基于GIS與信息熵法的河南省城市用地演變特征研究

魯春陽 文楓 臘夢(mèng) 司錦 王慧瑩

摘要：隨著城市化的快速發(fā)展，城市用地演變加速，由此引起的區(qū)域土地利用外部擴(kuò)展與內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組引起學(xué)者們的高度關(guān)注。以河南省為例，采用地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用信息熵和土地利用均衡度，對(duì)其2006—2016年期間城市用地演變時(shí)空特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：（1）2006—2016年，除對(duì)外交通用地、特殊用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地面積略有下降外，其他功能性用地面積均呈增加趨勢(shì)。（2）2006—2016年土地利用信息熵為0.58左右，2006—2011年均衡度為0.26左右，2012—2016年為0.28，說明河南省土地利用的均質(zhì)度不斷提升。（3）2006—2016年，河南省人均用地面積異質(zhì)性較大，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的地級(jí)市比例偏低。

關(guān)鍵詞：城市土地利用;時(shí)空特征;信息熵;GIS空間分析;河南省

中圖分類號(hào)： F299.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）20-0281-06

區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)變化是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題之一。我國學(xué)者在土地利用變化的特征、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、演變機(jī)制等方面展開了諸多研究，取得了豐碩成果。魯春陽等采用土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)分析了重慶市主城區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化特征[1]。李一瓊等采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、標(biāo)準(zhǔn)差橢圓、點(diǎn)密度分析和熱點(diǎn)分析等方法探究蘇州市土地利用動(dòng)態(tài)變化特征[2]。蘇浩等分析了黑龍江省城市土地利用績(jī)效時(shí)空變化特征[3]。史培軍等闡述了土地利用時(shí)空變化模型[4-5];劉紀(jì)遠(yuǎn)等采用地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)（RS）相結(jié)合的方法研究我國城市土地利用變化特征[6-8]。史利江等采用GIS空間分析與土地利用動(dòng)態(tài)變化模型相結(jié)合的方法分析上海市土地利用動(dòng)態(tài)變化特征[9-11]。城市作為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)，其土地利用變化對(duì)區(qū)域整體用地效益的提升具有至關(guān)重要的作用。因此，開展城市用地結(jié)構(gòu)變化特征分析，探究其土地利用演變的一般規(guī)律，對(duì)找準(zhǔn)城市用地結(jié)構(gòu)演變的內(nèi)在動(dòng)因具有重要意義。因此，已有的研究大多采用大尺度或者中尺度研究區(qū)域某一時(shí)段土地利用變化情況。本研究為彌補(bǔ)現(xiàn)有微觀尺度研究不足的現(xiàn)狀，采用GIS空間分析法探討河南省城市土地利用時(shí)空演變特征，以期為河南省城市用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化和城市整體功能發(fā)揮提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況

河南省是全國第一農(nóng)業(yè)大省、人口大省和糧食生產(chǎn)大省。2016年年底，河南省總?cè)丝?.07億人，其中城鎮(zhèn)人口5 232萬人，城鎮(zhèn)化率為48.5%。同期，河南省國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）總量為40 471.79億元，穩(wěn)居我國第5位、中西部地區(qū)首位，三次產(chǎn)業(yè)比例為10.6 ∶47.6 ∶41.8，人均GDP為 42 575元。2016年，河南省城市建設(shè)用地面積為 2 424.64 km2，人均公園綠地面積為 10.4 m2/人。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2017年）、《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》（2006—2017年）、《河南省國土資源年鑒》（2006—2017年）。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度反映不同用地類型的變化幅度，計(jì)算公式為

2.2.2 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵

設(shè)城市土地總規(guī)模為S，依據(jù)城市職能不同，將土地劃分為n種類型，每一種類型的土地面積為Si，則有：

2.2.3 土地利用結(jié)構(gòu)均衡度

均衡度的計(jì)算公式為

3 結(jié)果分析

GBJ 137—1990《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《原標(biāo)準(zhǔn)》）已經(jīng)廢止，GB 50137—2011《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱《新標(biāo)準(zhǔn)》）自2012年1月1日起使用。因此，將研究時(shí)段分為2006—2011年、2012—2016年。

3.1 數(shù)量變化分析

2006—2011年，河南省城市建設(shè)用地面積由 1 517.65 km2 增加到2 019.26 km2，土地動(dòng)態(tài)度為5.51%。其中，綠地動(dòng)態(tài)度為18.80%，道路廣場(chǎng)用地動(dòng)態(tài)度為7.27%，市政公用設(shè)施用地動(dòng)態(tài)度為6.56%，公共設(shè)施用地動(dòng)態(tài)度為6.11%，居住用地動(dòng)態(tài)度為5.81%，工業(yè)用地動(dòng)態(tài)度為0.46%，倉儲(chǔ)用地動(dòng)態(tài)度為4.75%，而特殊用地動(dòng)態(tài)度為-1.82%，對(duì)外交通用地動(dòng)態(tài)度為-0.39%（表1）。

2012—2016年，河南省城市建設(shè)用地面積由 2 083.42 km2 增加到2 424.64 km2，動(dòng)態(tài)度為3.28%，變化速度低于2006—2011年。工業(yè)用地動(dòng)態(tài)度為4.74%，道路交通設(shè)施用地動(dòng)態(tài)度為4.04%，居住用地動(dòng)態(tài)度為3.75%，綠地與廣場(chǎng)用地動(dòng)態(tài)度為3.66%。公共管理與公共服務(wù)用地動(dòng)態(tài)度為2.34%，物流倉儲(chǔ)用地動(dòng)態(tài)度為1.48%，公用設(shè)施用地動(dòng)態(tài)度為 0.20%，商業(yè)服務(wù)業(yè)與公共服務(wù)業(yè)用地動(dòng)態(tài)度為-0.09%（表2）。

3.2 結(jié)構(gòu)變化分析

從表3可以看出，根據(jù)《原標(biāo)準(zhǔn)》和《新標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)劃建設(shè)用地結(jié)構(gòu)比例標(biāo)準(zhǔn)，2006—2011年，河南省居住用地占比最高，其次是工業(yè)用地，公共設(shè)施用地占比在14%左右，道路廣場(chǎng)用地與綠地的占比在12%左右。根據(jù)《原標(biāo)準(zhǔn)》，居住用地、工業(yè)用地、道路廣場(chǎng)用地和綠地的比例符合要求?？傮w上，綠地占比呈上升趨勢(shì)。

2006—2011年，土地利用信息熵和均衡度變化不大，分別在0.58和0.26左右。這說明河南省土地利用的均質(zhì)性有所增強(qiáng)。在城市用地中工業(yè)用地、綠地比例變化最為明顯。為反映和描述城市用地類型的多樣性和用地結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，本研究將各類型用地變化值進(jìn)行分類（表4）。

從圖1至圖8可以看出，2006—2011年，人均居住用地變化值處于一級(jí)的有鶴壁市和開封市，處于二級(jí)的主要分布在豫中、豫南、豫北地區(qū)，處于三級(jí)的分布在豫西地區(qū);2011年符合《原標(biāo)準(zhǔn)》的只有開封市、洛陽市、焦作市，其他地級(jí)市均不符合。人均工業(yè)用地變化值處于一級(jí)的主要分布在豫北地區(qū)，處于二級(jí)的分布在河南省絕大多數(shù)地區(qū)，處于三級(jí)的只有洛陽市;2011年符合《原標(biāo)準(zhǔn)》的只有開封市、洛陽市、鶴壁市、濟(jì)源市，其他地級(jí)市均不符合。人均道路廣場(chǎng)用地變化值處于一級(jí)的只有鶴壁市、開封市，處于二級(jí)的主要分布在河南省絕大多數(shù)地區(qū);2011年符合《原標(biāo)準(zhǔn)》的有鄭州市、開封市、洛陽市、鶴壁市、濟(jì)源市、漯河市，其他地級(jí)市均不符合。人均綠地變化值處于一級(jí)的主要分布在豫中、豫北地區(qū)，處于二級(jí)的主要分布在河南省絕大部分地區(qū);2011年符合《原標(biāo)準(zhǔn)》的只有鄭州市和漯河市。

由表5可知，2012—2016年，河南省城市用地比例呈上升趨勢(shì)的有工業(yè)用地、居住用地、道路交通設(shè)施用地、綠地與廣場(chǎng)用地，其增加比例分別為0.93、0.60、0.51、0.23 百分點(diǎn)。

而商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地比例下降0.91百分點(diǎn)，公用設(shè)施用地比例下降0.62百分點(diǎn)，公共管理與公共服務(wù)用地比例下降0.47百分點(diǎn)，物流倉儲(chǔ)用地比例下降0.27百分點(diǎn)。

根據(jù)《新標(biāo)準(zhǔn)》，2012—2016年，河南省只有居住用地、綠地與廣場(chǎng)用地、道路交通設(shè)施用地符合要求。其中居住用地比例平均值為29.62%，略高于《新標(biāo)準(zhǔn)》下限4.62百分點(diǎn)。綠地與廣場(chǎng)用地比例平均值為14.50%，比《新標(biāo)準(zhǔn)》上限低0.50百分點(diǎn)。道路交通設(shè)施用地比例平均值為15.73%，高于《新標(biāo)準(zhǔn)》下限5.73百分點(diǎn)。而工業(yè)用地比例在2012年低于《新標(biāo)準(zhǔn)》，但在2013—2016年期間符合《新標(biāo)準(zhǔn)》。公共管理與公共服務(wù)用地比例不符合《新標(biāo)準(zhǔn)》，超過《新標(biāo)準(zhǔn)》上限3.52百分點(diǎn)。總體上，2012—2016年信息熵和均衡度分別為0.58和0.28，城市用地中的各職能類型土地比例增減變化明顯不同。

從圖9至圖16可以看出，2012—2016年，人均居住用地變化值處于一級(jí)的分布在豫北、豫中地區(qū)，處于二級(jí)的主要分布在河南省絕大多數(shù)地區(qū)。人均公共管理與公共服務(wù)用地變化值處于一級(jí)的分布在豫北、豫中、豫東地區(qū)，處于二級(jí)的分布在豫南地區(qū);2016年符合《新標(biāo)準(zhǔn)》的有鄭州市、開封市、洛陽市、鶴壁市、焦作市、三門峽市、濟(jì)源市，其他地級(jí)市均不符合。人均交通設(shè)施用地變化值處于一級(jí)的分布在豫東、豫東南、豫中地區(qū)，處于二級(jí)的主要分布在豫北、豫西南地區(qū);2016年符合《新標(biāo)準(zhǔn)》的只有濟(jì)源市，其他地級(jí)市均不符合。人均綠地與廣場(chǎng)用地變化值處于一級(jí)的主要分布在豫東、豫北地區(qū)，處于二級(jí)的分布在絕大部分地區(qū);2016年符合《新標(biāo)準(zhǔn)》的只有鄭州市、鶴壁市和漯河市。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)河南省城市用地?cái)U(kuò)展的時(shí)空特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，（1）2006—2011年，河南城市用地呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。除特殊用地、對(duì)外交通用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地略有下降外，其余功能性用地呈上升趨勢(shì)。（2）從土地利用信息熵和均衡度來看，2006—2016年信息熵為0.58左右，均衡度由0.26增加到0.28，這說明2006—2016年河南省土地利用的均質(zhì)性有所增強(qiáng)，土地利用向更合理的方向發(fā)展。在城市用地中工業(yè)用地、綠地比例變化最為明顯。（3）2006—2016年，河南省人均用地面積異質(zhì)性較大，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的地級(jí)市比例偏低。

河南省在城市發(fā)展的過程中，城市用地結(jié)構(gòu)不盡合理，達(dá)標(biāo)城市不多，說明城市各類功能性用地供給有待優(yōu)化，要深化土地供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，增加公共管理與服務(wù)用地、交通用地和綠地等的供給量，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)美好生活的需求。同時(shí)，要科學(xué)劃定城市增長(zhǎng)邊界，促進(jìn)城市緊湊發(fā)展和精明增長(zhǎng)，提高城市發(fā)展質(zhì)量，這也是下一步城市發(fā)展研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。

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