蘭州市土地利用結構信息熵的初步確立

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

研究土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)的特點正從“全球到區域”轉變到“自然到人文”領域，區域土地利用演變已發展為當前研究的焦點[1]。一定研究區域各種土地利用結構類型的動態演變規律及其國土規劃調整可以通過信息熵計算，其計算結果可用于調整土地利用結構和指導城市規劃的編制與實施。我國學者利用信息熵對不同區域進行了大量研究，如王秀紅等的研究成果為分析土地利用問題與制定土地退化防治對策提供了理論支撐[2]。陳彥光等通過研究城市土地利用功能劃分的相關內容得出了結論：土地分異介于紊亂與有序之間是一個合理的城市土地功能劃分的特點[3]。本文基于Shannon等人創立的Shannon熵理論[4]，對蘭州市土地利用結構信息熵進行計算，以便為蘭州市土地利用開發利用、城市規劃編制、國土空間土地管理等相關工作提供借鑒。

1 研究區概況

本研究所選的研究區域為蘭州市，甘肅省會，現轄五區三縣，分別是城關區、七里河區、安寧區、西固區、紅古區以及榆中縣、皋蘭縣、永登縣。蘭州市冬無嚴寒、夏無酷暑，是適合居住和創業投資的理想之地。蘭州市行政區劃圖如圖1所示。

2 研究方法—土地利用結構信息熵、均衡度、優勢度

本文采用Shannon熵公式來定義土地利用結構信息熵：

圖1 蘭州市行政區劃圖

其中，信息熵用H表示，隨機事件出現的概率用Pi表示。A被設定為某研究區域的土地總面積，土地利用類型被分成n種，每一種土地利用類型的面積表示為Ai（i=1，2，…，n），則有：各種土地利用類型占研究區域土地總面積的比例Pi=Ai/A，很容易發現，Pi顯示出歸一性。第i種土地利用類型面積占該區域土地總面積的比值用Pi表示，即用其值表示信息熵研究中事件發生的概率。

在理論研究模型中，一個單獨系統的信息熵值僅會增加，且其熵值有極大值，達到極大熵值后，在某一長時間范圍內，它反映出熵增加原理，保持熵極大值狀態，每一個不同的信息熵值都對應著不同的概率分布[5]。然而，這一理論在實際應用中，對于某一城市的特定發展時期和規劃目標建設周期，如蘭州新區的前期建設階段，或不同城市在完成國土空間發展建設任務的特定時期，土地利用結構的信息熵通常缺少比較性，因此把實際熵值與最大熵值的比值作為城市土地利用構成的均衡度（J）：

式中，J為均衡度，用其值表示研究區土地利用的均衡程度。基于H≤Hm，得出0≤J≤1。假設J=0 時，土地會變為最不平衡狀態，當J=1時，相應地，土地利用類型會達到最均勻狀態。因此可以得出，優勢度的表達式為：

優勢度I表示的意義與均衡度J相反，用來表示研究范圍內一種或幾種土地利用類型占該范圍土地類型的比例。和信息熵比較，均衡度以及與它關聯的優勢度加強了數值的可比性和指征性，基于它們的數值在0～1之間變化，得出的結果一目了然。均衡度或優勢度作為一種指數，其優越性顯而易見，即計算簡單、數值直觀和可比性強。

3 研究區土地利用結構信息熵的計算

本研究利用信息熵來描述與刻畫土地利用系統的有序程度[6]。熵越大，表示系統有序度越低，反之，有序度越高。依據信息熵的計算公式（1）、（2）、（3）對蘭州市近四年的土地利用結構信息熵進行計算（見表1），結果顯示，2015年信息熵最低，為1.2852，此后逐年上升，2018年信息熵達到最大值，為1.2915，這也反映了蘭州市經濟發展水平穩步上升，土地利用的有序程度逐年降低。

通過計算和分析蘭州市2015-2018年連續4年土地利用結構信息熵、均衡度、優勢度，發現其有序度與全國的土地利用有序度相比，相對較高，土地利用系統的平衡性比較好，這樣的結果一定程度上反映出蘭州市經濟發展水平較低，土地利用系統保持在一個低水平的有序狀態。這主要是由于蘭州市為依山傍水而建的黃河沿岸城市，牧草地所占比例大，林地、水域用地的面積所占比例相對較小。

4 信息熵與國土空間規劃的關系

近年來，蘭州市所管轄的三縣五區范圍內，在土地利用中顯現出了不同的熵值特征，尤其在蘭州市的第四版城市總體規劃中發揮了重要作用。在規劃中將進一步健全城鎮規劃體系，合理規劃都市區、中心城區、衛星城鎮，有利于土地利用結構的調整，以構筑核心發展空間，尤其是蘭州生態空間的主要承載地帶來的規劃發展，將大幅度提高生態建設水平，加快蘭州“得山獨厚、得水獨秀”現代化中心城市建設進程。尤其是將榆中縣作為蘭州副中心城市，榆中縣（蘭州高新區，副地級，包含夏官營鎮），下轄東城區（和平、定遠、連塔鄉），按照蘭州建設現代化中心城市的標準統籌榆中經濟社會各項工作，新型城鎮化和城鄉一體化會加速發展。

表1 蘭州市2015～2018年土地利用結構信息熵、均衡度、優勢度

伴隨當下國土空間規劃工作的展開，蘭州市也將會加快《蘭州市國土空間總體規劃》的編制工作。通過對蘭州市土地利用結構信息熵的研究，可以更好的為國土空間規劃提供參考意義，在尊重蘭州城市發展規律基礎上，更加明確了蘭州在蘭西城市群的引領地位和蘭白都市圈的空間格局；為確定蘭州土地利用結構的發展目標、戰略定位和城鎮發展規模和國土空間開發保護格局，明確重要管控邊界，多措并舉引導蘭州從“單極”走向“一心兩翼組合型城市”，塑造高質量發展增長極提供研究數據。

國土空間總體規劃，是貫徹新時代高質量發展理念的規劃，首先要認識到規劃是服務于發展，要與國民經濟和社會發展規劃相互銜接，做到高質量的多規合一，在十四五規劃期間實現同步。其次，要從問題導向、目標導向和結果導向出發，評估分析四版城市總體規劃執行的問題，以及土地利用結構的問題，研究蘭州空間發展的需求問題，通過城市和生態的一體化實現高質量發展，緊抓國土安全、強化經濟基礎；再次，對蘭州人口規模、土地利用結構、建筑高度與密度受限等進行研究，更好的指導土地利用開發和地方經濟建設。

5 結語

通過計算蘭州市土地利用結構信息熵，發現該地區土地利用系統存在有序度的特征，更加準確地反映出蘭州市經濟發展水平，其研究的深入可以更好、更科學地調整利用土地，對區域土地利用結構的優化具有指導意義。