10年間，草地面積呈現出不斷在增長的趨勢，在全區(qū)內面積占比由2005年的7.5%上升到2015年的8.23%，年均面積增加6.995 hm2。分形維數不斷下降，穩(wěn)定性指數不斷上升，斑塊平均面積也不斷上升。草地空間形狀較為規(guī)則，但受到整體生態(tài)系統(tǒng)的影響，穩(wěn)定性數值也不是太高。

3.3.4 水域

永川區(qū)區(qū)域范圍內水域面積表現得十分穩(wěn)定，變化起伏十分微小，且僅占全區(qū)土地面積的1.15%左右。2005—2015年水域用地穩(wěn)定性指數方差最小，平均斑塊面積有著輕微的縮小，雖然水域面積還受到降水等氣候因素的影響，但是三期數據均選取的是冬季的研究區(qū)影像數據，永川區(qū)地處溫帶大陸性濕潤氣候，冬季降水較少，故分形維數和穩(wěn)定性指數都十分穩(wěn)定。

3.3.5 城鄉(xiāng)建設用地

從表2中可以看出城鄉(xiāng)建設用地的平均斑塊面積遠小于其他土地利用類型，在2005年為5.84 hm2，2010年僅為6.27 hm2，說明在2005—2010年期間，永川區(qū)的城鄉(xiāng)建設用地斑塊隨機零散地分布在全區(qū)；而平均斑塊面積小于其他土地利用類型主要是由許多鄉(xiāng)村聚落居民點零星分散導致的。2005—2010年期間，城鄉(xiāng)建設用地的斑塊數量增加了471個，面積也隨之增加了3 863 hm2,該階段內城鄉(xiāng)建設用地的“規(guī)模”擴大；2010—2015年期間，城鄉(xiāng)建設用地的斑塊數量急劇減少，甚至低于了研究初期2005年的城鄉(xiāng)建設用地斑塊數量，但是2015年的建設用地面積較2005年增加了84.6%，表明了研究區(qū)內城鄉(xiāng)建設用地的擴張在研究時段后五年內十分活躍，這一時期城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快，建設用地規(guī)模較前期大幅提高。城鄉(xiāng)建設用地的穩(wěn)定性指數不斷上升，到了2015年的時候已經成為3期數據6類用地中的穩(wěn)定性最高值0.360 3，建設用地自我相似性強，在建成后短期時間內其規(guī)模與形態(tài)都不會再次發(fā)生明顯的改變。

3.3.6 未利用地

研究區(qū)內三期遙感數據所提取出的未利用地斑塊分別為11、15、9個，其主要分布在河流附近的灘涂等未利用地，并且其面積不斷的減少，隨著生態(tài)修復技術的發(fā)展，日后這些灘涂可能會被改造為草地、林地等生態(tài)用地，因為未利用地的數量不多，故未對其進行分形維數和穩(wěn)定性指數的計算。當然日后隨著社會的進步，未利用地會受到不斷的開發(fā)建設，最終也可能轉變?yōu)槌青l(xiāng)建設用地。其開發(fā)利用方式完全受到人為因素的影響，故其形態(tài)趨于規(guī)則和相似，空間結構也會趨于穩(wěn)定。

4 結論

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及自相似性程度，對于揭示土地利用斑塊的穩(wěn)定性是一種有效的方法和工具。基于Arcgis、ENVI、SPSS和Fragstats等軟件的支持，對重慶市永川區(qū)2005、2010、2015年三期遙感影像數據進行了處理，處理和分析地類圖斑，得出了以下結論。

(1)在時間維度上，永川區(qū)三期數據土地利用類型的平均分形維數分別為1.295 1、1.336 3、1.448 6，三期的分形維數呈現出逐漸上升并且不斷向布朗隨機運動值(1.5)靠近，說明了該區(qū)域內土地利用方式在不斷向穩(wěn)定的方向發(fā)展利用。

(2)城鄉(xiāng)建設用地在2010—2015年這5年間增長明顯，同時穩(wěn)定性指數也在不斷升高，表明了永川區(qū)的建設用地擴展的形態(tài)逐漸趨于規(guī)整，布局趨于合理。同時水域面積在10年的研究時間段內面積幾乎沒有變化，穩(wěn)定性指數也趨于穩(wěn)定，也反映出研究區(qū)內生態(tài)的穩(wěn)定和生境的穩(wěn)定。

綜上所述，土地利用類型的分形維數和穩(wěn)定性指數反映了土地利用類型的空間分布狀態(tài)。研究區(qū)內處在城鄉(xiāng)建設用地周邊的耕地極易受到侵占，使得耕地和城鄉(xiāng)建設用地的空間結構分布更加趨于復雜。林地在總體形狀上表現較為簡單，但是受到景觀相互交錯的影響，也表現出低穩(wěn)定的狀態(tài)，極易受到人類活動的干擾。在區(qū)域經濟發(fā)展過程中，需要持續(xù)關注生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，避免出現影響較大的生態(tài)環(huán)境問題。