基于信息熵的土地利用結構時空變化分析

胡祥偉 魯成樹 徐鵑

摘要 運用信息熵理論對2003—2014年安徽省土地利用結構變化進行時間序列和空間差異分析，并對影響其信息熵變化的因素進行分析。結果表明：從時間角度，安徽省土地利用結構信息熵、均衡度在研究期間分為2003—2008年上升、2008—2009年下降、2009—2013年上升3個階段，優勢度正好相反；從空間角度，信息熵的空間差異大，其空間分異規律表現為高信息熵區主要集中在江淮之間，中高信息熵南北均有分布，中低信息熵分布在沿淮地區，低信息熵區在安徽南北兩端的由長江向南北遞減的規律；各類主體功能區信息熵由大到小依次為國家級重點開發區域、省重點開發區域、限制開發區。

關鍵詞 信息熵；土地利用結構；時空分析；安徽省

中圖分類號 F301.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）03-0226-04

Abstract Using information entropy，the temporal and spatial variation of land use structure in Anhui Province during 2003-2014 were analyzed. The results showed that：from a time perspective， the information entropy and equilibrium degree divided the entropy changes into rising during 2003-2008，falling during 2008-2009 and rising during 2009-2014 from the perspective of time sequence. However，changes in the dominance index showed an opposite trend. And there was large difference among the information entropies in the three development priority zones of Anhui Province in 2014. There was a spatial distribution law for the information entropy of land use，which showed progressively decreased by the Yangtze River to north and south，the high information entropy area was mainly distributed in the Yangtze and Huaihe River， and the middle high information entropy area were distributed in the north and south of Anhui，the middle low information entropy area was distributed along the Huaihe River and the low information entropy area were at the north and south ends of Anhui.The largest information entropy was in the national key development region，the second in the provincial key development region，and the smallest in the restricted development region.

Key words Information entropy；Land use structure；Temporalspatial analysis；Anhui Province

土地利用是一個過程，土地利用系統是一定的土地類型與土地利用方式結合的產物，其實質是土地自然生態系統與土地經濟系統耦合而成的土地生態經濟復合系統，與系統外部環境之間存在著物質、能量與信息的交換[1]，土地利用系統的有序程度可以用信息熵來描述和刻畫[2]。目前，有關土地利用系統變化的研究主要集中在土地利用數量結構及其優化、空間布局及其應用、土地利用對生態系統服務影響以及土地利用變化模型等方面[3-6]。土地利用結構信息熵反映了土地系統的宏觀變化程度，近年來不少學者基于信息熵理論對土地利用結構進行了研究，選取了不同尺度區域，分別進行區域間比較[2，7-8]、典型城市土地利用演變狀況[9]以及信息熵變化原因探究[10]。筆者以安徽省為例，運用信息熵對該省土地利用結構變化進行研究，并結合土地利用分區進行分析，進一步認識安徽省土地利用系統的特征，以期為土地利用結構調整和土地資源的可持續利用提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

安徽省是我國東部襟近海的內陸省份，地理坐標為114°52′～119°39′ E、29°23′～34°39′ N，地處亞熱帶與暖溫帶過渡地區，以淮河為分界線，北部屬暖溫帶半濕潤季風氣候，南部屬亞熱帶濕潤季風氣候。地勢西南高、東北低，地形地貌南北迥異，復雜多樣；山地占31.2%、丘陵占29.5%、平原占31.3%。全省下轄16個地級市，包括合肥、蕪湖、蚌埠、淮南、馬鞍山、淮北、銅陵、安慶、黃山、滁州、阜陽、宿州、六安、亳州、池州和宣城。2014年末全省人口6 083.00萬，占全國總人口的4.45%；地區生產總值為20 848.75億元，占國內生產總值的3.24%。

2014年安徽省土地利用總面積為1 401.40 萬 hm2，截至2014年底，全省共有農用地1 116.28 萬hm2，其中耕地587.21 萬hm2，林地375.47萬hm2，園地35.18 萬hm2；建設用地196.90萬 hm2，其中城鎮村及工礦用地159.88萬hm2。隨著經濟的高速發展和城市化腳步的加快，在各種社會與自然因素的驅動下，安徽省土地利用格局發生了較為深刻的變化。以2009年為參照，至2014年，土地絕對數量減少最快的是耕地、林地和水域及水利設施用地，增長最快的是城鎮村及工礦用地；相對數量減少最快的是水域及水利設施用地，增長最快的是城鎮村及工礦用地和交通運輸用地。這種土地利用格局的變化說明在城市化和工業化快速推進的過程中，建設用地的需求大大增加，改善交通基礎設施的用地需求旺盛，而耕地和林地成為被蠶食的主要對象，為耕地占補平衡而進行土地開發整理補充耕地，又使得水域面積銳減。

1.2 數據來源及處理

土地利用數據來源于2003—2014 年安徽省土地利用變更數據以及2009年全國第二次土地調查公報，并按照分類釋義和轉換對應關系將每年的變更調查分類轉換為全國第二次農村土地調查的二級分類進行歸并。

1.3 研究方法

熵最初是一個物理學概念，表示大量分子的無序運動，后來 C.E.Shannon 將這種物理熵引入信息論中。信息熵是系統復雜性和均衡性的測度，可用來測量土地利用系統的復雜程度和有序度[8]。一般而言，信息熵值越大表明系統的有序程度越低，反之亦然。土地利用結構信息熵可綜合反映某區域在一定時段內各種土地利用類型的動態變化及其轉換程度，對于具體區域的土地利用結構調整具有一定的指導意義[2]。

1.3.1 信息熵的計算。假設一個研究區域的總面積為A，該區域的土地利用類型可分為n種，則每種利用類型的的面積為Ai（i=1，2，…，n），并記各種土地利用類型占該區域的土地總面積的比例為Pi=Ai/ A。顯然Pi具有歸一性，相當于事件發生的概率，根據Shannon的熵公式定義土地利用結構的信息熵H：

在大部分文獻中，土地利用結構信息熵均采用以e為底的自然對數，所以土地利用結構信息熵的計算公式可寫為：

假如區域內各用地類型的面積相等，即P1=P2=…= Pi=1/n時，此時區域熵值最大，為lnn；相反，當區域內土地處于未開發時，區域信息熵最小，為0。綜上，區域土地熵值大小反映土地利用類型的多少及各土地類型面積分布的均勻程度，即土地類型越多，各類型土地面積越接近，熵值就越大。土地利用結構信息熵雖然能夠反映土地利用系統的有序程度，但其大小不能判斷土地利用結構是否合理，故在對具體區域的土地利用結構進行調整時，應結合其他因素進行具體分析[8]。

1.3.2

均衡度和優勢度。若土地分類標準不同或土地分類標準相同但土地利用類型數量不同時，信息熵值就缺乏可比性。因此，基于信息熵函數構建區域土地利用結構的均衡度公式：

式中，H為信息熵，Hmax是信息熵的最大值，即為實際熵值與最大熵值的比值。由于H≤Hmax，故J的變化區間為[0，1]，J值越趨近于1，表明區域中不同職能的土地利用類型越多，各類用地的面積相差越小，土地利用結構的均衡性越強。基于均衡度的概念，可構建土地利用結構的優勢度I：

式中，I是實際信息熵增量與最大信息熵增量之比，與均衡度的意義相反，用來表示土地利用的集中度，反映了區域內一種或幾種占優勢的土地利用類型支配該區域土地的程度。

2 結果與分析

2.1 安徽省土地利用結構時序變化

利用公式（2）～（4），對2003—2014年安徽省土地利用結構及其信息熵、均衡度和優勢度進行計算，結果見表 1。由表1可知：①2003—2014年安徽省土地利用結構有較大的波動，信息熵最低值為1.489 9 Nat（2009年），最高為1.574 8 Nat（2006、2007年）；可劃為上升（2003—2008年）—下降（2008—2009年）—上升（2009—2014年）3個階段，第一次上升為波動緩慢上升，第二次為平穩上升，而下降較為突兀。②均衡度與信息熵的變化趨勢一致，也是上升—下降—上升；而優勢度的變化趨勢則正好相反。

進一步分析土地利用的內部變化，發現形成以上第一階段和第三階段趨勢的主要原因是：①建設用地大幅增加，第一階段城鎮村及工礦用地和交通用地分別增長5.22萬、1.48萬hm2，第二階段城鎮村及工礦用地和交通用地分別增長7.69萬、2.69萬hm2，這是城市化和工業化帶來的最直接后果。②由于制度因素，安徽首輪退耕還林工程于第一階段的2002—2005年實施，2003—2005年林地面積增長較快，而耕地和草地減少明顯，特別草地2005年減少幅度最大，達3.62%；第三階段后國土資源部將掛鉤周轉指標納入年度土地利用計劃管理，安徽省積極進行土地復墾和整理，耕地面積減少速度變緩，城鎮村及工礦用地中農村居民點用地面積銳減。③第一階段和第三階段均對水域及水利設施用地中的河流水面與坑塘水面進行整理，提高土地利用率。這2個階段的變化過程說明安徽省在快速的發展過程中，由于城市擴張與產業發展的需求導致農用地轉為非農用地進程加快，導致土地利用系統的紊亂度逐年加大，在這一過程中政府的調控措施又減緩了這種趨勢。信息熵在第二階段出現了大幅下降，原因是在第二次土地調查中采用了新的土地分類標準，使得部分土地利用類型面積發生了大幅度上升或者下降，信息熵值降低，也表明土地利用系統在第二次土地調查后趨于穩定，有序度得以提升。

將2009年安徽省土地利用結構信息熵與全國相應年份土地利用結構信息熵進行橫向比較，結果（表2）發現前者明顯低于后者。這說明安徽省土地利用系統的有序性高于全國，結構性強于全國土地利用系統。

2.2 安徽省土地利用結構的空間差異及分析

根據安徽省2014年各區域土地利用現狀，計算得出土地利用結構的信息熵、均衡度和優勢度（表3）。可見，全省16個地級市中高于各市平均值（1.294 0）的有合肥（1.414 6）、蕪湖（1.482 4）、馬鞍山（1.444 8）、銅陵（1.553 2）、安慶（1.496 1）、滁州（1.401 6）、宿州（1.399 8）、六安（1.464 8）、宣城（1.325 7），這些市除了宿州、宣城外均地處江淮地區，最大信息熵為銅陵市的1.553 2 Nat。而地處皖南、皖北的蚌埠、淮南、淮北、黃山、阜陽、亳州、池州7市，其土地利用信息熵均低于各市平均水平，其中黃山市最低，為0.913 9 Nat。總體上看，安徽省各地級市信息熵在空間上呈現出由皖江向南北遞減的規律。全省土地利用結構的均衡度空間特征與信息熵基本一致，相應地土地利用類型的優勢度呈相反規律變化。運用SPSS的 K-Means 聚類分析將各區域分為高信息熵、中高信息熵、中低信息熵、低信息熵4類，之后利用 ArcGIS 得到安徽省區域土地利用信息熵空間格局（圖1）。

每個城市主體功能對其土地利用方式有極大的影響，故有必要從這個角度來分析其土地利用空間特征。《安徽省主體功能區規劃》將安徽省國土空間劃分為重點開發（國家重點開發區域與省重點開發區域）、限制開發（國家農產品主產區與重點生態功能區）和禁止開發3類主體功能區，禁止開發區主要為各類自然保護區，故結合重點開發與限制開發2個類型進行分析。

2.2.1

高信息熵區。主要分布在安徽省江淮地區，包括合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵、安慶、滁州、宿州、六安8市，占全省總面積的56.97%。《安徽省主體功能規劃》中，江淮地區為國家重點開發區域，是皖江城市帶承接產業轉移示范區以及合肥經濟圈主要陣地。該區土地利用系統的無序性由于負熵流的不斷輸入（社會經濟發展）而加強，均衡度也相應處于安徽省的前列，土地利用類型的優勢度漸漸變弱，其園地、林地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地的比重一般來說相對較高，土地利用結構趨于均衡。其中合肥、蕪湖、馬鞍山、銅陵均為分布在長江沿岸的工業城市，經濟發展在全省處于前列，地均生產總值大，城市化水平高，人口密集，土地利用的集約化水平相對較高；滁州、安慶、六安、宿州均為以農業為主的城市，土地利用率相對較高。

2.2.2

中高信息熵區。在南北均有分布，包括池州、宣城、淮南、淮北4市，占全省土地總面積的18.58%。《安徽省主體功能規劃》中，南部池州與宣城均為限制開發區域，是安徽省重點生態功能區，山區林地占比較大，旅游業發達；北部淮南、淮北為省重點開發區域，是重要的能源基地，也是國家重要的農產品主產區，耕地、水域及水利設施用地與城鎮村及工礦用地相對較多，土地利用結構相對均衡。

2.2.3

中低信息熵區。均分布于沿淮，為阜陽和蚌埠2市，占全省土地總面積的11.47%。《安徽省主體功能規劃》中，這2個城市均為省重點開發城鎮區域與國家農產品主產區交叉區域，2市均為全國重要的農產品生產和加工基地，其中阜陽是全省重要的能源基地、制造業基地，蚌埠為全省重要的生物醫藥基地及區域交通綜合樞紐，耕地、城鎮村及工礦用地、水利設施用地3類用地占有極大的比重，土地利用結構相對集中。

2.2.4

低信息熵區。處于安徽南北兩端，為亳州和黃山2市，占全省土地總面積的12.98%。《安徽省主體功能規劃》中，黃山為省重點生態功能區，亳州為國家農產品主產區，2市土地利用結構中農用地占有絕對優勢地位。從表 3可以看出，這2個市的優勢地類為耕地和林地，黃山林地比重為76.38%，亳州耕地比重為70.34%，土地利用結構較為單一。

3 結論與建議

利用信息熵對安徽省土地利用結構的時空變化進行分析，得到以下結論：

（1）安徽省土地利用結構信息熵、均衡度在研究期內分為波動上升—下降—平穩漸緩上升3個階段，優勢度正好相反；其空間分異表現為由長江向南北遞減的規律；在《安徽省主體功能區劃》中，各市主導功能所反映的土地利用系統有序度與各市信息熵聚類結果保持高度一致，由大到小依次為國家級重點開發區域、省重點開發區域、限制開發區。信息熵的空間差異反映出安徽省各地級市、各主體功能區的土地利用系統的有序性、結構性、均衡度都出現較大差異。

（2）總的來說，經濟越發達、越靠近長江的地級市，區域信息熵越大，土地利用系統表現為有序性越小、結構性越差、均衡度越大。第一階段（2003—2008年）和第三階段（2009—2013年）耕地、草地和水域及水利設施用地的減少以及建設用地的增加是導致信息熵變化的直接原因，而政府調控的措施對信息熵的變化具有重要影響；第二次全國土地調查使得第二階段（2008—2009年）信息熵迅速降低。

為了使區域內土地利用系統的功能效益得到更好的發展，結合實際情況提出以下建議：①整體上，安徽省應加大耕地保護力度，減少建設占用，控制各類建設空間無序擴張，加大農村居民點整理。②從主體功能分區角度，江淮地區在經濟發展的過程中，應適度增加城市建設空間，減少農村居住空間，大力推進節約集約用地，優先開發未利用地和廢棄地；皖北區區域內部應進行農業結構調整，加大城鎮工礦建設用地整理，適當增加區域建設用地；沿淮區應注重引導產業結構調整，在增加工礦用地的同時，還需進行農村居民點整理與工礦廢棄地復墾；皖南區應注重生態環境用地的保護，合理布局各類建設用地。

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