基于信息熵的河津市土地利用結(jié)構(gòu)時序變化及驅(qū)動力分析

劉 澤

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

目前，土地利用已成為全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域和前沿課題[1-2]，而土地本身具有結(jié)構(gòu)和功能的有序性特征，是具有耗散結(jié)構(gòu)的自然歷史綜合體，在時間上表現(xiàn)出演替的階段、過程和規(guī)律[3-6]。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵可以全面反映一定時期內(nèi)研究區(qū)土地利用類型的變化和轉(zhuǎn)換情況，對研究區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整具有很好的指導(dǎo)作用[7]。近年來，國內(nèi)學(xué)者借助信息熵理論分別針對不同地域開展了一系列的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵研究[8-12]，但對縣域范圍的研究甚少。

本研究借助信息熵、均衡度和優(yōu)勢度原理，分析和探討山西省河津市土地利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)演變特征及其驅(qū)動力，以期對該地區(qū)土地資源的合理配置和可持續(xù)利用起到積極的促進(jìn)作用，同時也為該市新一輪土地利用總體規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河津市位于山西省運(yùn)城市西北角以及黃河、汾河交匯處，東迎汾水，與稷山縣為鄰；西隔黃河，與韓城市相望；南有臺地，與萬榮縣毗連；北依呂梁，與鄉(xiāng)寧縣接壤。介于北緯35°28′17″～35°47′15″之間，東經(jīng)110°32′15″～110°50′45″之間，土地總面積593 km2。河津市下轄2個街道辦事處2鎮(zhèn)5鄉(xiāng)，2008年末全市總?cè)丝?8.94萬人，城鎮(zhèn)化率為43.74%。2008年全市實現(xiàn)生產(chǎn)總值201.56億元，比2007年同期增加9%，三產(chǎn)結(jié)構(gòu)比例為1.7∶69.6∶28.7。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1997—2008年河津市的土地利用變更數(shù)據(jù)來源于河津市國土資源局，相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來源于《河津市統(tǒng)計年鑒》。由于所收集的土地變更數(shù)據(jù)2003年前和2003年后的分類系統(tǒng)不同，為了便于分析，以我國1984年頒發(fā)的土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)為基礎(chǔ)、土地用途為劃分依據(jù)，將研究區(qū)土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、其他農(nóng)用地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水利設(shè)施用地和未利用地8個一級類。

2.2 研究方法

首先利用信息熵、均衡度、優(yōu)勢度理論與方法，對山西省河津市市域1997—2008年土地利用結(jié)構(gòu)動態(tài)變化進(jìn)行分析；然后利用SPSS17.0軟件對影響河津市土地利用結(jié)構(gòu)變化的主要經(jīng)濟(jì)社會指標(biāo)進(jìn)行主成分分析；最后利用多元線性回歸分析的方法建立研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化的驅(qū)動力模型。

3 河津市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時序變化分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵、 均衡度以及優(yōu)勢度理論

“熵”是一個物理概念，信息論中用它來衡量隨機(jī)無約束程度[13]。土地作為自然歷史的綜合體，具有耗散結(jié)構(gòu)特性，并且其結(jié)構(gòu)和功能是有序的。土地的演變受到自然、社會等各種因素的綜合影響，表現(xiàn)出自發(fā)性和不可逆性，這滿足耗散結(jié)構(gòu)理論的假設(shè)，因此，土地利用的結(jié)構(gòu)特征用信息熵表示是合適的[7]。

3.1.1 信息熵 假定研究區(qū)土地總面積為S，該區(qū)域的土地利用類型為n 種，各個類型的土地面積為Si（i＝1，2，3，…，n），則有：

Pi為各類土地利用類型的面積占該區(qū)域土地總面積的比例，則有：

式中，H 為信息熵，其大小反映了土地利用類型的多少以及各類型面積分布的均勻程度，熵越大，類型越多。表明各類型的面積相差越小，則利用越均衡。當(dāng)各類面積相等時（S1＝S2＝…＝SN＝S/n），熵達(dá)到最大，即Hmax＝ln n，這表明土地利用達(dá)到了均衡狀態(tài)。

3.1.2 均衡度與優(yōu)勢度 實際應(yīng)用中，由于區(qū)域不同或同一區(qū)域發(fā)展階段的差異，導(dǎo)致土地分類標(biāo)準(zhǔn)不同；但土地利用類型數(shù)量不同時，土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵比較起來會缺乏可信度。因此，學(xué)者們在信息熵的基礎(chǔ)上，提出了土地利用均衡度的概念[15]。

式中，J 為均衡度，是實際熵與最大熵的比值，反映了土地利用的均衡程度。由于H≤Hmax，所以0≤J≤1，當(dāng)J＝0時，土地利用結(jié)構(gòu)最不均勻；當(dāng)J＝1時，土地利用類型達(dá)到理想平衡。

式中，I 為優(yōu)勢度，其反映的是一種或者幾種土地類型對該區(qū)域土地類型的支配程度，意義與均衡度正好相反。

3.2 河津市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時序變化分析

3.2.1 信息熵值變化分析 對河津市1997—2008年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵（表1）的分析表明，1997—2008年河津市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵由1997年的1.389 5增長到2008年的1.459 1，總體呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢，這表明河津市土地利用系統(tǒng)總體的發(fā)展方向是有序度不斷降低，結(jié)構(gòu)性逐漸減弱。

河津市土地利用信息熵經(jīng)歷了3個顯著的變化階段（圖1）：第1階段是1997—2002年河津市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵處于平穩(wěn)增長期，從1997年的1.389 5增長到2002年的1.412 4，年均增長0.382%；第2階段是2002—2006年河津市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵處于快速上升階段，由2002年的1.4124增長到2006年的1.450 7，年均增長0.958%，說明土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，分析發(fā)現(xiàn)，造成這種變化的主要原因是這一階段河津市開始實施退耕還林政策，城市化步伐加快，各類型用地面積差異縮小，導(dǎo)致了土地利用結(jié)構(gòu)信息熵快速增加；第3階段是2006—2008年河津市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵處于劇烈上升后的緩慢增長階段，3年間僅增長了0.008 4。

表1 河津市1997—2008 年土地利用結(jié)構(gòu)及其信息熵的變化

3.2.2 均衡度、優(yōu)勢度變化分析 由圖2可知，1997—2008年河津市土地利用結(jié)構(gòu)均衡度與信息熵呈現(xiàn)出一致的變化，即不斷上升，而優(yōu)勢度則是不斷減小，說明河津市農(nóng)業(yè)用地特別是耕地和未利用地向其他用地類型的轉(zhuǎn)化促使其信息熵增大，從而使得土地利用結(jié)構(gòu)更加均衡；同時，河津市耕地和未利用地支配該區(qū)域土地類型的程度降低，使得其優(yōu)勢度呈下降趨勢。

4 河津市土地利用結(jié)構(gòu)演變的驅(qū)動力分析

土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度反映土地利用結(jié)構(gòu)的變化，因此，對影響河津市土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動力進(jìn)一步分析，了解土地利用的變化機(jī)制很有必要。土地利用結(jié)構(gòu)的影響因素主要包括自然因素和人文因素。在較短的時間尺度上，具有累積效應(yīng)的自然因素相對比較穩(wěn)定，而社會經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動效應(yīng)則相對更為活躍，所以，社會經(jīng)濟(jì)因素應(yīng)該是分析土地利用變化的重要因素。

4.1 分析指標(biāo)的選取

在影響土地利用變化的諸多因素中，社會經(jīng)濟(jì)活動是導(dǎo)致土地利用變化發(fā)生的主要原因。利用主成分分析法，將河津市影響土地利用結(jié)構(gòu)變化的9個經(jīng)濟(jì)社會驅(qū)動力因子情況列于表2。

表2 主成分分析

本研究根據(jù)主成分分析法的要求，并結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)資料情況，采用河津市1997—2008年與土地利用相關(guān)的9個指標(biāo)作為影響土地利用結(jié)構(gòu)變化的經(jīng)濟(jì)社會驅(qū)動力因子：年末總?cè)丝冢╔1，萬人），非農(nóng)業(yè)人口（X2，萬人），GDP（X3，億元），社會固定資產(chǎn)投資額（X4，萬元），社會消費(fèi)品零售總額（X5，萬元），農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值（X6，萬元），工業(yè)總產(chǎn)值（X7，萬元），第2產(chǎn)業(yè)比例（X8，%），第3產(chǎn)業(yè)比例（X9，%），這些指標(biāo)基本涵蓋了人口、社會結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等，具有較強(qiáng)覆蓋性和代表性（表2）。

4.2 主成分分析

運(yùn)用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，計算各驅(qū)動力因子的特征值、各自對研究區(qū)土地利用變化的貢獻(xiàn)率以及累積貢獻(xiàn)率（表3）。然后利用正交矩陣的特征得出旋轉(zhuǎn)之后的主成分載荷矩陣（表4）。

表3 特征值及主成分貢獻(xiàn)率分析

表4 旋轉(zhuǎn)后主成分載荷矩陣

由表3可知，第1、第2主成分的累積貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到96.521%＞85%，完全符合分析要求。由表4可知，第1主成分與年末總?cè)丝冢╔1，萬人）、非農(nóng)業(yè)人口（X2，萬人）、GDP（X3，億元）、社會固定資產(chǎn)投資額（X4，萬元）、社會消費(fèi)品零售總額（X5，萬元）、農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值（X6，萬元）、工業(yè)總產(chǎn)值（X7，萬元）7個指標(biāo)有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，而這些因子與區(qū)域人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系密切，因而，第1主成分可以被認(rèn)為是人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展的代表。第2主成分主要與第2產(chǎn)業(yè)比例（X8，%）、第3產(chǎn)業(yè)比例（X9，%）有關(guān)，說明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對用地結(jié)構(gòu)變化影響較大。

4.3 驅(qū)動因子的多元線性回歸模型

對河津市土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因子主成分分析得知，9大因子與土地利用結(jié)構(gòu)變化都有一定的相關(guān)性。因此，利用表2中的樣本數(shù)據(jù)，再根據(jù)歷年來土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值，借助SPSS的多元線性回歸分析工具，對土地利用結(jié)構(gòu)變動的驅(qū)動力進(jìn)行進(jìn)一步定量分析，得到河津市信息熵變化與驅(qū)動因子的多元線性回歸模型：

式中，Y 代表土地利用結(jié)構(gòu)信息熵。

5 結(jié)論

通過對河津市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵及其驅(qū)動力的實證分析，得出幾點(diǎn)結(jié)論。河津市1997—2008年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度都呈現(xiàn)增長趨勢，表明12 a來河津市土地利用結(jié)構(gòu)逐漸向均衡狀態(tài)發(fā)展，各用地類型的面積差別逐漸縮小，土地利用系統(tǒng)無序度在增加。但優(yōu)勢度與信息熵、均衡度變化相反，呈下降趨勢。河津市用地結(jié)構(gòu)動態(tài)演變的信息熵經(jīng)歷了3個階段：1997—2002年的平穩(wěn)增長期，2002—2006年的快速上升期和2006—2008年劇烈上升后的緩慢增長期。通過主成分分析方法分析得出，影響河津市土地利用結(jié)構(gòu)變化的主要經(jīng)濟(jì)社會驅(qū)動力為人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，其中，人口經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響最為明顯。通過多元線性回歸模型，揭示了土地利用變化與驅(qū)動因子的相互關(guān)系。

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