基于GM模型的天水市麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)演變分析及預(yù)測(cè)

蒲榮 王寶春 辛瑞超

摘要：為研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，探究其發(fā)展規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，運(yùn)用SPSS等軟件對(duì)天水市麥積區(qū)2015 — 2020年土地利用變更數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用信息熵、單一土地動(dòng)態(tài)度對(duì)麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行了定量分析并對(duì)麥積區(qū)2021 — 2026的信息熵進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，麥積區(qū)土地利用類型時(shí)間變化具有不均衡性，但已呈現(xiàn)良好方向發(fā)展的趨勢(shì)。從單一土地動(dòng)態(tài)度來(lái)看，居民工礦用地、水利設(shè)施用地、交通設(shè)施用地均為正向變化，其中交通設(shè)施用地變化最為明顯，水利設(shè)施變化幅度最小。其他用地類型均為負(fù)向變化，林地變化最小。依據(jù)2015 — 2017年信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度以及2021 — 2026年預(yù)測(cè)值分析，麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)正在向均衡化的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：土地利用動(dòng)態(tài)變化;信息熵;灰色預(yù)測(cè);麥積區(qū)

中圖分類號(hào)：F301.2? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-1463（2022）02-0073-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.02.018

Dynamic Evolution and Prediction of Land Use Structure in Maiji District of Tianshui City Based on GM Model

PU Rong 1， WANG Baochun 1， XIN Ruichao 2

（1. Gansu Agricultural Vocational and Technical College， Lanzhou Gansu 730020，China; 2. Natural Resources Bureau of Shandan County， Shandan Gansu 734100， China）

Abstract：Based on the land use data of Maiji district from 2015 to 2020， using software such as Excel and Spss to handle the change data for 6 years， we made a quantitative analysis of the dynamic evolution of the land use structure by using the analyzing approaches such as the information entropy， single land dynamic degree and the GM（1，1） model of grey system theory， and made a prediction on information entropy of the Maiji district in Tianshui city from 2021 to 2026. The results demonstrated that the distribution of different land use types showed the trend of temporal unbalance， but it began to develop toward a good direction. From the perspective of single land dynamic degree， residential land， industrial and mining land， land used for water conservancy facilities， and land used for transportation facilities all had positive changes， in which the change of land used for transportation facilities was the most obvious， while the change of land used for water conservancy facilities was the least. Based on the analysis of information entropy， equilibrium degree and superiority degree from 2015 to 2017 and the predicted value from 2021 to 2026， the land use structure is moving towards equilibriumin Maiji district of Tianshui city.

Key words：Dynamic evolution of land use;Information entropy;Grey prediction;Maiji district

當(dāng)前，我國(guó)正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的階段，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口快速發(fā)展的同時(shí)加大了對(duì)土地資源的需求，使得原本就存在的土地供需矛盾更加尖銳，土地利用結(jié)構(gòu)也更加趨向于復(fù)雜化[1 ]。研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，探究其發(fā)展規(guī)律和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，是土地利用結(jié)構(gòu)研究中必須要解決的課題[2 ]。土地利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變的研究成果對(duì)于在各地區(qū)和部門合理配置土地資源，有效緩解用地的供需矛盾，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著極其重要的參考價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)演變已經(jīng)有了很多研究[3 - 9 ]，包括土地的空間分布、時(shí)間變化、均衡度及驅(qū)動(dòng)力分析等。研究所使用的方法也各式各樣，如信息熵法、主成分分析法、馬爾可夫鏈、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[10 ]。我們?cè)诮梃b了前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)信息熵和單一地類動(dòng)態(tài)度的原理，結(jié)合天水麥積區(qū)的土地利用現(xiàn)狀，選取2015 — 2020年間的土地利用變更數(shù)據(jù)，對(duì)麥積區(qū)6年的土地利用空間結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析和研究，并運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)的方法對(duì)麥積區(qū)2021 — 2026年土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為麥積區(qū)土地在各部門間優(yōu)化配置及土地的集約節(jié)約化提供科學(xué)依據(jù)。

1? ?研究區(qū)概況

1.1? ?自然經(jīng)濟(jì)概況

麥積區(qū)地處東經(jīng)105° 25′～106° 43′，北緯34°06′～34° 48′，東與寶雞市相接，南與兩當(dāng)縣、徽縣相連，西靠甘谷縣，北臨清水縣、秦安縣。東西跨度最大123 km，南北最寬約50 km，最窄處則不足5 km。全區(qū)土地總面積3 452 hm2。現(xiàn)轄17個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、3個(gè)街道辦事處，379個(gè)行政村，總?cè)丝诩s64萬(wàn)，其中農(nóng)村人口約45萬(wàn)。

1.2? ?土地利用結(jié)構(gòu)概況

根據(jù)麥積區(qū)2015 — 2020年土地利用變更數(shù)據(jù)、麥積區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，整理得到麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)概況（表1）。麥積區(qū)2015 — 2020年土地類型中林地面積占比超過(guò)總面積1/2，但其比例變化幅度較小。水利設(shè)施用地占比最小，其變化也較小。耕地、林地、園地、未利用地、牧草地均有不同程度的減少，居民工礦用地、交通設(shè)施用地和水利設(shè)施用地都有增加，其中居民工礦用地增加最高，為0.446 1百分點(diǎn)。

2? ?數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1? ?數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于2015 — 2020年麥積區(qū)土地利用變更統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及麥積區(qū)土地利用總體規(guī)劃，并以麥積區(qū)國(guó)土局、農(nóng)業(yè)局等部門提供的數(shù)據(jù)為補(bǔ)充。

2.2? ?研究方法

2.2.1? ? 信息熵? ? 信息熵原本是一個(gè)物理學(xué)的概念，它可以用來(lái)衡量一個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度與均衡度，信息熵熵值越高，其所屬系統(tǒng)的有序程度就越低，系統(tǒng)也就越紊亂[11 - 12 ]。土地利用結(jié)構(gòu)信息熵可以反映一定時(shí)期研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化以及地類轉(zhuǎn)化的程度，對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整都具有一定指導(dǎo)作用[5 ]。對(duì)某一具有固定界線的區(qū)域，假定其區(qū)域總面積為A，根據(jù)一定的劃分標(biāo)準(zhǔn)將該區(qū)域內(nèi)土地利用類型分為n類，各種土地利用類型的面積用A（xi）表示，則某一地類出現(xiàn)的概率可用如下公式表示：

p（xi）=A（xi）/A，i=1，2…，n（1）

顯然，當(dāng)∑p（xi）=1時(shí)，滿足歸一化條件，則信息熵可定義如下：

H（x）=-∑p（xi）lnp（xi）（2）

信息熵H可以用來(lái)表示一個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性與均衡性，本文將用其來(lái)描述一個(gè)區(qū)域內(nèi)土地類型的復(fù)雜程度。如果某個(gè)區(qū)域的土地類型有n種，那么當(dāng)該區(qū)域處于未開發(fā)時(shí)，其熵值為0，即Hmin=0;相反，如果這一區(qū)域內(nèi)的各種土地類型已基本趨于穩(wěn)定或均勻，并且當(dāng)其滿足信息熵熵值最大化條件時(shí)，即A（x1）=A（x2）=…A（xn）=A/n時(shí)，則有A（xi）=1/n（i=1，2，……n），此時(shí)該區(qū)域信息熵熵值達(dá)到最大值，有Hmax=ln（n）。根據(jù)上述分析可知，當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的土地利用類型越多，各類土地面積越接近時(shí)，其熵值也就越大。

2.2.2? ? 優(yōu)勢(shì)度和均衡度? ? 基于信息熵函數(shù)，可以構(gòu)建其均衡度，其均衡度公式如下：

式中，J表示均衡度，是土地利用結(jié)構(gòu)信息熵值與理論最大熵值之比;H表示信息熵，因?yàn)镠≤Hmax，所以J的變化區(qū)間為[0，1]。當(dāng)J的值為1時(shí)，說(shuō)明土地利用達(dá)到了最理想的平衡狀態(tài)，相反，當(dāng)J的值為0時(shí)，則表明土地處于最不均勻狀態(tài)，該區(qū)域尚未開發(fā)?；诰舛鹊母拍睿梢詷?gòu)建出優(yōu)勢(shì)度公式：

I=1-J（4）

式中，I表示優(yōu)勢(shì)度，是實(shí)際熵值增量與最大熵值增量之比，其意義與均衡度的相反，用其表示土地利用的集中度，反映一個(gè)區(qū)域內(nèi)一種或幾種占優(yōu)勢(shì)的地類支配該區(qū)域土地的程度。

2.2.3? ?單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度 ? ?單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度模型[13 - 15 ]，本文用其表達(dá)某研究區(qū)內(nèi)一定時(shí)間范圍內(nèi)的某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其公式為：

式中 ，K代表研究時(shí)段內(nèi)某種土地利用類型的動(dòng)態(tài)度。Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某種土地利用類型的數(shù)量，T為研究時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)T=1時(shí)，K的值就是該研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型的年際變化率。

2.2.4? ?GM（1，1）灰色預(yù)測(cè)模型? ?灰色預(yù)測(cè)GM（1，1）模型[11 ]是擬微分方程的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，灰色預(yù)測(cè)模型的實(shí)質(zhì)是對(duì)原始數(shù)據(jù)先進(jìn)行一次累加生成，這使得生成的數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)一定的規(guī)律，而后通過(guò)建立一階微分方程模型，求得擬合曲線，用以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)[11 ]。模型為：

3? ?結(jié)果與分析

3.1? ?麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵演變分析

根據(jù)2015 — 2020年麥積區(qū)土地利用變更數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)土地資源特點(diǎn)，將三大類基本土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水利設(shè)施用地和未利用地9種類型，通過(guò)計(jì)算與分析得到麥積區(qū)各年信息熵、均衡度和優(yōu)勢(shì)度（表2）。

由表2可知，麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)2015年信息熵為1.161 9，2020年信息熵上升為1.168 8，增加了0.006 9，表明麥積區(qū)近年來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。熵值總體來(lái)說(shuō)是增長(zhǎng)的，但根據(jù)其增長(zhǎng)特點(diǎn)不同又可分為兩個(gè)階段：第一階段，2015 — 2017年緩慢上升，熵值變化最小0.000 2、最大0.001 2。耕地與居民公礦用地變化顯著，說(shuō)明該時(shí)段土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整以耕地和居民點(diǎn)及工礦用地為主。第二階段，2017 — 2020年熵值快速上升，平均為0.003 8，居民點(diǎn)及工礦用地、耕地、園地比重變化較大?？傮w上，隨著居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水利設(shè)施等建設(shè)用地比重的不斷增加，耕地、園地、林地等逐步下降，土地利用信息熵不斷增加。均衡度呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，2020年比2015年增加了0.003 1，優(yōu)勢(shì)度與均衡度相反。說(shuō)明各土地利用類型之間更加平衡，穩(wěn)定性也不斷增強(qiáng)，土地利用結(jié)構(gòu)有向合理、均衡的發(fā)展的趨勢(shì)。

麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵增加的最主要原因是建設(shè)用地和交通用地的增加。2015 — 2019年間，耕地、園地占比分別下降了0.120 5、0.287 5百分點(diǎn)，居民工礦用地、交通設(shè)施用地比重分別增加了0.446 1、0.091 3百分點(diǎn)。耕地、牧草地、園地比重持續(xù)下降，林地和未利用地緩慢下降，其他農(nóng)用地先上升后下降，居民工礦用地和交通設(shè)施用地持續(xù)上升，水利設(shè)施用地上升速度緩慢。地類此消彼長(zhǎng)的變化，反映出了麥積區(qū)正在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、工業(yè)化轉(zhuǎn)變。一方面西部大開發(fā)如關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)、天平鐵路和寶天高速公路的建設(shè)、旅游開發(fā)等占用了大量土地，使居民工礦用地、交通建設(shè)用地等增加;另一方面，城市化進(jìn)程的推動(dòng)也使麥積區(qū)城市建成區(qū)的規(guī)模擴(kuò)大成為必然趨勢(shì)，農(nóng)用地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、農(nóng)地景觀變?yōu)榉寝r(nóng)地景觀的現(xiàn)象在郊區(qū)更為顯著。在各種因素的共同作用下，麥積區(qū)近6年來(lái)熵值雖然呈上升的變化趨勢(shì)，但是“熵值趨于穩(wěn)定”的規(guī)律還沒(méi)有得到體現(xiàn)，這從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明麥積區(qū)正處于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加速階段。

3.2? ?單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度的時(shí)間分異分析

基于2015 — 2020年土地利用變更數(shù)據(jù)計(jì)算得到各類土地面積變化和單一土地利用類型年動(dòng)態(tài)度（表3）。

由表3可知，2015 — 2020年麥積區(qū)土地利用變化速度較快，其中交通設(shè)施用地變化最為活躍，平均每年增加4.195%;其次是居民工礦用地和水利設(shè)施用地。變化較快的是園地、未利用地和牧草地，變化較緩慢的是耕地和其他農(nóng)用地，變化速度最小的是林地，平均每年減少0.005%。2020年較2015年居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地和水利設(shè)施用地都有所增加，其中居民工礦用地增加面積最大，為1 553.85 hm2，水利設(shè)施用地增加較少，僅為0.28 hm2;耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、未利用地都在減少，以園地面積減少最多，為1 001.19 hm2，其次為耕地，減少了419.59 hm2。

3.3? ?麥積區(qū) 2021 — 2026年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、 優(yōu)勢(shì)度預(yù)測(cè)

3.3.1? ? 預(yù)測(cè)結(jié)果? ? 選擇2015 — 2020年信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度，運(yùn)用matbal建立灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)2021 — 2026年信息熵、均衡度、優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行預(yù)測(cè)的結(jié)果（表4）表明，麥積區(qū)2021 — 2026年信息熵和均衡度在原來(lái)的基礎(chǔ)上將繼續(xù)增加，優(yōu)勢(shì)度將持續(xù)下降。表明麥積區(qū)未來(lái)6年土地利用結(jié)構(gòu)正在不斷變化中趨于穩(wěn)定并將向良好的方向發(fā)展，這也從側(cè)面表明了麥積區(qū)將繼續(xù)處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段。

3.3.2? ? 灰色預(yù)測(cè)模型的精度檢驗(yàn)? ? 灰色預(yù)測(cè)模型的精度檢驗(yàn)方法主要有3種，分別是殘差檢驗(yàn)法、后驗(yàn)差檢驗(yàn)法和關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)法，我們采用第二種方法進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇2015 — 2020年熵值和均衡度與預(yù)測(cè)值（表5）。

經(jīng)計(jì)算得出信息熵后驗(yàn)差比值C=0.115 848，預(yù)測(cè)精度P=1.000 015。均衡度后驗(yàn)差比值C= 0.120 300，預(yù)測(cè)精度P=0.999 975。指標(biāo)C的值越小越好，C的值越小表明盡管原始數(shù)據(jù)很離散但模型所得計(jì)算值與實(shí)際值之差并不離散。指標(biāo)P的值越大越好，P值越大表明其精度越高。將指標(biāo)與預(yù)測(cè)精度等級(jí)參照表（表6）作對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，預(yù)測(cè)精度等級(jí)達(dá)到一級(jí)，符合預(yù)測(cè)所需精度，可用于麥積區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的未來(lái)預(yù)測(cè)。

4? ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)麥積區(qū)2015 — 2020年的信息熵分析，麥積區(qū)在6年間土地利用類型變化具有不均衡性，結(jié)構(gòu)性較差的特點(diǎn)。從單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度可知，麥積區(qū)在2015 — 2020年間土地利用變化速度較快，其中交通設(shè)施用地變化最為活躍，林地變化最為緩慢。從信息熵和單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度變化分析，麥積區(qū)信息熵變化與單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度最顯著的都是交通設(shè)施用地和居民工礦用地，說(shuō)明這兩種用地類型變化是引起信息熵增加的主要因素。

通過(guò)對(duì)信息熵預(yù)測(cè)值分析，未來(lái)6年麥積區(qū)信息熵單調(diào)遞增，均衡度穩(wěn)定增加，土地利用結(jié)構(gòu)正在不斷變化中趨于穩(wěn)定并將朝均衡的方向發(fā)展，這從側(cè)面表明了麥積區(qū)正處于并將繼續(xù)處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段。

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