長株潭地區土地利用結構信息熵時空測度與演化*

郭榮中，申海建，楊敏華

(1.長沙環境保護職業技術學院，湖南長沙 410004；2.湖南省測繪科技研究所，長沙 410007；3.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙 410083)

0 引言

土地是人類賴以生存和發展的物質基礎和環境條件，城市的發展對區域資源環境和區域生態安全產生了不同程度的影響。近年來，很多學者從不同角度對不同區域的土地利用動態變化進行了研究。Wolter等[1]對1992—2001年美國大湖流域土地利用覆被變化情況進行了研究。Engstr?m等[2]利用節省參數模型對全球農業土地利用變化進行了分析。雷征等[3]采用對比分析方法深化了對土地利用變化的驅動力研究。石培基等[4]采用主成分分析法分析了引起區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空規律。劉敬財等[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土地利用結構演變規律進行了探索。李文彥等[11]、車臣等[12]在對區域土地利用結構變化進行分析的基礎上，運用灰色模型對其發展趨勢進行了預測。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區域土地利用結構變化進行分析和評價。張群等[16]、謝賢健[17]基于信息熵和數據包絡分析對區域土地利用結構進行了評價。譚術魁等[18]運用計量地理模型、信息熵的方法，分析湖北省17個市(州)土地利用結構的地域差異。長株潭地區作為助推湖南加快全面小康建設的重要引擎，正進入提速發展的大好時期，人類活動正日益影響和改變著區域土地利用的結構與方式。文章基于Shannon熵理論[19]，從時間和空間的角度對研究區域土地利用結構進行分析，以期為長株潭地區優化土地資源結構和布局提供參考依據，以實現研究區域土地利用與生態建設的協調發展。

1 研究區概況

圖1 研究區域范圍和地理位置

長株潭地區位于湖南省中東部丘陵區(圖1)，地理位置為：東經111°53′～114°15′，北緯26°03′～28°41′。下轄3個地級市，具體為長沙市、株洲市、湘潭市，共12個市轄區，4個縣級市，7個縣。

截止2014年底，研究區域土地總面積280.693 3萬hm2，其中耕地63.963 2萬hm2，園地2.317 1萬hm2，林地148.597 4萬hm2，草地3.934 6萬hm2，城鎮村及工礦用地31.406 4萬hm2，交通運輸用地6.508 0萬hm2，水利及水利設施用地18.284 9萬hm2，其他土地5.681 8萬hm2。總人口1 408.52萬人，占全省19.56%；地區生產總值1.173 539萬億元，占全省41.52%；人均地區生產總值8.331 7萬元；城市化水平達65.99%。2014年，長株潭GDP中，第一產業606.48億元，第二產業6 503.91億元，第三產業4 625.00億元，三次產業結構為5.17 ∶55.42 ∶39.41。

2 資料來源

該研究以長株潭地區土地利用結構信息熵時空變化為研究對象，其土地面積等基礎數據來源于自然資源部門第二次土地調查數據。為了讓研究區域土地利用結構變化數據具有連續性和一致性，對于2002—2008年數據，該文以第二次土地調查公布的土地面積為基數，利用土地變更調查地類增減的資料逐年反推計算得到；2009—2014年則直接采用第二次調查成果及其年度變更數據。社會經濟、人口、糧食產量、水土流失面積等基礎數據來源于同期湖南統計年鑒和湖南農村統計年鑒。

3 研究方法

3.1 土地利用變化分析

單一土地利用類型動態度(K)可表達區域一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[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型的數量；T為研究時段長，設定為年。

3.2 信息熵、均衡度和優勢度

信息熵的概念在1948年由Shannon提出之后，就廣泛應用于地理、物理、生物等學科，是一種對不確定性的量度，可以用來描述和刻畫土地利用結構的有序程度[21,22]，其大小反映土地利用類型的多少和各類土地利用類型面積分布的均勻程度。

設一個地區的土地總面積為A，則有：

(2)

式(2)中：n指土地利用類型，Ai是每種類型的面積。

設各種土地利用類型占總面積的比例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)。土地利用類型越多，各類型的百分比相差越小，土地利用信息熵越大，土地利用系統的有序性程度越低。

基于信息熵公式，可以定義土地利用結構的均衡度與優勢度[23]：

(5)

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

相應地，優勢度反映區域內一種或幾種土地利用類型支配該區域土地類型的程度，它與均衡度的意義相反，表達式為：

I=1-J

(6)

式(6)中：I為優勢度。

3.3 土地利用結構變化預測分析

3.3.1 灰色GM(1，1)模型構建

先將微分方程離散化，利用一次累加生成后的時間序列數據，轉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

對于建立的微分方程模型的精度需檢驗后才能用于預測，檢驗方式為殘差檢驗，方法如下。

…

(9)

通過計算殘差ε(0)(t)及其相對誤差q(0)(t)進行殘差檢驗：

(10)

q(0)(t)=ε(0)(t)/x(0)(t)×100%

(11)

相對誤差越小|q(0)|，表示模型精度越高。

4 長株潭地區土地利用結構演變結果與分析

4.1 土地利用類型面積動態變化與特征

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

由式(1)計算出長株潭地區單一土地利用類型動態度(表1)，從表1可知：交通運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年長株潭地區土地利用類型面積變化和動態度

4.2 土地利用結構信息熵時間上的動態變化

由式(2)、式(3)和式(4)根據2002—2014年長株潭地區土地利用類型面積動態變化數據，對研究區域土地利用結構信息熵進行計算和分析，同時由式(5)和式(6)計算均衡度與優勢度，結果詳見表2。土地利用結構信息熵動態變化情況見圖2。

表2 2002—2014年長株潭地區土地利用結構比例及其信息熵

圖2 2002—2014年長株潭地區土地利用結構信息熵演變

從表2可以看出，研究區域土地利用結構信息熵從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，這說明13年長株潭地區土地利用結構變化幅度不大。由圖2也可以看出，研究區域土地利用結構信息熵總體呈先下降后上升的變化趨勢，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)；這說明在2002—2004年長株潭地區土地利用系統的有序程度提高。2004—2008年基本維持穩定，至2008年緩慢增加達到1.344 1 Nat，后期持續上升至最大值1.362 3 Nat。因2007年國務院批準長株潭城市群兩型社會綜合配套改革試驗區以后，各項建設迅速發展，建設用地逐年增加，導致了土地利用結構信息熵的不斷上升。

4.3 農用地內部土地利用結構信息熵動態變化

為更深入分析農用地內部結構變化的趨勢，根據2002—2014年長株潭地區土地利用變更數據中的三級農用地地類，對研究區域2002—2014年農用地土地利用結構信息熵進行計算(表3)。

表3 2002—2014年長株潭地區農用地結構信息熵

由表3可知,長株潭地區農用地結構信息熵從2002年的1.221 56Nat持續下降到2014年的1.201 76Nat，這說明農用地結構不斷發生調整，向相對有序的方向發展。

4.4 長株潭地區各縣(市、區)土地利用結構信息熵動態變化

對2002—2014年長株潭地區各縣(市、區)土地利用結構信息熵進行計算之后，根據研究區域的地域特點，通過征詢專家意見，按照土地利用結構信息熵在2002—2014年的變化率(S)大小將長株潭地區各縣(市、區)分為4種類型，即快速下降區(S<-10%)、慢速下降區(-10%≤S<-1%)、基本穩定區(-1%≤S≤1%)、慢速上升區(1%1.40)、中熵值區(1.20≤H≤1.40)、低熵值區(0

表4 2002—2014年長株潭地區各縣(市、區)土地利用結構信息熵時空分異

圖3 2002—2014年長株潭地區土地利用結構信息熵時空變化格局

根據表4和圖3a可以看出：2002—2014年13年，長株潭地區各縣(市、區)土地利用結構的信息熵在時間維分為4種類型：快速下降區、慢速下降區、基本穩定區、慢速上升區。

信息熵快速下降區包括雨花區、芙蓉區、天心區等3個區；信息熵慢速下降區包括岳麓區、開福區、寧鄉縣、蘆淞區、天元區、石峰區、株洲縣、湘潭縣等8個縣(區)；信息熵基本穩定區包括攸縣、茶陵縣、炎陵縣、醴陵市、雨湖區、湘鄉市、韶山市等7個縣(市、區)；信息熵慢速上升區包括望城區、長沙縣、瀏陽市、荷塘區、岳塘區等5個縣(市、區)。

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

以2014年為例，高熵值區包括岳麓區、開福區等14個縣(市、區)，這些區域經濟發展較快，土地利用結構趨于平衡。中熵值區包括株洲縣、攸縣、醴陵市等3個縣(市)，這些區域處于經濟發展相對較快階段，農業結構調整和非農建設也占用較多土地，但各種用地的相對變化比例較平衡。低熵值區有雨花區、芙蓉區、天心區、瀏陽市、茶陵縣和炎陵縣等6個縣(市、區)，其中雨花區、芙蓉區、天心區是長沙市的舊城區，建設用地比例穩中有升，由2002年的49.00%,72.08%,55.43%分別快速增長到2014年的82.53%,87.89%,70.67%，土地利用結構已經相當穩定。瀏陽市土地利用結構相對單一，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，經濟社會發展相對較慢，土地利用結構也較為單一。

4.5 土地利用結構變化預測分析

以2002—2014年長株潭地區土地利用結構信息熵、均衡度、優勢度為基礎，利用灰色GM(1，1)模型即式(10)和式(11)預測研究區域2017—2026年土地利用信息熵、均衡度、優勢度狀況，預測模型見表5。

表5 長株潭地區土地利用結構信息熵預測模型

表6 2014年土地利用結構信息熵模型值與實際值對比

表7 2017—2026年土地利用結構信息熵預測

通過計算相對誤差來檢驗預測模型的精度，相對誤差越小，表示精度越高。由表5可知，土地利用結構信息熵、均衡度、優勢度的相對誤差值分別為0.20%,0.20%,0.02%，這表明預測模型可信度高。

同時，為了進一步驗證預測模型的準確性，該文將通過預測模型計算出來的2014年的模型值與實際值進行比較，并計算出相對誤差，見表6。計算結果表明，相對誤差均小于5%，模型通過檢驗。

根據表5中的預測模型，分別預測2017—2026年長株潭地區的土地利用結構信息熵、均衡度、優勢度，預測結果見表7，到2026年土地利用結構信息熵上升到1.397 4Nat；均衡度上升到0.667 8Nat；優勢度下降到0.332 5，土地利用的均質性不斷增強，土地利用結構向相對無序的方向發展。

5 結論

(1)從整體上看，2002—2014年，長株潭地區各種土地利用類型均發生了較大的變化。耕地、園地、林地、草地、水域及水利設施用地、其他土地面積凈減，其中林地減少最多，達2.169 2萬hm2。城鎮村及工礦用地、交通運輸用地面積凈增，城鎮村及工礦用地增加居首位，達5.190 5萬hm2。研究區域土地利用類型變化的主要原因是長株潭地區城市化水平不斷提高，尤其是在2007年獲批兩型社會綜合配套改革試驗區之后，區域經濟社會快速發展，基礎設施建設的大量占用及生態退耕[25]。要求當地政府必須嚴格保護耕地尤其是基本農田，堅持“一要吃飯”、“二要建設”基本原則長期不動搖，嚴格控制非農建設占耕，各項建設必須堅決執行土地利用總體規劃，嚴格控制城鎮、園區等外延擴張占用耕地。

(2)長株潭地區土地利用結構信息熵值在時間上具有動態變化規律，在2002—2014年總體呈先下降后上升的變化趨勢。反映了該區域土地利用系統的有序程度先上升再下降。當地政府必須高度重視，大力提高土地資源配置效率與集約利用水平，優化城市土地利用結構，合理布局城市用地，在功能分區上實行統一規劃，優化環境配套設施，提高土地集約利用效益。保持城市土地的自然生態平衡，實現城市的可持續發展。

(3)各縣(市、區)土地利用結構信息熵在時間維上體現區域差異。信息熵快速下降區包括雨花區、芙蓉區、天心區3個區，屬于經濟最為發達的市轄區；信息熵慢速下降區包括岳麓區等8個縣(區)；信息熵基本穩定區包括攸縣等7個縣(市、區)；信息熵慢速上升區包括望城區等5個縣(市、區)。各縣(市、區)土地利用結構信息熵在空間維上表現區域分異規律，2014年，高熵值區有岳麓區等14個縣(市、區)；中熵值區為株洲縣等3個縣(市)；低熵值區為雨花區等6個縣(市、區)。高熵值區經濟發展速度最快，土地利用結構趨于平衡；中熵值區土地利用較為均衡；低熵值區土地利用結構相對單一。

(4)利用灰色GM(1，1)模型進行預測可以看出，到2026年長株潭地區土地利用結構信息熵、均衡度呈現上升趨勢，優勢度出現下降趨勢，土地利用結構向相對無序的方向發展。