基于矢量和柵格數(shù)據(jù)的土地利用穩(wěn)定性研究
——以山東省臨沂市為例

吳 晨，張 建 新，吳 國 平，劉 培 學，汪 佳 莉，范 慶 亞

(南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210093)

基于矢量和柵格數(shù)據(jù)的土地利用穩(wěn)定性研究
——以山東省臨沂市為例

吳 晨，張 建 新，吳 國 平*，劉 培 學，汪 佳 莉，范 慶 亞

(南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210093)

數(shù)據(jù)格式(矢量和柵格)和柵格粒度的選擇對準確分析土地利用穩(wěn)定性、正確指導土地利用規(guī)劃至關(guān)重要。該文以臨沂市2010年1∶5 000比例尺土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，運用分形理論和GIS技術(shù)研究不同數(shù)據(jù)源下臨沂市區(qū)土地利用類型的分維值和穩(wěn)定度。結(jié)果表明：臨沂市土地利用總體穩(wěn)定性弱，建設(shè)用地、園地穩(wěn)定性較強，水體、未利用地、林地穩(wěn)定性較弱，耕地、交通用地、草地屬于受數(shù)據(jù)格式影響大的敏感地類；敏感地類突出反映了矢量和柵格研究結(jié)果的偏差，最佳適宜粒度下的柵格數(shù)據(jù)產(chǎn)生的是平穩(wěn)偏差，通過采用第一尺度域內(nèi)的粒度作為最佳適宜粒度降低了與矢量結(jié)果的偏差。該研究對土地利用景觀格局分析中數(shù)據(jù)源的選擇具有參考意義。

矢量；柵格粒度；土地利用；分維值；穩(wěn)定度：臨沂市

城市發(fā)展過程中存在的土地資源浪費、土地利用不穩(wěn)定等狀況不利于城市可持續(xù)發(fā)展。區(qū)域土地利用穩(wěn)定性研究可以為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和可持續(xù)利用土地資源提供依據(jù)。分形理論近年來被廣泛應(yīng)用于土地利用穩(wěn)定性研究[1-9]。但已有的研究數(shù)據(jù)或來源于矢量格式土地利用現(xiàn)狀圖，或來源于柵格格式土地利用現(xiàn)狀圖，同時用這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別對同一區(qū)域的土地利用穩(wěn)定性進行對比研究則少有涉足。在實際研究中為簡化結(jié)構(gòu)，減少數(shù)據(jù)量，通常將矢量數(shù)據(jù)柵格化，直接利用Fragstats軟件得到相應(yīng)的分維值對土地利用穩(wěn)定性開展研究。但柵格化過程存在數(shù)據(jù)精度損失[10]，無論如何提高轉(zhuǎn)換精度，都會產(chǎn)生一定的誤差，如面積、圖斑形狀結(jié)構(gòu)、幾何位置、屬性等誤差[11]。本研究聚焦于不同格式土地利用數(shù)據(jù)源得到的土地利用穩(wěn)定性研究結(jié)果有何相同及不同之處、分維值和穩(wěn)定度隨著柵格粒度的不同會有何變化，以臨沂市2010年1∶5 000比例尺土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，同時將其柵格化為10～300 m不同粒度大小的柵格數(shù)據(jù)，分別基于矢量和柵格數(shù)據(jù)對土地利用穩(wěn)定性進行研究，并對結(jié)果進行比較分析，為數(shù)據(jù)源的選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

臨沂市(34°22′～36°13′N，117°24′～119°11′E)地處山東省東南部，是山東省面積最大的城市，屬溫帶大陸性季風氣候，地形以沖積平原為主，河網(wǎng)密集。本研究選取臨沂市中心城區(qū)(蘭山、羅莊、河東三區(qū))為研究區(qū)，年均氣溫13.7℃，2010年城區(qū)總面積2 288.22 km2，總?cè)丝?10.93萬人。臨沂市城鎮(zhèn)化發(fā)展起步相對較晚，2010年城鎮(zhèn)化率為48%，低于山東省平均水平，同時也表明臨沂市的城鎮(zhèn)建設(shè)空間很大，其土地利用強度將越來越大，勢必導致土地數(shù)量、質(zhì)量、利用類型的改變及土地形態(tài)的破壞。因此，對其土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究顯得尤為必要。

矢量數(shù)據(jù)為2010年臨沂市區(qū)1∶5 000比例尺土地利用現(xiàn)狀圖(基于二調(diào))，來源于臨沂市國土資源局。土地利用類型參考《土地利用現(xiàn)狀分類》 (2007)，同時根據(jù)研究需要將《土地利用現(xiàn)狀分類》中的05、06、07、08、09一級類歸并為建設(shè)用地，共分為耕地、林地、草地、園地、建設(shè)用地、交通用地、水體及未利用地8大類。結(jié)合研究區(qū)的面積將土地利用矢量現(xiàn)狀圖通過ArcGIS10.0中Feature To Raster工具轉(zhuǎn)換為10～300 m、間隔10 m的不同粒度的柵格數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《臨沂統(tǒng)計年鑒2011》。

2 研究模型與方法

2.1 分維模型

本文的研究對象是一類具線狀分形特征的土地斑塊，因此選擇景觀格局分析中適用于這一特征的面積-周長分維數(shù)度量各地類的分形情況。公式如下：

lnA=(2/D)lnP-lna

(1)

其中，A為斑塊面積，P為同一斑塊周長，D為分形維數(shù)，a為待定常數(shù)[12]。如果研究區(qū)土地利用類型具有分形特征，則各地類斑塊的面積、周長對數(shù)散點圖回歸于一條直線，通過直線的斜率即可求得土地利用類型的分維值[13]。D值介于1～2之間，D越大表明地類邊界越彎曲，形狀復雜；D=1.5時，表明地類斑塊處于一種隨機運動狀態(tài)，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

基于柵格數(shù)據(jù)的周長-面積分維值通常由Fragstasts軟件直接計算得到，計算公式和含義參見文獻[14]或Fragstasts 網(wǎng)站(http://www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html)。

2.2 穩(wěn)定度模型

采用徐建華等[15]給出的土地利用穩(wěn)定性指數(shù)S，計算公式如下：

S=|1.5-D|

(2)

其中，D為相應(yīng)土地利用類型的分維數(shù)。S越小表明土地利用類型越不穩(wěn)定。

2.3 研究方法

基于矢量數(shù)據(jù)的分維值和穩(wěn)定度的計算主要在Excel 2007中完成。首先從ArcMap中將8大地類各自所有斑塊的周長、面積等屬性字段導到Excel對應(yīng)的工作簿中，然后利用Excel的函數(shù)功能對周長、面積兩列數(shù)據(jù)取對數(shù)進行線性分析，最終得到各地類及景觀層次下斑塊的周長-面積線性關(guān)系式(如式(1))，進而求得各地類的分維數(shù)D和穩(wěn)定度S。

柵格數(shù)據(jù)分維值的計算主要在Fragstats4.2中實現(xiàn)。每個粒度數(shù)據(jù)分別選取景觀水平上的周長-面積分維數(shù)(PAFRAC)和類型水平(Class metrics)上的周長-面積分維數(shù)作為景觀格局指數(shù)，然后將各粒度下的周長-面積分維值按地類和景觀層次整理到Excel中，計算相應(yīng)的穩(wěn)定度，繪制分維值—粒度、穩(wěn)定度—粒度關(guān)系圖，最后找出最佳適宜粒度對臨沂市土地利用穩(wěn)定性進行定量評價。

3 結(jié)果分析

3.1 基于矢量數(shù)據(jù)的土地利用穩(wěn)定性

根據(jù)矢量數(shù)據(jù)得到的臨沂市各景觀類型的分維值和穩(wěn)定度結(jié)果如表1。臨沂市區(qū)各地類斑塊的周長和面積相關(guān)系數(shù)均大于0.92，二者具有高相關(guān)性。各分維值均介于1～2之間，表明臨沂市區(qū)土地具有分形特征，可以用分維值和穩(wěn)定度對其土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行分析。

表1 基于矢量數(shù)據(jù)的各景觀類型的分維值和穩(wěn)定度

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

景觀類型總面積(km2)斑塊數(shù)周長面積對數(shù)關(guān)系式相關(guān)系數(shù)分維值穩(wěn)定度景觀層次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園地76.0915755lnA=1.7085lnP-1.46470.9571.1710.329水體155.15513094lnA=1.3421lnP+0.25760.9251.4900.010草地13.2621477lnA=1.6112lnP-1.16480.9491.2410.259建設(shè)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中景觀層次分維值是1.235，穩(wěn)定度為0.265，表明臨沂市整體土地利用穩(wěn)定性良好，景觀結(jié)構(gòu)較簡單。這主要是因為2010年是《臨沂市土地利用總體規(guī)劃(2006-2020)》的近期規(guī)劃年和《臨沂市土地開發(fā)整理規(guī)劃(1997-2010)》的最后一年，土地規(guī)劃成果顯著，土地利用由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。

從類型層次上看，各地類穩(wěn)定度關(guān)系是耕地>建設(shè)用地>園地>草地>林地>未利用地>交通用地>水體。耕地和建設(shè)用地的穩(wěn)定性較高，主要是因為 “十一五”期間臨沂市對土地集約利用采取了一系列高效措施。耕地方面，臨沂市規(guī)劃建設(shè)標準化農(nóng)田，保護集中連片的耕地，調(diào)出零星破碎、區(qū)位偏僻、不易管理的基本農(nóng)田等；建設(shè)用地方面，制定《開發(fā)建設(shè)房屋搬遷安置和征地補償?shù)膶嵤┺k法》， 中心城區(qū)、城中村實施了大規(guī)模的拆遷改造，此外，建設(shè)用地(尤其是城鎮(zhèn)用地)多分布在城區(qū)規(guī)整的交通廊道，形狀規(guī)則，穩(wěn)定度較高。耕地和建設(shè)用地面積占臨沂市總面積的78%，這兩大地類的高穩(wěn)定性保證了臨沂市整體土地利用的相對穩(wěn)定。

臨沂市新增的園地、林地、牧草地大多是利用緩坡地，并按照適宜性原則對布局進行調(diào)整，使其穩(wěn)定性較高。然而，臨沂市未利用地結(jié)構(gòu)復雜，在城鎮(zhèn)化建設(shè)中數(shù)量不斷變化，穩(wěn)定度較低。

水體的穩(wěn)定性最小，次之是交通用地。臨沂市的水體多是自然形態(tài)，其中形狀復雜、不規(guī)則的溝渠、坑塘等占據(jù)了整個水體的38%，使得水體整體穩(wěn)定性很低。交通用地大類下面包括農(nóng)村道路，其占整個交通用地的35%。2010年臨沂市城鎮(zhèn)化水平為48%，農(nóng)村交通用地多是鄉(xiāng)間小路，這些村路規(guī)模小且分散，導致整個交通用地的穩(wěn)定性較差。

3.2 基于柵格數(shù)據(jù)的土地利用穩(wěn)定性

圖1是各地類的分維值(縱坐標)隨粒度(橫坐標)變化的趨勢圖，圖2是各地類的穩(wěn)定度(縱坐標)隨粒度(橫坐標)變化的趨勢圖,其中的水平趨勢線依次是矢量分維值(圖1)和矢量穩(wěn)定度(圖2)。

圖1 各景觀類型分維值的粒度效應(yīng)

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

所有的分維值介于1～2之間，證實了臨沂市土地在各柵格粒度下均具有分形特征，可以從分形角度對土地利用穩(wěn)定性進行研究。從分維值和粒度的關(guān)系(圖1)看：1)耕地、林地、景觀層次、建設(shè)用地、水體、園地、草地和交通用地、未利用地走勢相似，即都是在粒度較小(10～40 m或50 m)時呈快速增加(或減小)狀態(tài)，之后隨著粒度變大分維值上升(下降)幅度變緩，說明臨沂市這幾個景觀類型在粒度較小時(10～40 m)分維值對粒度的響應(yīng)最強烈，之后變?nèi)酰?0 m(或50 m)是斑塊面積、周長、屬性等特征信息丟失力度的轉(zhuǎn)折點。2)交通用地是最特殊的一類,其分維值隨著粒度的增大而變小，且二者相關(guān)性較高。交通用地主要呈條帶狀分布，某些斑塊(如大量農(nóng)村道路)二維面狀特征不明顯，在分辨率較小(粒度較大)時可簡化為一條線或略去，這些小的道路信息丟失，剩下的較寬整的公路、鐵路等被規(guī)則的單元格劃分，結(jié)構(gòu)簡單，分維值變小。當粒度較小時,大量較小的、邊界崎嶇的農(nóng)村道路仍然得以表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復雜，故分維值較高。3)分別觀察圖1、圖2中各景觀類型粒度曲線與矢量分維值和矢量穩(wěn)定度的偏離情況，發(fā)現(xiàn)水體、交通用地等廊道型景觀在一定柵格粒度下求得的分維值(穩(wěn)定度)與相應(yīng)的矢量分維值(矢量穩(wěn)定度)相同，其他非廊道型景觀各柵格粒度的分維值均大于矢量分維值，穩(wěn)定度均小于矢量穩(wěn)定度。

景觀層次和各地類穩(wěn)定度隨粒度變化趨勢可分為三類：1)呈現(xiàn)先減小后增加趨勢，但轉(zhuǎn)折點不同。景觀類型、耕地、林地、水體、建設(shè)用地屬于這一類，耕地、林地在100 m左右轉(zhuǎn)折，景觀類型在200 m左右轉(zhuǎn)折，水體在50 m，建設(shè)用地在250 m。2)隨粒度增加總體呈現(xiàn)減小趨勢，在一定粒度之后圍繞某一值上下波動。這一類有園地、草地、交通用地，大致在150 m之后變化緩慢，均圍繞某個接近零的值波動。3)趨勢變化不太明顯。未利用地面積少、用地特征模糊，其穩(wěn)定度隨粒度變化趨勢不明顯。

粒度不同會對研究區(qū)景觀格局的分析產(chǎn)生較大的影響[16]，因而必須選擇合適的柵格粒度對臨沂市土地利用穩(wěn)定性進行分析。通常根據(jù)第一尺度域?qū)ふ易罴堰m宜粒度[17]。圖1和圖2中大多數(shù)地類第一轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在30 m或40 m，總體上臨沂市1∶5 000土地利用圖的第一尺度域為(10 m，30 m)，最佳適宜粒度為20～30 m，根據(jù)粒度最小最佳的原則[20]最終確定20 m為臨沂市1∶5 000土地利用圖的最佳柵格粒度，用以穩(wěn)定性分析。同時，本文(1∶5 000比例尺)的第一轉(zhuǎn)折點30 m比趙傳武等得出的100 m(1:250 000比例尺)、150 m(1∶500 000比例尺)都要小，遵循了隨著比例尺增大景觀指數(shù)值第一尺度轉(zhuǎn)折點到來越早的一般規(guī)律[20]，結(jié)果比較合理。

圖2 各景觀類型穩(wěn)定性的粒度效應(yīng)

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

20 m粒度下景觀層次的穩(wěn)定度為0.149，其他各地類穩(wěn)定性關(guān)系為建設(shè)用地>園地>草地>耕地>交通用地>林地>未利用地>水體(表2)，穩(wěn)定性均小于0.3。結(jié)合前面矢量各地類穩(wěn)定性關(guān)系發(fā)現(xiàn)，建設(shè)用地、園地、林地、未利用地相對關(guān)系變化不大，耕地和交通用地變化最大，次之是草地和景觀層次，水體穩(wěn)定性仍然最差。在將各地類穩(wěn)定度達到0.3視為穩(wěn)定性強的標準下，臨沂市土地利用總體穩(wěn)定性弱，建設(shè)用地、園地穩(wěn)定性較強，水體、未利用地、林地穩(wěn)定性較弱，耕地、交通用地、草地穩(wěn)定性受數(shù)據(jù)格式影響較大。當用20 m×20 m的柵格表現(xiàn)臨沂市土地利用圖時，一些較小的、邊界崎嶇的農(nóng)村道路信息丟失，此時交通用地的穩(wěn)定度相對矢量數(shù)據(jù)下的穩(wěn)定性變大。臨沂市耕地的斑塊面積基本大于400 m2，在20 m粒度下大量的大斑塊被分割成破碎小斑塊，導致耕地總體穩(wěn)定性下降。可見斑塊面積、存在狀態(tài)、分布方式、斑塊數(shù)量等均影響柵格化的信息損失量。

表2 基于20 m柵格粒度的各景觀類型的分維值和穩(wěn)定度

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

景觀層次耕地林地園地水體草地建設(shè)用地交通用地未利用地分維值1.3511.3311.371.3091.4751.311.2641.6681.38穩(wěn)定度0.1490.1690.130.1910.0250.190.2360.1680.12

4 結(jié)論和討論

通過對臨沂市2010年土地利用類型的分形研究，發(fā)現(xiàn)用分形模型對臨沂市土地利用穩(wěn)定性進行研究具有可行性。臨沂市土地利用總體穩(wěn)定性弱，建設(shè)用地、園地穩(wěn)定性較強，水體、未利用地、林地穩(wěn)定性較弱，耕地、交通用地、草地屬于受數(shù)據(jù)格式影響大的敏感地類。

矢量數(shù)據(jù)下的研究結(jié)果能真實反映土地利用情況，但存在龐大的數(shù)據(jù)處理問題，因此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單的柵格數(shù)據(jù)成為景觀格局研究青睞的數(shù)據(jù)源。在一定精度下柵格數(shù)據(jù)的研究結(jié)果可以替代矢量數(shù)據(jù)，但也存在著適宜粒度的選取和敏感地類的問題，如本文中20 m是臨沂市土地利用穩(wěn)定性研究的最佳粒度，耕地、交通用地、草地是敏感地類。本文研究結(jié)果表明：1)敏感地類突出反映了矢量和柵格研究結(jié)果的偏差。偏差的最初來源是柵格化過程中諸如斑塊形狀、面積、分布方式、斑塊數(shù)等的精度損失。2)偏差分平穩(wěn)偏差和偶然偏差，最佳適宜粒度的柵格數(shù)據(jù)產(chǎn)生的是平穩(wěn)偏差，同時通過采用第一尺度域內(nèi)的粒度作為最佳適宜粒度可以降低與矢量結(jié)果的偏差。3)廊道型景觀(水體、交通用地)的矢量分形指數(shù)(矢量分維值和穩(wěn)定度)和柵格分形指數(shù)(柵格分維值和穩(wěn)定度)的關(guān)系呈現(xiàn)出一致的規(guī)律，非廊道型景觀的研究結(jié)果呈現(xiàn)出另一類規(guī)律；還需更多基于矢量和柵格數(shù)據(jù)的景觀指數(shù)研究來探索廊道型景觀和非廊道型景觀各自的響應(yīng)規(guī)律以及這些規(guī)律是否具有共性。4)探索數(shù)據(jù)格式對土地利用景觀格局分析產(chǎn)生的具體影響，不僅為評判此類研究結(jié)果的可行度和嚴謹性提供依據(jù)，同時為研究區(qū)土地的合理規(guī)劃和利用、區(qū)域持續(xù)快速發(fā)展提供參考。

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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，F(xiàn)AN 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

吳晨(1990-)，女，碩士研究生，主要從事GIS在土地規(guī)劃中的應(yīng)用研究。*通訊作者E-mail:wood2258@qq.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.01.022

F301；P208

A

1672-0504(2016)01-0117-05