基于信息熵和分形維數(shù)的長沙市土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

張盧奔+李滿春

摘要結(jié)合長沙市2005—2012年土地利用數(shù)據(jù)，通過信息熵理論和分形維數(shù)理論，對長沙市土地利用結(jié)構(gòu)變化從整體性、時序性、空間性、地類差異性4方面進行全面分析.結(jié)果表明：（1）利用信息熵理論對長沙市整體性進行分析，從時序角度將信息熵變化分成2005—2008年上升， 2008—2009年下降， 2009—2012年上升3個階段；從空間角度將各區(qū)縣（市）分成高熵值區(qū)、中熵值區(qū)、低熵值區(qū).（2）利用分形維數(shù)理論對長沙市地類差異性進行分析，隨著區(qū)域內(nèi)土地利用發(fā)生變化，則表現(xiàn)出相同年份下不同土地利用類型的復(fù)雜度變化，不同年份下相同土地利用類型的復(fù)雜度也不盡相同.

關(guān)鍵詞土地利用結(jié)構(gòu)；信息熵；分形維數(shù)；長沙市

中圖分類號F301.24文獻標識碼A文章編號10002537（2014）04000105

土地利用結(jié)構(gòu)是一個典型的受自然因素、經(jīng)濟因素和社會因素共同影響的復(fù)雜空間系統(tǒng)，由具有一定功能、特定結(jié)構(gòu)特征的要素構(gòu)成[1].土地利用結(jié)構(gòu)具有整體性、時序性、空間性、地類差異性等基本特點[2].因此可以根據(jù)這些基本特點對土地利用結(jié)構(gòu)變化進行分析.綜述國內(nèi)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：（1）土地利用結(jié)構(gòu)變化分析的立足點不夠全面，部分學(xué)者通過信息熵理論進行土地利用結(jié)構(gòu)變化分析[34]，但是信息熵理論的局限在于其不能對單個地類進行分析；部分學(xué)者通過洛倫茲曲線[56]、分形理論[78]進行土地利用結(jié)構(gòu)變化分析，但是這兩種方法缺少對整體性方面和空間角度的分析.（2）土地利用結(jié)構(gòu)分類過于籠統(tǒng)（如只有5～7類），分析不夠透徹；部分學(xué)者的土地利用分類仍采用1984年規(guī)定的土地利用分類標準，可指導(dǎo)性不強.

鑒于以上兩點，本文嘗試將整體性、時序性、空間性、地類差異性作為立足點，通過引入信息熵理論和分形維數(shù)理論，采用最新的土地利用分類對長沙市2005—2012年土地利用結(jié)構(gòu)變化展開全面分析.

1研究方法

1.1信息熵

信息熵可以反映出某一時間段內(nèi)，一定區(qū)域范圍內(nèi)各種土地利用類型分布均勻有序的程度.信息熵越大，土地利用的有序性越低，土地利用結(jié)構(gòu)性不高；反之，信息熵越小，則土地利用穩(wěn)定性越強，系統(tǒng)的健康程度越高，越有利于生產(chǎn)活動的開展[910].

1.2分形維數(shù)

2實例研究

2.1研究區(qū)概況

長沙市地處東經(jīng)111°53′～114°15′，北緯27°51′～28°41′之間.境內(nèi)地勢起伏較大，東西兩端山地環(huán)繞，中部漸趨低平.湘江由南向北貫穿長沙，市域河流水系包括瀏陽河、撈刀河、靳江河、溈水河、八曲河等.2012年長沙市常住總?cè)丝跒?14.66萬人，GDP達到6 399.91億元.本研究的評價對象為長沙市行政管轄范圍，包括芙蓉區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、望城區(qū)、長沙縣、寧鄉(xiāng)縣、瀏陽市，總面積11 815.96 km2.

2.2數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2012年經(jīng)濟和人口數(shù)據(jù)由長沙市統(tǒng)計局提供，土地利用數(shù)據(jù)以長沙市2005—2012年土地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照分類釋義和轉(zhuǎn)換對應(yīng)關(guān)系將每年的變更調(diào)查分類轉(zhuǎn)換為《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T21010—2007）確定的二級分類，并計算出2.3信息熵時空演變分析

首先從時序性的角度對長沙市土地利用結(jié)構(gòu)變化進行分析.根據(jù)公式（1）～（4）得出長沙市2005—2012年土地利用結(jié)構(gòu)變化的信息熵、均衡度和優(yōu)勢度（圖1）.可以看出長沙市信息熵變化經(jīng)歷3個階段.第一階段信息熵從2005年的1.504 4 Nat上升到2008年的1.523 3 Nat；第二階段信息熵從2008年的1.523 3 Nat下降到2009年的1.451 5 Nat；第三階段信息熵從2009年的1.451 5 Nat上升到2012年的1.473 7 Nat.均衡度與信息熵的變化趨勢一致，也是上升—下降—上升，而優(yōu)勢度的變化趨勢則正好相反.

信息熵第一階段和第三階段呈現(xiàn)上升趨勢，其原因可以歸結(jié)為三大地類內(nèi)部變化：①農(nóng)用地變化，農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整使長沙市耕地、園地、林地、牧草地和其他農(nóng)用地均呈下降趨勢，其中牧草地減少趨勢最為明顯，兩個階段的年均減少率分別為9.142 8%和3.582 1%.②建設(shè)用地變化，在第一階段，農(nóng)村居民點用地和其他建設(shè)用地呈緩慢減少趨勢，而城鎮(zhèn)工礦用地、交通運輸用地和水利設(shè)施用地呈顯著增加趨勢，其中城鎮(zhèn)工礦用地年均增長率最高，達到10.459 0%.在第三階段，五種地類均呈增加趨勢，其中交通運輸用地年均增長率最高，達到10.712 7%.③其他土地變化，第一階段水域和自然保留地呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，第三階段時期內(nèi)，長沙市積極開墾利用自然保留地，其下降趨勢加快，達到4.636 9%.信息熵第二階段大幅下降，其原因是在第二次土地調(diào)查中，對各種地類的判斷標準和統(tǒng)計口徑發(fā)生了調(diào)整，使得部分土地利用類型面積發(fā)生了大幅度上升或者下降，信息熵值降低，表明土地利用系統(tǒng)在第二次土地調(diào)查后趨于穩(wěn)2.4分形維數(shù)穩(wěn)定性分析

分形維數(shù)可以從地類差異性的角度分析單個土地類型在某年份的復(fù)雜度和穩(wěn)定性.本研究選取3個代表年份（規(guī)劃基期年2005年，進行第二次土地調(diào)查的2009年，有最新土地變更數(shù)據(jù)的2012年）進行分形維數(shù)穩(wěn)定性分析，通過ArcGIS 9.3分別提取3年內(nèi)每年12種地類的圖層，計算周長P和面積A，并取對數(shù)，形成Excel表，然后將Excel表導(dǎo)入SPSS 21軟件分別進行線性回歸分析.限于篇幅，現(xiàn)僅列舉2012年耕地、城鎮(zhèn)工礦用地、水域的ln Aln P散點圖（圖3），以及2012年土地利用類型線性回歸分析結(jié)果（表2）.

根據(jù)公式（5）和（6）計算長沙市2005、2009、2012年土地利用類型分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)（圖4），從兩個角度進行分析.

（1）相同年份下不同土地利用類型的復(fù)雜度比較，2005年復(fù)雜度從大到小順序為：水域、水利設(shè)施用地、耕地、自然保留地、其他農(nóng)用地、林地、農(nóng)村居民點用地、園地、交通運輸用地、其他建設(shè)用地、城鎮(zhèn)工礦用地、牧草地；2009年復(fù)雜度從大到小排序：水域、交通運輸用地、水利設(shè)施用地、林地、耕地、農(nóng)村居民點用地、自然保留地、園地、其他農(nóng)用地、城鎮(zhèn)工礦用地、其他建設(shè)用地、牧草地；2012年復(fù)雜度從大到小排序：水域、水利設(shè)施用地、交通運輸用地、林地、耕地、農(nóng)村居民點用地、自然保留地、園地、其他農(nóng)用地、其他建設(shè)用地、城鎮(zhèn)工礦用地、牧草地.因為水域大多是自然形成的，其形狀復(fù)雜且分布不均勻，因此復(fù)雜度相對于其他類型始終最高，建設(shè)用地以及部分生態(tài)用地（如牧草地）受人為因素影響較為明顯，相對于其他類型更加規(guī)范化，穩(wěn)定性更高，復(fù)雜度更低.

（2）不同年份下相同土地利用類型的復(fù)雜度比較，主要體現(xiàn)在：①耕地、園地、自然保留地復(fù)雜度逐漸增大，建設(shè)用地的不斷擴張，占用耕地和園地，加快了其破碎化過程，自然保留地則因為近年未利用地的不斷開發(fā)，穩(wěn)定性逐漸降低，所以耕地、園地和自然保留地都是在人為因素的影響下，復(fù)雜度越來越高，穩(wěn)定性越來越差.②林地、牧草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點用地、交通運輸用地、水利設(shè)施用地、水域復(fù)雜度先增大再減小，因為2009年以前對林地的砍伐、對牧草地的開墾以及對水域的河道整治、漁業(yè)發(fā)展較多，致使其穩(wěn)定性降低，而近年來長沙市加強了對生態(tài)環(huán)境的保護，實施相關(guān)保護規(guī)劃，利用類型逐漸朝著穩(wěn)定趨向發(fā)展，建設(shè)用地在2009年以前發(fā)展迅速，管理手段相對滯后，復(fù)雜度增大，2009年統(tǒng)一以第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行“圖數(shù)一致”管理，加強了對建設(shè)用地指標的管控，建設(shè)用地擴張速度有所減緩，穩(wěn)定性逐漸加強.

3結(jié)論與建議

本研究以信息熵理論和分形維數(shù)理論為技術(shù)支撐，選取中型城市長沙市為研究區(qū)域，從整體性、時序性、空間性、地類差異性4個立足點出發(fā)，對長沙市土地利用結(jié)構(gòu)變化進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）從整體來看，長沙市在時序上由于三大地類內(nèi)部變化以及第二次土地調(diào)查，信息熵變化可以劃分為2005—2008年的上升期， 2008—2009年的下降期， 2009—2012年的上升期3個階段.在空間上信息熵變化基本與經(jīng)濟社會發(fā)展相耦合，由中心城區(qū)向外信息熵逐漸降低，分為高熵值區(qū)、中熵值區(qū)、低熵值區(qū).

（2）從地類差異性來看，隨著區(qū)域內(nèi)土地利用發(fā)生變化，相同年份下不同土地利用類型的復(fù)雜度隨之變化；同時，不同年份下相同土地利用類型的復(fù)雜度也不盡相同.

為了更好地發(fā)展區(qū)域內(nèi)土地利用系統(tǒng)的功能效益，長沙市應(yīng)該分地區(qū)、有計劃地實行土地優(yōu)化策略.在長沙市中心城區(qū)，土地供需矛盾隨著經(jīng)濟速度加快而逐漸凸顯，應(yīng)不斷推進土地節(jié)約集約利用的創(chuàng)新.長沙市中心城區(qū)外圍的部分區(qū)（縣）應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀，以穩(wěn)定、效率為首要因素，不斷推進土地空間內(nèi)涵挖潛.長沙市遠郊地區(qū)應(yīng)繼續(xù)加強生態(tài)用地保護，以提高第三產(chǎn)業(yè)為核心，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)布局，使土地利用結(jié)構(gòu)向著有序、穩(wěn)定的方向發(fā)展.

參考文獻：

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[8]沈非，查良松，李軍利，等. 基于分維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)的蘇州市土地利用類型變化分析[J]. 土壤， 2007，39（6）：958963.

（2）不同年份下相同土地利用類型的復(fù)雜度比較，主要體現(xiàn)在：①耕地、園地、自然保留地復(fù)雜度逐漸增大，建設(shè)用地的不斷擴張，占用耕地和園地，加快了其破碎化過程，自然保留地則因為近年未利用地的不斷開發(fā)，穩(wěn)定性逐漸降低，所以耕地、園地和自然保留地都是在人為因素的影響下，復(fù)雜度越來越高，穩(wěn)定性越來越差.②林地、牧草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點用地、交通運輸用地、水利設(shè)施用地、水域復(fù)雜度先增大再減小，因為2009年以前對林地的砍伐、對牧草地的開墾以及對水域的河道整治、漁業(yè)發(fā)展較多，致使其穩(wěn)定性降低，而近年來長沙市加強了對生態(tài)環(huán)境的保護，實施相關(guān)保護規(guī)劃，利用類型逐漸朝著穩(wěn)定趨向發(fā)展，建設(shè)用地在2009年以前發(fā)展迅速，管理手段相對滯后，復(fù)雜度增大，2009年統(tǒng)一以第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行“圖數(shù)一致”管理，加強了對建設(shè)用地指標的管控，建設(shè)用地擴張速度有所減緩，穩(wěn)定性逐漸加強.

3結(jié)論與建議

本研究以信息熵理論和分形維數(shù)理論為技術(shù)支撐，選取中型城市長沙市為研究區(qū)域，從整體性、時序性、空間性、地類差異性4個立足點出發(fā)，對長沙市土地利用結(jié)構(gòu)變化進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）從整體來看，長沙市在時序上由于三大地類內(nèi)部變化以及第二次土地調(diào)查，信息熵變化可以劃分為2005—2008年的上升期， 2008—2009年的下降期， 2009—2012年的上升期3個階段.在空間上信息熵變化基本與經(jīng)濟社會發(fā)展相耦合，由中心城區(qū)向外信息熵逐漸降低，分為高熵值區(qū)、中熵值區(qū)、低熵值區(qū).

（2）從地類差異性來看，隨著區(qū)域內(nèi)土地利用發(fā)生變化，相同年份下不同土地利用類型的復(fù)雜度隨之變化；同時，不同年份下相同土地利用類型的復(fù)雜度也不盡相同.

為了更好地發(fā)展區(qū)域內(nèi)土地利用系統(tǒng)的功能效益，長沙市應(yīng)該分地區(qū)、有計劃地實行土地優(yōu)化策略.在長沙市中心城區(qū)，土地供需矛盾隨著經(jīng)濟速度加快而逐漸凸顯，應(yīng)不斷推進土地節(jié)約集約利用的創(chuàng)新.長沙市中心城區(qū)外圍的部分區(qū)（縣）應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀，以穩(wěn)定、效率為首要因素，不斷推進土地空間內(nèi)涵挖潛.長沙市遠郊地區(qū)應(yīng)繼續(xù)加強生態(tài)用地保護，以提高第三產(chǎn)業(yè)為核心，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)布局，使土地利用結(jié)構(gòu)向著有序、穩(wěn)定的方向發(fā)展.

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（2）不同年份下相同土地利用類型的復(fù)雜度比較，主要體現(xiàn)在：①耕地、園地、自然保留地復(fù)雜度逐漸增大，建設(shè)用地的不斷擴張，占用耕地和園地，加快了其破碎化過程，自然保留地則因為近年未利用地的不斷開發(fā)，穩(wěn)定性逐漸降低，所以耕地、園地和自然保留地都是在人為因素的影響下，復(fù)雜度越來越高，穩(wěn)定性越來越差.②林地、牧草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點用地、交通運輸用地、水利設(shè)施用地、水域復(fù)雜度先增大再減小，因為2009年以前對林地的砍伐、對牧草地的開墾以及對水域的河道整治、漁業(yè)發(fā)展較多，致使其穩(wěn)定性降低，而近年來長沙市加強了對生態(tài)環(huán)境的保護，實施相關(guān)保護規(guī)劃，利用類型逐漸朝著穩(wěn)定趨向發(fā)展，建設(shè)用地在2009年以前發(fā)展迅速，管理手段相對滯后，復(fù)雜度增大，2009年統(tǒng)一以第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行“圖數(shù)一致”管理，加強了對建設(shè)用地指標的管控，建設(shè)用地擴張速度有所減緩，穩(wěn)定性逐漸加強.

3結(jié)論與建議

本研究以信息熵理論和分形維數(shù)理論為技術(shù)支撐，選取中型城市長沙市為研究區(qū)域，從整體性、時序性、空間性、地類差異性4個立足點出發(fā)，對長沙市土地利用結(jié)構(gòu)變化進行分析，得出如下結(jié)論：

（1）從整體來看，長沙市在時序上由于三大地類內(nèi)部變化以及第二次土地調(diào)查，信息熵變化可以劃分為2005—2008年的上升期， 2008—2009年的下降期， 2009—2012年的上升期3個階段.在空間上信息熵變化基本與經(jīng)濟社會發(fā)展相耦合，由中心城區(qū)向外信息熵逐漸降低，分為高熵值區(qū)、中熵值區(qū)、低熵值區(qū).

（2）從地類差異性來看，隨著區(qū)域內(nèi)土地利用發(fā)生變化，相同年份下不同土地利用類型的復(fù)雜度隨之變化；同時，不同年份下相同土地利用類型的復(fù)雜度也不盡相同.

為了更好地發(fā)展區(qū)域內(nèi)土地利用系統(tǒng)的功能效益，長沙市應(yīng)該分地區(qū)、有計劃地實行土地優(yōu)化策略.在長沙市中心城區(qū)，土地供需矛盾隨著經(jīng)濟速度加快而逐漸凸顯，應(yīng)不斷推進土地節(jié)約集約利用的創(chuàng)新.長沙市中心城區(qū)外圍的部分區(qū)（縣）應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀，以穩(wěn)定、效率為首要因素，不斷推進土地空間內(nèi)涵挖潛.長沙市遠郊地區(qū)應(yīng)繼續(xù)加強生態(tài)用地保護，以提高第三產(chǎn)業(yè)為核心，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)布局，使土地利用結(jié)構(gòu)向著有序、穩(wěn)定的方向發(fā)展.

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