基于矢量和栅格数据的土地利用稳定性研究——以山东省临沂市为例

吴 晨，张 建 新，吴 国 平，刘 培 学，汪 佳 莉，范 庆 亚

(南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210093)

基于矢量和栅格数据的土地利用稳定性研究
——以山东省临沂市为例

吴 晨，张 建 新，吴 国 平*，刘 培 学，汪 佳 莉，范 庆 亚

(南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210093)

数据格式(矢量和栅格)和栅格粒度的选择对准确分析土地利用稳定性、正确指导土地利用规划至关重要。该文以临沂市2010年1∶5 000比例尺土地利用现状图为基础数据源，运用分形理论和GIS技术研究不同数据源下临沂市区土地利用类型的分维值和稳定度。结果表明：临沂市土地利用总体稳定性弱，建设用地、园地稳定性较强，水体、未利用地、林地稳定性较弱，耕地、交通用地、草地属于受数据格式影响大的敏感地类；敏感地类突出反映了矢量和栅格研究结果的偏差，最佳适宜粒度下的栅格数据产生的是平稳偏差，通过采用第一尺度域内的粒度作为最佳适宜粒度降低了与矢量结果的偏差。该研究对土地利用景观格局分析中数据源的选择具有参考意义。

矢量；栅格粒度；土地利用；分维值；稳定度：临沂市

城市发展过程中存在的土地资源浪费、土地利用不稳定等状况不利于城市可持续发展。区域土地利用稳定性研究可以为优化土地利用结构和可持续利用土地资源提供依据。分形理论近年来被广泛应用于土地利用稳定性研究[1-9]。但已有的研究数据或来源于矢量格式土地利用现状图，或来源于栅格格式土地利用现状图，同时用这两种数据结构分别对同一区域的土地利用稳定性进行对比研究则少有涉足。在实际研究中为简化结构，减少数据量，通常将矢量数据栅格化，直接利用Fragstats软件得到相应的分维值对土地利用稳定性开展研究。但栅格化过程存在数据精度损失[10]，无论如何提高转换精度，都会产生一定的误差，如面积、图斑形状结构、几何位置、属性等误差[11]。本研究聚焦于不同格式土地利用数据源得到的土地利用稳定性研究结果有何相同及不同之处、分维值和稳定度随着栅格粒度的不同会有何变化，以临沂市2010年1∶5 000比例尺土地利用现状图为基础数据源，同时将其栅格化为10～300 m不同粒度大小的栅格数据，分别基于矢量和栅格数据对土地利用稳定性进行研究，并对结果进行比较分析，为数据源的选择提供参考。

1 研究区概况与数据来源

临沂市(34°22′～36°13′N，117°24′～119°11′E)地处山东省东南部，是山东省面积最大的城市，属温带大陆性季风气候，地形以冲积平原为主，河网密集。本研究选取临沂市中心城区(兰山、罗庄、河东三区)为研究区，年均气温13.7℃，2010年城区总面积2 288.22 km2，总人口210.93万人。临沂市城镇化发展起步相对较晚，2010年城镇化率为48%，低于山东省平均水平，同时也表明临沂市的城镇建设空间很大，其土地利用强度将越来越大，势必导致土地数量、质量、利用类型的改变及土地形态的破坏。因此，对其土地利用结构稳定性的研究显得尤为必要。

矢量数据为2010年临沂市区1∶5 000比例尺土地利用现状图(基于二调)，来源于临沂市国土资源局。土地利用类型参考《土地利用现状分类》 (2007)，同时根据研究需要将《土地利用现状分类》中的05、06、07、08、09一级类归并为建设用地，共分为耕地、林地、草地、园地、建设用地、交通用地、水体及未利用地8大类。结合研究区的面积将土地利用矢量现状图通过ArcGIS10.0中Feature To Raster工具转换为10～300 m、间隔10 m的不同粒度的栅格数据。社会经济数据来源于《临沂统计年鉴2011》。

2 研究模型与方法

2.1 分维模型

本文的研究对象是一类具线状分形特征的土地斑块，因此选择景观格局分析中适用于这一特征的面积-周长分维数度量各地类的分形情况。公式如下：

lnA=(2/D)lnP-lna

(1)

其中，A为斑块面积，P为同一斑块周长，D为分形维数，a为待定常数[12]。如果研究区土地利用类型具有分形特征，则各地类斑块的面积、周长对数散点图回归于一条直线，通过直线的斜率即可求得土地利用类型的分维值[13]。D值介于1～2之间，D越大表明地类边界越弯曲，形状复杂；D=1.5时，表明地类斑块处于一种随机运动状态，结构不稳定。

基于栅格数据的周长-面积分维值通常由Fragstasts软件直接计算得到，计算公式和含义参见文献[14]或Fragstasts 网站(http://www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html)。

2.2 稳定度模型

采用徐建华等[15]给出的土地利用稳定性指数S，计算公式如下：

S=|1.5-D|

(2)

其中，D为相应土地利用类型的分维数。S越小表明土地利用类型越不稳定。

2.3 研究方法

基于矢量数据的分维值和稳定度的计算主要在Excel 2007中完成。首先从ArcMap中将8大地类各自所有斑块的周长、面积等属性字段导到Excel对应的工作簿中，然后利用Excel的函数功能对周长、面积两列数据取对数进行线性分析，最终得到各地类及景观层次下斑块的周长-面积线性关系式(如式(1))，进而求得各地类的分维数D和稳定度S。

栅格数据分维值的计算主要在Fragstats4.2中实现。每个粒度数据分别选取景观水平上的周长-面积分维数(PAFRAC)和类型水平(Class metrics)上的周长-面积分维数作为景观格局指数，然后将各粒度下的周长-面积分维值按地类和景观层次整理到Excel中，计算相应的稳定度，绘制分维值—粒度、稳定度—粒度关系图，最后找出最佳适宜粒度对临沂市土地利用稳定性进行定量评价。

3 结果分析

3.1 基于矢量数据的土地利用稳定性

根据矢量数据得到的临沂市各景观类型的分维值和稳定度结果如表1。临沂市区各地类斑块的周长和面积相关系数均大于0.92，二者具有高相关性。各分维值均介于1～2之间，表明临沂市区土地具有分形特征，可以用分维值和稳定度对其土地利用结构稳定性进行分析。

表1 基于矢量数据的各景观类型的分维值和稳定度

Table 1 Fractal dimension and stability of landscape types based on vector data

景观类型总面积(km2)斑块数周长面积对数关系式相关系数分维值稳定度景观层次2288.218132661lnA=1.6195lnP-1.06090.9371.2350.265耕地1113.46865242lnA=1.7780lnP-1.87280.9591.1250.375林地178.52817859lnA=1.5928lnP-0.93940.9391.2560.244园地76.0915755lnA=1.7085lnP-1.46470.9571.1710.329水体155.15513094lnA=1.3421lnP+0.25760.9251.4900.010草地13.2621477lnA=1.6112lnP-1.16480.9491.2410.259建设用地670.98621864lnA=1.7108lnP-1.53000.9801.1690.331交通用地76.2646861lnA=1.2786lnP+0.10380.9211.5640.064未利用地4.464509lnA=1.5883lnP-0.96320.9541.2590.241

表1中景观层次分维值是1.235，稳定度为0.265，表明临沂市整体土地利用稳定性良好，景观结构较简单。这主要是因为2010年是《临沂市土地利用总体规划(2006-2020)》的近期规划年和《临沂市土地开发整理规划(1997-2010)》的最后一年，土地规划成果显著，土地利用由粗放型向集约型转变，内部结构得到了优化。

从类型层次上看，各地类稳定度关系是耕地>建设用地>园地>草地>林地>未利用地>交通用地>水体。耕地和建设用地的稳定性较高，主要是因为 “十一五”期间临沂市对土地集约利用采取了一系列高效措施。耕地方面，临沂市规划建设标准化农田，保护集中连片的耕地，调出零星破碎、区位偏僻、不易管理的基本农田等；建设用地方面，制定《开发建设房屋搬迁安置和征地补偿的实施办法》， 中心城区、城中村实施了大规模的拆迁改造，此外，建设用地(尤其是城镇用地)多分布在城区规整的交通廊道，形状规则，稳定度较高。耕地和建设用地面积占临沂市总面积的78%，这两大地类的高稳定性保证了临沂市整体土地利用的相对稳定。

临沂市新增的园地、林地、牧草地大多是利用缓坡地，并按照适宜性原则对布局进行调整，使其稳定性较高。然而，临沂市未利用地结构复杂，在城镇化建设中数量不断变化，稳定度较低。

水体的稳定性最小，次之是交通用地。临沂市的水体多是自然形态，其中形状复杂、不规则的沟渠、坑塘等占据了整个水体的38%，使得水体整体稳定性很低。交通用地大类下面包括农村道路，其占整个交通用地的35%。2010年临沂市城镇化水平为48%，农村交通用地多是乡间小路，这些村路规模小且分散，导致整个交通用地的稳定性较差。

3.2 基于栅格数据的土地利用稳定性

图1是各地类的分维值(纵坐标)随粒度(横坐标)变化的趋势图，图2是各地类的稳定度(纵坐标)随粒度(横坐标)变化的趋势图,其中的水平趋势线依次是矢量分维值(图1)和矢量稳定度(图2)。

图1 各景观类型分维值的粒度效应

Fig.1 The relationship between perimeter-area fractal dimension and grain sizes of landscape types

所有的分维值介于1～2之间，证实了临沂市土地在各栅格粒度下均具有分形特征，可以从分形角度对土地利用稳定性进行研究。从分维值和粒度的关系(图1)看：1)耕地、林地、景观层次、建设用地、水体、园地、草地和交通用地、未利用地走势相似，即都是在粒度较小(10～40 m或50 m)时呈快速增加(或减小)状态，之后随着粒度变大分维值上升(下降)幅度变缓，说明临沂市这几个景观类型在粒度较小时(10～40 m)分维值对粒度的响应最强烈，之后变弱，40 m(或50 m)是斑块面积、周长、属性等特征信息丢失力度的转折点。2)交通用地是最特殊的一类,其分维值随着粒度的增大而变小，且二者相关性较高。交通用地主要呈条带状分布，某些斑块(如大量农村道路)二维面状特征不明显，在分辨率较小(粒度较大)时可简化为一条线或略去，这些小的道路信息丢失，剩下的较宽整的公路、铁路等被规则的单元格划分，结构简单，分维值变小。当粒度较小时,大量较小的、边界崎岖的农村道路仍然得以表现，结构复杂，故分维值较高。3)分别观察图1、图2中各景观类型粒度曲线与矢量分维值和矢量稳定度的偏离情况，发现水体、交通用地等廊道型景观在一定栅格粒度下求得的分维值(稳定度)与相应的矢量分维值(矢量稳定度)相同，其他非廊道型景观各栅格粒度的分维值均大于矢量分维值，稳定度均小于矢量稳定度。

景观层次和各地类稳定度随粒度变化趋势可分为三类：1)呈现先减小后增加趋势，但转折点不同。景观类型、耕地、林地、水体、建设用地属于这一类，耕地、林地在100 m左右转折，景观类型在200 m左右转折，水体在50 m，建设用地在250 m。2)随粒度增加总体呈现减小趋势，在一定粒度之后围绕某一值上下波动。这一类有园地、草地、交通用地，大致在150 m之后变化缓慢，均围绕某个接近零的值波动。3)趋势变化不太明显。未利用地面积少、用地特征模糊，其稳定度随粒度变化趋势不明显。

粒度不同会对研究区景观格局的分析产生较大的影响[16]，因而必须选择合适的栅格粒度对临沂市土地利用稳定性进行分析。通常根据第一尺度域寻找最佳适宜粒度[17]。图1和图2中大多数地类第一转折点出现在30 m或40 m，总体上临沂市1∶5 000土地利用图的第一尺度域为(10 m，30 m)，最佳适宜粒度为20～30 m，根据粒度最小最佳的原则[20]最终确定20 m为临沂市1∶5 000土地利用图的最佳栅格粒度，用以稳定性分析。同时，本文(1∶5 000比例尺)的第一转折点30 m比赵传武等得出的100 m(1:250 000比例尺)、150 m(1∶500 000比例尺)都要小，遵循了随着比例尺增大景观指数值第一尺度转折点到来越早的一般规律[20]，结果比较合理。

图2 各景观类型稳定性的粒度效应

Fig.2 The relationship between stability and grain sizes of landscape types

20 m粒度下景观层次的稳定度为0.149，其他各地类稳定性关系为建设用地>园地>草地>耕地>交通用地>林地>未利用地>水体(表2)，稳定性均小于0.3。结合前面矢量各地类稳定性关系发现，建设用地、园地、林地、未利用地相对关系变化不大，耕地和交通用地变化最大，次之是草地和景观层次，水体稳定性仍然最差。在将各地类稳定度达到0.3视为稳定性强的标准下，临沂市土地利用总体稳定性弱，建设用地、园地稳定性较强，水体、未利用地、林地稳定性较弱，耕地、交通用地、草地稳定性受数据格式影响较大。当用20 m×20 m的栅格表现临沂市土地利用图时，一些较小的、边界崎岖的农村道路信息丢失，此时交通用地的稳定度相对矢量数据下的稳定性变大。临沂市耕地的斑块面积基本大于400 m2，在20 m粒度下大量的大斑块被分割成破碎小斑块，导致耕地总体稳定性下降。可见斑块面积、存在状态、分布方式、斑块数量等均影响栅格化的信息损失量。

表2 基于20 m栅格粒度的各景观类型的分维值和稳定度

Table 2 Fractal dimension and stability of landscape types based on the grid size of 20 m

景观层次耕地林地园地水体草地建设用地交通用地未利用地分维值1.3511.3311.371.3091.4751.311.2641.6681.38稳定度0.1490.1690.130.1910.0250.190.2360.1680.12

4 结论和讨论

通过对临沂市2010年土地利用类型的分形研究，发现用分形模型对临沂市土地利用稳定性进行研究具有可行性。临沂市土地利用总体稳定性弱，建设用地、园地稳定性较强，水体、未利用地、林地稳定性较弱，耕地、交通用地、草地属于受数据格式影响大的敏感地类。

矢量数据下的研究结果能真实反映土地利用情况，但存在庞大的数据处理问题，因此数据结构相对简单的栅格数据成为景观格局研究青睐的数据源。在一定精度下栅格数据的研究结果可以替代矢量数据，但也存在着适宜粒度的选取和敏感地类的问题，如本文中20 m是临沂市土地利用稳定性研究的最佳粒度，耕地、交通用地、草地是敏感地类。本文研究结果表明：1)敏感地类突出反映了矢量和栅格研究结果的偏差。偏差的最初来源是栅格化过程中诸如斑块形状、面积、分布方式、斑块数等的精度损失。2)偏差分平稳偏差和偶然偏差，最佳适宜粒度的栅格数据产生的是平稳偏差，同时通过采用第一尺度域内的粒度作为最佳适宜粒度可以降低与矢量结果的偏差。3)廊道型景观(水体、交通用地)的矢量分形指数(矢量分维值和稳定度)和栅格分形指数(栅格分维值和稳定度)的关系呈现出一致的规律，非廊道型景观的研究结果呈现出另一类规律；还需更多基于矢量和栅格数据的景观指数研究来探索廊道型景观和非廊道型景观各自的响应规律以及这些规律是否具有共性。4)探索数据格式对土地利用景观格局分析产生的具体影响，不仅为评判此类研究结果的可行度和严谨性提供依据，同时为研究区土地的合理规划和利用、区域持续快速发展提供参考。

[1] 杨洋,毕如田.黄土高原典型地貌类型的土地利用分形特征[J].地理与地理信息科学,2011,27(1):101-104.

[2] 秦占飞,常庆瑞.土地利用类型分维数及稳定性研究——以陕西省蒲城县为例[J].水土保持通报,2012,32(1):115-118.

[3] 李新东,郭治兴,邓南荣,等.土地利用类型的分维值和稳定性指数空间变异分析[J].生态环境,2007,16(2):627-631.

[4] 王璐璐,张征,李坚等.基于GIS的土地利用类型分形维数及稳定性研究——以滇池流域为例[J].环境科学与管理,2010,35(3):131-134.

[5] 杨欢,刘学录.基于分形理论的云南红河县景观斑块尺度效应[J].生态学杂志,2015,34(9):2636-2644.

[6] 郭碧云,王光谦,傅旭东,等.黄河中游清涧河流域土地利用空间结构和分形模型[J].农业工程学报,2012,28(14):223-228.

[7] 瓦哈甫·哈力克,杨玲,布佐热,等.基于分形理论的车尔臣河流域中下游土地利用动态变化[J].干旱区资源与环境,2011,25(9):6-12.

[8] 谢贤健,韦方强.泥石流频发区土地利用分形特征及稳定性研究[J].水土保持研究,2011,18(6):167-171,176.

[9] 冷超.塔里木河下游绿洲土地利用/覆盖动态变化及其稳定性研究[D].北京:中国科学院研究生院,2011.

[10] 吴莉,侯西勇,徐新良,等.山东沿海地区土地利用和景观格局变化[J].农业工程学报,2013(5):207-216.

[11] 陈建军,周成虎,程维明,等.GIS中面状要素矢量栅格化的面积误差分析[J].测绘学报,2007,36(3):344-350.

[12] 董连科.分形理论及其应用[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1991.

[13] 吴未,许丽萍,张敏,等.生态斑块粒度效应研究——以长三角地区无锡市为例[J].地理与地理信息科学,2014,30(5):88-92.

[14] 邬建国.景观生态学——格局,过程,尺度与等级[M].北京:高等教育出版社,2000.

[15] 徐建华,艾南山,金炯,等.西北干旱区景观要素镶嵌结构的分形研究——以黑河流域为例[J].干旱区研究,2001,18(1):35-39.

[16] 张乐,王观湧,霍习良,等.基于适宜粒度的曹妃甸新区土地利用景观格局分析[J].土壤,2014,46(6):1149-1156.

[17] 赵文武,傅伯杰,陈利顶,等.景观指数的粒度变化效应[J].第四纪研究,2003,23(3):326-333.

Stability Study of Land Use Based on Vector and Raster Data:A Case Study of Linyi City in Shandong Province

WU Chen，ZHANG Jian-xin，WU Guo-ping，LIU Pei-xue，WANG Jia-li，FAN Qing-ya

(School of Geography and Ocean Sciences,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

It is very important that an appropriate data format or an appropriate grain size is selected to accurately analyze land-use landscape patterns and rationally guide land use planning.Based on urban land and use map of Linyi in 2010 ,this paper used fractal theory and GIS as guide for the study of the fractal dimension and stability of land-use types based on different data format .There were some results as followings:1)the overall stability of land use in Linyi City was low.The stability of construction land and garden land was high relatively and that the water land,unused land and forestland was lower,and cultivated land,traffic land and grassland were more sensitive to the influence of data format.2)The sensitive land-use types highlighted the deviation between raster results and vector results .The results deviation generated by the raster data under the most appropriate grain size was smooth and steady.By using the size in the first scale domain as the most appropriate grain size,the deviation between raster results and vector results was reduced.All in all,the research has important reference value for the format selection of data sources in the analysis of land use landscape pattern.

vector;grid size;land use;fractal dimension;stability;Linyi City

2015-04-24；

2015-11-30

吴晨(1990-)，女，硕士研究生，主要从事GIS在土地规划中的应用研究。*通讯作者E-mail:wood2258@qq.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.01.022

F301；P208

A

1672-0504(2016)01-0117-05