基于信息熵的重慶市土地利用結構時空演變及其驅動因素分析

于雪麗 郭歡歡 李燦

摘要：在對重慶市2009—2016年土地利用變更調查數據進行分析的基礎上，采用熵值函數模型分析重慶市土地利用結構動態變化，應用灰色關聯分析方法分析引起重慶市土地利用結構信息熵變化的驅動因素。結果表明，（1）2009—2016年重慶市土地利用結構信息熵總體上處于不斷調整優化過程中，呈3個發展階段：穩步增長階段（2009—2013年）、快速增長階段（2013—2014年）、持續降低階段（2014—2016年）;（2）重慶市38個區（縣、市）土地利用結構信息熵值的空間分布呈以主城區和萬州區、忠縣為信息熵高值為中心向外圍遞減的規律;（3）土地利用結構信息熵變化與第二產業產值比重、總人口、城鎮化率3個經濟社會發展因素表現出強關聯關系，與公路線路里程、第三產業產值比重、第一產業產值比重、人均GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產投資總額呈中等關聯關系。

關鍵詞：土地利用結構;信息熵;時空演變;灰色關聯;重慶市;驅動因素;熵值函數模型

中圖分類號： F301.2 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0261-05

信息熵的概念是由信息論的創始人美國數學家申農于1948年提出，隨后被眾多學者推廣應用到諸多領域[1]?！办亍弊鳛橐粋€熱力學概念，在信息論中信息熵是信息無序度的度量，根據耗散結構理論，通過引入負熵流來抵消內部熵增的方法，從而確定系統的演變方向[2]。土地資源系統作為一個典型的耗散結構系統，它是一定區域經濟、社會、環境相互作用的復合生態系統。土地利用結構是在一定區域內在非人為干擾因素和人為干擾因素的影響下，產生結構的演替和變化，它的自發性和不可逆性特征與耗散結構系統的預定假設相符[3]。因此，很多學者在對土地利用結構時空變化、土地利用結構的演化以及土地利用結構與效益變化的耦合效應等方面的研究更多地采用信息熵模型作為一種重要的研究方法[4-8]。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[2]。齊梅等對重慶市1997—2006年土地利用結構變化及其驅動力機制進行了研究[9]，但沒有從空間演變角度進行研究分析，重慶市自2010年被國家層面確定為國家中心城市以來，經濟社會進入了新的迅猛發展時期，本研究根據2017年11月發布的最新土地利用現狀分類標準，通過分析重慶市在2009—2016年新時期新的經濟社會發展背景下土地利用結構信息熵在時間維度和空間維度上的演變趨勢，并探討影響重慶市土地利用結構信息熵變化的驅動因素，以期為重慶市未來土地利用結構調整、土地利用規劃提供科學的決策依據，促進土地資源健康可持續發展。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

重慶市地處我國西南部，長江上游地區，位于105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N之間，地貌以丘陵、山地為主，其中山地占76%，有“山城”之稱。渝東、渝東南臨湖北省、湖南省，渝南接貴州省，渝西、渝北連四川省，渝東北與陜西省和湖北省相連。氣候屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫在 16～18 ℃，常年降水量為1 000～1 450 μm。幅員面積為 8.24萬km2，轄38個區縣（自治縣）。2016年末全市常住人口3 048.43萬人，城鎮化率為62.6%。全市土地利用以農用地為主，占土地總面積的比重為86.24%，建設用地和未利用地占土地總面積的比重分別為7.73%、6.03%。

1.2 數據來源

土地利用結構變化數據來自于重慶市2009—2016年土地利用現狀變更調查資料，經濟社會發展數據來自于重慶市2009—2016年統計年鑒。土地類型劃分根據中華人民共和國國土資源部印發的GBT 21010—2017《土地利用現狀分類》，并結合《中華人民共和國土地管理法》的“三大類”來劃分，將土地類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、其他農用地、居民點及城鎮工礦用地、風景名勝設施及特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、其他土地等10個二級地類，將土地利用現狀分類中的二級地類商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地合并稱為居民點及城鎮工礦用地，結合《中華人民共和國土地管理法》“三大類”中農用地的類型將三級地類農村道路、水庫水面、坑塘水面、溝渠、設施農用地、田坎提取出來合并稱為其他農用地。經濟社會發展指標采用總人口、城鎮化率、人均國內生產總值（GDP）、第一產業產值比重、第二產業產值比重、第三產業產值比重、社會消費品零售總額、全社會固定資產投資總額、全社會公路里程9個指標。

2 研究方法

在2009—2016年期間，重慶市土地利用結構不斷發生調整，居民點及城鎮工礦用地、風景名勝設施及特殊用地、交通運輸用地的比例有所提高，2009—2016年居民點及城鎮工礦用地增長率為1.70%，交通運輸用地增長率為5.31%;耕地、園地、牧草地、其他農用地、水域及水利設施用地、其他土地的比例有所下降，表明近年來重慶市經濟社會發展帶來的各方面的建設導致建設用地不斷擴張，相應帶來農用地等非建設用地減少。同時，隨著對生態環境保護的重視程度不斷提高，林地保護及退耕還林等舉措導致林地面積及比例也不斷增加，2009—2016年林地占全市土地總面積的比重增長率為0.24%。

由圖1、圖2可知，在2009—2016年期間，重慶市土地利用結構信息熵和均衡度呈“穩步增長-快速增長-持續降低”的發展態勢。重慶市土地利用結構變化趨勢大體經歷了3個發展階段： 第1個階段是2009—2013年， 土地利用結構信息熵和均衡度穩步增長，信息熵由2009年的1.471 3 Nat增長到2013年的 1.473 6 Nat，均衡度由2009年的0.639 0增長到2013年的0.640 0，但土地利用結構的變化幅度不大，土地利用結構信息熵和均衡度的年均增長率為0.039 8%，基本趨于穩定上升的態勢。這一階段重慶市土地利用結構不斷發生變化，各類用地比例逐步趨于平衡。第2個階段是2013—2014年，土地利用結構信息熵和均衡度增速加快，信息熵由1.473 6 Nat增長到1.475 0 Nat，增長率高達 0.097 1%。說明2014年重慶市土地利用結構調整步伐加快，各類用地比例變化較以往更為明顯，這一階段居民點及城鎮工礦用地、交通運輸用地增長較為明顯，其他農用地明顯減少。2014年土地利用結構信息熵和均衡度達到最高點，而優勢度相反，2014年是2009年以來的最低值，說明當時重慶市土地利用結構變化最大，而各類用地比例差別也最小，土地利用結構紊亂無序。第3個階段是2014—2016年，土地利用結構信息熵和均衡度不斷降低，信息熵與均衡度的變化幅度較大，信息熵由2014年的1.475 0 Nat下降到2016年的 1.471 7 Nat，年下降率為0.113 2%，土地利用結構處于快速調整時期，土地利用系統逐步向合理有序的方向發展，這一時期耕地面積減少與林地面積增加較為明顯，這與2014年以來重慶市實施新一輪退耕還林工作成效顯著有密不可分的關系。

3.2 土地利用結構信息熵的空間分布分析

選取重慶市2009、2016年各區（縣、市）土地利用數據，計算信息熵、均衡度、優勢度。由表2可知，從2009—2016年期間，重慶市38個區（縣、市）中除渝中區由于已發展成熟、土地已開發完畢，土地利用結構未發生變化之外，其他區（縣、市）土地利用結構信息熵均發生了變化：其中江北區、大渡口區、南岸區、沙坪壩區、九龍坡區土地利用結構信息熵有較為明顯降低，主要是由于近年來重慶市主城區經濟社會的經濟發展質量提高，經濟社會發展方式轉變，經濟增長對建設用地的增長的依賴程度降低，土地利用有序度提高造成的;巫山縣、黔江區、武隆區、秀山縣、云陽縣、奉節縣、城口縣、墊江縣、梁平區、萬州區、豐都縣、石柱縣等信息熵有所降低，以上區（縣、市）主要位于重慶市渝東北地區和渝東南地區，近年來在經濟發展、社會事業、生態保護等各方面穩步推進，林地面積不斷擴大，土地利用均衡度降低，有序度提高;涪陵區、長壽區、江津區、璧山區、合川區、永川區、南川區、潼南區、銅梁區、榮昌區等緊鄰重慶市主城區，近年來憑借良好的區位交通條件經濟社會發展速度較快，土地利用結構加快調整，建設用地比重不斷增加，農用地及其他土地等比重降低，與2009年相比土地利用結構信息熵提高，土地利用有序度降低。

在ArcGIS 10.0軟件的支持下，根據表2數據采用自然間斷法將信息熵的區域差異分為4個檔次：低值區、中低值區、中高值區、高值區，重慶市38個區（縣、市）2009、2016年信息熵的空間分布如圖3所示?？梢钥闯?，2016、2009年重慶市各區（縣、市）土地利用結構信息熵值分布趨勢基本一致，重慶市38個區（縣、市）土地利用結構信息熵值的分布基本上呈以主城區和萬州區、忠縣為信息熵高值中心向外圍遞減的規律。2016年重慶市信息熵高值區包括九龍坡區、渝北區、南岸等13個區（縣、市），信息熵中高值區包括合川區、璧山區、大足區等11個區（縣、市），信息熵中低值區包括潼南區、墊江縣、奉節縣、南川區等11個區（縣、市），信息熵低值區包括城口縣、巫溪縣、渝中區3個區（縣、市）。

信息熵值的高低與區（縣、市）土地總面積、土地利用類型數量分布狀態、經濟社會發展等因素密切相關。區域土地面積越小，某種地類的變化所引起的土地利用結構的變化幅度越大，2016年重慶市信息熵高值區13個區（縣、市）土地總面積占全市總面積的18.35%，平均每個區（縣、市）土地面積約為133 084 hm2，遠低于全市平均每個區（縣、市）土地面積的216 774 hm2。忠縣由于土地利用內部結構相對于其他區（縣、市）來說較為均衡，因此，其信息熵值也較高。信息熵值的高低區域分布受區域經濟社會發展基礎、政策、區位、交通等因素影響較大，經濟社會發展越快，人類活動強烈，對土地系統的改變越大，使土地利用無序度增加，信息熵值就越高，2016年信息熵高值區地均GDP為51.34萬元/hm2，約為全市地均GDP的2.57倍。

4 重慶市土地利用結構變化驅動因素分析

土地利用結構的不斷變化導致土地利用結構熵值發生變化，影響土地利用結構的主要因素分為人為干擾因素和非人為干擾因素。在這里非人為干擾因素在短時間內難以顯現，因此，本研究僅分析人為干擾因素對土地利用結構的影響，而人為干擾因素主要表現在經濟社會發展方面。土地利用結構與經濟社會發展相互產生作用，經濟社會發展以土地利用結構為基礎，經濟社會的發展引起經濟社會結構發生變化，反過來會對土地利用結構產生影響[10]。

根據所獲得的重慶市統計資料，在前人研究[11]的基礎上，經對比分析，選取9個經濟社會發展指標通過灰色關聯模型來進行相關性分析，它們分別為總人口（x1）、城鎮化率（x2）、人均GDP（x3）、第一產業產值比重（x4）、第二產業產值比重（x5）、第三產業產值比重（x6）、社會消費品零售總額（x7）、全社會固定資產投資總額（x8）、公路線路里程（x9）。

4.1 灰色關聯分析理論模型

作為灰色系統理論與方法的主要內容，灰色關聯分析實質上是一種幾何分析方法，關聯度就是2條曲線或2個函數變化相似程度的指標，關聯度越高，表明2條曲線的幾何形狀越相似。通過比較子因素與母因素間關聯度的大小，可科學判斷引起系統發展的主要因素與次要因素，該模型的基本思路如下：

灰色關聯度按照強度等級一般分為3個層次，0.7<γij≤1為強關聯，0.35<γij≤0.7為中等關聯，0<γij≤0.35為弱關聯[12]。

4.2 灰色關聯分析結果

根據灰色關聯度模型[13]，計算重慶市土地利用結構信息熵與經濟社會發展相關因素的關聯度，結果見表3。

由表3可看出，2009—2016年重慶市土地利用結構信息熵與經濟社會發展的關聯度排序為x5>x1>x2>x9>x6>x4>x3>x7>x8。其中，關聯性最強的是第二產業產值比重指標，最弱的是全社會固定資產投資總額指標。從關聯強度方面來看，土地利用結構信息熵與第二產業產值比重、總人口、城鎮化率呈現強關聯，與公路線路里程、第三產業產值比重、第一產業產值比重、人均GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產投資總額呈中等關聯，其中與公路線路里程指標關聯度為0.685 0，接近強關聯。綜上所述，本研究所選取的9個經濟社會指標均對重慶市土地利用結構信息熵變化有較大影響，第二產業產值比重、總人口、城鎮化率、公路線路里程等在土地利用結構中所占比重變化與土地利用結構信息熵的變化關系最為密切，其他指標對重慶市土地利用結構的影響次之。

出現上述情況的原因是重慶市工業化、城市化、農業現代化的快速推進及交通基礎設施的不斷完善，使得第二、第三產業迅速發展，吸納外來人口增多，人口城鎮化進程加快，從而導致建設用地需求不斷增加，相反農用地、未利用地由于被建設用地占用而不斷減少，土地利用結構在上述經濟社會因素的影響下不斷發生變化。

另外，重慶市人均GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產投資總額在2009—2016年呈持續增長態勢，但其增長在更大程度上反映的是經濟發展質量、人民生活水平等效率方面，對土地的直接影響相對較小，因此與重慶市土地利用結構信息熵的關聯度相對較弱。

整體而言，2009—2016年重慶市土地利用結構變化與經濟發展、城鎮化、交通改善、社會投入、社會消費等因素存在密切關聯，經濟社會的發展通過對土地的需求導致土地利用結構的變化，若對經濟社會發展加以政策因素合理引導可促使土地利用結構向科學合理的方向調整，科學優化的土地利用結構反過來進一步促進經濟社會可持續發展，同理對土地利用結構加以政策調控可在一定程度上達到調控經濟社會發展的目的。

5 結論與討論

通過對重慶市2009—2016年土地利用結構信息熵變化趨勢及其影響因素進行分析，得出以下結論：（1）2009—2016年重慶市土地利用結構信息熵和均衡度呈現出“穩步增長-快速增長-持續降低”3個發展階段。第1個階段是穩步增長階段（2009—2013年），土地利用結構的變化幅度不大，信息熵和均衡度的年均增長率為0.039 8%。第2個階段是快速增長階段（2013—2014年），土地利用結構信息熵和均衡度增速加快，信息熵增長率高達0.097 1%，土地利用結構紊亂無序。第3個階段是持續降低階段（2014—2016年），信息熵與均衡度的變化幅度較大，土地利用結構處于快速調整時期，土地利用系統逐步向合理有序的方向發展。（2）2009、2016年重慶市38個區（縣、市）土地利用結構信息熵值分布趨勢基本一致。信息熵的區域差異分為低值區、中低值區、中高值區、高值區等4個檔次，土地利用結構信息熵值的分布呈以主城區和萬州區、忠縣為信息熵高值中心向外圍遞減的規律，主要是受各區（縣、市）面積大小和經濟社會發展因素影響。（3）重慶市2009—2016年土地利用結構信息熵與第二產業產值比重、總人口、城鎮化率呈現強關聯，與公路線路里程、第三產業產值比重、第一產業產值比重、人均GDP、社會消費品零售總額、全社會固定資產投資總額呈中等關聯，經濟社會發展是引起土地利用結構變化的主要內在驅動因素。（4）土地利用結構的變化受人為因素影響較大，其中人為因素主要包括經濟社會因素、政策因素等方面，加強區域土地利用結構變化與經濟社會發展關系的研究，有助于了解土地利用的動態趨向。本研究僅僅就土地利用結構變化與經濟社會發展方面的相關性進行了研究，而對政策性因素等方面的研究欠缺，今后應該加強政策制定的科學性研究，基于土地利用的動態趨向，引導土地利用結構朝合理化方向發展，從而反過來進一步促進區域經濟和土地利用的可持續發展。

參考文獻：

[1]吳國盛. 科學的歷程[M]. 北京：北京大學出版社，2002：569.

[2]耿 紅，唐 旭，馬 玲. 基于信息熵的城市土地利用結構合理性分析[J]. 國土資源科技管理，2006，23（1）：84-87.

[3]譚 潔，朱紅梅，金衛華. 長沙市土地利用結構熵值時序分析[J]. 經濟地理，2010，30（1）：118-121.

[4]董 杰，楊春德，周秀慧，等. 山東省土地利用結構時空變化及其驅動機制分析[J]. 水土保持研究，2006，13（4）：206-210.

[5]李文波，楊鋼橋. 基于信息熵的城市土地利用結構演變分析——以武漢市為例[J]. 國土資源科技管理，2007，24（4）：96-100.

[6]孔雪松，劉艷芳，譚傳鳳. 嘉魚縣土地利用結構與效益變化的耦合效應分析[J]. 資源科學，2009，31（7）：1095-1101.

[7]趙 晶，徐建華，梅安新，等. 上海市土地利用結構和形態演變的信息熵與分維分析[J]. 地理研究，2004，23（2）：137-146.

[8]何祖慰，楊 忠，羅 輯. 西藏昌都地區土地利用結構熵值時序分析[J]. 長江流域資源與環境，2007，16（2）：192-195.

[9]齊 梅，林秀梅，王 燕. 重慶市土地利用結構信息熵時序變化及驅動力研究[J]. 國土資源科技管理，2009，26（3）：64-68.

[10]陳彥光，劉繼生. 城市土地利用結構和形態的定量描述：從信息熵到分數維[J]. 地理研究，2001，20（2）：146-152.

[11]陳榮蓉，宋光煜，信桂新，等. 土地利用結構信息熵特征與社會經濟發展關聯分析[J]. 西南大學學報（自然科學版），2008，30（7）：141-142.

[12]范建剛，謝 斌. 西北五省區糧食生產灰色關聯比較分析[J]. 干旱區資源與環境，2007，21（8）：121-125.

[13]劉亞男，李淑杰，孫 博，等. 扶余市生態服務價值對土地利用變化的響應[J]. 江蘇農業學報，2017，33（3）：592-597.