基于信息熵的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)時空演變研究基于信息熵的長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)分析

基于信息熵的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)時空演變研究基于信息熵的長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)分析

熵的概念來自力學。1968年，c.e.shannon首次引入了熵概念，并用于測量事物的不確定性。由于信息熵是一個系統(tǒng)狀態(tài)混亂程度的定量表示,并可以預(yù)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢,很快在地學研究中得到運用。信息熵的概念可以用來評價系統(tǒng)的均衡性,個體之間越是接近,差異越不顯著,信息熵就越大,系統(tǒng)越均衡。近年來,很多學者運用各種方法對不同區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)及其時空的動態(tài)變化進行了研究,如潘竟虎等[3.4]關(guān)于干旱內(nèi)陸河流域土地利用空間結(jié)構(gòu)和黑河下游土地利用的研究,楊杰等關(guān)于河北省土地利用結(jié)構(gòu)的計量地理分析,沈非等基于分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)對蘇州土地利用類型結(jié)構(gòu)的變化研究,都在土地利用結(jié)構(gòu)的研究方法上進行了不同的探索,周生路等、李江等、趙晶等、張培學等部分學者通過利用信息熵的基本原理,分別對南京市、武漢市城市用地、上海市中心城區(qū)、濟南市城鄉(xiāng)用地的土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變規(guī)律進行了研究,他們從不同角度揭示了土地利用的特點和存在的問題,提出了合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)的措施和方案,雷征等、石培基等在土地利用結(jié)構(gòu)演變的研究中分別采用對比分析和主成分分析法,深化了對信息熵變化的驅(qū)動力研究,楊朝現(xiàn)等、何丹等、匡文慧等、劉敬財?shù)确謩e從不同的空間尺度上對土地利用結(jié)構(gòu)演變規(guī)律進行了探索,豐富了信息熵的研究成果。本文基于Shannon熵理論,對研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的時間變化規(guī)律和空間分異特征進行了分析,以期為研究區(qū)域優(yōu)化土地資源結(jié)構(gòu)和布局提供參考依據(jù)。1研究區(qū)域的概況和數(shù)據(jù)來源1.1陰山市現(xiàn)狀、產(chǎn)地量概況及城市化水平相對較長株潭區(qū)域位于湖南省中東部丘陵區(qū)(圖1),經(jīng)國家發(fā)改委2007年正式批準為全國資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會建設(shè)綜合配套改革試驗區(qū)。呈“品”字型分布于湘江中游兩岸,自然條件優(yōu)越,社會經(jīng)濟發(fā)達。地理位置為:東經(jīng)111°53′-114°15′,北緯26°03′-28°41′。下轄3個地級市,共11個市轄區(qū),4個縣級市,8個縣。2008年末,土地總面積28088.12km2,占全省的13.26%,其中耕地面積622137.57hm2,園地面積56712.82hm2,林地面積1451758.13hm2,牧草地面積2492.40hm2,居民點及工礦用地面積258857.65hm2,交通用地面積32095.17hm2,水域面積201851.27hm2,未利用土地面積182907.17hm2;總?cè)丝?320.28萬人,占全省19.28%;地區(qū)生產(chǎn)總值4565.31億元,占全省40.92%;城市化水平達55.04%,高于全省平均城市化水平的12.89%。區(qū)內(nèi)屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候區(qū),四季分明,春溫多變,夏秋多晴,嚴冬期短,暑熱期長。1.2土地利用現(xiàn)狀調(diào)查本研究以長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時空變化及驅(qū)動力為研究對象,其土地面積來源于1996-2008年湖南省土地利用變更數(shù)據(jù),土地分類系統(tǒng)采用1984年全國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會頒布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定,一級地類8個,分別為耕地、園地、林地、牧草地、居民點及工礦用地、交通用地、水域和未利用地;其中耕地、園地、林地、牧草地四大類下設(shè)二級地類共19個,由于研究區(qū)內(nèi)沒有橡膠園地類,所以本文只分析18個二級地類,同期社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于1997-2009年湖南統(tǒng)計年鑒。2學習方法2.1土地利用類型的數(shù)量單一土地利用類型動態(tài)度可表達區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況,即:式中:K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度;Ua、Ub分別為研究期初、期末一種土地利用類型的數(shù)量;T為研究時段長,設(shè)定為年。2.2信息熵公式:土地上所有土地利用類型內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)是指國民經(jīng)濟各產(chǎn)業(yè)及其內(nèi)部各部門用地面積的對比及其空間匹配關(guān)系。區(qū)域土地利用只有建立合理的結(jié)構(gòu),才能保持一定的土地利用系統(tǒng)的良性循環(huán),從而使得區(qū)域土地利用生態(tài)經(jīng)濟效益最大化。土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整即是在有目的的行為指導下對土地利用系統(tǒng)施加的一種人為干擾,它在不同時空尺度上對土地利用系統(tǒng)的有序程度產(chǎn)生影響,這種有序程度可以用信息熵來描述和刻畫[20.21]。設(shè)一個地區(qū)的土地總面積為A,該區(qū)域的土地利用類型可分為n種,每種類型的面積為Ai(i=1,2,…,n),則有:設(shè)各種土地利用類型占總面積的比例Pi為:依照Shannon熵定義土地利用信息熵為:式中:H為信息熵,單位為奈特(Nat),其大小反映土地利用類型的多少和各類土地利用類型面積分布的均勻程度。當土地利用面積相等,即A1=A2=…=An=A/n時,熵最大,即Hmax=Inn。由此可知:土地利用類型越多,各類型的百分比相差越小,土地利用信息熵越大,土地利用系統(tǒng)的有序性越低?；谛畔㈧毓?可以定義土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度與優(yōu)勢度:式中:J為均衡度,是實際熵值與最大熵值之比,表示土地利用的均衡程度。由于H≤Hmax,可知0≤J≤l。當J=0時,土地處于最不均勻狀態(tài),J=l時,則土地利用類型達到理想的平衡狀態(tài)。相應(yīng)地,優(yōu)勢度的表達式為:式中:I為優(yōu)勢度,它與均衡度的意義相反,反映區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地利用類型支配該區(qū)域土地類型的程度。3長株潭土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)展結(jié)果與分析3.1從用地面積凈增的地類上看研究期內(nèi),研究區(qū)內(nèi)的耕地、園地、牧草地、水域、未利用地面積凈減,居民點及工礦用地、交通用地面積凈增(表1)。面積凈減的地類中耕地減少居首位,達17564.05hm2;其次是園地,達9035.55hm2。面積凈增的地類中,居民點及工礦用地增加居首位,達31632.53hm2;交通用地次之,達7005.51hm2。從變化幅度來看:交通用地變化幅度最大,高達27.92%;其次是居民點及工礦用地,達13.92%;再次是園地,達-13.74%;最小的是林地,僅為0.03%。從動態(tài)度來看:交通用地變化幅度最大,達2.33%;其次是居民點及工礦用地,達1.16%;再次是園地,達-1.15%;最小的是林地,基本無變化。3.2長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)總體變化特征運用信息熵的計算公式,根據(jù)長株潭區(qū)域1996-2008年土地利用變更數(shù)據(jù),對土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進行計算和分析,結(jié)果詳見表2、圖2。從表2可以看出,研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在1996-2008年期間變化很小,最大值和最小值相差僅0.0056Nat,年均變化為0.00043Nat,這說明十三年間長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化幅度不大。但從圖2也可以看出,研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體呈先上升后下降再上升的波浪式趨勢變化,具體如下:1996-2002年逐步上升,由最小值(1.3925Nat)上升到2002年的最大值(1.3981Nat);之后兩年快速下降,至2004年達到1.3927Nat之后,持續(xù)上升至1.3979Nat,接近最大值。這說明長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)在1996-2002年有序程度較低,土地利用系統(tǒng)向相對無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變。2002-2004年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵降低,土地利用系統(tǒng)的有序程度提高,說明湖南省加大土地資源管理力度,加強土地的用途管制的實施取得了一定的效果。2004年以后,由于長株潭區(qū)域步入一體化的全面建設(shè)時期,各項建設(shè)迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整及建設(shè)用地特別是交通用地逐年增加,導致土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的不斷上升。3.3土地利用類型與信息熵關(guān)聯(lián)程度分析利用信息熵公式計算農(nóng)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息熵,以便更深入了解農(nóng)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的趨勢。計算結(jié)果詳見表3。從表3可以看出:長株潭區(qū)域農(nóng)用地結(jié)構(gòu)信息熵總體呈單調(diào)遞減變化趨勢:從1996年的最大值1.36056Nat,下降到2008年的最小值1.33659Nat。這說明農(nóng)用地結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生調(diào)整,向相對有序的方向發(fā)展。應(yīng)用相關(guān)系數(shù)分析長株潭區(qū)域農(nóng)用地土地利用類型與信息熵之間的關(guān)聯(lián)程度。結(jié)果表明:灌溉水田、望天田、水澆地、旱地、菜地、果園、桑園、茶園、其他園地、有林地、灌木林、疏林地、未成林造林地、跡地、苗圃、天然草地、改良草地、人工草地與信息熵之間的相關(guān)系數(shù)r分別為:0.8507、0.3548、0.7928、0.5164、0.9331、0.9779、0.9744、0.8515、0.9737、0.9840、0.7131、0.3767、0.7592、0.9404、0.8600、0.0000、0.1895、0.7715。可以看出有林地與農(nóng)用地的信息熵關(guān)聯(lián)程度最大;其次是果園、桑園、其他園地。這說明有林地、果園、桑園、其他園地等土地利用類型面積所占比例的快速變化是影響長株潭區(qū)域農(nóng)用地利用結(jié)構(gòu)信息熵的主要因素。今后要繼續(xù)完善土地利用規(guī)劃體系,加大農(nóng)村土地綜合整治力度,優(yōu)化用地結(jié)構(gòu)。3.4不同類型土地利用結(jié)構(gòu)及空間分布在對長株潭區(qū)域各區(qū)縣1996-2008年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進行計算之后,本文根據(jù)研究區(qū)域的地域特點,參考董杰、陳志、石培基等學者在土地利用結(jié)構(gòu)信息熵研究中的分類標準,通過征詢專家意見,按照土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在1996年到2008年的變化率(S)大小將長株潭區(qū)域各區(qū)縣分為四大類,即快速下降區(qū)(S>-10%)、慢速下降區(qū)(-10%≤S<-1%)、基本穩(wěn)定區(qū)(-1%≤S≤1%)、慢速上升區(qū)(1%<S≤10%),按照2008年長株潭區(qū)域23區(qū)縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的區(qū)域差異分為三種類型區(qū),即高熵值區(qū)(H>1.4)、中熵值區(qū)(1.2≤H≤1.4)、低熵值區(qū)(0<H<1.2)。結(jié)果詳見表4,圖3和圖4。根據(jù)表4和圖3可以看出:在1996年到2008年十三年間,長株潭區(qū)域各區(qū)縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在時間維分為四種類型:快速下降區(qū)、慢速下降區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、慢速上升區(qū)。信息熵快速下降區(qū)包括岳麓區(qū)、芙蓉區(qū)、雨花區(qū)、天心區(qū)、雨湖區(qū),屬于經(jīng)濟最為發(fā)達的市轄區(qū);信息熵慢速下降區(qū)包括開福區(qū)、寧鄉(xiāng)縣、炎陵縣;信息熵基本穩(wěn)定區(qū)包括岳塘區(qū)、湘鄉(xiāng)市、蘆淞區(qū)、荷塘區(qū)等12個區(qū)縣;信息熵慢速上升區(qū)包括天元區(qū)、望城縣、長沙縣、瀏陽市。根據(jù)表4和圖4可以看出:2008年長株潭區(qū)域各區(qū)縣土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵在空間差異分為三種類型區(qū):高熵值區(qū)(H>1.4)、中熵值區(qū)(1.2≤H≤1.4)、低熵值區(qū)(0<H<1.2)。高熵值區(qū)主要分布在長株潭中部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和西部較發(fā)達地區(qū),隨著向東、向南的發(fā)展,信息熵逐漸降低,低熵值區(qū)主要分布在瀏陽市和炎陵縣。說明在長株潭中西部地區(qū)土地利用類型比例較均衡,面積相差較小,越向東、向南越不均衡,各職能類型的土地面積相差越大。其中高熵值區(qū)包括岳麓區(qū)、開福區(qū)等十三個區(qū)縣,這些區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較快,其園地、林地、居民點及工礦用地、交通用地和水利設(shè)施用地的比重一般來說相對較高,土地利用結(jié)構(gòu)趨于平衡。城鎮(zhèn)化進程快,土地利用結(jié)構(gòu)變化較大,從而土地利用結(jié)構(gòu)的無序化程度較高。城鎮(zhèn)用地的擴張導致區(qū)域耕地資源總量的不斷減少,人地矛盾日益加劇,土地生態(tài)系統(tǒng)的紊亂度增大,應(yīng)該在保護生態(tài)環(huán)境的前提下,嚴格控制耕地數(shù)量,提高耕地質(zhì)量;適度開發(fā)未利用地資源,同時改造農(nóng)村居民點用地,充分利用城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤,合理調(diào)節(jié)土地利用結(jié)構(gòu)。中熵值區(qū)包括天心區(qū)、株洲縣等七個區(qū)縣,這些區(qū)域處于經(jīng)濟發(fā)展相對較快階段,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和非農(nóng)建設(shè)也占用較多土地,但各種用地的相對變化比例較平衡,土地利用較為均衡,應(yīng)該根據(jù)該類型區(qū)7個區(qū)縣的不同土地利用特點,加強對用地比重較低的土地資源類型的開發(fā)利用,以促進區(qū)域土地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展及社會經(jīng)濟發(fā)展。低熵值區(qū)有瀏陽市、炎陵縣、芙蓉區(qū),其中芙蓉區(qū)是長沙的老城區(qū),是上世紀長沙市的政治經(jīng)濟中心,各項建設(shè)用地變化不大,土地利用結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較穩(wěn)定。瀏陽市林地面積較大,1996年占該區(qū)的比例是69.16%,2008年仍占68.79%,林地面積變化較小,生態(tài)效益較強,土地利用結(jié)構(gòu)相對單一。炎陵縣地處湖南省東南部,羅霄山脈中段,井岡山西麓,東與江西交界,經(jīng)濟社會發(fā)展相對較慢,城市化水平低,土地利用結(jié)構(gòu)也較為單一,林地面積比例一直維持在81%以上,相對而言土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整較緩慢。瀏陽市和炎陵縣的林地資源豐富,可以充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢,結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H確定最佳土地利用目標,大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè),開展農(nóng)業(yè)旅游與農(nóng)業(yè)水果產(chǎn)業(yè),以促進本地經(jīng)濟的發(fā)展。5結(jié)論和討論5.1不同地區(qū)、不同經(jīng)濟組織土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在空間維(1)從整體上看,長株潭區(qū)域耕地、園地、水域、未利用地面積所占比例呈遞減趨勢,居民點及工礦用地、交通用地所占比例呈遞增趨勢,林地、牧草地基本持平。變化的主要原因是長株潭區(qū)域經(jīng)濟社會快速發(fā)展建設(shè)的占用和生態(tài)退耕。(2)長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值在時間上具有動態(tài)變化規(guī)律,在1996-2008年期間總體呈先上升后下降,然后再上升的趨勢變化。反映了該區(qū)域土地利用系統(tǒng)的有序程度先下降后上升,然后再下降。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的增加具體表現(xiàn)在未利用地和建設(shè)用地的此消彼長,導致該區(qū)土地利用系統(tǒng)向相對無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變,土地生態(tài)系統(tǒng)的紊亂度增大,必須提高土地資源配置效率與集約利用水平。(3)林地、交通用地等土地利用類型面積所占比例的高低是影響長株潭區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的主要因素;有林地、果園、桑園等土地利用類型面積所占比例的高低是影響農(nóng)用地利用結(jié)構(gòu)信息熵的主要因素。(4)各區(qū)縣土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在空間維上表現(xiàn)區(qū)域分異規(guī)律,高熵值區(qū)有岳麓區(qū)、開福區(qū)、望城縣、長沙縣、寧鄉(xiāng)縣、荷塘區(qū)、蘆淞區(qū)、天元區(qū)、石峰區(qū)、岳塘區(qū)、湘潭縣、湘鄉(xiāng)市、韶山市等區(qū)(縣),這些區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較快,土地利用結(jié)構(gòu)趨于平衡;中熵值區(qū)為雨花區(qū)、天心區(qū)、株洲縣、攸縣、茶陵、醴陵市、雨湖區(qū)等區(qū)(縣),這些區(qū)域處于經(jīng)濟發(fā)展相對較快階段,土地利用較為均衡