長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空測(cè)度與演化*

郭榮中，申海建，楊敏華

(1.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省測(cè)繪科技研究所，長(zhǎng)沙 410007；3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

土地是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件，城市的發(fā)展對(duì)區(qū)域資源環(huán)境和區(qū)域生態(tài)安全產(chǎn)生了不同程度的影響。近年來(lái)，很多學(xué)者從不同角度對(duì)不同區(qū)域的土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究。Wolter等[1]對(duì)1992—2001年美國(guó)大湖流域土地利用覆被變化情況進(jìn)行了研究。Engstr?m等[2]利用節(jié)省參數(shù)模型對(duì)全球農(nóng)業(yè)土地利用變化進(jìn)行了分析。雷征等[3]采用對(duì)比分析方法深化了對(duì)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力研究。石培基等[4]采用主成分分析法分析了引起區(qū)域土地利用變化的主要影響因素。王居午等[5]、潘薈交等[6]探討了紹興市、崇州市土地利用變化的時(shí)空規(guī)律。劉敬財(cái)?shù)萚7]、張立峰等[8]、喬家君等[9]、司慧娟等[10]分別從不同的空間尺度上對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)演變規(guī)律進(jìn)行了探索。李文彥等[11]、車(chē)臣等[12]在對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用灰色模型對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。邊靜等[13]、安明珠等[14]、劉影等[15]基于信息熵和空間洛倫茲曲線對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。張群等[16]、謝賢健[17]基于信息熵和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。譚術(shù)魁等[18]運(yùn)用計(jì)量地理模型、信息熵的方法，分析湖北省17個(gè)市(州)土地利用結(jié)構(gòu)的地域差異。長(zhǎng)株潭地區(qū)作為助推湖南加快全面小康建設(shè)的重要引擎，正進(jìn)入提速發(fā)展的大好時(shí)期，人類(lèi)活動(dòng)正日益影響和改變著區(qū)域土地利用的結(jié)構(gòu)與方式。文章基于Shannon熵理論[19]，從時(shí)間和空間的角度對(duì)研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以期為長(zhǎng)株潭地區(qū)優(yōu)化土地資源結(jié)構(gòu)和布局提供參考依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域土地利用與生態(tài)建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)域范圍和地理位置

長(zhǎng)株潭地區(qū)位于湖南省中東部丘陵區(qū)(圖1)，地理位置為：東經(jīng)111°53′～114°15′，北緯26°03′～28°41′。下轄3個(gè)地級(jí)市，具體為長(zhǎng)沙市、株洲市、湘潭市，共12個(gè)市轄區(qū)，4個(gè)縣級(jí)市，7個(gè)縣。

截止2014年底，研究區(qū)域土地總面積280.693 3萬(wàn)hm2，其中耕地63.963 2萬(wàn)hm2，園地2.317 1萬(wàn)hm2，林地148.597 4萬(wàn)hm2，草地3.934 6萬(wàn)hm2，城鎮(zhèn)村及工礦用地31.406 4萬(wàn)hm2，交通運(yùn)輸用地6.508 0萬(wàn)hm2，水利及水利設(shè)施用地18.284 9萬(wàn)hm2，其他土地5.681 8萬(wàn)hm2。總?cè)丝? 408.52萬(wàn)人，占全省19.56%；地區(qū)生產(chǎn)總值1.173 539萬(wàn)億元，占全省41.52%；人均地區(qū)生產(chǎn)總值8.331 7萬(wàn)元；城市化水平達(dá)65.99%。2014年，長(zhǎng)株潭GDP中，第一產(chǎn)業(yè)606.48億元，第二產(chǎn)業(yè)6 503.91億元，第三產(chǎn)業(yè)4 625.00億元，三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為5.17 ∶55.42 ∶39.41。

2 資料來(lái)源

該研究以長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空變化為研究對(duì)象，其土地面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于自然資源部門(mén)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)。為了讓研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和一致性，對(duì)于2002—2008年數(shù)據(jù)，該文以第二次土地調(diào)查公布的土地面積為基數(shù)，利用土地變更調(diào)查地類(lèi)增減的資料逐年反推計(jì)算得到；2009—2014年則直接采用第二次調(diào)查成果及其年度變更數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、糧食產(chǎn)量、水土流失面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于同期湖南統(tǒng)計(jì)年鑒和湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒。

3 研究方法

3.1 土地利用變化分析

單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度(K)可表達(dá)區(qū)域一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類(lèi)型的數(shù)量變化情況[20]，即：

K=(Ub-Ua)/Ua×T-1×100%

(1)

式(1)中：Ua、Ub分別為研究期初、期末一種土地利用類(lèi)型的數(shù)量；T為研究時(shí)段長(zhǎng)，設(shè)定為年。

3.2 信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度

信息熵的概念在1948年由Shannon提出之后，就廣泛應(yīng)用于地理、物理、生物等學(xué)科，是一種對(duì)不確定性的量度，可以用來(lái)描述和刻畫(huà)土地利用結(jié)構(gòu)的有序程度[21,22]，其大小反映土地利用類(lèi)型的多少和各類(lèi)土地利用類(lèi)型面積分布的均勻程度。

設(shè)一個(gè)地區(qū)的土地總面積為A，則有：

(2)

式(2)中：n指土地利用類(lèi)型，Ai是每種類(lèi)型的面積。

設(shè)各種土地利用類(lèi)型占總面積的比例Pi為：

Pi=Ai/A

(3)

依照Shannon熵定義土地利用信息熵為[21]

(4)

式(4)中：H為信息熵，單位為奈特(Nat)。土地利用類(lèi)型越多，各類(lèi)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)的有序性程度越低。

基于信息熵公式，可以定義土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度與優(yōu)勢(shì)度[23]：

(5)

式(5)中：J為均衡度，H是實(shí)際熵值，Hmax為最大熵值。由于H≤Hmax，可知0≤J≤l。所以當(dāng)J=0時(shí)，土地處于最不均勻狀態(tài)，J=l時(shí)，則土地利用類(lèi)型達(dá)到理想的平衡狀態(tài)。

相應(yīng)地，優(yōu)勢(shì)度反映區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地利用類(lèi)型支配該區(qū)域土地類(lèi)型的程度，它與均衡度的意義相反，表達(dá)式為：

I=1-J

(6)

式(6)中：I為優(yōu)勢(shì)度。

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)分析

3.3.1 灰色GM(1，1)模型構(gòu)建

先將微分方程離散化，利用一次累加生成后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為求解線性方程組，用矩陣表示為

其中:

(7)

(8)

3.3.2 灰色GM(1，1)模型精度檢驗(yàn)

對(duì)于建立的微分方程模型的精度需檢驗(yàn)后才能用于預(yù)測(cè)，檢驗(yàn)方式為殘差檢驗(yàn)，方法如下。

…

(9)

通過(guò)計(jì)算殘差ε(0)(t)及其相對(duì)誤差q(0)(t)進(jìn)行殘差檢驗(yàn)：

(10)

q(0)(t)=ε(0)(t)/x(0)(t)×100%

(11)

相對(duì)誤差越小|q(0)|，表示模型精度越高。

4 長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)演變結(jié)果與分析

4.1 土地利用類(lèi)型面積動(dòng)態(tài)變化與特征

根據(jù)2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用類(lèi)型面積變化情況(表1)，從表1可知：2002—2014年，研究區(qū)域內(nèi)各類(lèi)土地利用均發(fā)生了較大的變化。從變化數(shù)量上看，只有城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積凈增，城鎮(zhèn)村及工礦用地增加5.190 5萬(wàn)hm2；交通運(yùn)輸用地增加1.469 9萬(wàn)hm2。耕地等其他6種土地類(lèi)型的土地面積都是凈減，其中林地減少最多，達(dá)2.169 2萬(wàn)hm2；其次是耕地，達(dá)2.033 2萬(wàn)hm2。從變化幅度來(lái)看：交通運(yùn)輸用地變化幅度最大，高達(dá)29.18%；其次是園地，為-27.89%；最小的是林地，僅為-1.44%。

由式(1)計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)單一土地利用類(lèi)型動(dòng)態(tài)度(表1)，從表1可知：交通運(yùn)輸用地變化幅度最大，為2.43%；其次是園地，為-2.32%；最小的是林地，僅為-0.12%。

表1 2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用類(lèi)型面積變化和動(dòng)態(tài)度

4.2 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)間上的動(dòng)態(tài)變化

由式(2)、式(3)和式(4)根據(jù)2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用類(lèi)型面積動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進(jìn)行計(jì)算和分析，同時(shí)由式(5)和式(6)計(jì)算均衡度與優(yōu)勢(shì)度，結(jié)果詳見(jiàn)表2。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵動(dòng)態(tài)變化情況見(jiàn)圖2。

表2 2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)比例及其信息熵

圖2 2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵演變

從表2可以看出，研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵從2002年的1.350 3 Nat上升到了2014年的1.362 3 Nat，僅上升了0.012 0 Nat，這說(shuō)明13年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化幅度不大。由圖2也可以看出，研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，具體如下：2002—2004年逐步下降，由起始值(1.350 3 Nat)下降到2004年的最小值(1.342 5 Nat)；這說(shuō)明在2002—2004年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用系統(tǒng)的有序程度提高。2004—2008年基本維持穩(wěn)定，至2008年緩慢增加達(dá)到1.344 1 Nat，后期持續(xù)上升至最大值1.362 3 Nat。因2007年國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)長(zhǎng)株潭城市群兩型社會(huì)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)以后，各項(xiàng)建設(shè)迅速發(fā)展，建設(shè)用地逐年增加，導(dǎo)致了土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的不斷上升。

4.3 農(nóng)用地內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)信息熵動(dòng)態(tài)變化

為更深入分析農(nóng)用地內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)，根據(jù)2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用變更數(shù)據(jù)中的三級(jí)農(nóng)用地地類(lèi)，對(duì)研究區(qū)域2002—2014年農(nóng)用地土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進(jìn)行計(jì)算(表3)。

表3 2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)用地結(jié)構(gòu)信息熵

由表3可知,長(zhǎng)株潭地區(qū)農(nóng)用地結(jié)構(gòu)信息熵從2002年的1.221 56Nat持續(xù)下降到2014年的1.201 76Nat，這說(shuō)明農(nóng)用地結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生調(diào)整，向相對(duì)有序的方向發(fā)展。

4.4 長(zhǎng)株潭地區(qū)各縣(市、區(qū))土地利用結(jié)構(gòu)信息熵動(dòng)態(tài)變化

對(duì)2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)各縣(市、區(qū))土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進(jìn)行計(jì)算之后，根據(jù)研究區(qū)域的地域特點(diǎn)，通過(guò)征詢專(zhuān)家意見(jiàn)，按照土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在2002—2014年的變化率(S)大小將長(zhǎng)株潭地區(qū)各縣(市、區(qū))分為4種類(lèi)型，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%1.40)、中熵值區(qū)(1.20≤H≤1.40)、低熵值區(qū)(0

表4 2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)各縣(市、區(qū))土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空分異

圖3 2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時(shí)空變化格局

根據(jù)表4和圖3a可以看出：2002—2014年13年，長(zhǎng)株潭地區(qū)各縣(市、區(qū))土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵在時(shí)間維分為4種類(lèi)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)包括雨花區(qū)、芙蓉區(qū)、天心區(qū)等3個(gè)區(qū)；信息熵慢速下降區(qū)包括岳麓區(qū)、開(kāi)福區(qū)、寧鄉(xiāng)縣、蘆淞區(qū)、天元區(qū)、石峰區(qū)、株洲縣、湘潭縣等8個(gè)縣(區(qū))；信息熵基本穩(wěn)定區(qū)包括攸縣、茶陵縣、炎陵縣、醴陵市、雨湖區(qū)、湘鄉(xiāng)市、韶山市等7個(gè)縣(市、區(qū))；信息熵慢速上升區(qū)包括望城區(qū)、長(zhǎng)沙縣、瀏陽(yáng)市、荷塘區(qū)、岳塘區(qū)等5個(gè)縣(市、區(qū))。

由表4和圖3(b、c、d)可知：2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)各縣(市、區(qū))土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵在空間差異分為3種類(lèi)型區(qū)：高熵值區(qū)(H>1.40)、中熵值區(qū)(1.20≤H≤1.40)、低熵值區(qū)(0

以2014年為例，高熵值區(qū)包括岳麓區(qū)、開(kāi)福區(qū)等14個(gè)縣(市、區(qū))，這些區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，土地利用結(jié)構(gòu)趨于平衡。中熵值區(qū)包括株洲縣、攸縣、醴陵市等3個(gè)縣(市)，這些區(qū)域處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)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(duì)變化比例較平衡。低熵值區(qū)有雨花區(qū)、芙蓉區(qū)、天心區(qū)、瀏陽(yáng)市、茶陵縣和炎陵縣等6個(gè)縣(市、區(qū))，其中雨花區(qū)、芙蓉區(qū)、天心區(qū)是長(zhǎng)沙市的舊城區(qū)，建設(shè)用地比例穩(wěn)中有升，由2002年的49.00%,72.08%,55.43%分別快速增長(zhǎng)到2014年的82.53%,87.89%,70.67%，土地利用結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定。瀏陽(yáng)市土地利用結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，尤其是林地面積較大，2002年占該市的比例是68.77%，2014年仍占67.85%。茶陵縣和炎陵縣地處湖南省東南部，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相對(duì)較慢，土地利用結(jié)構(gòu)也較為單一。

4.5 土地利用結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)分析

以2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度為基礎(chǔ)，利用灰色GM(1，1)模型即式(10)和式(11)預(yù)測(cè)研究區(qū)域2017—2026年土地利用信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度狀況，預(yù)測(cè)模型見(jiàn)表5。

表5 長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵預(yù)測(cè)模型

表6 2014年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵模型值與實(shí)際值對(duì)比

表7 2017—2026年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵預(yù)測(cè)

通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差來(lái)檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的精度，相對(duì)誤差越小，表示精度越高。由表5可知，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度的相對(duì)誤差值分別為0.20%,0.20%,0.02%，這表明預(yù)測(cè)模型可信度高。

同時(shí)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，該文將通過(guò)預(yù)測(cè)模型計(jì)算出來(lái)的2014年的模型值與實(shí)際值進(jìn)行比較，并計(jì)算出相對(duì)誤差，見(jiàn)表6。計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)誤差均小于5%，模型通過(guò)檢驗(yàn)。

根據(jù)表5中的預(yù)測(cè)模型，分別預(yù)測(cè)2017—2026年長(zhǎng)株潭地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7，到2026年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵上升到1.397 4Nat；均衡度上升到0.667 8Nat；優(yōu)勢(shì)度下降到0.332 5，土地利用的均質(zhì)性不斷增強(qiáng)，土地利用結(jié)構(gòu)向相對(duì)無(wú)序的方向發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)從整體上看，2002—2014年，長(zhǎng)株潭地區(qū)各種土地利用類(lèi)型均發(fā)生了較大的變化。耕地、園地、林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地面積凈減，其中林地減少最多，達(dá)2.169 2萬(wàn)hm2。城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地面積凈增，城鎮(zhèn)村及工礦用地增加居首位，達(dá)5.190 5萬(wàn)hm2。研究區(qū)域土地利用類(lèi)型變化的主要原因是長(zhǎng)株潭地區(qū)城市化水平不斷提高，尤其是在2007年獲批兩型社會(huì)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)之后，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大量占用及生態(tài)退耕[25]。要求當(dāng)?shù)卣仨殗?yán)格保護(hù)耕地尤其是基本農(nóng)田，堅(jiān)持“一要吃飯”、“二要建設(shè)”基本原則長(zhǎng)期不動(dòng)搖，嚴(yán)格控制非農(nóng)建設(shè)占耕，各項(xiàng)建設(shè)必須堅(jiān)決執(zhí)行土地利用總體規(guī)劃，嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)、園區(qū)等外延擴(kuò)張占用耕地。

(2)長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值在時(shí)間上具有動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，在2002—2014年總體呈先下降后上升的變化趨勢(shì)。反映了該區(qū)域土地利用系統(tǒng)的有序程度先上升再下降。當(dāng)?shù)卣仨毟叨戎匾暎罅μ岣咄恋刭Y源配置效率與集約利用水平，優(yōu)化城市土地利用結(jié)構(gòu)，合理布局城市用地，在功能分區(qū)上實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃，優(yōu)化環(huán)境配套設(shè)施，提高土地集約利用效益。保持城市土地的自然生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

(3)各縣(市、區(qū))土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在時(shí)間維上體現(xiàn)區(qū)域差異。信息熵快速下降區(qū)包括雨花區(qū)、芙蓉區(qū)、天心區(qū)3個(gè)區(qū)，屬于經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的市轄區(qū)；信息熵慢速下降區(qū)包括岳麓區(qū)等8個(gè)縣(區(qū))；信息熵基本穩(wěn)定區(qū)包括攸縣等7個(gè)縣(市、區(qū))；信息熵慢速上升區(qū)包括望城區(qū)等5個(gè)縣(市、區(qū))。各縣(市、區(qū))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，2014年，高熵值區(qū)有岳麓區(qū)等14個(gè)縣(市、區(qū))；中熵值區(qū)為株洲縣等3個(gè)縣(市)；低熵值區(qū)為雨花區(qū)等6個(gè)縣(市、區(qū))。高熵值區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度最快，土地利用結(jié)構(gòu)趨于平衡；中熵值區(qū)土地利用較為均衡；低熵值區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)相對(duì)單一。

(4)利用灰色GM(1，1)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)可以看出，到2026年長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，優(yōu)勢(shì)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，土地利用結(jié)構(gòu)向相對(duì)無(wú)序的方向發(fā)展。