城市土地利用結(jié)構(gòu)演變分析及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究——以長沙市為例

歐 聰，張 坤

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南·長沙 410128）

城市土地利用結(jié)構(gòu)演變分析及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究
——以長沙市為例

歐 聰，張 坤*

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南·長沙 410128）

基于信息熵和均衡度對長沙市2006～2012年城市土地利用結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行分析，并運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法探討其與經(jīng)濟(jì)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及人口發(fā)展3個(gè)一級指標(biāo)及其11個(gè)二級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)程度，對各指標(biāo)與地類變化的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行排序，確定主要的影響因素。研究表明：7年間長沙市城市各職能類土地面積都在增加，增幅有所差異；信息熵總體呈現(xiàn)下降趨勢，均衡度和優(yōu)勢度則趨于穩(wěn)定；經(jīng)濟(jì)水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展是長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)力。

土地利用結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)機(jī)制；關(guān)聯(lián)度分析；信息熵

城市土地利用結(jié)構(gòu)是指城市各種功能用地的比例和空間結(jié)構(gòu)及其互相影響、互相作用的關(guān)系，在一段時(shí)間內(nèi)，也表現(xiàn)為各種土地類型的動(dòng)態(tài)演變過程。從系統(tǒng)論的角度來看，土地類型演變的本質(zhì)是土地類型結(jié)構(gòu)和功能的自組織，而這種自組織過程是城市內(nèi)部人流、物質(zhì)流和能量流遷移轉(zhuǎn)化的結(jié)果[1]。隨著城市的外延式發(fā)展和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重組，城市土地利用結(jié)構(gòu)演變持續(xù)不斷[2～6]。本文通過引入信息熵的概念，對其演變進(jìn)行定量描述和分析，再進(jìn)一步基于灰色系統(tǒng)理論，以長沙市為案例，對影響城市土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究。

1 城市土地利用結(jié)構(gòu)的計(jì)量方法

1.1 信息熵

“熵”原是一個(gè)熱力學(xué)概念，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)用它來表示分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度，1948年美國數(shù)學(xué)家申農(nóng)（Shanon）把熵的概念引入信息論中，稱為信息熵，指出信息熵是作為人們對系統(tǒng)內(nèi)部組態(tài)信息缺乏程度或一個(gè)隨機(jī)事件不確定性的量度[7]。土地利用系統(tǒng)是自然、人類、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)5個(gè)子系統(tǒng)耦合而成的復(fù)雜巨系統(tǒng)，具有開放性、隨機(jī)性、動(dòng)態(tài)性、代謝性、非孤立性、自組織性、自適應(yīng)性等特征[8]。因此，可以借用信息熵的概念來對復(fù)雜的城市地理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的定量分析，并用以描述城市土地利用類型的多樣性[9]。

假設(shè)一個(gè)城市的建設(shè)用地總面積為A，該市的土地根據(jù)其職能可分成m種，每個(gè)職能類的用地面積為Ai，則有：

各職能類土地所占城市建設(shè)用地的比例Pi為：

根據(jù)信息論原理，將土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵H定義為[10]：

信息熵H（為計(jì)算方便取自然對數(shù)）是系統(tǒng)復(fù)雜性與均衡性的測度，這里用來描述一個(gè)區(qū)域土地利用類型面積分布的均勻程度，熵值越高，表明不同職能部門的土地利用類型越多，各職能類型的面積相關(guān)越小，土地分布越均勻[11]。當(dāng)該地區(qū)處于未開發(fā)的程度或只有一種利用結(jié)構(gòu)時(shí)，熵值最小，即Hmin=0；當(dāng)整個(gè)地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)趨于平衡，各職能類土地所占比例相等，即P1=P2=P3,…,=P-m=A/m，熵值最大，即Hmax=lnm。

1.2 均衡度

利用信息熵分析城市用地的均衡性有一個(gè)實(shí)際性的困難，即土地職能數(shù)的認(rèn)定，由于按照實(shí)有職能計(jì)算的信息熵值，實(shí)際上卻沒有考慮職能數(shù)量的影響，因此有必要引入均衡度的概念[12]。

根據(jù)信息熵的公式，可得出均衡度E的表達(dá)式：

由式（4）可以看出，均衡度是某種職能土地類型信息熵與信息熵最大值的比值，體現(xiàn)了各職能類用地面積的差異情況和結(jié)構(gòu)布局。很顯然，E的取值范圍為0～1，當(dāng)E=0，城市土地利用類型處于最不均衡狀態(tài)，反之，當(dāng)E=1，則處于最均衡的狀態(tài)。相應(yīng)的，均衡度從反方面來看，則有優(yōu)勢度D的概念，即D=1-E，用于反映區(qū)域內(nèi)一種或幾種用地類型的主導(dǎo)程度，與均衡度所反映的用地類型多樣性成反比。

2 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)演變動(dòng)態(tài)分析

2.1 區(qū)域概況

長沙市位于湖南省東部偏北，湘江下游和長瀏盆地西緣。作為省會(huì)城市，是湖南政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。2013年地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)7153.13億元，居全省首位，也是我國中西部地區(qū)最具競爭力的城市和中南地區(qū)重要的工商業(yè)城市。同時(shí)，作為長株潭城市群核心城市和國家級兩型社會(huì)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，是國家實(shí)施中部崛起戰(zhàn)略的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。研究其城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵分異規(guī)律，不僅可以深入了解該地區(qū)各類土地利用類型的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，更可以為長株潭城市群乃至整個(gè)中部地區(qū)的城鎮(zhèn)化提供參考依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)來源與用地職能劃分

本文所用各類數(shù)據(jù)主要來自2006～2012年《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒》。采用建設(shè)部1991年頒布的《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》中的“城市用地分類”體系，將長沙市各時(shí)期的土地利用類型劃分成9大職能，包括居住、工業(yè)、倉儲、對外交通、道路廣場、公共設(shè)施、市政公用設(shè)施、綠地和特殊用地。

2.3 歷年城市土地利用結(jié)構(gòu)的變化趨勢

由圖1可以看出，長沙市的城市建設(shè)用地總面積，從2006年的173.19km2增加到2012年的318.37km2，年均增長10.68%。其中，居住用地增加了64.33km2，公共設(shè)施用地增加13.06km2，工業(yè)用地增加7.53km2，倉儲用地增加1.93km2，對外交通用地增加3.02km2，道路廣場用地增加14.17km2，市政公用設(shè)施用地增加35.46km2，綠地增加5.09km2，特殊用地增加0.59km2。

圖1 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)面積變化趨勢Fig.1 Urban area change tendency of land use structure in Changsha city

由圖2可以看出，2006～2012年的7年內(nèi)，長沙市居住用地比例和市政公用設(shè)施用地比例有所增加，其他用地類型比例有所減少。其中，居住用地比例增加7.75%，市政公用設(shè)施用地比例增加9.53%，公共設(shè)施用地比例減少5.95%，工業(yè)用地比例減少3.62%，倉儲用地比例減少0.74%，對外交通用地比例減少0.43%，道路廣場用地比例減少1.27%，綠地比例減少2.95%，特殊用地比例減少2.32%。

圖2 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)比例變化趨勢Fig.2 Proportion change trend of land use structure in Changsha city

2.4 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的計(jì)算及分析

根據(jù)式（3）、（4）計(jì)算長沙市2006～2012年城市土地利用結(jié)構(gòu)變化的信息熵和均衡度，結(jié)果見表1，信息熵和均衡度的變化趨勢見圖3、圖4。

表1 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵與均衡度Table 1 Land use structure information entropy and equilibrium degree index in Changsha

圖3 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵演變圖式Fig.3 Urban land use structure information entropy evolution patterns of Changsha

圖4 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)均衡度演變圖式Fig.4 Equilibrium degree of land use structure evolution scheme in Changsha city

從圖3可以看出，長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在2006～2012年的7年間呈現(xiàn)先下降后持平再上升的過程，信息熵的平均值為1.8393，接近最大值1.9319，可以得出：雖然這7年間信息熵總體上而言有所下降，土地利用結(jié)構(gòu)的多樣性有所減少，但減少的幅度不大，演變的趨勢總體平穩(wěn)。

從圖4可以看出，相較于信息熵的變化過程，均衡度和優(yōu)勢度的變化則更為緩和，雖然二者每年所占比例都有所波動(dòng)，但總體而言處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度非常小。

3 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析

3.1 研究方法與理論

灰色系統(tǒng)理論于20世紀(jì)80年代由中國學(xué)者鄧聚龍?zhí)岢鯷13]，它的研究對象是介于黑色系統(tǒng)（信息未知）和白色系統(tǒng)（信息完全明確）之間的灰色系統(tǒng)，而灰色關(guān)聯(lián)度分析法是灰色理論最廣泛的應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是分析各評價(jià)對象與理想對象的接近程度，評價(jià)對象與理想對象越接近，其關(guān)聯(lián)度就越大。灰色關(guān)聯(lián)度是對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程的量化分析，是根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素間接近的程度[14]。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法步驟

（1）確定參考序列與比較序列

設(shè)參考序列為X0，則：X0=[X0(t)](t=1,2,3,…,n)，其中評價(jià)指標(biāo)t共有n個(gè)。設(shè)比較序列為Xi，則：Xi=[Xi(t)] (t=1,2,3,…,m)，其中評價(jià)項(xiàng)目i共有m個(gè)。由于原始數(shù)據(jù)的量綱不一定相同，所以需要對其進(jìn)行無量綱化，消除量綱和數(shù)量級對數(shù)據(jù)的影響，使其轉(zhuǎn)化為可比較的數(shù)據(jù)序列。具體方法為：

其中，Xij為第i年第j項(xiàng)指標(biāo)值，Xij’為第i年第j項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，為第j項(xiàng)指標(biāo)的平均值，σ為第j項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。（2）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

經(jīng)過無量綱化的參考序列記為{X0(t)}，比較序列記為{Xi(t)}。則在時(shí)刻t=k時(shí)參考序列{X0(t)}與比較序列{Xi(t)}的關(guān)聯(lián)系數(shù){ξ0i(k)}為：

其中，ζ為分辨系數(shù)[10]， ，用于減少極值對計(jì)算的影響，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性。在實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)序列間的關(guān)聯(lián)程度選擇分辨系數(shù)，ζ=0.5一般取。

（3）計(jì)算關(guān)聯(lián)度

由于關(guān)聯(lián)系數(shù)只表示各時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)程度，且數(shù)據(jù)量大，不便于比較。為了使數(shù)據(jù)量便于比較分析，參考序列和比較序列的關(guān)聯(lián)度便以兩序列各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值計(jì)算，即灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為：

其中當(dāng)r0i(0,1)時(shí)，表示評價(jià)體系中各項(xiàng)指標(biāo)都不是嚴(yán)格無關(guān)的，r0i越大，則評價(jià)對象越接近理想對象。

（4）關(guān)聯(lián)度排序

將m個(gè)比較序列對應(yīng)同一個(gè)參考序列的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，組成關(guān)聯(lián)序，記為{X}。關(guān)聯(lián)序可以反映不同比較序列對參考序列的優(yōu)劣程度，當(dāng)r0a＞r0b，則認(rèn)為對應(yīng)相同參考序列{Xa}的優(yōu)于{Xb}，反之則劣于。

3.3 構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系

基于長沙市2006～2012年社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、主導(dǎo)性、系統(tǒng)性、目的性、可操作性的原則，構(gòu)建以經(jīng)濟(jì)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口發(fā)展、土地利用為一級指標(biāo)，以及下屬14個(gè)指標(biāo)為二級指標(biāo)的評價(jià)指標(biāo)體系[15,16]（表2）。

表2 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析指標(biāo)體系Table 2 Driving mechanism of urban land use structure evolution analysis index system in Changsha city

3.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

將研究區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)因子作為自變量組成比較序列，已建成建設(shè)用地總面積、信息熵和均衡度作為因變量構(gòu)成參考序列，得到分析序列（表3）。將上述分析序列在DPS軟件中進(jìn)行無量綱化，得到各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值（表4）。

表3 長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析序列Table 3 Driving mechanism of urban land use structure evolution sequence analysis in Changsha city

表4 指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化值Table 4 Index standardization value

將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)在DPS軟件中繼續(xù)分析，進(jìn)行各驅(qū)動(dòng)力因子的綜合判斷，并設(shè)置分辨系數(shù)ζ為0.5，計(jì)算建設(shè)用地總面積、土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、土地利用結(jié)構(gòu)均衡度與指標(biāo)體系中的二級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度值（表5），一級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度值取二級指標(biāo)的平均值（表6）。

表5 各土地利用指標(biāo)與二級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度Table 5 Correlation of each land use indicators and secondary indicators

表6 各土地利用指標(biāo)與一級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度Table 6 The primary index of correlation degree and land use index

灰色關(guān)聯(lián)度的結(jié)果分析：

（1）長沙市城市建設(shè)用地總面積變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析：從表5可以看出，二級指標(biāo)中對其影響最大的分別是人均GDP、社會(huì)零售總額和城鎮(zhèn)居民人均可支配收入；其次是非農(nóng)人口、財(cái)政總收入和GDP。一級指標(biāo)中與其關(guān)聯(lián)度最高的是經(jīng)濟(jì)水平。

（2）信息熵變化驅(qū)動(dòng)分析：從表5可以看出，二級指標(biāo)中對其影響最大的分別是第三產(chǎn)業(yè)比重、第二產(chǎn)業(yè)比重和財(cái)政總收入；其次是城鎮(zhèn)居民人均居住面積、非農(nóng)人口和總?cè)丝?。一級指?biāo)中與其關(guān)聯(lián)度最高的是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

（3）均衡度變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析：從表5可以看出，二級指標(biāo)中對其影響最大的分別是第三產(chǎn)業(yè)比重、第二產(chǎn)業(yè)比重和人均GDP；其次是總?cè)丝?、非農(nóng)人口和城鎮(zhèn)居民人均可支配收入。一級指標(biāo)中與其關(guān)聯(lián)度最高的是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

（1）從總量上看，2006～2012年，長沙市城市建設(shè)用地面積逐步增加，這是城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)增長的必然結(jié)果，但各職能類土地面積增幅有差異，增幅最大的是居住用地，各職能類土地增長速度需要調(diào)整。

（2）2006～2012年7年間，長沙市城市土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵總體而言趨于下降，小部分有所波動(dòng)，說明城市土地利用結(jié)構(gòu)的多樣性趨于減弱，但下降幅度不大，演變趨勢較為穩(wěn)定，而均衡度和優(yōu)勢度則一直處于一種小范圍波動(dòng)，但相對來講較為穩(wěn)定。

（3）經(jīng)濟(jì)水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的發(fā)展是城市土地利用結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動(dòng)力，其影響程度大于人口發(fā)展等社會(huì)因素。

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The evolution analysis and driven mechanism of city land use structure in Changsha

OU Cong, ZHANG Kun
(College of Resources & Environment, Hunan Agricultural University, Hunan Changsha 410128, China)

Grey correlation analysis methods are used to explore the degree of correlation between 3 first-level indicators and 11 second-level indicators of urban land use and industrial structures, and economic and population development. By analyzing the influence of changing of urban land use structure during 2006–2012, key influencing factors are identified. The city of Changsha within comentropy and balance degree. Results are as follows: (1) All land types have been increasing in the past 7 years at different rates; (2) comentropy has decreased overall, but increased in some areas, and the difference between balance and dominance degrees have stabilized; (3) economic and industrial development are the main driving forces behind land use structure in Changsha.

land use structure; driven mechanism; correlation analysis; comentropy

F293.2

A

2095-1329(2015)03-0039-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.03.009

2015-03-18

2015-07-06

歐聰(1994-),男,土地資源利用與管理專業(yè).

電子郵箱: 754496025@qq.com

聯(lián)系電話: 0731-84617803

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201175);湖南省教育廳科研項(xiàng)目(12C0152)

*通訊作者: 張坤(博士/副教授): 39116272@qq.com