基于矢量数据的土地利用类型分维数计算程序设计及其应用

当前用来计算分形维数的原始数据通常是栅格图像,但是现有的土地利用数据大多以矢量形式存放,若将其转为栅格形式后计算分维数,则将面临基于栅格图像所得到的分形维数的计算精度与像元尺寸以及图像自身大小有较大关系,并且在对栅格图像进行不规则形状提取时容易造成数据丢失等问题。鉴于此,本文利用Visual C#完成了基于Windows平台的矢量数据分形维数计算程序设计,并利用该程序对20世纪90年代三个时期的秦岭中段和鄂东南地区土地利用类型的分维数进行了求算。结果表明该程序是一种方便、实用而且精确的分维数计算方法。此外,从三期各类土地利用类型的稳定性指数来看,在秦岭中段地区表现为：居民点及工矿用地>未利用土地>水田>旱地>草地>林地>水域,而鄂东南地区则表现为：水田>未利用土地>居民点及工矿用地>旱地>林地>草地>水域,这说明在上述两个地区,林地、水域、草地的稳定性都相对较差,它们的潜在变化趋势也较大。     

黄土高原典型地貌类型的土地利用分形特征

以山西省闻喜县1∶1万土地利用现状数据库为数据源,运用GIS技术,基于DEM数据及地貌特征将闻喜县分为河谷、塬地、丘陵、山地4种地貌,计算各地貌下不同土地类型的分维数和稳定数,并对计算结果进行分析比较。结果表明:不同的地貌特征不仅对土地利用结构有影响,对其分维指数和稳定性指数也有影响;相同地貌特征下不同的土地类型分维数和稳定性指数存在着差异,分维数越高土地利用类型的结构越复杂,稳定性指数越高土地利用类型的结构越简单。通过对分维数和稳定性指数的研究可为优化土地利用结构和可持续利用土地资源提供依据。     

土地利用类型结构的多尺度转换特征

尺度一直是LUCC到GLP研究所关注的重要问题。以不同比例尺的辽宁省土地利用数据为例,以贵州省土地利用数据进行验证,系统探讨了土地利用类型结构在不同尺度间可能存在的转换特征。结论如下:(1)辽宁省土地利用的分形结构跨1 ∶ 10万、1 ∶ 50万、1 ∶ 100万这3个比例尺客观存在;(2)对不同比例尺的同一区域不同土地利用类型而言,各土地利用类型分维在不同比例尺之间存在的响应关系并不一致,某些土地利用类型的分维随着比例尺由1 ∶ 10万向1 ∶ 50万再向1 ∶ 100万的变小,分维呈现变大趋势,而某些土地利用类型的分维随比例尺的变化并不如此,所以,对于不同的土地利用类型而言存在一定的差别,不可一概而论;(3)不同尺度间的土地利用类型结构只能够在两两连续间隔的两种比例尺土地分维之间建立起关系显著的定量关系模型。所得结论对科学认知土地结构空间配置的多尺度特征以及建立相应尺度转换模型具有积极的参考意义。     

矢量和栅格数据土地利用结构分维值比较——以苏州为例

分形理论对处理土地利用结构之类的非线性对象具有较强实用价值, 分维值作为该理论的重要测度指标, 其计算常基于栅格数据, 由此导致了土地结构边界信息的损失, 也减弱了分维值对土地利用空间结构特性的揭示作用。本文以苏州市1:10 万土地利用数据为例, 对研究区的土地利用空间格局进行分形分析, 通过分析不同栅格大小的土地利用分维值, 建立分维值与栅格粒度之间的定量关系, 并通过栅格数据推算矢量分维值, 分析推算误差及其原因。结果表明, 苏州市土地利用格局符合分形理论的一般规律;苏州市整体土地利用程度较高, 耕地、建设用地结构较为简单, 而未利用地、林草地结构较复杂, 水域斑块结构复杂性较低;随着栅格粒度的增加, 土地利用分维值呈现增加趋势, 且粒度与分维值之间存在二次函数的定量关系, 可以通过此关系式在一定误差范围内推求矢量数据的土地结构分维值, 斑块数量与整体规模是影响推求精度的重要原因。     

宝塔区土地利用的地形梯度效应与空间格局

地形是多种地理因子中对土地利用变化产生重要影响的因素之一,黄土高原区域土地利用格局与资源配置深受地形因素的制约。为了给黄土高原地区未来土地利用、保护森林资源和经济健康发展提供依据,需要分析地形变化对土地利用影响。以黄土高原地区中部的宝塔区为讨论范围,采取2017年末土地利用矢量数据,选用坡度、高程、土地利用综合度和地形指数多项影响因子,全面剖析地形对土地利用类型分布的影响特征;在此探讨的结果下,利用分形理论探讨各土地利用类型的空间分布结构特点。结果表明:(1)宝塔区不同地形各地类分布表现出显著的空间分布差异,高程、坡度和地形位是宝塔区土地利用分布格局形成的重要影响因素。(2)水域、建设用地、耕地和未利用地的优势分布主要聚集在海拔<1 200 m、坡度<10°的范围内,林地和草地的优势分布集中在高程> 200 m、坡度>15°的区域内。(3)宝塔区土地利用程度综合指数随着地形位指数的增大而逐渐减小。土地利用程度较高的区域集中于人类活动频繁的区域,较低的区域集中于自然地貌区。(4)宝塔区各地类具备明显的分形特点,分维数处于1.243 7～1.736 0之间。宝塔区土...     

土地利用类型分布的分形结构及其应用--以江苏省扬中县丰裕镇为例

以江苏省扬中县丰裕镇为例,运用分形理论对土地利用类型的分布是否具有分形结构进行了统计分形分析,不仅揭示了土地类型分布的分形结构特征,探讨了各土地利用类型分维的意义,而且还进一步探讨了其在土地利用总体规划之中的可能应用。     

黄土粒度分维在公路自然区划中的应用探讨

针对当前黄土地区公路自然区划宏观程度高、实际难应用等问题,研究新的区划方案、寻找理想的区划指标意义重大。以分形理论为基础,分析了甘肃黄土粒度分布的分形结构特征。结果显示,黄土具有良好的统计自相似性,其分维值介于2.15~2.705之间;黄土的粒度分维值可定量表征黄土的物理、力学和水理性质及差异,即黄土的粒度分维值越大,其干密度、比表面积、粘聚力、内摩擦角越大,微、小孔隙含量越高,但其平均孔径、孔隙比、湿陷系数和渗透系数越小,其工程地质性质愈稳定;在空间上,黄土粒度分维值存在显著的区域性变化规律,反映了甘肃黄土地区二级公路自然区划的5个二级区的差异。认为黄土粒度分维值可作为公路自然区划的主要指标之一,参与三级区的划分,为公路工程的设计、施工提供科学依据。     

分形理论在人文地理学中的应用研究

简介分形理论，并给出了四种常见分形维数：Hausdorff维数、僵子维数、信息维数和关联维数的定义，探讨它在人文地理学各分支学科（城市地理学、经济地理学、交通地理学）的应用及其地理意义。     

基于分形理论的黄土丘陵区土地利用研究——以延安市宝塔区为例

在GIS和分形理论的指导下,将延安市宝塔区的土地利用类型进行了分类,得到研究区的土地利用分类图,并在分类的基础上,对宝塔区的各种土地利用类型进行分形维数的分析.计算结果表明:(1)宝塔区的土地利用类型的景观风貌是以林地为基质,以草地、园地、居工、未利用地为斑块镶嵌结构,并且以水体和道路为线状廊道的景观结构模式.(2)宝塔区各种土地利用类型的分维数从大到小的顺序依次为:水体、道路、草地、林地、耕地、园地、未利用地,居工;而稳定性指数从大到小排列顺序为:水体、道路、居工、未利用地、园地、耕地、林地,草地.(3)宝塔区土地利用的各种景观指数在空间上的分布规律很大程度上受到人为活动的影响与干扰,如植树造林、退耕还林、封山育林等因素.     

环渤海区域土地利用类型动态变化研究

利用环渤海区域1998,2000,2003,2005,2007年份的分县土地利用详查变更数据,选取耕地、园地、林地、牧草地、水域、城乡居民及工矿用地和未利用地等土地利用类型,在GIs技术与定量模型支持下,进行了环渤海区域不同时段及其内部不同区域土地利用类型变化格局的模拟和分析.结果表明:1998-2007年,环渤海区域水域、耕地减少幅度较大;土地利用类型变化动态度为0.93%:环渤海区域土地利用变化存在明显的区域差异.     

中国土地利用空间分形结构及其机制

应用分形理论对中国土地空间分形结构及其机制问题进行了有益探讨。首先计算了中国不同土地利用类型空间结构的分维与稳定性指数;其次,分析了北京、安徽、江苏、广东、贵州、新疆、西藏、辽宁等8省区的土地分形结构;进而,在计算北京等8省区土地结构分维与图斑数、平均图斑面积、平均图斑形状指数、第一产业、第二产业、第三产业关联度的基础上,探讨了区域土地图斑数和相应图斑形状指数对土地空间结构分维的重要影响。指出:土地结构分维所能体现出的信息主要还是受到土地类型本身几何属性的影响。     

辽河干流上游流域土地利用对土壤颗粒分形维数影响

分析了辽河干流典型风沙区林地、草地和农田土壤颗粒的分形维数空间分布特征。结果表明：土壤颗粒分形维数总体表现为农田高于林地和草地,且在农田土壤30~50 cm深度时达到最大值（2.58）,在草地土壤0~10 cm出现最小值（2.26）;在林地土壤中随深度增加而减小,在草地和农田土壤中随深度增加而增加。土壤分形维数均与粉粒含量极显著正相关（P<0.01）。农田更有利于土壤细小颗粒的形成,改良土壤质地,土壤结构相对较好,其次是林地,草地相对较差。     

土地利用与土地覆被变化的分形分析--以郑汴间沙岗地为例

文章应用盒子计数法计算了郑汴之间沙岗土地各种土地覆被类型空间分布的分维值,讨论了土地利用与土地覆被变化(LUCC)的分形性质.结果表明,土地利用与土地覆被是一种分形事物.分维是综合表征LUCC空间分布状况的一个特征参数,其值域为0＜D＜2.分维值越大,表明土地覆被空间分布愈不规则、愈复杂;分维值的变化可以反映出土地利用与土地覆被类型的空间结构在时间维上的变化.     

交互式多目标土地利用规划模型研究

为限制城市建设用地过度扩张并实现土地利用的多重目标,从土地利用效益和土地利用规模角度,构建基于多目标的土地利用规划模型,基于模糊决策理论,采用模糊折衷算法进行模型求解得到最优方案,融入决策者意愿,体现交互式特点.以2010年为规划基期,2020年为目标年,对滁州市进行实证研究,通过敏感性分析探讨模型应用的地域差异性.结果表明:1)滁州市现状土地利用效益较低,通过模型优化可使目标年土地利用得到明显改善.2)目标年,滁州市土地利用经济和社会效益的提高主要体现在耕地减少和城镇用地增加较多;生态效益的提高主要体现在耕地与林地面积较大,城镇用地增加较少.3)模糊折衷参数λ*是模型构建的核心内容之一,λ*取值不同决定不同土地利用方向.同时,λ*取值具有地域差异,应根据区域实际情况作出判断.该模型较以往规划整合更多重要信息,可有效指导土地利用规划,为城市土地利用提供科学依据.     

科尔沁沙地沙丘-草甸相间地土壤颗粒的分形特征

选择科尔沁沙地典型沙丘-草甸相间地为研究区,利用土壤颗粒的体积分形模型计算了研究区49个采样点土壤颗粒的分形维数,并建立了分形维数与土壤颗粒不同粒级间的相关关系,以探讨半干旱寒冷地区土壤颗粒的分形特征与土壤物理性质以及养分含量之间的关系。结果表明:(1)研究区土壤颗粒的分形维数为1.33~2.50,变幅较大,且呈现出自中部的草甸、农田地带向南、北方向的沙丘地带递减的趋势;土壤颗粒的体积分形维数依照流动沙丘-半流动半固定沙丘-固定沙丘-农田-草甸的顺序而递增。(2)土壤颗粒的分形维数与黏粒、粉粒含量显著正相关,与砂粒含量显著负相关,且表现出明显的对数关系。100 μm是影响土壤颗粒分形维数变化的分界粒径,大于该粒径的颗粒含量越高,土壤颗粒的分形维数越小;反之越大。(3)分形维数与土壤养分含量相关显著,土壤颗粒的分形维数与电导率、pH值及有机质、全氮、全磷含量均显著正相关,但与全钾含量负相关。在分形维数大于2时,基本与土壤饱和含水率正相关、与干容重负相关。     

基于元分维模型的江苏城镇体系空间均衡特征分析

基于滑动窗口的局部分维分析方法--元分维模型,采用2005年江苏省城镇基础数据,对江苏省1 850个城镇及街道办的空间均衡程度进行定量测度,结果表明:①江苏城镇体系空间均衡程度差异明显,自南向北存在一定程度的空间梯度递减,其中江苏南部城镇分布最为密集且较为均衡,江苏中部次之,而江苏北部除徐州市区外.均衡程度较低;②江苏城镇分布上东部比西部均衡;③江苏城镇轴线集中发展的分布特征突出,沿长江分布的无锡、常州、苏州、镇江、扬州、泰州、南通、南京8个地区城镇分布密集,且均衡程度较高;④城镇体系的空间均衡程度与城市化水平基本一致.实验证明,元分维模型可以用于定量分析特定尺度下的城镇局部空间均衡程度的差异.     

威海市土地利用分形特征动态变化

基于威海市三期土地利用遥感解泽数据,应用土地利用空间形态分形模型,获得了1985年、1995年和2000年三个时期威海市各主要地类的分形维数和稳定性指数;通过叠加分析等方法,计算出了1985-1995年、1995-2000年和1985-2000年三个时间段各主要地类动态度.在此基础上.对威海市土地利用分形特征时空格局变化特点、动态度变化特点进行了研究.结果显示:1985年、1995年和2000年分维数较大的主要地类均是未利用土地、城镇用地和水域等,分维数较小的地类均是农村居民点和其他建设用地.从1985年到2000年,各主要地类的分维数平均值旱现出逐渐减少的趋势,总的来看,土地利用类型的形态向着简单、规则的方向发展.在不同时段,各主要地类的分维数和稳定性指数变化特点存在较大差异.农村居民点、其他建设用地和未利用土地在三个时期的空间结构较稳定,水域、城镇用地、草地和耕地在三个时期的空间结构较不稳定.1985-1995年,威海市城镇用地年增长率最大,林地年减少率最大;1995-2000年,城镇用地年增长率最大,水域年减少率最大;1985-2000年,城镇用地年增长率最大,未利用土地年减少率最大;威海市城镇扩展迅速,城镇化趋势显著.社会经济快速发展、政府规划、城镇化等因素是威海市主要地类分形维数、稳定性指数和动态度变化的主要原因.     

考虑土地利用/覆被变化的集总式流域水文模型及应用

为了定量评估土地利用／覆被变化的水文水资源效应,提出考虑土地利用／覆被变化的集总式流域水文模型。该模型基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满一超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出El断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用无定河流域1980-2000年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定与检验,率定期1986-2000年的水量平衡系数为0．999,年径流深合格率为100．0％;检验期1980-1985年的水量平衡系数为0．953,径流深合格率为83．3％,计算结果表明该模型在无定河流域具有良好的适应性。对模型产汇流参数进行合理性分析,得出无定河流域不同土地利用类型蒸发能力的相对大小关系为耕地〉林地〉草地〉未利用土地。