信息熵在土地利用結構動態變化研究中的應用
——以重慶市北碚區為例

?廖漣漪 ，廖和平 ，楊 偉 ?

（1. 西南大學地理科學學院，重慶 400715；2. 西南大學國土資源研究所，重慶 400715；3. 重慶工程職業技術學院地質與測繪工程學院，重慶 400037）

信息熵在土地利用結構動態變化研究中的應用
——以重慶市北碚區為例

廖漣漪1,?2，廖和平1,?2，楊 偉3

（1. 西南大學地理科學學院，重慶 400715；2. 西南大學國土資源研究所，重慶 400715；3. 重慶工程職業技術學院地質與測繪工程學院，重慶 400037）

基于轉移流和信息熵理論，以北碚區為例，分析了2005～2015年重慶市北碚區土地利用的轉移流和土地利用結構信息熵動態變化，對近11 a來土地的各個利用類型的增減變化和影響熵值大小的因素進行了討論。結果表明：（1）研究期內北碚區建設用地持續增加，耕地不斷減少，其他地類有增有減。（2）單一土地利用動態度差異較大，城鎮村及工礦用地6.6%、交通運輸用地6.6%，維持較高占比，耕地11 a內呈緩慢下降趨勢，動態度變化不明顯。（3）由于居民點及工礦用地和交通用地的增加，耕地和其他土地的減少使得北碚區土地利用結構均衡度和信息熵均呈現波動式上升事態，優勢度呈現波動式下降事態。并提出合理利用北碚區土地資源的建議。

轉移流；信息熵；土地利用結構；重慶

熵的概念源自熱物理學，信息熵理論可以用來刻畫復雜系統內部的變動趨勢，隨著信息熵研究領域的不斷擴大，信息熵理論被引入到土地利用結構的研究中用來測度土地結構演變的動態性和有序性[1-5]。我國學者應用信息熵理論對不同的區域的土地利用結構動態變化進行了研究，如劉筱非等[2]對重慶市江北區的土地利用結構進行了研究與分析，認為土地利用類型的變化可用信息熵的動態演變來直接反映。周子英等[3-6]研究了長沙市土地利用結構信息熵時空變化規律，從時間角度分析了長沙市的土地利用結構時間分異情況，從空間的角度分析并研究了長沙市各個子區域的熵值變化。

研究以重慶市北碚區為例，通過2005～2015年11 a的時間尺度對北碚區土地利用時空動態特征進行分析，引入信息熵理論來研究北碚區2005～2015年土地利用結構變化的趨勢和演變原因[7-8]。通過其熵值的變化來反映和分析北碚區這11 a來的演化規律和空間格局，對其信息熵變化的驅動因素進行分析，將信息熵的社會經濟影響因子與其相關程度進行比較，以期為該區充分合理的進行土地利用的結構布局提供科學決策依據，為相似地區的土地利用結構優化和可持續利用提供參考。

1 研究區域與方法

1.1 區域概況

北碚區地處重慶市主城區西北部，區域坐標位于東經 106°18′～106°56′，北緯 29°39′～30°03′，東接渝北區，南連沙坪壩區，西界璧山區，北鄰合川區，面積為755 km2。全區下轄3個街道，12個鎮，背靠縉云山，嘉陵江環城而過。北碚區農用地、建設用地和未利用地面積分別占全區面積的66.95%、22.39%和10.66%。農用地所占比重較大，人均建設用地所占比重相對較小，全區空間分布差異十分顯著。

1.2 數據來源

社會經濟數據來源于《重慶市統計年鑒》（2006～2016年）和《北碚區統計年鑒》（2006～2016年）。土地利用數據來源于北碚區2005～2015年土地利用變更調查資料。根據北碚區的實際情況并結合國土資源部2001年頒布《全國土地分類（試行）》文件，為了全面反應土地利用結構的動態變化情況，筆者參照有關研究，對2005～2015年的北碚區變更數據進行整理分類，按照《土地利用現狀調查技術規程》中的土地利用分類系統標準進行轉換，將土地利用的類型分為耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他土地等8個大類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移流 引入動態物質變化中“流”的概念，一定的時間段內，將由某種地類轉換為另一種地類的情況叫做“土地利用轉移流”，用來表示土地利用用途變化的矢量屬性。在不同的土地利用的類型當中，由其他地類轉換為該地類的變化量稱為“轉入流”，由該種地類轉為其他地類的變化量稱之為“轉出流”[9]。轉入流與轉出流之和為該地類的“土地利用轉移流”，表示該地類中所有涉及土地利用變化的總量。轉入流與轉出流之差為土地轉移流凈值[10]。當差值為正時，表示該地類凈流入；反之，當其值為負時，表示該土地利用類型凈流出，公式如下。

式中：Lf為土地利用轉移流；Lout為轉出流；Lin為轉入流；Lnf為土地轉移流凈值。

1.3.2 單一土地利用動態度 基于土地利用轉移流的視角，對單一的土地利用變化的動態度進行分析，來更好的研究土地利用結構的變化程度。單一土地利用動態度是表示一定時間內，在研究區域中的某種土地利用類型數量變化的情況，可通過土地轉移流凈值占研究初期該土地利用類型面積的比例來表示[11]。公式如下：

式中：Ki為單一土地利用動態度；Lnf為土地轉移流凈值；Ai0為土地利用類型初期面積；T為土地利用變化時間段。

1.3.3 土地利用結構信息熵 假設1個區域的用地面積為S，根據其不同的功能可將其劃分為n個職能類型，各個職能類型的地類面積分別為S1，S2，…，Sn，則有 。依照Shannon信息熵的概念可以構造出區域的土地利用結構信息熵[12-13]，公式如下。

式中：H為土地利用結構信息熵，表明區域土地利用的均衡程度，熵值越低，呈現出不同職能的土地利用類型數越少，各職能類型的面積相差越大，土地分布越不均衡；Pi為區域中各職能類型面積占區域用地總面積的比例。當各職能地類的面積相等時，即P1=P2=…=PN=1/N時，熵值最大，表明該區域的土地利用呈現均衡狀態[11-12]。但這種均衡的狀態在現實當中很難實現，事實上，土地資源產出量可以滿足社會的需求，能夠達到預期效益即可認為是較為合理的土地利用結構。

1.3.4 土地利用結構的均衡度和優勢度 為了縮小不同發展時段的土地職能數的差異，使土地利用結構的信息熵的更具有直觀性和可比性，可以定義區域土地利用結構的均衡度，即實際熵值與最大熵值（即lnN）之比[14]，公式見（5）。

式中可知，均衡度J的變化區間為（0,1]，當J=0時，區域土地利用結構屬于最不均衡的狀態，而J=1時，區域土地利用結構達到最平衡狀態，即均衡度越大，區域的土地利用均質性就越強。相應的，引入優勢度的表達式，見公式（6）。

式（6）中：I為優勢度，優勢度反映了區域內一種或多種土地利用類型支配該區域土地利用結構的程度，與均衡度的意義相反。

2 結果與分析

2.1 土地系統動態特征分析

2.1.1 北碚區土地利用轉移流凈值變化特征 由圖1可知，2005～2015年，北碚區耕地減少4 569.45 hm2，占總面積比例由35.30%降為29.22%；城鎮村工礦用地持續增長，增長值高達6 613.68 hm2，占總面積比例由10.81%增為19.61%；草地和水域變化量不大，占總面積比例未發生變化；園地增加1 773.67 hm2，由5.39%增加為7.75%；林地增加1 442.98 hm2，由之前的27.81%增加到29.73%；未利用地減少6 328.09 hm2，由14.74%降為6.32%；交通運輸用地增加了977.02 hm2，由1.48%增加為2.78%。11 a以來，除建設用地持續增加外，其他地類有增有減。2005～2010年主要表現為林地、園地大幅增加，其他土地大幅減少；2010～2015年土地利用轉移流的凈值變化主要表現為耕地大幅度減少、城鎮村工礦用地大幅度增加。

圖1 北碚區不同時期土地轉移量凈值

2.1.2 北碚區土地利用動態度變化特征 由圖2可知，2005～2015年，單一土地利用動態度差異較大，其中，城鎮村及工礦用地6.6%、交通運輸用地6.6%、其他土地-5.30%，園地4.06%，草地0.37%，林地0.63%，耕地-1.61%；5 a尺度上，各地類土地利用動態度的差異較大，根據不同時期的土地利用類型動態度，可以將其劃分成兩個階段，第一階段是2005～2010年，第二階段是2010～2015年。耕地的土地利用動態度在第二階段稍低于第一階段，且均為負值，即耕地11 a內呈緩慢下降趨勢，動態度變化不明顯。2005～2010年園地呈快速增長趨勢，土地利用動態度達到5.5%，2010～2015年開始緩慢減少，土地利用動態度呈現負值。城鎮村及工礦用地和交通運輸用地的動態度較高，兩個階段相差不大，變化率為正值，說明11 a內北碚區城鎮化水平大幅度提高，城鎮發展較快，交通設施不斷完善。其他土地兩個階段土地利用動態度均為負值，在2005～2010年其他土地快速減少，動態度高達-16.36%，說明土地利用率不斷提高。

圖2 不同時期各土地利用類型動態度

2.2 北碚區土地利用結構時序變化分析

2.2.1 信息熵與均衡度均呈持續增長勢態 由表1可知，近11 a來，北碚區土地利用結構信息熵由2005年的1.614 1 Nat增長到2016年的1.663 1 Nat。根據2005～2015年土地變更數據，研究期內北碚區土地職能總數維持不變，土地利用結構變化直接導致信息熵的變化，其主要變化的趨勢是各職能地類逐漸趨于平衡。北碚區土地利用結構的優勢度由2005年的0.223 8降低到了2015年的0.200 2，說明主導北碚區土地利用結構的土地類型相對增加，從側面說明各職能地趨衡態勢。

2.2.2 北碚區土地利用結構信息熵變化趨勢分析 北碚區土地利用信息熵總體呈持續增長趨勢，可劃分為3個階段。第1階段：2005～2011年的快速增長階段，信息熵由2005年底的1.614 1 Nat快速增長到2011年的1.656 2 Nat，年均增長0.70%，這一階段也是北碚區社會經濟迅速發展時期，經濟的快速發展使得北碚區土地利用結構由差異化向均衡化方向發展；第二階段：2012～2015年的高熵值呈緩慢增長勢態，信息熵在1.65～1.67區間內維持著較高信息熵水平的緩慢增長，年均增長0.17%；北碚區土地利用結構的內部變化引起了信息熵的變化，具體如下。

（1）基礎配套設用地的大幅增加，居民點及工礦用地和交通用地在研究期內分別以高速增加，11 a內分別增長了76.72%、161.39%，工業化和城鎮化率的提高是建設用地持續增長的直接原因。

（2）農業內部結構調整，林地和園地增長較快，園地增量為17 km2，林地的增加量為14 km2；而耕地呈逐漸減少態勢；

（3）其他土地被大量地開墾和利用，從2005年的11 078 km2快速減少到2015年的4 750 hm2，11 a凈減少了6 328 km2。

研究期內，北碚區土地利用結構信息熵的變化情況反映了北碚區處在產業結構不斷升級改造和城市擴張、農業結構調整的過程中，農用地向非農用地轉化不斷加快，土地生態系統的平衡度逐年降低。北碚區農用地大幅度減少的趨勢，表明北碚區的土地利用結構有待提升，土地開發利用程度還有待加強。

3 土地利用結構信息熵變化影響因素分析

3.1 土地利用變化對信息熵的影響

信息熵的變化直接受土地利用變化的影響，可以通過信息熵的結果對土地利用系統的均衡性和有序性進行分析研究[15-16]，對2005～2015年北碚區土地利用類型與信息熵進行相關性分析（表2）。

表1 北碚區2005～2015年土地利用結構及其信息熵

表2 2005～2015年北碚區土地利用結構與信息熵的相關性

在顯著性水平P<0.05時，園地、林地及草地與信息熵呈正相關，其中園地相關系數最高為0.856；在顯著性水平P<0.01時，耕地和其他土地信息熵呈負相關，其中耕地相關系數最高，達到了-0.965，城鎮村及工礦用地和交通運輸用地與信息熵呈正相關，其中交通運輸用地的相關系數最大，為0.991。由土地利用結構變化與信息熵變化相關性分析可知，信息熵的變化直接受土地利用變化的影響。研究期內北碚區土地職能總數維持不變，2005～2015年，城鎮村及工礦用地和交通運輸用地占比不斷上升，耕地與其他土地持續下降，各職能地類逐漸趨于平衡，信息熵作為衡量各職能地類的均衡度，因而信息熵值呈逐漸增長趨勢。

3.2 社會經濟對信息熵的影響

對北碚區2005～2015年三大產業及地區生產總值（GDP）與信息熵進行相關性分析，結果見表3。

表3所示，在顯著性水平P<0.01時，北碚區第一、第二產業的產值與信息熵均呈正相關，其中第一產業與信息熵的相關系數為0.957，略高于第二產業；第三產業綜合的相關系數與信息熵的相關程度不高，但在第三產業中，房地產業、批發零售業與信息熵的相關性遠高于其他行業。通過分析表明，第一產業在北碚區的生產總值中仍然占據著相當大的比重，隨著農業結構的調整和經濟轉型，由第一產業用地逐步向第二、三產業用地轉移，為第二、第三產業的發展提供空間的支持，有效促進了二、三產業的發展，進而有效促進了地區經濟增長，優化北碚區的土地利用結構。

表3 2005～2015北碚區經濟與土地利用結構信息熵相關性

由分析可知第一、第二產業與信息熵呈高度正相關，即第一、第二產業的變化對信息熵影響較大。由于第二產業產值呈飛速增長勢態，第二產業的增長需要用地的支持，從而間接影響城鎮村及工礦用地和交通運輸用地占比上升。在土地利用結構與產業結構變遷過程中，由于農業本身的弱質性等原因，導致北碚區第一產業土地利用結構與產業結構匹配程度均呈現緩慢的下降趨勢，因而土地利用結構逐漸呈現趨于平衡，信息熵值也逐漸增大。

3.3 人口因素對信息熵的影響

由于城市化水平不斷提高，人口數出現巨大變化，導致了土地利用方式的變化、不同程度的加速了土地利用系統的演變，因此，人口的變化也在一定程度上對土地利用結構的信息熵值改變產生影響（表4）。北碚區作為都市功能拓展區，是新增城市人口的重要集聚區域，因此，參照2005～2015年的統計年鑒數據，對信息熵與人口數量的進行相關性分析，在顯著水平P<0.05的情況下，總人口數與信息熵總人口增量與城鎮人口增量均呈負相關，其中總人口數相關系數最高為-0.863，城鎮人口數與信息熵呈高度相關，其相關系數為0.940，說明北碚區城鎮人口數增加一定程度上促使總人口居住用地和生活用地增加，即城鎮建設用地增加，從而使得土地利用結構更加均衡，信息熵持續增長。

表4 2005～2015北碚區人口與土地利用結構信息熵相關性

4 結論與討論

利用轉移流與信息熵理論對北碚區土地利用系統進行動態分析，得到結論如下。

第一，研究期內，北碚區建設用地持續增加，耕地不斷減少，其他地類有增有減。11 a尺度間，耕地減少4 569.45 hm2，占總面積比例下降了6.08%；城鎮村工礦用地持續增長，增長值高達6 613.68 hm2，占總面積的比例增加了8.8%。

第二，研究期內，單一土地利用動態度差異較大，城鎮村及工礦用地6.6%、交通運輸用地6.6%，維持較高占比；耕地11 a內呈緩慢下降趨勢，動態度變化不明顯。說明北碚區城鎮化水平大幅度提高，城鎮發展較快，交通設施不斷完善。在2005～2010年其他土地快速減少，動態度高達-16.36%，說明北碚區的土地利用率不斷提高。

第三，北碚區土地利用結構均衡度和信息熵均呈現波動式上升事態，因而優勢度呈現波動式下降事態。其直接原因是由于居民點及工礦用地和交通用地的增加，耕地和其他土地的減少；經濟方面是由于二、三產業的快速發展，促使地類向更加均衡化方向發展。

針對北碚區土地利用變化特征，提出以下建議。

第一，平衡土地資源利用與生態保護。隨著城市化進程的加速，城鎮用地不斷的提高，致使耕地逐漸向其他地類轉換現象明顯。如不能控制耕地快速流逝勢頭，將對區域的糧食安全產生一定影響，而水域和未利用地等面積的擠壓，又會一定程度的影響區域的生態平衡。因此，要保證糧食安全和生態平衡的前提下合理利用北碚區的土地資源，努力探索資源保護與經濟發展、生態平衡的關系，不斷提高土地資源確保科學發展的能力。

第二，合理統籌土地利用類型。“十三五”期間北碚區將進一步成為產業發展、城市建設和人口聚集的重要區域。同時，作為兩江新區布局的高新技術產業園，北碚將成為重慶高新技術產業和戰略性新興產業快速聚集發展的重點區域。隨著重慶市輕軌六號線、渝廣高速公路等一大批基礎設施項的建設和投入使用，北碚已融入重慶市主城區的快速發展的軌道，區位優勢明顯提升。面對北碚區建設用地的需求與日俱增，規模不斷擴大。農用地不斷減少，土地質量和土地景觀價值不斷下降的實際，北碚區要在土地利用功能分區和空間布局的基礎上，著力做好各類用地的統籌，解決土地供需矛盾，實現土地資源要素的空間均衡，提高土地利用效率，促進城鄉統籌發展。

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The?Application?of?Information?Entropy?in?Dynamic?Change?of?Land?Use?Structure?—A?Case?Study?of?Beibei?District,?Chongqing?City

LIAO Lian-yi1，LIAO He-ping1,2，YANG Wei3
（1. School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, PRC; 2. Institute of Land Resources,Southwest University, Chongqing 400715, PRC; 3. Chongqing Vocational Institute of Engineering,Geology and Geometory Engineering School, Chongqing 400037, PRC）

Based on the theory of transfer flow and the information entropy, this research take Beibei district as an example and analyze the dynamic change of the transfer flow and the structure information entropy in the using of Beibei district land during 2005-2015, and we discuss the changes in the use of land of each type and the factors that affect the entropy size for nearly 11 years .The results are as follows : (1) During the study period, the current construction land is increasing continuously, the cultivated land is decreasing, other types increases and decreases. (2) A large difference showed in the dynamic degree of unitary land use, the proportion of the dynamic degree in urban and industrial land is 6.6%, the same situation occurs in the transport land, maintaining a high proportion, arable land showed a slow downward trend in this 11 years, and the dynamic change is not pronounced. (3) Due to the increase of land of residential areas, industrial and traffic land, the decrease of cultivated land and other land makes the degree of land use structure balance and the information entropy fluctuate upward trend, while the dominance shows fluctuating decline situation. Some suggestions of rational use of land resources in Beibei district were put forward at last.

transfer flow; information entropy; land use structure; Chongqing

F301.24

A

1006-060X（2017）11-0043-07

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.012

2017-08-08

重慶市教育委員會人文社科類重點項目（16SKGH250）；重慶市教育委員會科技項目（KJ1603202）

廖漣漪（1992-），女，重慶市人，碩士研究生，主要從事土地利用規劃方向的研究。

廖和平

（責任編輯：肖彥資）