基于分形理论的洪山区土地利用变化研究

邓书涵，彭 祎，董 可

(成都理工大学 地球科学学院，四川 成都610059)

1 研究区及数据源

1.1 研究区概况

洪山区，隶属湖北省武汉市，因境内有洪山而得名，位于武汉市东南部，东与鄂州市隔长江相望，南邻江夏区，西北环抱武昌区、青山区，东北与新洲区隔江相望。总面积约为480.2 平方公里。洪山区地貌以平原为主，有山有水，水阔地宽，西北略低，东南略高。洪山区属亚热带季风湿润区，全区水域面积约19.9 万亩，占洪山区总面积的23.3%，在全国大城市区域中居首位。

1.2 数据源来源

研究数据来自中国科学院地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)，以2000 年、2011 年的Landsat5 TM遥感影像和2017 年的Landsat8 OLI 遥感影像为主要数据源。

在Map GIS 10 平台的支持下，导入下载的影像数据，对其进行投影变换、栅格裁剪，并通过噪音去除、辐射校正等进行预处理操作。再进行AOI 区编辑，参照全国土地利用现状分类标准(GT/T2010-2017)，将研究区土地利用类型划分为耕地、草地、林地、未利用地、城乡建设用地和水域6 个地类，采用监督分类中的最大似然法，得到三个期次的土地利用分类结果，对分类后结果进行精度评价，并对分类后数据进行小区合并、错分/漏分改正等处理，最后获得解译成果图像(图1)。经检验各幅解译图像Kappa 系数均大于85%。

图1 2000-2017 年洪山区土地利用类型面积变化

2 研究方法

土地利用数量变化是区域土地利用变化研究的基础和核心内容。其变化不仅反映在不同类型面积总量的变化上，同时也可以通过分析和比较土地利用变化的总量变化，揭示区域土地利用变化总的态势及其结构变化特征。

土地利用与土地覆盖变化幅度的模型(式1)为：

式(1)中，Ua、Ub分别为研究初期和末期某一土地利用类型的面积;Rd为研究时段内某一土地利用类型的变化幅度。

土地利用变化的速度可以通过土地利用动态度模型进行定量度量，可以反映区域土地利用动态变化的总体状况及其区域分析。双向动态度模型(式2)可以表明不同时期各土地利用类型变化特征。其模型为：

式(2)中，Rss为双向动态指数，ΔUout为某一土地利用类型转化为其他土地利用类型的面积;ΔUin为其他土地利用类型转化为某一土地利用类型的面积;Ua为研究初期某一土地利用类型的面积;T 为研究阶段。

边界维数模型最初由Batty 和Longley 提出，用于测算城市的边界复杂程度，后逐渐被应用到土地利用空间结构的研究中，利用边界维数来表达城市土地各种斑块结构的复杂度。

式(3)中，Db表示某一土地斑块类型的边界维数，A(r)是某一土地类型的斑块面积，P(r)为相应的周长，C 为待定常数。Db的理论值介于1.0-2.0 之间，值越大，代表图形越复杂。当Db=1.0，表示土地斑块的形状为正方形;当Db=2.0，表示土地斑块的形状最复杂;当Db=1.5，表示该类型土地斑块处于一种类似于布朗运动的随机状态，即最不稳定状态。

通过边界维数可以计算出稳定性系数S，其计算公式为

式(4)中，S 理论值介于0-0.5，值越小，说明该类用地类型越区域离散状态。S 的大小对于土地利用变化的潜在趋势具有一定的表征意义。

3 结果分析

3.1 洪山区土地利用变化幅度分析

由表1 可知，2000-2011 年间，洪山区土地利用类型中，变化幅度最大的是城乡建设用地和草地。其中城乡建设用地面积增长7871.36hm2，幅度高达120.02%。草地面积减少1920.28hm2，幅度达72.22%。除此之外，耕地面积减少较多，11 年间减少6260.59hm。草地变化幅度虽大，但其面积相对较小，变化面积也较小，耕地变化幅度虽小，但其面积较大，变化面积仍较大。

表1 2000-2011 年洪山区土地利用构成及其变化

由表2 可知，从2011 年到2017 年，洪山区土地利用类型中，面积增加最多的是城乡建设用地，增加了5161.36hm2，其次草地增加幅度最大，为295.94%，林地面积也有明显增长趋势。

表2 2011-2017 年洪山区土地利用构成及其变化

总体来说，从2000 年到2017 年间(图2)，城乡建设用地保持持续增长的增长幅度，草地变化幅度较大，耕地呈现下降的趋势。

图2 2000-2017 年洪山区土地利用类型面积变化

3.2 洪山区土地利用变化趋势分析

土地利用变化的趋势可以通过土地动态模型进行度量。表3 和表4 的变化转移矩阵表明，洪山区土地利用变化呈现双向变化。2000-2011 年耕地、未利用地、城乡建设用地变化表现为双向转变，而草地、水域、林地以单向流出为主;2011-2017 年，耕地、未利用地、水域、城乡建设用地表现为双向变化，草地、林地以单向流入为主。

表3 2000-2011 年变化转移矩阵(单位：像素)

表4 2011-2017 年变化转移矩阵(单位：像素)

3.3 洪山区土地利用边界维数及稳定性分析

由表5 可知，水域的边界维数总体较低，接近于1，稳定性指数在不断上升;表明水域形态逐渐变得规则，在空间上呈缩小的趋势。草地的边界维数逐渐趋近1.5，在六种土地类型中最不稳定，处于随机扩展状态。同样未利用地的边界维数逐渐趋近1.5，推测随着经济的发展，未利用土地得到大幅度开发与利用。城乡建设用地的边界维数逐渐扩大，表明其土地利用形态结构复杂，但是稳定性在逐渐上升，城乡建设用地在逐年开发中得到有序的发展。耕地在17 年间复杂性降低又升高，稳定性不断地降低，随经济发展，耕地面积不断减少。林地的边界维数值略有下降，而稳定性指数则略有增加，表明林地的空间分布复杂性减弱，稳定性增强，林地得到有效分区规划、管理的趋势。

表5 土地利用形态的边界维数与稳定性指数

4 洪山区土地利用变化驱动力分析

城市土地利用变化是人地相互作用的典型表现形式，其城市土地利用变化的因由也是土地利用研究的重点，驱动力分析对揭示土地利用的时空变化起着关键作用。本文从自然、经济、政策因素对洪山区土地利用变化进行分析。数据主要来源于武汉市统计年鉴、洪山区年鉴。

4.1 自然环境

武汉位于亚热带季风气候，且位于平原、低山丘陵地区，水热条件好，利于发展农业，早期耕地面积较大。且武汉位于长江流域，所辖范围水系较多，水域面积较广。但同时河流也会带来大量的泥沙，通过2011 年与2000 年遥感影像图对比表明，天兴洲周围裸露面积增大，推测为河流泥沙堆积所致，导致未利用地面积增大。

4.2 经济

洪山区GDP(图3)由2001 年的400480 亿元增加到2011 年的5，384，000 亿元再到2017 年的9，577，295 亿元，经济的发展和城市化进程的加快，城镇用地的空间扩展成为土地利用的主要特征。通过双向动态度指数，看出大量耕地和未利用地转化为城乡、工矿、居民用地，一定水域也转化为城乡、工矿、居民用地。

图3 2001-2017 年洪山区GDP

4.3 政策

多所高校坐落于洪山区，科教智力密集，具有科技人才优势。且在17 年间洪山区不断推进大学城的建设，高新技术产业园的建设，使城市土地利用结构发生变化。同时科技推动产业结构的调整，农业科技的提升会导致农业单产提高，耕地面积减少。洪山区也曾积极发展都市型农业、绿色农业、休闲旅游农业，这对耕地、林地、草地面积变化都有较大的影响。天兴洲为应对长江汛期，政府对天兴进行生态保护与发展，使天兴洲土地利用结构发生改变，由于其面积较大，在一定程度上也影响了洪山区土地利用结构的变化。

5 结论

分形理论可以用于土地利用和土地覆盖的研究中，解释地块的破碎程度，对于解释土地利用斑块的变化和稳定性是一种有效的方法和工具。基于Map GIS 10 等软件的支持，对武汉市洪山区2000、2011、2017 年三期遥感影像数据进行了处理和分析地类图斑，得到以下结论。

(1)洪山区在2000-2017 年阶段，耕地、水域面积不断下降，城乡建设用地面积不断上升。未利用地、草地、林地面积在三个研究阶段都有一定的起伏变化。耕地、未利用地、城乡建设用地呈现双向转化的趋势，水域、林地、草地等呈单向流动趋势。耕地、城乡建设用地优势度高，在洪山区整个土地景观格局中起主导作用，这种非天然类型用地的主导作用也说明土地利用受人为干扰因素较大。

(2)洪山区土地分形特征。通过组合分形模型可知，洪山区在2000-2017 年期间，土地利用形态日益复杂，城市开发强度增大，但城乡建设用地在开发中取得有序发展，对城市生态环境的重视程度与保护力度逐渐提升，城市土地结构的均质性不断增强，用地结构趋于合理化。

洪山区土地利用变化的驱动力因素。洪山区土地利用的变化，是自然条件和社会因素综合作用下的产物，其中人类活动对区域土地利用变化起着主导作用。

尽管本研究应用了一系列经过验证的理论体系，但由于数据与现实原因，本研究依旧存在误差和不足，主要体现在：遥感影像主要选取在冬季，其林地、草地会随季节变化发生改变，可能会存在像元错分或漏分现象，一定程度影响数据精确度。洪山区所辖范围在2000-2017 年间发生过变化，所依据的统计年鉴数据也因行政区划范围(面积)变化而受影响，因此，驱动力分析方面更多的是一种趋势化表达。