山西屯留县土地利用空间格局变化.doc

基于GIS和分形理论的山西屯留县土地利用空间格局变化 余万军1，吴次芳1，关涛1，李学敏2，孙泰森3（ 1 . 浙江大学东南土地管理学院，杭州 310029 ; 2 . 山西省农业科学院玉米研究所，沂州034000;3 . 山西农业大学资源与环境学院，太谷 030800）摘 要该文以分形理论为基础,在地理信息系统技术支持下,对山西省屯留县土地利用空间格局变化进行了研究。通过对山西省屯留县土地利用数据库中空间数据的提取,运用面积-周长分形模型,分别计算出了1990年和2001年各种土地利用类型的分维数和稳定性指数。该文还引入了景观生态学中的相关指数斑块密度指数,景观斑块数破碎化指数,斑块形状破碎化指数及景观多样性指数,并进行了定量分析,进一步揭示了屯留县土地利用空间格局变化,以期为开展区域土地整理、促进土地合理利用以及保持区域景观格局的持续发展提供参考。关键词:GIS;分形理论;土地利用;空间格局变化;屯留县中图分类号: F301.24 文献标识码: A 文章编号: 1002-0819( 2005) 10-0064-06余万军,吴次芳等:基于GIS和分形理论的山西屯留县土地利用空间格局变化. 农业工程学报 1 2005，10（21）：64-69 2/51导言分形几何是在分形理论的基础上形成的被广泛应用于各个领域的一个新的分支。非线性的分形现象到处存在，分形特征是景观斑块十分明显。景观的研究与空间格局，都是土地利用的一个重要组成部分，而分形理论的优点在于对空间结构的分析。因此，在景观的研究上运用分形理论十分有助于我们全面准确地示范和研究土地利用空间格局的改变。本文以山西省屯留县为例。2 研究区域概况屯留县位于东经112 28 113 03，北纬36 1336 30 。占地面积1142 km2，人口240 103.地势西高东低，平均海拔945米，气候是典型的大陆半湿润性气候，属于温带。年平均气温是9.2 ，年平均降雨量为620毫米。屯留县拥有非常丰富的煤炭和天然气。煤床达938 km2，储量大约为5.4亿吨。虽然煤炭行业对屯留县的经济发展贡献十分大，但它也带来了空气污染，水土流失，地下水位下降，甚至山体滑坡，进而又导致了土地空间格局的改变。因此，选择一个科学的方法来研究这种变化的趋势是非常必要和重要的，从而确保屯留县发展的长期可持续性。3 研究方法用分形理论的方法来描述形状不规则的自然物体，分形物体显示为下列属性：它结构复杂，即它包含成分不一的细小颗粒。 形状不规则，不能用传统的几何形状来描述和演算。 相似性，任意一件的物体，都和整个结构十分类似。 分形维数通常超过拓扑层面。 它会有一些有趣现象，例如：复杂的结构似乎只是重复一个简单的结构无限次。 它通常是一种“自然”的形状。分形分析，在欧几里德概念被看作是一个过程。这一过程的特点是以指标D称为分形维数。有许多方法来衡量的分形维数。在本文中，我们使用周边三维模型的方法。其他方法包括分压器（指南针） ，网格（盒）等。需要指出的是，对于同一个问题并非所有类型的尺寸测量将可以给予同样的答案，。周边三维模型的范围内采取修补二维平面的方法。对于周边地区的关系，景观系数是由 给出的。A代表该地区某一景观格局；P代表周围的景观格局； K代表区域的大小。两边同取对数 lnP=DlnA/2 + lnK D= 2lnP/lnA 该分形维数D是指景观格局的复杂性和连续性。对于某些景观，发展价值较大的。更为复杂的景观结构;d达到1.5 ，它的一个特点类似布朗运动与最不持久性，以及接近1 。 5分形维数的利特勒持续的景观。因此，持续指数（ PI ）可以被定义为下面：PI= 1.5 D4数据采集本文分析的数据来自于屯留县土地利用数据库，该数据库是由最初的数据库和更新数据库。双方最初的数据库和更新数据库包括空间数据库和属性数据库。空间数据库的初步构建了以数字化数据的详细调查土地资源， 1990年，其中存储在文件中。在数字化过程包括以下步骤：首先，收集，核对和处理土地利用现状图;其次，扫描得到的地图网格图;第三，把网格图矢量图形支持的ARC / INFO的;第四，正确的转化和协调;第五，提取土地类型及景观指数的空间数据。实现空间数据库的更新：首先，购买研究领域的卫星遥感图像;其次，翻译的图片矢量图形和遥感图像;第三，根据它的土地利用现状图，以确定在1990年的景观变化区域;第四，测量面积的变化和更新的初始空间数据库。更新的数据库，用于研究2001年的土地数据库的属性数据，包括Visual Foxpro中表格数据和文字资料的管理。空间数据和属性数据结合起来，通过共同的景观斑块数量。详细的技术路线是图1所示。 5结果和讨论5.1土地利用格局的改变通过查询初始数据库（ 1990版）和更新数据库（ 2001年版） ，该地区在1990年和2001年的不同土地类型如表1所示 。 4.2不同土地类型的分形维数和持续指数计算使用的空间和土地的分类代码查询功能的土地利用数据库系统提供，我们可以和周边地区的土地数据的每个补丁按土地利用类型。周边层面和应用模型，分形维数每个土地修补程序可以计算出来的。对于每一个土地类型，发生的统计分析软件SPSS ，该散点图可以绘制及其线性回归函数可以计算出来的。并且污水的回归线是平均分形维数的土地类型。在屯留县，通过比较分形维数和持续指数，我们可以得到容易理解的空间格局改变土地用途。结果显示如下：图2和图3所示的分别是1990年和2001年的散点图与回归路线，其线性方程组的山坡旱地，。通过同样的方式，我们也可以得到scatterplots的其他土地类型。1990年和2001年的回归函数，分形维数，坚持指数及其他统计参数的所有土地类型分别在从表2至表4中显示出来。4.3 研究土地利用格局变化的其他方法 为全面了解屯留县的景观格局变化以及其他景观生态指标，如景观斑块密度，分散景观数量和形状，景观多样性应用。1990年和2001年的土地利用类型分类如表5 所示。 6 结论应用分形理论和科学的景观生态学的空间格局变化对屯留县全面研究。通过比较表3至表5的结果，我们可以得到以下结论。从总体上看，分形指数从1.2780上升至1.3147 ，而持续指数从0.2220下降至0.1953 。研究土地类型有助于改变林地，水域，岩石和砂砾土地，山坡旱地和灌木林。持续指数增加的土地类型是苗圃，草地，工业和山地，森林和河流，减少的是耕地，居民地，旱地，园地，灌木林，水池和水库，山坡旱地，林地和其他未利用土地，而林地，平原旱地和草原是不变的。这种变化是由于工业结构改变，耕地保护政策和退耕还林政策的影响。土地利用斑块密度是1990年每公顷0.323和2001年每公顷0.3281。这意味着在这个时期平均每斑块播种面积会下降。土地类型的斑块密度变化比较严重是苗圃，工业和采矿业的土地，灌木，山坡旱地和散射林地，其中前两者是有所下降，而其他三个是增加。从景观指数来看， 1990年的0.3319增加到2001年的0.3414，增幅0.085。这一变化趋势与分形指数是相应的。所有土地利用类型的景观多样性指数是从4.2087下降到4.1325 。这意味着每个土地利用类型的改变是一个离散的趋势。参考文献1 Mandelbrot B B. Stochastic models for the Earth s relief,the shape and the fractal dimension of the coastlines, and the number-area rule for islandsJ. Proc Nat Acad Sci,USA, 1975,72:3825-3828.2 Mandelbrot B B. The fractal geometry of natureM. San Francisco: W H Freeman, 1982.3 Van Hees, W W S. A fractal model of vegetation complexity in AlaskaJ. Land Ecol, 1994,9:271-278.4 Barnsley M F. Fractals Everywhere M . London:Academic Press, 1988.5 Edgar G A. Measure, Topology and Fractal GeometryM. New York: Springer-Verlag, 1990.6 Falconer K J. Fractal Geometry: Mathematical founda-tions and ApplicationsM. Chichester: John Whiley &Sons, 1990.7 Falconer K J. Techniques in Fractal Geometry M .Chichester: John Wiley &Sons, 1997.8 Burrough P A. Principles of geographical systems for land resources assessmentM. Oxford: Clarendon, 1986.9 Xu Jianhua, Ai Nanshan, Jin Jiong, et al. A fractal study on the mosaic structure of the landscape of Northwest China: Taking the drainage area of Heihe river as an exampleJ. Arid Zone Research, 2001,18(1):35-39(in Chinese).10 Wang Xianli, Bu Rencang, Hu Yuanman, et al. Analysis on landscape fragment of Liaohe delta wetlands J.Chinese Journal of Applied Ecology, 1996,7(3