基于分形維數(shù)的煤礦區(qū)景觀格局特征
——以徐州市沛北礦區(qū)為例

趙艷輝, 趙 華, 徐嘉興, 馮啟言

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院, 江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心, 江蘇 徐州 221008)

基于分形維數(shù)的煤礦區(qū)景觀格局特征
——以徐州市沛北礦區(qū)為例

趙艷輝1, 趙 華1, 徐嘉興2, 馮啟言1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院, 江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心, 江蘇 徐州 221008)

以徐州市沛北礦區(qū)2000年、2004年、2008年和2012年SPOT-4/5影像為數(shù)據(jù)源，采用分形學(xué)的理論與方法，選取形狀、半徑、信息和間隙度4個(gè)維數(shù)綜合分析了研究區(qū)景觀格局復(fù)雜性、向心性、均衡性和聚簇性，從礦區(qū)和井田兩個(gè)尺度研究了景觀格局演變特征。結(jié)果表明：(1) 2000—2012年土地利用發(fā)生了劇烈變化，耕地大量轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚝徒ㄔO(shè)用地，水域和建設(shè)用地顯著增加。(2) 景觀斑塊趨于規(guī)整、復(fù)雜性降低；空間分布向非均衡化發(fā)展，聚集程度增加，耕地向心性增強(qiáng)和趨于單中心分布；水域、建設(shè)用地和未利用地向心性減弱、均衡性降低，水域空間分布趨向多中心化結(jié)構(gòu)，未利用地在塌陷水域周圍集中分布，建設(shè)用地空間分布的圈層結(jié)構(gòu)明顯。(3) 井田尺度景觀斑塊形狀更加復(fù)雜，2008年是水域空間分布的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其后空間分布趨向于均勻。

景觀格局; 沛北礦區(qū); 分形維數(shù)

土地利用空間格局作為地球表層系統(tǒng)最重要的景觀標(biāo)志，是一種典型的復(fù)雜非線性地理空間現(xiàn)象，表征了“人—地”關(guān)系在不同地域空間上的作用強(qiáng)度與作用模式[1]，深入研究土地利用空間結(jié)構(gòu)特征，有利于合理配置有限的土地資源[2-3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在區(qū)域土地利用和景觀格局變化開展了大量研究，多采用動(dòng)態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣和景觀指數(shù)等傳統(tǒng)方法[4-7]，可簡單量化景觀結(jié)構(gòu)組成和空間結(jié)構(gòu)特征[8-10]，但難以揭示景觀格局變化內(nèi)在的復(fù)雜性和變化特征；采用分形維數(shù)定量表達(dá)空間格局可有效彌補(bǔ)轉(zhuǎn)移矩陣、景觀指數(shù)等傳統(tǒng)方法對土地利用結(jié)構(gòu)信息表達(dá)的不足[11-12]。國外學(xué)者較早的將分形理論應(yīng)用于土地利用研究，如M Batty等[13]運(yùn)用形狀維數(shù)研究了英國溫斯頓市的城市土地利用結(jié)構(gòu)。國內(nèi)學(xué)者運(yùn)用分形理論研究土地利用格局變化較晚，但已廣泛應(yīng)用于景觀格局研究[14]，目前一般采用單一維數(shù)[15-16]，缺少綜合分析。同時(shí)，分形維數(shù)多集中研究城市空間結(jié)構(gòu)[17-19]，很少用于煤礦區(qū)景觀格局研究。

本文應(yīng)用遙感、GIS和分形幾何學(xué)等原理與方法，分析了沛北礦區(qū)2000年、2004年、2008年和2012年4個(gè)時(shí)期土地利用的形狀維數(shù)、半徑維數(shù)、信息維數(shù)及間隙度維數(shù)，從復(fù)雜性、向心性、均衡性及聚簇性等角度分析其景觀格局的分形特征，揭示其景觀格局演變過程中的非線性現(xiàn)象，為科學(xué)制定土地利用規(guī)劃、優(yōu)化配置礦區(qū)土地資源提供參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省徐州市沛縣北部(116°41′—117°09′E，34°28′—34°59′N)，包含沛縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、新城區(qū)、大屯鎮(zhèn)、安國鎮(zhèn)、楊屯鎮(zhèn)和龍固鎮(zhèn)，人口57.5萬，面積約367 km2，是國家商品糧基地。沛北礦區(qū)是典型的高潛水位平原煤礦區(qū)，坐落著姚橋、徐莊、孔莊、龍東、三河尖、張雙樓、龍固等礦井，是華東地區(qū)最大煤炭工業(yè)基地的重要組成部分。自1977年以來累計(jì)開采原煤23億t。隨著煤炭資源大規(guī)模開采，大面積土地塌陷，甚至形成積水區(qū)，景觀格局發(fā)生劇烈變化。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

以2000年、2004年、2008年和2012年4個(gè)時(shí)期SPOT-4/5影像為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為2.5 m，軌道號為285/280，284/280，285/280，285/281，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為：11月23日、10月26日、11月20日、10月31日。根據(jù)研究區(qū)地理特征和研究目的，將沛北礦區(qū)土地利用類型分為耕地、園/林地、交通用地、水域、未利用地和建設(shè)用地等六類，并將未利用地細(xì)分為沼澤地和其他未利用地，其中沼澤地指采煤塌陷形成的季節(jié)性積水區(qū)，主要覆被植物為蘆葦。沼澤地和其他未利用地采用人機(jī)交互解譯分類法提取，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證得出Kappa檢驗(yàn)值大于85%。

2 研究方法

2.1 形狀維數(shù)

形狀維數(shù)最初由曼德爾布羅特[20]在研究動(dòng)物腦褶分形結(jié)構(gòu)時(shí)提出的表面積S(r)與體積V(r)分形關(guān)系，主要用于分析斑塊形狀的復(fù)雜程度[21]，表征不同地類斑塊形狀的復(fù)雜性和相互滲透程度。公式為：

(1)

式中：P(r)為斑塊圖形周長；A(r)為同一斑塊面積；Dl為斑塊的形狀維數(shù)。

形狀維數(shù)一般取值范圍為1～2。對于景觀斑塊而言，形狀維數(shù)越大，說明斑塊形狀越復(fù)雜、越不規(guī)則；反之，斑塊形狀趨向于規(guī)整、平滑。

2.2 半徑維數(shù)與信息維數(shù)

半徑維數(shù)和信息維數(shù)用于分析和描述景觀空間分布的向心性和均衡性，從兩個(gè)角度分析景觀空間分布特征。

半徑維數(shù)用于描述景觀格局單中心分布狀況[22]，半徑維數(shù)公式：

lnS(r)=lnk+Dblnr

(2)

式中：r為區(qū)域半徑；S(r)為半徑r的范圍內(nèi)某地類斑塊面積；k為常系數(shù)；Db為半徑維數(shù)。

半徑維數(shù)越大，表示某種景觀面積從測算中心到四周的衰減越慢，其臨界值為2。當(dāng)半徑維數(shù)小于2時(shí)，從測算中心向周邊遞減；當(dāng)半徑維數(shù)等于2時(shí)，從測算中心向周邊變化均勻；當(dāng)半徑維數(shù)大于2時(shí)，從測算中心向周邊遞增。

信息維數(shù)[23]源自信息熵，是用于定量描述土地利用系統(tǒng)有序程度的一種量度。對于礦區(qū)景觀格局，信息維數(shù)用于描述景觀格局多中心分布狀況。

I(ε)=I0-Dxlnε

(3)

式中：I(ε)為某種地類的信息熵，反映土地利用的均衡程度；ε為方格邊長；I0為初始信息熵；Dx為信息維數(shù)理論上，信息維數(shù)值區(qū)間為[0，2]。維數(shù)為0時(shí)，景觀要素集中于一點(diǎn)；維數(shù)為2時(shí)，景觀要素呈均勻分布。信息維數(shù)越大，景觀要素空間分布越均衡；信息維數(shù)越小，景觀要素分布越集中。

2.3 間隙度維數(shù)

間隙度指數(shù)由Mandelbrot于1983年提出，Plotnick等將間隙度引入景觀生態(tài)學(xué)，分析景觀格局異質(zhì)性[24]。間隙度維數(shù)基于間隙度指數(shù)發(fā)展而來，采用雙對數(shù)散點(diǎn)圖建立網(wǎng)格尺度大小與間隙度指數(shù)映射關(guān)系的公式為：

lnΛi=Λ0-DlnR

(4)

式中：Λ0為初始間隙度指數(shù)；Λi為間隙度指數(shù)，反映研究對象的聚集性；R為尺度大小；D為間隙度維數(shù)，越大表示該地類越呈現(xiàn)離散狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 礦區(qū)景觀格局演變特征

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 通過2000年、2004年、2008年和2012年土地利用數(shù)量變化的轉(zhuǎn)移(表1)可知：(1) 耕地比重均大于50%，是景觀基質(zhì)，但12 a間減少了44.43 km2；2000—2008年主要流向建設(shè)用地，2008年后流失速率加快，主要流向水域和未利用地。(2) 園/林地面積有微弱變化，轉(zhuǎn)移活動(dòng)不明顯，少量耕地轉(zhuǎn)為園/林地，而建設(shè)侵蝕了零散分布在居民點(diǎn)周圍的園/林地。(3) 交通用地穩(wěn)步增長，主要源于對耕地、建設(shè)用地的占用。(4) 水域面積飛速增長，2012年水域面積為2000年的1.42倍，主要是采煤塌陷積水區(qū)。(5) 未利用地面積略有增加，其主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗?、耕地和建設(shè)用地，面積增加來源于采煤塌陷形成的沼澤地。(6) 建設(shè)用地增加顯著，主要來源于耕地、園/林地。

表1 2000-2012年土地利用變化

3.1.2 礦區(qū)景觀斑塊分形特征 根據(jù)形狀維數(shù)計(jì)算結(jié)果(表2)，不同景觀斑塊形狀維數(shù)發(fā)生了明顯變化。從整體上看，形狀維數(shù)普遍減小，且2008—2012年顯著減少，說明研究區(qū)景觀斑塊趨于規(guī)整，復(fù)雜度降低。耕地、未利用地和建設(shè)用地的形狀維數(shù)較小，明顯低于其他地類，說明這三種地類斑塊形狀相對簡單、規(guī)整。交通用地和水域的形狀維數(shù)較高，表明其斑塊形狀較復(fù)雜，相互間滲透程度高，主要是由于交通用地和水域斑塊以條帶狀為主，在空間上相互交錯(cuò)，曲折程度最復(fù)雜。

表2 土地利用分形維數(shù)

3.1.3 礦區(qū)景觀空間分布分形特征 以研究區(qū)幾何中心為圓心，探究不同地類的景觀空間分布向心性。結(jié)果表明：2000年、2004年半徑維數(shù)大小為：未利用地>建設(shè)用地>園/林地>交通用地>水域>耕地；2008年、2012年半徑維數(shù)大小為：未利用地>建設(shè)用地>園/林地>水域>交通用地>耕地。未利用地、建設(shè)用地和園/林地半徑維數(shù)均大于2，說明這三種地類在空間分布上呈現(xiàn)從中心向四周逐漸增加。耕地半徑維數(shù)最小且小于2，向心性增強(qiáng)，說明其空間分布呈現(xiàn)由中心向外圍逐漸減少的態(tài)勢，趨于單中心分布；交通用地半徑維數(shù)約等于2，表明交通用地空間分布最為均勻。從半徑維數(shù)變化看，水域、未利用地和建設(shè)用地半徑維數(shù)增加，且水域和未利用地變化幅度較大，水域和建設(shè)用地整體呈增加趨勢且逐漸遠(yuǎn)離2，表明水域空間分布由均勻分布向測算中心集中轉(zhuǎn)變，建設(shè)用地空間分布圈層結(jié)構(gòu)越來越明顯。主要是近10 a礦區(qū)開采逐漸形成多個(gè)大面積塌陷積水區(qū)，水域向心性減弱。

同時(shí)，土地利用信息維數(shù)普通降低，說明景觀空間分布向非均衡化發(fā)展，主要是煤炭開采和城鄉(xiāng)建設(shè)導(dǎo)致地類在空間上相對集中。2000年信息維數(shù)普遍較高，主要是耕地、建設(shè)用地、水域等地類面積比例較為協(xié)調(diào)，空間分布較均勻；2012年水域和建設(shè)用地面積顯著增加，耕地大幅度減少，空間分布均趨于集中。采煤塌陷形成多個(gè)孤立積水區(qū)，水域空間分布向多中心化結(jié)構(gòu)發(fā)展(圖1)。城鄉(xiāng)建設(shè)加快，建設(shè)用地向周邊蔓延使建設(shè)用地斑塊面積增大，導(dǎo)致信息維數(shù)降低。同時(shí)，塌陷積水打斷了交通線路，交通用地信息維數(shù)降低。

3.1.4 礦區(qū)景觀空間形態(tài)分形特征 間隙度維數(shù)表達(dá)礦區(qū)景觀格局聚簇性，維數(shù)越小表示該空間形態(tài)聚簇性越強(qiáng)。通過2000年、2004年、2008年和2012年4個(gè)時(shí)期礦區(qū)土地利用的全局間隙度指數(shù)(網(wǎng)格尺度變化范圍為0.5～10 km)計(jì)算，運(yùn)用雙對數(shù)散點(diǎn)圖獲得間隙度維數(shù)，結(jié)果表明：(1) 2012年間隙度維數(shù)普遍小于2000年，說明景觀格局聚集程度增加。(2) 耕地和交通用地間隙度維數(shù)較大，先減少后增加，但整體上呈現(xiàn)減少趨勢，說明斑塊間隙差異先減小后增大，且聚簇性增強(qiáng)。(3) 未利用地和水域間隙度維數(shù)顯著減小，聚簇性增強(qiáng)，空間上呈大規(guī)模聚集狀態(tài)。主要是塌陷形成的水域多極迅速擴(kuò)張，且在塌陷水域周圍集中分布著未利用地。(4) 建設(shè)用地間隙度維數(shù)持續(xù)減小，聚集程度增加，主要是新城區(qū)建設(shè)。

3.2 井田景觀格局演變特征

在礦區(qū)景觀格局演變分析基礎(chǔ)上，計(jì)算井田內(nèi)2000年、2004年、2008年和2012年4個(gè)時(shí)期的形狀維數(shù)、半徑維數(shù)、信息維數(shù)和間隙度維數(shù)，獲取土地利用分形維數(shù)(表3)。結(jié)果表明：(1) 井田形狀維數(shù)與礦區(qū)形狀維數(shù)整體變化相似，但略高于礦區(qū)，尤其是耕地、水域和建設(shè)用地明顯高于礦區(qū)，說明景觀斑塊更為復(fù)雜，斑塊間滲透性強(qiáng)。(2) 水域半徑維數(shù)較高，2000—2008年持續(xù)增加，而2008—2012年減小，說明水域空間分布的向心性先減弱后增強(qiáng)。耕地和未利用地半徑維數(shù)明顯小于礦區(qū)，向心性較強(qiáng)。(3) 井田信息維數(shù)普遍較小，均衡性較低，說明景觀空間分布更加集中；但水域信息維數(shù)略微增長，表現(xiàn)出中心間融合態(tài)勢，特別是2012年龍東煤礦和三河尖煤礦的塌陷水域融合趨勢明顯(圖1)。(4) 水域間隙度維數(shù)較小，但呈增長趨勢，說明其聚集程度較高，但隨著水域“分散化”多極擴(kuò)展，空間分布趨于離散，尤其在2008—2012年增加明顯，說明2008年是水域空間分布的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，向心性增加、離散化加劇，趨于均勻分布。

圖1 沛北礦區(qū)2000-2012水域空間變化

分維數(shù)年份耕地園/林地交通用地水域未利用地建設(shè)用地20001.2731.4701.8471.7271.1561.215形狀20041.3001.3421.8901.7051.2481.230維數(shù)20081.2891.3541.8731.7261.1951.22620121.1821.3281.7361.6941.1091.17520001.7632.1741.8162.2251.6522.302半徑20041.7582.2561.7672.2421.5092.303維數(shù)20081.6682.2141.8492.5081.6442.30720121.5342.2821.8702.4001.6622.31820001.5741.3081.4941.3461.0471.440信息20041.5741.3071.5061.3751.1191.443維數(shù)20081.5671.3371.5111.3651.0851.44220121.5311.3281.5001.3941.0311.44020001.6221.7241.4741.2221.6731.511間隙度20041.6201.5931.5931.2971.6081.493維數(shù)20081.6281.6151.5441.3281.4371.50620121.5891.6121.5581.4671.5401.513

4 結(jié) 論

(1) 礦區(qū)土地利用發(fā)生劇烈變化：耕地受到煤炭開采沉陷和城鎮(zhèn)化占用影響，主要轉(zhuǎn)為水域和建設(shè)用地；水域面積因采煤塌陷積水顯著增加。

(2) 礦區(qū)景觀格局變化明顯：斑塊形狀維數(shù)普遍減小，斑塊趨于規(guī)整、復(fù)雜性降低，特別是水域斑塊復(fù)雜性較高。信息維數(shù)和間隙度維數(shù)不同程度減小，景觀空間分布向非均衡化發(fā)展、聚集程度增加。耕地半徑維數(shù)增加，表明其向心性增加。水域、建設(shè)用地和未利用地半徑維數(shù)減小，其空間分布向心性減弱，水域空間趨向多中心化結(jié)構(gòu)，建設(shè)用地空間圈層結(jié)構(gòu)明顯。

(3) 礦區(qū)和井田尺度的景觀格局變化特征不同，井田尺度景觀斑塊形狀更加復(fù)雜，水域、建設(shè)用地和未利用地表現(xiàn)尤其明顯。在井田尺度上，2008年是水域空間分布演變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表明了煤炭開采是水域空間分布擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

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SpatialEvolutionofLandscapePatternofMiningAreaBasedonFractalDimension—ACaseStudyofNorthernPartinPeiCounty,Xuzhou

ZHAO Yanhui1, ZHAO Hua1, XU Jiaxing2, FENG Qiyan1

(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofminingandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China; 2.IoTPerceptionMineResearchCenter,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221008,China)

The aim of this research is to study the spatial evolution of landscape pattern in Peibei coal mining area. Complexity of plaques, centrality, proportionality and cluster were selected as indicators of landscape pattern. Based on the ground of fractal theory, four fractal exponents, boundary dimension, radius dimension, information dimension and lacunarity dimension, had been explored at regional and mining-site scales by using SPOT-4/5 images in 2000, 2004, 2008 and 2012. The results show that: (1) the land cover had changed significantly during the period from 2000 to 2012; cultivated land reduced continuously while the water body and construction land expanded constantly; (2) the landscape patches became more regular, with the gradual loss of equilibrium, the increase of centrality of cultivated land resulted in a single-center distribution pattern; meanwhile, the centrality and the proportionality of the water body, construction land and unutilized land decreased in last decades, a multicenter distribution pattern of water body had formed while the unutilized land had maily distributed around the subsidence water areas; in addition, the obvious ring structure of construction land was detected; (3) the plaque complexity is different from the whole region. Year 2008 is a turning-point for the change of spatial distribution of water body, and the homogeneous distribution gradually formed after 2008.

mining area; landscape pattern; fractal dimension

2016-04-02

：2016-05-06

國土資源部公益性行業(yè)專項(xiàng)”蘇北煤炭開采區(qū)土地資源數(shù)量—質(zhì)量—生態(tài)監(jiān)測與持續(xù)利用野外科研基地建設(shè)”(201211050)

趙艷輝(1993—),安徽泗縣人,男,碩士生,研究方向?yàn)榫坝^生態(tài)。E-mail:ahzhaoyh@126.com

趙華(1977—),江蘇東臺(tái)人,男,博士,講師,研究方向?yàn)橥恋厣鷳B(tài)和規(guī)劃。E-mail:zhhcumt@163.com

F301； P901

：A

：1005-3409(2017)02-0336-05