基于信息熵與空間洛倫茲曲線的土地利用空間結(jié)構(gòu)分析——以重慶市合川區(qū)為例

邊 靜，何多興，田永中，尚勇敏

（西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶400715）

近年來，學(xué)術(shù)界對區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的時空變化特征及其驅(qū)動機制、區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)合理度評價與優(yōu)化、區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變化的環(huán)境影響等方面進行了大量的研究［1－4］。由于土地利用系統(tǒng)在時空條件下具有結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)性、有序性特征，而且土地利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有序程度可以用信息熵進行描述和分析，因此一些學(xué)者將信息熵引入土地利用結(jié)構(gòu)研究中。不同學(xué)者借助信息熵原理對不同城市進行了土地利用結(jié)構(gòu)演化與空間分布研究，揭示了城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的時間與空間上的發(fā)展規(guī)律，從整體上反映了不同區(qū)域土地利用的變化與有序程度［5－10］。但是空間信息熵的研究局限于不能分別描述每一種土地利用結(jié)構(gòu)，只能從整體上反映區(qū)域土地利用系數(shù)的有序程度。而洛倫茲曲線可以直觀反映某種土地利用類型在空間上的分布差異性，能很好地彌補信息熵的這一局限性。陳軍偉、張品超以及鄧晶等利用空間洛倫茲曲線的方法對北京、重慶等地開展了土地利用空間結(jié)構(gòu)分析，展示了各種土地利用類型在空間上分布特色與變化規(guī)律［11－13］。

本文將信息熵與空間洛倫茲曲線相結(jié)合，基于2009年的全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)，選取耕地、園地、林地、牧草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他用地8種地類分類體系，對重慶市合川區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)進行空間上的分析，以期為區(qū)域的土地可持續(xù)利用和人地關(guān)系的和諧提供科學(xué)性的決策依據(jù)。

1 研究方法

1．1 信息熵

設(shè)一個區(qū)域的土地總面積為S，該區(qū)域的土地利用類型數(shù)為n，各種土地利用類型的面積為Si（i＝1，2，…，n），各種土地利用類型的面積占該區(qū)域土地總面積的比例為Pi，計算公式為

信息熵的表達式為 H＝－∑（Piln Pi） （2）式中：H——信息熵（Nat）。當(dāng)各類土地面積相等，即時，信息熵最大，即H＝ln n。max

信息熵可以反映一定區(qū)域土地利用類型的多少、各種土地利用類型面積分布的均勻程度、各種土地利用類型的有序程度、某一時段內(nèi)各種土地利用結(jié)構(gòu)類型的動態(tài)變化及其轉(zhuǎn)換程度，其研究對于區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有指導(dǎo)性的意義。一般情況下，信息熵越大，土地利用越無序；反之，信息熵越小，結(jié)構(gòu)性越強［2］。土地系統(tǒng)越有序，說明其系統(tǒng)的健康程度越高，越有利于生產(chǎn)活動的開展。均衡度J和優(yōu)勢度I描述了城鎮(zhèn)土地利用類型之間面積大小的差異。

1．2 空間洛倫茲曲線

（1）利用各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2009年的各地類土地利用原始數(shù)據(jù)，求取各鄉(xiāng)鎮(zhèn)某地類的區(qū)位熵。其計算公式為

式中：Q——各地類的區(qū)位熵；A1——某鄉(xiāng)鎮(zhèn)某種土地利用類型的面積；A2——某土地類型總面積；A3——某鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地總面積；A4——土地總面積。

（2）按各地類區(qū)位熵大小，依次列出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各地類面積占某土地類型總面積的百分比以及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地面積占土地總面積的百分比，并計算累計百分比。

（3）以總土地面積累計百分比為橫坐標(biāo)，以某地類面積累計百分比為縱坐標(biāo)，各取100的長度，繪出坐標(biāo)圖，以各累計數(shù)繪制坐標(biāo)點，最后得到土地利用空間洛倫茲曲線。

洛倫茲曲線為向外凸的曲線，與橫坐標(biāo)成45°夾角時，稱為絕對均勻線。各地類曲線至絕對均勻線的離差就是該地類實際分布與其在全區(qū)均勻分布的差異測度。越接近絕對均勻線，曲線離差較小，表明該地類在全區(qū)分布越均勻；反之，離絕對均勻線較遠的曲線，表明該土地利用類型在全區(qū)中的區(qū)域分布差異較大，即分布相對分散［7－9］。洛倫茲曲線可以直觀顯示某種土地利用類型在地域上的配置及其對比關(guān)系，為在實踐上分析土地利用布局的差異性和合理性，明確未來土地利用目標(biāo)提供了很好的方法。

2 研究區(qū)域

2．1 研究區(qū)地理概況

合川區(qū)位于四川盆地東部，地處重慶市北大門，東西寬69 k m，南北距58 k m，全區(qū)幅員面積2 343．21 k m2。地理坐標(biāo)在北緯29°51′02″－30°22′24″，東經(jīng)105°58′37″－106°40′37″。東鄰渝北區(qū)、岳池縣，南靠北碚區(qū)、璧山縣，西連銅梁、潼南縣，北接武勝、蓬溪縣和華鎣市。全境地貌大致分為平行嶺谷和平緩丘陵兩大類型：東南邊緣之華鎣山為平行嶺谷地形，分布面積359 k m2，占幅員面積的15．32%；西北部廣大地區(qū)，屬川中丘陵盆地，為平緩丘陵地型，分布面積1 997．21 k m2，占幅員面積的85．23%。合川區(qū)屬亞熱帶溫濕氣候區(qū)，多年平均氣溫18．1℃，四季分明。年平均相對濕度79%，最大相對濕度83%，最小相對濕度15%。降水充沛，多年平均降水量1 112 mm左右，5－10月6個月共降水平均為711．32 mm，占全年降水的64%；1－4月及11－12月6個月共降水平均為400．32 mm，占全年36%。年平均日照數(shù)為1 315．7 d，年平均氣壓98 460 Pa。歷年各月都以偏北風(fēng)最多，多年平均風(fēng)速為1．8 m／s，瞬時最大風(fēng)速28 m／s，最多風(fēng)向為NW。

2．2 研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀

2009年合川區(qū)土地總面積為23 4407．49 h m2。其中，耕地121 190．5 h m2，占土地總面積的51．70%；園地面積為7 930．6 h m2，占土地總面積的3．38%；林地面 積為 34 394．59 h m2，占 土地 總面 積 的14．67%；牧草地面積為9 499．98 h m2，占土地總面積的4．05%；城鎮(zhèn)村及工礦用地為21 027．94 h m2，占8．97%；交通運輸用地2 913．31 h m2，占1．24%；水域及水利設(shè)施用地13 705 h m2，占5．85%；其他用地23 745．59 h m2，占10．13%。

3 合川區(qū)信息熵空間分區(qū)分布

選取2009年合川區(qū)各街鎮(zhèn)的土地利用數(shù)據(jù)進行計算和分析。由圖1可以看出，合川區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為1．54，各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的差異明顯。在30個街鎮(zhèn)中，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵高于全區(qū)平均值的有9個街鎮(zhèn)：合陽城街道、釣魚城街道、南津街街道、渭沱鎮(zhèn)、銅溪鎮(zhèn)、鹽井街道、草街街道、雙鳳鎮(zhèn)和太和鎮(zhèn)；其余21個街鎮(zhèn)的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵均低于全區(qū)平均值。

從總體上看，熵值普遍偏低，也從另一個側(cè)面反映了合川區(qū)土地利用處于低水平的有序發(fā)展階段。均衡度較大的有南津街街道、鹽井街道、草街街道，分別為0．85，0．84，0．80。均衡度最低的是肖家鎮(zhèn)與龍市鎮(zhèn)，分別為0．51和0．57。其分布與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵大體一致。相反，優(yōu)勢度最高的為肖家鎮(zhèn)（0．49）與龍市鎮(zhèn)（0．43），最低的為南津街街道（0．15）、鹽井街道（0．16）與草街街道（0．20）。

圖1 2009年合川區(qū)年各街鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值

3．1 高熵值區(qū)

信息熵高值區(qū)包括南津街街道、釣魚城街道等9個街鎮(zhèn)，其土地利用信息熵值都在1．5以上。土地利用類型多樣，并且各土地利用類型的面積相差較小，土地利用結(jié)構(gòu)趨于均衡。主要分布在合川區(qū)南部經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)，占合川區(qū)土地總面積的33．68%。土地利用類型以耕地、林地與城鎮(zhèn)村及工礦用地為主。耕地、林地、城鎮(zhèn)村及工礦用地的面積分別為34 320．21，14 270．69，8 581．39 h m2，占髙熵值區(qū)總面積的48．49%，20．16%，12．12%，均高于合川區(qū)該種地類的平均值。

近年該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較快，人口密度大，城鎮(zhèn)化進程快。城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施用地的變化較快，土地利用結(jié)構(gòu)變化較大，進而土地利用結(jié)構(gòu)的無序化程度較高。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的高值具體表現(xiàn)在城鎮(zhèn)用地的擴張，導(dǎo)致該區(qū)耕地資源總量的不斷減少，同時人口向城鎮(zhèn)的集中，導(dǎo)致人地矛盾日益加劇，土地生態(tài)系統(tǒng)的紊亂度增大。2009年信息熵高值區(qū)耕地面積減少498．63 h m2，人口增長了5 499人，城鎮(zhèn)村及工礦用地增加了366．94 h m2。該區(qū)域應(yīng)當(dāng)在保護生態(tài)環(huán)境的前提下，嚴(yán)格控制耕地的數(shù)據(jù)和質(zhì)量，適度開發(fā)利用的未利用地資源；改造農(nóng)村居民點用地，充分利用增減掛鉤，合理調(diào)節(jié)土地利用結(jié)構(gòu)。

3．2 中熵值區(qū)

信息熵中值區(qū)包括大石街道、錢塘鎮(zhèn)、三匯鎮(zhèn)等17個街鎮(zhèn)，其信息熵都為1．2～1．5，土地利用類型以耕地、林地為主。耕地、林地面積分別為71 898．37 h m2和18 934．89 h m2，占中值區(qū)總面積的61．80%和16．58%。該區(qū)域的發(fā)展相對穩(wěn)定，各種用地的相對變化比例平衡，土地利用結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高值區(qū)穩(wěn)定，相對有序化。但這17個街鎮(zhèn)的信息熵值均低于合川區(qū)的平均熵值（1．54），說明這些街鎮(zhèn)均處于低水平的有序狀態(tài)。該區(qū)域的其他用地比重較高，對于其他土地資源的開發(fā)利用，對促進本區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度及社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。

3．3 低熵值區(qū)

信息熵低值區(qū)包括沙魚鎮(zhèn)、龍市鎮(zhèn)、肖家鎮(zhèn)和香龍鎮(zhèn)等，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分別為1．19，1．16，1．07和1．2。耕地為主要用地類型，耕地面積為14 971．87 h m2，占該區(qū)的比例為72．53%，遠高于合川區(qū)平均值51．7%，而城鎮(zhèn)村及工礦用地和交通用地占低熵值區(qū)的比例僅為0．78%和0．37%。用地類型的變化較小，生態(tài)效益較強，發(fā)展生態(tài)特色農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢比較明顯。但是，場鎮(zhèn)緩慢的發(fā)展及不便的交通仍是限制該區(qū)的主要因素。該區(qū)域的經(jīng)濟社會發(fā)展較慢，土地利用結(jié)構(gòu)較單一，城市化水平低，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)單一，土地利用結(jié)構(gòu)不均衡，詳見圖2。

圖2 合川區(qū)各街鎮(zhèn)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵空間分區(qū)

4 合川區(qū)洛倫茲曲線分析

從圖3中可以看出，其他用地與耕地距離絕對均勻線較近，說明這兩種用地類型在合川區(qū)分布較為分散，即分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積比例大致相等。城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地和水域及水利設(shè)施用地，林地、牧草地和園地依次遠離絕對均勻線，園地曲線距絕對均勻線最遠，說明園地在合川區(qū)分布較不均衡。

圖3 合川區(qū)2009年各類土地洛倫茲曲線

可以根據(jù)空間洛倫茲曲線的斜率和拐點位置判斷某鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用的專門化程度［12］。空間洛倫茲曲線得到的分析結(jié)果基本上與現(xiàn)實情況相符合。某一條洛倫茲曲線上的各點從坐標(biāo)軸0點開始，先后順序與該種土地利用類型的區(qū)位熵順序一致，相鄰兩點斜率大于1的地區(qū)說明該地區(qū)某種地類在全區(qū)該地類的比例高于該鎮(zhèn)土地總面積占全區(qū)總面積的比例［11］。以圖3中城鎮(zhèn)村及工礦用地的洛倫茲曲線為例，在合陽城街道、釣魚城街道、南津街街道處的曲線斜率大于1，說明信息熵高值區(qū)的三個街道的城鎮(zhèn)村及工礦用地分布較大。三個街道以約占全區(qū)8．06%的土地上分布有占全區(qū)19．37%的城鎮(zhèn)村及工礦用地。以圖3中的耕地洛倫茲曲線為例，沙魚鎮(zhèn)、肖家鎮(zhèn)、龍市鎮(zhèn)、香龍鎮(zhèn)處的斜率都大于1，說明位于信息熵低值區(qū)的鎮(zhèn)分布有較多的耕地資源，東北部的四個鎮(zhèn)以占全區(qū)9．63%的土地分布有占全區(qū)12．35%的耕地。以園地的洛倫茲曲線為例，古樓鎮(zhèn)處的斜率大于1，說明古樓鎮(zhèn)分布有較多的園地資源，該鎮(zhèn)以占全區(qū)2．07%的土地分布中有占全區(qū)8．08%的園地。再以圖3中的水域及水利設(shè)施用地的空間洛倫茲曲線為例，在雙鳳鎮(zhèn)處的斜率大于1，說明水域及水利設(shè)施用地在信息熵中值區(qū)的雙鳳鎮(zhèn)的分布較多，實際情況是，雙鳳鎮(zhèn)以占2．687 5%的土地上分布有占全區(qū)3．176 1%的總水域及水利設(shè)施用地。

同時根據(jù)空間洛倫茲曲線還可以分析各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用特色，如三匯鎮(zhèn)林地占全區(qū)林地總面積的9．52%，位于空間洛倫茲曲線斜率較大的部分，而園地僅占全區(qū)的0．98%，相應(yīng)的三匯的林地資源豐富?？梢猿浞职l(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H確定最佳土地利用目標(biāo)，大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)并推進土地的集約利用，以優(yōu)化整個地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)［13］。草街街道辦事處、釣魚城街道辦事處水域面積比例較大，可充分利用該優(yōu)勢資源特點開發(fā)相應(yīng)的河運經(jīng)濟。雙鳳鎮(zhèn)有一定的果園面積，可充分利用大片李子果園，開展農(nóng)業(yè)旅游與農(nóng)業(yè)水果產(chǎn)業(yè)。釣魚城街道辦事處有大片面積的古戰(zhàn)場遺址都可大力發(fā)展人文旅游產(chǎn)業(yè)等。

5 結(jié) 論

（1）本文引入土地利用結(jié)構(gòu)信息熵描述土地系統(tǒng)的有序度，其信息熵值越大，土地系統(tǒng)越無序，反之則越有序。由于不同區(qū)域的自然社會經(jīng)濟條件不同，土地職能類型不同，用單一指標(biāo)信息熵來反映土地系統(tǒng)的有序程度，其結(jié)果不具有可比性；均衡度與優(yōu)勢度的意義在于考慮了土地職能數(shù)據(jù)量的影響，能很好彌補信息熵分析的不足。合川區(qū)整體土地利用結(jié)構(gòu)處于低水平的有序狀態(tài)，信息熵值具有明顯的區(qū)域差異，可分為高、中、低三個熵值區(qū)，土地利用的無序程度依次降低；均衡度的分布規(guī)律與信息熵值相一致［14－15］。

（2）然而信息熵雖能從宏觀上反映某區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)變化，但不能說明較小尺度土地利用結(jié)構(gòu)的變化，即整體但不能具體表征局部地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)有序與無序程度。利用空間洛倫茲曲線可直觀地反映區(qū)域土地利用類型在空間上的配置及其對比關(guān)系。合川耕地與其他用地的分布較為均衡，園地、林地和牧草地的分布則相對集中。同時空間洛倫茲曲線還能反映局部地區(qū)的土地利用特色，可以充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H確定最佳土地利用目標(biāo)，大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)并推進土地的集約利用，以優(yōu)化整個地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)。

（3）利用信息熵研究土地利用結(jié)構(gòu)時，需進一步對區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)合理性的臨界值進行研究，將土地利用信息熵作為衡量土地利用結(jié)構(gòu)合理程度的尺度［16］。

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