基于信息熵的河津市土地利用結構時序變化及驅動力分析

劉 澤

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

目前，土地利用已成為全球環境變化研究的核心領域和前沿課題[1-2]，而土地本身具有結構和功能的有序性特征，是具有耗散結構的自然歷史綜合體，在時間上表現出演替的階段、過程和規律[3-6]。土地利用結構信息熵可以全面反映一定時期內研究區土地利用類型的變化和轉換情況，對研究區域的土地利用結構調整具有很好的指導作用[7]。近年來，國內學者借助信息熵理論分別針對不同地域開展了一系列的土地利用結構信息熵研究[8-12]，但對縣域范圍的研究甚少。

本研究借助信息熵、均衡度和優勢度原理，分析和探討山西省河津市土地利用結構的動態演變特征及其驅動力，以期對該地區土地資源的合理配置和可持續利用起到積極的促進作用，同時也為該市新一輪土地利用總體規劃提供理論依據。

1 研究區概況

河津市位于山西省運城市西北角以及黃河、汾河交匯處，東迎汾水，與稷山縣為鄰；西隔黃河，與韓城市相望；南有臺地，與萬榮縣毗連；北依呂梁，與鄉寧縣接壤。介于北緯35°28′17″～35°47′15″之間，東經110°32′15″～110°50′45″之間，土地總面積593 km2。河津市下轄2個街道辦事處2鎮5鄉，2008年末全市總人口38.94萬人，城鎮化率為43.74%。2008年全市實現生產總值201.56億元，比2007年同期增加9%，三產結構比例為1.7∶69.6∶28.7。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

1997—2008年河津市的土地利用變更數據來源于河津市國土資源局，相關社會經濟指標來源于《河津市統計年鑒》。由于所收集的土地變更數據2003年前和2003年后的分類系統不同，為了便于分析，以我國1984年頒發的土地利用現狀分類系統為基礎、土地用途為劃分依據，將研究區土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、其他農用地、居民點及工礦用地、交通用地、水利設施用地和未利用地8個一級類。

2.2 研究方法

首先利用信息熵、均衡度、優勢度理論與方法，對山西省河津市市域1997—2008年土地利用結構動態變化進行分析；然后利用SPSS17.0軟件對影響河津市土地利用結構變化的主要經濟社會指標進行主成分分析；最后利用多元線性回歸分析的方法建立研究區土地利用結構信息熵變化的驅動力模型。

3 河津市土地利用結構信息熵時序變化分析

3.1 土地利用結構的信息熵、 均衡度以及優勢度理論

“熵”是一個物理概念，信息論中用它來衡量隨機無約束程度[13]。土地作為自然歷史的綜合體，具有耗散結構特性，并且其結構和功能是有序的。土地的演變受到自然、社會等各種因素的綜合影響，表現出自發性和不可逆性，這滿足耗散結構理論的假設，因此，土地利用的結構特征用信息熵表示是合適的[7]。

3.1.1 信息熵 假定研究區土地總面積為S，該區域的土地利用類型為n 種，各個類型的土地面積為Si（i＝1，2，3，…，n），則有：

Pi為各類土地利用類型的面積占該區域土地總面積的比例，則有：

式中，H 為信息熵，其大小反映了土地利用類型的多少以及各類型面積分布的均勻程度，熵越大，類型越多。表明各類型的面積相差越小，則利用越均衡。當各類面積相等時（S1＝S2＝…＝SN＝S/n），熵達到最大，即Hmax＝ln n，這表明土地利用達到了均衡狀態。

3.1.2 均衡度與優勢度 實際應用中，由于區域不同或同一區域發展階段的差異，導致土地分類標準不同；但土地利用類型數量不同時，土地利用結構的信息熵比較起來會缺乏可信度。因此，學者們在信息熵的基礎上，提出了土地利用均衡度的概念[15]。

式中，J 為均衡度，是實際熵與最大熵的比值，反映了土地利用的均衡程度。由于H≤Hmax，所以0≤J≤1，當J＝0時，土地利用結構最不均勻；當J＝1時，土地利用類型達到理想平衡。

式中，I 為優勢度，其反映的是一種或者幾種土地類型對該區域土地類型的支配程度，意義與均衡度正好相反。

3.2 河津市土地利用結構信息熵時序變化分析

3.2.1 信息熵值變化分析 對河津市1997—2008年土地利用結構信息熵（表1）的分析表明，1997—2008年河津市土地利用結構信息熵由1997年的1.389 5增長到2008年的1.459 1，總體呈現出不斷增長的趨勢，這表明河津市土地利用系統總體的發展方向是有序度不斷降低，結構性逐漸減弱。

河津市土地利用信息熵經歷了3個顯著的變化階段（圖1）：第1階段是1997—2002年河津市土地利用結構信息熵處于平穩增長期，從1997年的1.389 5增長到2002年的1.412 4，年均增長0.382%；第2階段是2002—2006年河津市土地利用結構信息熵處于快速上升階段，由2002年的1.4124增長到2006年的1.450 7，年均增長0.958%，說明土地利用結構發生了較大變化，分析發現，造成這種變化的主要原因是這一階段河津市開始實施退耕還林政策，城市化步伐加快，各類型用地面積差異縮小，導致了土地利用結構信息熵快速增加；第3階段是2006—2008年河津市土地利用結構信息熵處于劇烈上升后的緩慢增長階段，3年間僅增長了0.008 4。

表1 河津市1997—2008 年土地利用結構及其信息熵的變化

3.2.2 均衡度、優勢度變化分析 由圖2可知，1997—2008年河津市土地利用結構均衡度與信息熵呈現出一致的變化，即不斷上升，而優勢度則是不斷減小，說明河津市農業用地特別是耕地和未利用地向其他用地類型的轉化促使其信息熵增大，從而使得土地利用結構更加均衡；同時，河津市耕地和未利用地支配該區域土地類型的程度降低，使得其優勢度呈下降趨勢。

4 河津市土地利用結構演變的驅動力分析

土地利用結構信息熵和均衡度反映土地利用結構的變化，因此，對影響河津市土地利用結構變化的驅動力進一步分析，了解土地利用的變化機制很有必要。土地利用結構的影響因素主要包括自然因素和人文因素。在較短的時間尺度上，具有累積效應的自然因素相對比較穩定，而社會經濟的驅動效應則相對更為活躍，所以，社會經濟因素應該是分析土地利用變化的重要因素。

4.1 分析指標的選取

在影響土地利用變化的諸多因素中，社會經濟活動是導致土地利用變化發生的主要原因。利用主成分分析法，將河津市影響土地利用結構變化的9個經濟社會驅動力因子情況列于表2。

表2 主成分分析

本研究根據主成分分析法的要求，并結合現有相關資料情況，采用河津市1997—2008年與土地利用相關的9個指標作為影響土地利用結構變化的經濟社會驅動力因子：年末總人口（X1，萬人），非農業人口（X2，萬人），GDP（X3，億元），社會固定資產投資額（X4，萬元），社會消費品零售總額（X5，萬元），農林牧漁總產值（X6，萬元），工業總產值（X7，萬元），第2產業比例（X8，%），第3產業比例（X9，%），這些指標基本涵蓋了人口、社會結構、經濟水平、產業結構等，具有較強覆蓋性和代表性（表2）。

4.2 主成分分析

運用SPSS 17.0軟件對數據進行主成分分析，計算各驅動力因子的特征值、各自對研究區土地利用變化的貢獻率以及累積貢獻率（表3）。然后利用正交矩陣的特征得出旋轉之后的主成分載荷矩陣（表4）。

表3 特征值及主成分貢獻率分析

表4 旋轉后主成分載荷矩陣

由表3可知，第1、第2主成分的累積貢獻率已經達到96.521%＞85%，完全符合分析要求。由表4可知，第1主成分與年末總人口（X1，萬人）、非農業人口（X2，萬人）、GDP（X3，億元）、社會固定資產投資額（X4，萬元）、社會消費品零售總額（X5，萬元）、農林牧漁總產值（X6，萬元）、工業總產值（X7，萬元）7個指標有很強的關聯性，而這些因子與區域人口經濟發展關系密切，因而，第1主成分可以被認為是人口經濟發展的代表。第2主成分主要與第2產業比例（X8，%）、第3產業比例（X9，%）有關，說明產業結構調整對用地結構變化影響較大。

4.3 驅動因子的多元線性回歸模型

對河津市土地利用結構變化的驅動因子主成分分析得知，9大因子與土地利用結構變化都有一定的相關性。因此，利用表2中的樣本數據，再根據歷年來土地利用結構信息熵值，借助SPSS的多元線性回歸分析工具，對土地利用結構變動的驅動力進行進一步定量分析，得到河津市信息熵變化與驅動因子的多元線性回歸模型：

式中，Y 代表土地利用結構信息熵。

5 結論

通過對河津市土地利用結構信息熵及其驅動力的實證分析，得出幾點結論。河津市1997—2008年土地利用結構信息熵和均衡度都呈現增長趨勢，表明12 a來河津市土地利用結構逐漸向均衡狀態發展，各用地類型的面積差別逐漸縮小，土地利用系統無序度在增加。但優勢度與信息熵、均衡度變化相反，呈下降趨勢。河津市用地結構動態演變的信息熵經歷了3個階段：1997—2002年的平穩增長期，2002—2006年的快速上升期和2006—2008年劇烈上升后的緩慢增長期。通過主成分分析方法分析得出，影響河津市土地利用結構變化的主要經濟社會驅動力為人口經濟發展和產業結構調整，其中，人口經濟發展的影響最為明顯。通過多元線性回歸模型，揭示了土地利用變化與驅動因子的相互關系。

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