基于信息熵與空間洛倫茨曲線的土地利用結(jié)構變化——以阿克蘇地區(qū)為例

安明珠，高敏華

（新疆大學 資源環(huán)境與科學學院，烏魯木齊830046）

土地利用結(jié)構特征及其時間變化規(guī)律是研究一個地區(qū)自然條件、資源和社會經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域結(jié)構及其優(yōu)化配置的重要途徑之一，對區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局、土地合理利用具有重要的指導意義。土地利用的結(jié)構決定土地利用系統(tǒng)的功能，合理的土地利用結(jié)構能夠保持土地利用系統(tǒng)的良性循環(huán)，提高土地利用的綜合效率，促進區(qū)域國民經(jīng)濟各部門協(xié)調(diào)發(fā)展，進而促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展［1］。目前，對土地利用結(jié)構變化的研究，大多是以土地利用結(jié)構研究方法為中心點，并有許多學者已做了大量的研究［2］。眾學者在前人研究成果的基礎上相繼提出了多種研究方法，有信息論與分形幾何學、馬爾科夫鏈、BP神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳法等［3－7］。由于土地利用系統(tǒng)在時空條件下具有結(jié)構和功能的動態(tài)性、有序性特征，而且土地利用系統(tǒng)結(jié)構的有序程度可以用信息熵進行描述和分析，因此一些學者將信息熵引入土地利用結(jié)構的研究中。然而，空間信息熵對土地利用結(jié)構的研究具有局限性，僅從總體上分析了區(qū)域土地利用結(jié)構的有序程度，而洛倫茨曲線可以直觀反映某種地類在區(qū)域空間分布的差異，只有兩者完美的結(jié)合，才能更科學的分析土地利用結(jié)構［8］。

為了更客觀、準確的反映阿克蘇地區(qū)土地利用變化的規(guī)律，在前人研究成果的基礎上，結(jié)合阿克蘇地區(qū)土地利用現(xiàn)狀，本文運用信息熵與洛倫茨曲線相結(jié)合的方法，對1996—2013年阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構變化規(guī)律進行分析，為阿克蘇地區(qū)未來土地利用發(fā)展戰(zhàn)略提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇位于亞歐大陸中心的天山南麓、塔里木盆地北緣，東南西分別與巴音郭楞蒙古自治州、和田地區(qū)、喀什地區(qū)為臨，北以天山為分水嶺，同伊犁哈薩克自治州交界，西北與哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦接壤，總面積13.25萬km2。全地區(qū)轄8縣1市，84個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，56個農(nóng)林牧場。2013年末總?cè)丝?51.7萬人（含農(nóng)一師29.2萬）其中，維吾爾族184.4萬人，占73.26%，漢族63.91萬人，占25.39%；農(nóng) 業(yè)人口171.77萬人，非農(nóng)業(yè)人口79.93萬人。阿克蘇地區(qū)是新疆維吾爾自治區(qū)重要的經(jīng)濟發(fā)展區(qū)，南疆地區(qū)跨越式發(fā)展的示范區(qū)，塔河上游的重要生態(tài)屏障，特殊的地理位置決定了它的快速發(fā)展。同時，作為我國向西開放的重要門戶、國際運輸通道上的橋頭堡，新疆重要的綜合交通樞紐、商貿(mào)物流中心和紡織基地，以水韻森林和刀郎文化為特色的宜居宜業(yè)城市。近年來，隨著南北疆經(jīng)濟一體化的建立，阿克蘇地區(qū)的區(qū)位功能日漸清晰，其土地利用結(jié)構也相應的發(fā)生了較大的變化。

2 研究方法與資料來源

2.1 資料來源

選取新疆維吾爾自治區(qū)全國第二次土地調(diào)查成果數(shù)據(jù)及相關部門提供的各種調(diào)查資料和圖件，包括1996—2013年各年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)和實地考察數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

為了全面、準確的反映阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構的變化情況，采用熱力學中的“熵”值法與經(jīng)濟學中的空間洛倫茨曲線和基尼系數(shù)，對阿克蘇地區(qū)1996—2013年土地利用結(jié)構進行對比分析。本文主要選取了耕地、園地、林地、牧草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通用地及未利用地等7種地類進行分析，總結(jié)出了其空間分布變化規(guī)律。

2.2.1 信息熵 “熵”是一個熱力學概念，統(tǒng)計物理學中它表示分子不規(guī)則運動的程度。在地理學中對城市土地利用類型進行定量分析，用“熵”對城市土地利用的均質(zhì)度進行度量。土地利用結(jié)構信息熵可綜合反映某區(qū)域在一定時段內(nèi)各種土地利用類型的動態(tài)變化及其轉(zhuǎn)化程度，對于區(qū)域土地利用結(jié)構調(diào)整具有一定指導意義［9］。它反映土地利用結(jié)構的有序程度。熵越大，有序度越低；反之，有序度越高［10］。依照土地利用信息熵（H）定義，可得出如下信息熵公式［11］。

假定一個城市的建設用地面積總量為A，該市的土地可根據(jù)職能分為N種類型，每個職能類型的面積為Ai（i＝1，2，…，N），則有

據(jù)此可得各類面積的百分比為：

顯然Pi具有歸一性質(zhì)：

因此Pi相當于事件的概率，從而可以依照Shannon熵公式定義土地利用結(jié)構的信息熵為［12］

基于信息熵公式，可以定義土地利用結(jié)構的均衡度和優(yōu)勢度［13］，即：

式中：J——均衡度，J值越大，表明區(qū)域土地利用的均質(zhì)性就越強；I——優(yōu)勢度，優(yōu)勢度反映區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地利用類型支配該區(qū)域土地類型的程度，與均衡度的意義相反［14］。

2.2.2 空間洛倫茨曲線 洛倫茨曲線（Lorenz Curve）是美國經(jīng)濟統(tǒng)計學家M.Lorenz在1905年提出的，它利用頻率累計數(shù)繪制成的曲線來刻畫其不平等（集中或分散）程度，是經(jīng)濟學上研究地區(qū)之間收入差距或財富不平等的一種分析手段。洛倫茨曲線為向內(nèi)凹的曲線，當與橫坐標成45°夾角時，該曲線稱為絕對均勻線。當曲線距離絕對均勻線越近時表示地區(qū)間收入差距越小，財富分配較為平等；反之，則表示地區(qū)間收入差距越大，財富分配越不平等。利用洛倫茨曲線的這一基本原理，可以直觀顯示某種土地利用類型在研究區(qū)空間分布的差異性，若所得曲線越接近絕對均勻線，曲線離差較小，表明該土地利用類型在研究區(qū)分布越均勻；反之，則表明該土地利用類型在研究區(qū)中的區(qū)域分布差異較大，即分布相對集中。

運用阿克蘇地區(qū)各縣（市）1996—2013年各地類土地利用的變更數(shù)據(jù)，求各縣（市）不同地類的區(qū)位熵。區(qū)位熵又稱為專門化率，指某一地區(qū)該土地利用類型面積占區(qū)域該土地類型總面積的比值與該地區(qū)土地總面積占區(qū)域土地總面積之比，公式為：

Q＝（A1/A2）/（A3/A4）＝各地類面積百分比/總土地面積百分比

式中：Q——區(qū)位熵；A1——研究區(qū)某區(qū)域某種土地利用類型的面積；A2——研究區(qū)某土地類型總面積；A3——研究區(qū)某區(qū)域土地總面積；A4——研究區(qū)土地總面積。

其次，按區(qū)位熵的大小，依次列出各縣（市）各類土地利用面積的百分比和阿克蘇地區(qū)總面積百分比，并計算累計百分比。下面以2013年耕地區(qū)位熵為例（表1），其他地類略。

表1 2013年阿克蘇地區(qū)耕地累計百分比 %

最后，以總土地面積累計百分比為橫坐標，以某地類面積累計百分比為縱坐標，各取100長度，繪出坐標圖，以各累計數(shù)繪制坐標點，得到的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［15］。

3 結(jié)果與分析

3.1 信息熵的分析結(jié)果

選取1996年與2013年阿克蘇地區(qū)各縣（市）土地利用的變更數(shù)據(jù)進行計算和分析。由圖1可以看出，1996年阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構信息熵為0.977 8，各縣（市）土地利用結(jié)構信息熵差異明顯。從總體上看，1996年阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構熵值普遍偏低，且結(jié)構性較強，也反映了阿克蘇地區(qū)土地利用處于低水平的發(fā)展階段。信息熵（H）的均值是0.886 0，這就表明阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構向均衡狀態(tài)發(fā)展的速度緩慢，土地利用的無序度在增加。高熵值區(qū)包括庫車縣、拜城縣和烏什縣，其信息熵都在0.955 0以上，各土地利用類型的面積相差較小，土地利用結(jié)構趨于均衡。中熵值區(qū)包括阿克蘇市、溫宿縣、新和縣和阿瓦提縣，其熵值為0.717 7～0.955 0，土地利用類型以草地和未利用地為主。低熵值區(qū)包括沙雅縣和柯坪縣，其熵值分別為0.570 2，0.717 7。

圖1 1996年阿克蘇地區(qū)各縣（市）土地利用結(jié)構信息熵

由圖2可以看出，2013年阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構信息熵為1.139 5。從總體上看，熵值仍較低，但有平穩(wěn)上升的趨勢，說明土地利用結(jié)構發(fā)生了比較合理的逐步變化。信息熵（H）的均值是1.076 1，這就表明阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構正在向均衡狀態(tài)發(fā)展，土地利用的無序度有所下降。高熵值區(qū)包括庫車縣、新和縣和阿瓦提縣，其信息熵都在1.192 5以上，各土地利用類型的面積比例趨于平衡。中熵值區(qū)包括阿克蘇市、溫宿縣、拜城縣和烏什縣，其熵值為1.192 5～0.813 1，土地利用類型以草地和未利用地為主。低熵值區(qū)包括沙雅縣和柯坪縣，其熵值分別為0.742 1，0.813 1。

從整體上看，近17a來阿克蘇地區(qū)土地利用的信息熵和均衡度的總趨勢是逐年增加，但增幅不大，均衡度的變化趨勢與信息熵基本相同。1996—2013年是阿克蘇地區(qū)土地利用的平穩(wěn)增長期，各類用地的增減都保持相對平穩(wěn)的態(tài)勢。1996年土地利用結(jié)構信息熵較低，牧草地與未利用地在全地區(qū)所占比例較大，隨著交通運輸用地與城鎮(zhèn)村及工礦用地的面積的不斷增加，牧草地與未利用地被建設用地占用，面積逐步減少，導致土地利用信息熵的不斷增加，由1996年阿克蘇地區(qū)0.977 8增加到2013年的1.139 5，說明該地區(qū)土地利用結(jié)構在總體上趨于合理，從另一方面也反映了經(jīng)濟的快速發(fā)展。均衡度2013年比1996年增加了0.083 1，說明土地利用的結(jié)構性不斷增強。1996—2013年信息熵和均衡度不斷增加，優(yōu)勢度不斷下降，說明阿克蘇地區(qū)各土地利用結(jié)構趨于平衡，土地資源開發(fā)利用趨向合理。

圖2 2013年阿克蘇地區(qū)各縣（市）土地利用結(jié)構信息熵

3.2 洛倫茨曲線的分析結(jié)果

根據(jù)土地利用變更數(shù)據(jù)繪制出1996年阿克蘇地區(qū)各土地利用類型洛倫茨曲線（圖3）。由圖中曲線可以看出，耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地與未利用地的洛倫茨曲線比較靠近絕對均勻性，說明這三種用地類型在阿克蘇地區(qū)土地利用中比較分散，即其分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積比例大致相同。林地其次，園地和草地距離絕對均勻線最遠，這兩種用地類型在阿克蘇地區(qū)較不均衡，分布在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積比例差異較大。

空間洛倫茨曲線法分析得到的結(jié)果和實際情況基本相符。依據(jù)1996年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)表明，新和縣約占全區(qū)4.66%的土地上分布了全區(qū)12.45%的園地，柯坪縣約占全區(qū)7.08%的土地上分不了全區(qū)0.80%的園地。草地方面，沙雅縣約占全區(qū)25.35%的土地上分布了全區(qū)5.16%的草地，烏什縣約占全區(qū)6.96%的土地上分布了全區(qū)16.54%的草地。

在2013年阿克蘇地區(qū)各土地利用類型洛倫茨曲線（圖4）中類似的情況也有所體現(xiàn)。2013年園地、林地、草地的曲線仍然離絕對均勻線較遠，這反映了這些地類在全區(qū)分布較聚集，即有些縣（市）的園地、林地、草地數(shù)量所占比重仍然高于其他縣（市）平均水平，耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地與未利用地距絕對均勻線仍然較近，說明這三種土地類型在阿克蘇地區(qū)土地利用中分布比較均衡。

圖3 1996年阿克蘇地區(qū)各土地利用類型洛倫茨曲線

通過對阿克蘇地區(qū)各縣（市）17a間的土地利用結(jié)構分析，各地類在全區(qū)分布均有不均衡性，且有繼續(xù)增長的趨勢，如園地和林地，但有些地類仍舊保持良好的均衡性，如耕地和未利用地。因此，在推動區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的前提下，合理配置各區(qū)域用地結(jié)構，促進區(qū)域經(jīng)濟健康穩(wěn)定的發(fā)展尤為重要。立足區(qū)域優(yōu)勢，大力推進特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在促進土地節(jié)約集約利用基礎上，優(yōu)化阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構。

圖4 2013年阿克蘇地區(qū)各土地利用類型洛倫茨曲線

4 結(jié)論與討論

本文應用信息熵和洛倫茨曲線的方法，對阿克蘇地區(qū)各縣（市）土地利用結(jié)構進行分析研究，所得結(jié)論如下：

（1）土地利用結(jié)構信息熵描述了土地利用系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構狀態(tài)，其熵值越大，土地利用系統(tǒng)越無序，反之則越有序。由于不同縣（市）自然社會經(jīng)濟的發(fā)展程度不同，其土地的職能也有很大的差異，用單一的信息熵值來反映土地利用結(jié)構的有序程度，其結(jié)果不具有可比性，均衡度和優(yōu)勢度能很好的彌補信息熵分析的這一不足，均衡度與優(yōu)勢度的意義在于分析土地職能數(shù)據(jù)量的影響［16］。由1996年與2013年的信息熵、均衡度與優(yōu)勢度可以看出，總體上阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構處于低水平的有序發(fā)展狀態(tài)，信息熵區(qū)域差異明顯，土地利用的無序程度隨著時間逐漸減低，土地利用結(jié)構趨于平衡，土地資源開發(fā)利用趨向合理。

（2）信息熵是在宏觀上分析土地利用結(jié)構的動態(tài)變化，但不能具體的反映小區(qū)域土地利用結(jié)構均衡程度。利用空間洛倫茨曲線可以直觀地表征小區(qū)域土地利用結(jié)構的配置及彼此關系。阿克蘇地區(qū)各類型土地利用中，園地、林地和草地分布比較集中，耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地和未利用地分布比較均衡。從時間尺度上看阿克蘇地區(qū)土地利用結(jié)構，耕地和未利用地在過去17a中變化不大，而林地與城鎮(zhèn)村及工礦用地較大，并且是隨著林地的減少與居民及獨立工礦用地的增加的趨勢發(fā)展。

（3）近年來規(guī)劃土地利用結(jié)構發(fā)展方向與上述現(xiàn)狀相反，耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地、未利用地在阿克蘇地區(qū)各縣（市）分布較分散，而園地、林地和草地趨向集中，說明土地利用的自我調(diào)節(jié)能力在加強。針對阿克蘇地區(qū)土地結(jié)構的現(xiàn)狀及變化趨勢，應發(fā)揮區(qū)域土地的區(qū)位和功能優(yōu)勢保持合理的土地開發(fā)程度和土地投入強度，保持人地系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行和可持續(xù)發(fā)展。

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