基于信息熵的西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)演變分析

王于楠，李玲琴，單亮亮

(青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008)

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基于信息熵的西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)演變分析

王于楠，李玲琴，單亮亮

(青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008)

基于城市土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵、均衡度和優(yōu)勢度，對1999～2012年間西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)演變進行分析。結(jié)果表明：14年間西寧市主城區(qū)建設(shè)用地面積呈逐年增加的趨勢，城市空間不斷擴大；同時西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)在不斷調(diào)整，并逐漸趨于合理化；西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度總體處于波動式下降態(tài)勢，優(yōu)勢度處于波動式上升狀態(tài)，表明西寧市主城區(qū)城市土地利用系統(tǒng)朝相對有序狀態(tài)進行演變。

城市土地利用結(jié)構(gòu)；信息熵；西寧市

土地利用結(jié)構(gòu)是土地利用、土地覆蓋的直觀表象，具體包括土地利用的數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間格局，而土地利用結(jié)構(gòu)的變化是人地長期相互作用的結(jié)果。[1]合理的土地利用結(jié)構(gòu)不僅對本區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、土地資源的合理配置以及社會經(jīng)濟的有序發(fā)展具有重要作用，而且對其他地區(qū)也具有特殊的指導(dǎo)與借鑒意義[2]。而土地利用系統(tǒng)是一個開放、可調(diào)控的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其有序程度可以用信息熵進行描述和刻畫[3]。因此，近年來，國內(nèi)學(xué)者運用信息論中的信息熵模型對區(qū)域建設(shè)用地結(jié)構(gòu)的時空變化特征進行了大量研究。陳彥光等利用信息熵對鄭州、廣州等城市的土地利用結(jié)構(gòu)進行了分析研究，并得出結(jié)論：大城市用地結(jié)構(gòu)的信息熵一般大于小城市，綜合性城市的信息熵嚴(yán)格大于專業(yè)化城市，城市化地區(qū)的信息熵必須大于各功能區(qū)的信息熵[4]；何祖慰等對西藏昌都地區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)進行分析，得出藏東地區(qū)信息熵的熵值特征[5]；譚潔等研究了長沙市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的時間演變規(guī)律[6]。雷征等[7]、石培基等[8]在土地利用結(jié)構(gòu)演變的研究中分別采用對比分析和主成分分析法，深化了對信息熵變化的驅(qū)動力研究，楊朝現(xiàn)等[9]、何丹等[10]、匡文慧等[11]、劉敬財?shù)萚12]分別從不同的空間尺度上對土地利用結(jié)構(gòu)演變規(guī)律進行了探索，豐富了信息熵的研究成果。本文借鑒國內(nèi)外研究成果對1999～2012年西寧市土地利用結(jié)構(gòu)演變進行研究，分析其熵值的變化規(guī)律，為促進土地資源的可持續(xù)利用、區(qū)域經(jīng)濟的高效快速發(fā)展提供理論依據(jù)和決策參考。

1 研究區(qū)概況

西寧市是青海省的省會城市，下轄一市三縣，西寧市主城區(qū)主要是指西寧市市區(qū)的城東區(qū)、城中區(qū)、城西區(qū)、城北區(qū)，面積350km2。西寧市主城區(qū)主要在湟水河上游的西寧盆地之中，四面環(huán)山，城區(qū)內(nèi)湟水干流及其支流北川河、南川河呈十字形相交，呈典型的枝狀半開放性河谷型城市。由于西寧市主城區(qū)建設(shè)用地受盆地、河谷等地形的影響和制約，使其被迫沿地形及河流走向發(fā)展，所以西寧市城市土地利用空間格局沿河流、盆地具有呈條帶狀分布的特征[13]。近年來隨著西部大開發(fā)、青藏鐵路建設(shè)以及國家一些重點項目的建設(shè)，西寧市城市經(jīng)濟得到快速發(fā)展，極大的促進了西寧市城市化發(fā)展水平，西寧市城市建設(shè)用地急劇擴張，生活居民用地、工業(yè)用地、園林綠地等土地利用面積也有了很大提高，由耕地為主導(dǎo)的城市土地利用格局演變?yōu)槎嘣恋乩酶窬帧?/p>

2 西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)的變化趨勢

本文以1999～2012年《西寧市統(tǒng)計年鑒》中相關(guān)數(shù)據(jù)作為分析西寧市主城區(qū)土地結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)1991年3月1日建設(shè)部公布的《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》[14]將西寧市城市用地劃分為6種土地利用類型：園林綠地、工業(yè)用地、生活居民用地、交通用地、倉儲用地、其他建設(shè)用地(表1)。

從圖1可以看出：西寧市主城區(qū)建設(shè)用地從1999年的70.41 km2增加到2012年的93.12 km2，年均增長率2.3%。其中1999～2005年西寧市主城區(qū)建設(shè)用地面積平穩(wěn)增長，2005～2008年主城區(qū)建設(shè)用地面積增幅有較大的波動，2007年的房產(chǎn)泡沫導(dǎo)致“開發(fā)區(qū)熱”，造成大量耕地被占用和閑置，所以2007年城區(qū)建設(shè)用地面積達到最大值113.66 km2，2008年之后隨著國家的治理整頓，房地產(chǎn)開發(fā)熱潮減退西寧市主城區(qū)建設(shè)用地面積明顯減小且增幅緩慢。

西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)在1999～2012年間在變化上(圖2)，除了交通用地和其他建設(shè)用地外，其余城市用地類型的面積都有所增加，其變化趨勢和西寧市主城區(qū)建設(shè)用地面積的變化趨勢保持一致。其中園林綠地增加19.48 km2，工業(yè)用地增加2.35 km2，生活居民用地增加16.51 km2，倉儲用地增加1.29 km2。

圖1 西寧市主城區(qū)建設(shè)用地面積變化趨勢圖Fig.1 Construction land area change trend chart in Xining City

圖2 西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)變化趨勢圖Fig.2 The urban land-use Constitutes change trend chart in Xining City

相較于1999年和2007年，2012年西寧市主城區(qū)土地結(jié)構(gòu)中，園林綠地、居民生活用地、倉儲用地的比例有所提高，其中，園林綠地的增幅最快，從1999年的13.54%增加到2012年的31.16%，居民生活用地從32.76%增加到42.96%，倉儲用地從3.84%增加到4.29%；而工業(yè)用地、交通用地、其他建設(shè)用地的比例都有一定程度的下降，其他建筑用地的降幅最大從25.37%下降到2.68%(圖3)。

圖3 1999、2007、2012年西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)比例圖Fig.3 The urban land-use Constitutes scale chart in Xining city from 1999、2007、2012

西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)在1999-2012年不斷調(diào)整，并逐漸趨于合理化。但同陳章喜在我國城市用地結(jié)構(gòu)調(diào)整的研究中提出國外城市土地利用結(jié)構(gòu)比例對比[15](圖4)仍有一些不合理之處，尤其表現(xiàn)在園林綠地、交通用地和工業(yè)用地所占比例上，需要進一步擴大園林綠地和交通用地面積的比例，減小工業(yè)用地面積比例[16]，使西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化。

圖4 國外城市土地利用結(jié)構(gòu)比例圖Fig.4 The foreign urban land-use Constitutes scale chart

3 西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)演變分析

3.1 西寧市主城區(qū)土利用地結(jié)構(gòu)信息熵的計算及分析

“熵”原是一個熱力學(xué)概念[17]，統(tǒng)計物理學(xué)用它來表示分子不規(guī)則運動的程度，信息論中則把它作為隨機變量無約束程度的一種變量[18]。信息熵是系統(tǒng)復(fù)雜性和均衡性的測度，可用來測量土地利用系統(tǒng)的復(fù)雜程度和有序度[19]。一般情況下，信息熵越小，系統(tǒng)有序程度越高；反之有序程度越低[20]。

按照信息論的原理，并參考Shannon-weaner熵公式，定義土地利用結(jié)構(gòu)信息熵為[21-23]：

(1)

式中：H為城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵；Si為每種土地利用類型的面積。根據(jù)西寧市主城區(qū)土地分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，及上述的信息熵和均衡度公式，計算出1999～2012年西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)變化的信息熵(表1)，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化趨勢見圖5。

圖5 西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化趨勢圖Fig.5 Information entropy change trend chart of Land-use Constitutes in Xining City

經(jīng)濟的快速增長會引起城市用地規(guī)模的擴大，而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整則會引起城市用地結(jié)構(gòu)的變化。從圖5可以看出：西寧市主城區(qū)建設(shè)用地面積逐年增加，平均每年增加幅度為2.78%，其中2001年增長幅度最大為6.13%說明西寧市主城區(qū)用地擴展較快；14年來西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵有所波動，總體趨勢是逐漸降低。

3.2 西寧市主城區(qū)土利用地結(jié)構(gòu)均衡度和優(yōu)勢度的計算及分析

基于信息熵公式，可定義區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度的公式：

(2)

式中：J為均衡度；H為信息熵為信息熵；Hm的最大值。那么J為實際熵值與最大值之比。由于，J∈[0，1]值越大，表明城市土地利用的均衡性越強；反之越弱。

根據(jù)均衡度的取值范圍和地理意義，可以定義城市土地利用結(jié)構(gòu)的集中度如下：

I=1-J

(3)

式中：優(yōu)勢度I表示土地利用的集中度，它是實際信息增量與最大信息增量之比，反映了區(qū)域內(nèi)一種或幾種土地類型支配該區(qū)域土地類型的程度，與均衡度的意義相反。顯然，I∈[0，1]。

根據(jù)西寧市主城區(qū)土地分類統(tǒng)計數(shù)據(jù)，及上述的均衡度公式，計算出1999～2012年西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)變化的均衡度和優(yōu)勢度，計算結(jié)果見表1，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢度、均衡度變化趨勢見圖6。

表1 1999～2012年西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)及其信息熵、均衡度和優(yōu)勢度Tab.1 Information entropy and equilibrium degree of land-use constitutes in Xining City from 1999-2012

圖6 西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢度、 均衡度變化趨勢圖Fig.6 Equilibrium degree and dominance degree of land-use configuration in Xining City

從圖5、圖6可以就看出，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵、均衡度具有相同的變化趨勢，故根據(jù)城市土地利用結(jié)構(gòu)變動的信息熵波動的幅度大小，可以看出西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)變動經(jīng)歷了兩個階段：

第一階段為1999～2010年，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)的H值和J值都在波動中緩慢下降。在這段時間內(nèi)城市建設(shè)與開發(fā)的各職能類型的土地增長明顯不同，變化最顯著的是生活居民用地、園林綠地、其他建筑用地，而工業(yè)用地、交通用地和倉儲用地變動最小。在這段時間里西寧市的房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展較為迅速，是導(dǎo)致西寧市整體土地利用結(jié)構(gòu)變動的主要原因。由于2007年的房產(chǎn)泡沫導(dǎo)致“開發(fā)區(qū)熱”，造成大量耕地被占用和閑置，從而導(dǎo)致西寧市土地利用信息熵值在2007年達到1.6268，隨著國家的治理整頓，房地長開發(fā)熱潮減退，信息熵又有所降低。

第二階段為2010～2012年，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)的H值和J值都大幅下降，I上升。該階段城市用地變化主要表現(xiàn)為生活居住用地、園林綠地顯著增加，工業(yè)用地增長緩慢，交通倉儲用地以及其他建筑用地都有所減少且兩者變化有減緩趨勢，故信息熵表現(xiàn)為下降趨勢。這表明隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的進一步完善，工業(yè)用地、倉儲用地的外遷，城市用地結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化，使得該階段信息熵值明顯下降，西寧市城市土地利用也將日趨合理。

4 結(jié)論與討論

(1)1999～2012年，西寧市主城區(qū)建設(shè)用地面積以年均2.78%的增幅逐年增加，城市空間不斷擴大。其中1999～2005年城區(qū)建設(shè)用地面積平穩(wěn)增長，2005～2008年城區(qū)建設(shè)用地面積增幅有較大的波動，且在2007年城區(qū)建設(shè)用地面積達到最大值113.66 km2，2008年之后城區(qū)建設(shè)用地面積明顯減小且增幅緩慢。在未來西寧市主城區(qū)建設(shè)發(fā)展過程中，由于受到河谷地形的影響，城區(qū)建設(shè)用地面積不可能持續(xù)增加。

(2)在土地利用結(jié)構(gòu)方面：14年間西寧市主城區(qū)園林綠地、居民生活用地、倉儲用地面積比重呈現(xiàn)上升趨勢；而工業(yè)用地、交通用地和其他建設(shè)用地面積比重呈現(xiàn)下降趨勢。西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)在不斷發(fā)生變遷和調(diào)整，趨于現(xiàn)代城市土地利用結(jié)構(gòu)合理化的方向發(fā)展。但同國外城市用地結(jié)構(gòu)相比，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)仍存在一些不合理之處，尤其表現(xiàn)在園林綠地、倉儲用地和工業(yè)用地所占比例上，需要進一步擴大園林綠地和交通用地面積的比例，減小工業(yè)用地面積比例。

(3)1999～2012年，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度總體上處于波動式下降態(tài)勢，而優(yōu)勢度處于波動式上升狀態(tài)，表明西寧市主城區(qū)城市土地利用系統(tǒng)朝相對有序狀態(tài)進行演變；具體來看西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度變化存在兩個明顯的階段：第一階段為1999～2010年，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)的H值、J值和I值變化相對平穩(wěn)；第二階段為2010～2012年，西寧市主城區(qū)城市土地利用結(jié)構(gòu)H值和J值大幅下降，I值增加。針對西寧市城市土地利用結(jié)構(gòu)，它的信息熵究竟應(yīng)該是多少才能使城市土地利用系統(tǒng)發(fā)揮最高的功能效率，從而促進西寧市主城區(qū)土地的高效可持續(xù)利用，尚需進一步研究與探討。

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STUDY ON THE DRIVING FORCES OF CHANGING THE URBAN LAND-USE CONSTITUTES BASING ON INFORMATION ENTROPY IN XINING

WANG Yu-nan，LI Ling-qin，SHAN Liang-liang

(SchoolofLifeandGeographicScience，QinghaiNormalUniversity，Xining810008，Qinhai，China)

With the concept information entropy，equilibrium degree and dominance degree of land-use Configuration in Xining city from 1999～2012.The results show that：14 years，construction land area of Xining city showed a trend of increased year by year，expanding the urban space；urban land use structure of Xining city to constantly adjust and gradually rationalization；Information entropy and equilibrium degree of urban land use utilization of Xining city was decline in volatility，indicate the urban land-use systems of Xining city towards relatively orderly state.

urban land-use constitutes；information entropy；Xining City

2014-10-20；

2015-02-04．

F301

A

1001-7852(2015)01-0055-05