張盧奔，李滿春，周 磊，徐 雙

(江蘇省地理信息技術重點實驗室，南京大學地理與海洋科學學院，中國南京 210023)

土地利用結構是一個典型的受自然因素、經(jīng)濟因素和社會因素共同影響的復雜空間系統(tǒng)，由具有一定功能、特定結構特征的要素構成［1］.土地利用結構具有整體性、時序性、空間性、地類差異性等基本特點［2］.因此可以根據(jù)這些基本特點對土地利用結構變化進行分析.綜述國內(nèi)相關研究發(fā)現(xiàn):(1)土地利用結構變化分析的立足點不夠全面，部分學者通過信息熵理論進行土地利用結構變化分析［3-4］，但是信息熵理論的局限在于其不能對單個地類進行分析;部分學者通過洛倫茲曲線［5-6］、分形理論［7-8］進行土地利用結構變化分析，但是這兩種方法缺少對整體性方面和空間角度的分析.(2)土地利用結構分類過于籠統(tǒng)(如只有5～7類)，分析不夠透徹;部分學者的土地利用分類仍采用1984年規(guī)定的土地利用分類標準，可指導性不強.

鑒于以上兩點，本文嘗試將整體性、時序性、空間性、地類差異性作為立足點，通過引入信息熵理論和分形維數(shù)理論，采用最新的土地利用分類對長沙市2005—2012年土地利用結構變化展開全面分析.

1 研究方法

1.1 信息熵

信息熵可以反映出某一時間段內(nèi)，一定區(qū)域范圍內(nèi)各種土地利用類型分布均勻有序的程度.信息熵越大，土地利用的有序性越低，土地利用結構性不高;反之，信息熵越小，則土地利用穩(wěn)定性越強，系統(tǒng)的健康程度越高，越有利于生產(chǎn)活動的開展［9-10］.設一個行政區(qū)范圍內(nèi)土地總面積為S，該區(qū)域內(nèi)土地利用類型有n種，每種土地利用類型的面積為Si，占總面積的比例為Pi(i=1，2，3，…，n)，信息熵為H.

當各種土地利用類型面積相等時，信息熵最大，即Hmax=ln n.

為了反映土地利用類型之間的差異程度，引入均衡度J和優(yōu)勢度I進行描述，表達式為:

1.2 分形維數(shù)

分形維數(shù)D常用來描述具有自相似性結構的復雜程度［11-12］，可以研究土地利用變化的復雜度.

其中，A為圖斑面積，P為圖斑周長，C為常數(shù).分形維數(shù)D取值范圍為［1，2］.D越大，則圖斑邊界越不規(guī)則，土地利用類型越復雜;當D=1.5時，可以認為土地利用類型處于一種類似于布朗運動的隨機狀態(tài)［13］，即最不穩(wěn)定狀態(tài)，由此定義穩(wěn)定性指數(shù)S，S值越大，表示地類結構越穩(wěn)定;S值越小，表示地類結構越不穩(wěn)定［14］.

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

長沙市地處東經(jīng)111°53'～114°15'，北緯27°51'～28°41'之間.境內(nèi)地勢起伏較大，東西兩端山地環(huán)繞，中部漸趨低平.湘江由南向北貫穿長沙，市域河流水系包括瀏陽河、撈刀河、靳江河、溈水河、八曲河等.2012年長沙市常住總人口為714.66萬人，GDP達到6 399.91億元.本研究的評價對象為長沙市行政管轄范圍，包括芙蓉區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、望城區(qū)、長沙縣、寧鄉(xiāng)縣、瀏陽市，總面積11 815.96 km2.

2.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

2012年經(jīng)濟和人口數(shù)據(jù)由長沙市統(tǒng)計局提供，土地利用數(shù)據(jù)以長沙市2005—2012年土地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎，按照分類釋義和轉換對應關系將每年的變更調(diào)查分類轉換為《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2007)確定的二級分類，并計算出每年各種土地利用類型面積占比情況(表1).

表1 長沙市2005—2012年土地利用結構表(單位:%)Tab.1 Land use structure in Changsha from 2005 to 2012(Unit:%)

2.3 信息熵時空演變分析

首先從時序性的角度對長沙市土地利用結構變化進行分析.根據(jù)公式(1)～(4)得出長沙市2005—2012年土地利用結構變化的信息熵、均衡度和優(yōu)勢度(圖1).可以看出長沙市信息熵變化經(jīng)歷3個階段.第一階段信息熵從2005年的 1.504 4 Nat上升到2008年的1.523 3 Nat;第二階段信息熵從2008年的 1.523 3 Nat下降到2009年的1.451 5 Nat;第三階段信息熵從2009年的 1.451 5 Nat上升到2012 年的1.473 7 Nat.均衡度與信息熵的變化趨勢一致，也是上升—下降—上升，而優(yōu)勢度的變化趨勢則正好相反.

信息熵第一階段和第三階段呈現(xiàn)上升趨勢，其原因可以歸結為三大地類內(nèi)部變化:①農(nóng)用地變化，農(nóng)業(yè)內(nèi)部結構調(diào)整使長沙市耕地、園地、林地、牧草地和其他農(nóng)用地均呈下降趨勢，其中牧草地減少趨勢最為明顯，兩個階段的年均減少率分別為9.142 8%和3.582 1%.②建設用地變化，在第一階段，農(nóng)村居民點用地和其他建設用地呈緩慢減少趨勢，而城鎮(zhèn)工礦用地、交通運輸用地和水利設施用地呈顯著增加趨勢，其中城鎮(zhèn)工礦用地年均增長率最高，達到10.459 0%.在第三階段，五種地類均呈增加趨勢，其中交通運輸用地年均增長率最高，達到10.712 7%.③其他土地變化，第一階段水域和自然保留地呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，第三階段時期內(nèi)，長沙市積極開墾利用自然保留地，其下降趨勢加快，達到4.636 9%.信息熵第二階段大幅下降，其原因是在第二次土地調(diào)查中，對各種地類的判斷標準和統(tǒng)計口徑發(fā)生了調(diào)整，使得部分土地利用類型面積發(fā)生了大幅度上升或者下降，信息熵值降低，表明土地利用系統(tǒng)在第二次土地調(diào)查后趨于穩(wěn)定，有序度得以提升.

圖1 長沙市2005—2012年土地利用結構的信息熵、均衡度和優(yōu)勢度Fig.1 Information entropy，equilibrium degree and advantage degree of land use structurein Changsha from 2005 to 2012

其次從空間性的角度對長沙市土地利用結構變化進行分析.通過公式(1)～(4)計算得出2012年長沙市所轄各區(qū)縣(市)信息熵、均衡度和優(yōu)勢度(圖2)，將各區(qū)縣(市)根據(jù)信息熵值大小分為3類:①高熵值區(qū)(＞1.8)，包括開福區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)，這3個區(qū)內(nèi)各種地類所占比例相差不大，占比均衡，同屬于長沙市中心城區(qū)范圍內(nèi)，經(jīng)濟社會快速發(fā)展，城市功能逐步完善，城市擴展迅速，土地利用結構變化較大，無序化程度較高.②中熵值區(qū)(1.5～1.8)，包括雨花區(qū)、望城區(qū)、長沙縣，這3個區(qū)縣經(jīng)濟社會發(fā)展處于穩(wěn)步提升狀態(tài)，各類用地占比較為均衡，土地利用結構變化較為平衡.③低熵值區(qū)(＜1.5)，包括芙蓉區(qū)、寧鄉(xiāng)縣、瀏陽市，其中芙蓉區(qū)雖屬于中心城區(qū)范圍內(nèi)，但卻是長沙的老城區(qū)，發(fā)展空間有限，土地結構變化不明顯;寧鄉(xiāng)縣和瀏陽市遠離長沙市中心城區(qū)，并且以耕地和林地為主，結構類型單一，其優(yōu)勢度明顯較強.

圖2 長沙市2012年各區(qū)縣(市)土地利用結構的信息熵、均衡度和優(yōu)勢度Fig.2 Information entropy，equilibrium degree and advantage degree of land use structureof districts，counties and cities of Changsha in 2012

2.4 分形維數(shù)穩(wěn)定性分析

分形維數(shù)可以從地類差異性的角度分析單個土地類型在某年份的復雜度和穩(wěn)定性.本研究選取3個代表年份(規(guī)劃基期年2005年，進行第二次土地調(diào)查的2009年，有最新土地變更數(shù)據(jù)的2012年)進行分形維數(shù)穩(wěn)定性分析，通過ArcGIS 9.3分別提取3年內(nèi)每年12種地類的圖層，計算周長P和面積A，并取對數(shù)，形成Excel表，然后將Excel表導入SPSS 21軟件分別進行線性回歸分析.限于篇幅，現(xiàn)僅列舉2012年耕地、城鎮(zhèn)工礦用地、水域的ln A-ln P散點圖(圖3)，以及2012年土地利用類型線性回歸分析結果(表2).

圖3 長沙市2012年耕地、城鎮(zhèn)工礦用地、水域的ln A-ln P散點圖Fig.3 ln A-ln P scatter plot of cultivated land，urban industrial and mining land，waters of Changsha in 2012

表2 長沙市2012年土地利用類型線性回歸分析Tab.2 Linear regression analysis of land use types of Changsha in 2012

根據(jù)公式(5)和(6)計算長沙市2005、2009、2012年土地利用類型分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)(圖4)，從兩個角度進行分析.(1)相同年份下不同土地利用類型的復雜度比較，2005年復雜度從大到小順序為:水域、水利設施用地、耕地、自然保留地、其他農(nóng)用地、林地、農(nóng)村居民點用地、園地、交通運輸用地、其他建設用地、城鎮(zhèn)工礦用地、牧草地;2009年復雜度從大到小排序:水域、交通運輸用地、水利設施用地、林地、耕地、農(nóng)村居民點用地、自然保留地、園地、其他農(nóng)用地、城鎮(zhèn)工礦用地、其他建設用地、牧草地;2012年復雜度從大到小排序:水域、水利設施用地、交通運輸用地、林地、耕地、農(nóng)村居民點用地、自然保留地、園地、其他農(nóng)用地、其他建設用地、城鎮(zhèn)工礦用地、牧草地.因為水域大多是自然形成的，其形狀復雜且分布不均勻，因此復雜度相對于其他類型始終最高，建設用地以及部分生態(tài)用地(如牧草地)受人為因素影響較為明顯，相對于其他類型更加規(guī)范化，穩(wěn)定性更高，復雜度更低.

(2)不同年份下相同土地利用類型的復雜度比較，主要體現(xiàn)在:①耕地、園地、自然保留地復雜度逐漸增大，建設用地的不斷擴張，占用耕地和園地，加快了其破碎化過程，自然保留地則因為近年未利用地的不斷開發(fā)，穩(wěn)定性逐漸降低，所以耕地、園地和自然保留地都是在人為因素的影響下，復雜度越來越高，穩(wěn)定性越來越差.②林地、牧草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點用地、交通運輸用地、水利設施用地、水域復雜度先增大再減小，因為2009年以前對林地的砍伐、對牧草地的開墾以及對水域的河道整治、漁業(yè)發(fā)展較多，致使其穩(wěn)定性降低，而近年來長沙市加強了對生態(tài)環(huán)境的保護，實施相關保護規(guī)劃，利用類型逐漸朝著穩(wěn)定趨向發(fā)展，建設用地在2009年以前發(fā)展迅速，管理手段相對滯后，復雜度增大，2009年統(tǒng)一以第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎進行“圖數(shù)一致”管理，加強了對建設用地指標的管控，建設用地擴張速度有所減緩，穩(wěn)定性逐漸加強.

圖4 長沙市2005年、2009年、2012年土地利用類型分形維數(shù)和穩(wěn)定性指數(shù)Fig.4 Fractal dimensions and stability indexes of land use types of Changsha in 2005，2009，2012

3 結論與建議

本研究以信息熵理論和分形維數(shù)理論為技術支撐，選取中型城市長沙市為研究區(qū)域，從整體性、時序性、空間性、地類差異性4個立足點出發(fā)，對長沙市土地利用結構變化進行分析，得出如下結論:

(1)從整體來看，長沙市在時序上由于三大地類內(nèi)部變化以及第二次土地調(diào)查，信息熵變化可以劃分為2005—2008年的上升期，2008—2009年的下降期，2009—2012年的上升期3個階段.在空間上信息熵變化基本與經(jīng)濟社會發(fā)展相耦合，由中心城區(qū)向外信息熵逐漸降低，分為高熵值區(qū)、中熵值區(qū)、低熵值區(qū).

(2)從地類差異性來看，隨著區(qū)域內(nèi)土地利用發(fā)生變化，相同年份下不同土地利用類型的復雜度隨之變化;同時，不同年份下相同土地利用類型的復雜度也不盡相同.

為了更好地發(fā)展區(qū)域內(nèi)土地利用系統(tǒng)的功能效益，長沙市應該分地區(qū)、有計劃地實行土地優(yōu)化策略.在長沙市中心城區(qū)，土地供需矛盾隨著經(jīng)濟速度加快而逐漸凸顯，應不斷推進土地節(jié)約集約利用的創(chuàng)新.長沙市中心城區(qū)外圍的部分區(qū)(縣)應結合當?shù)赝恋乩矛F(xiàn)狀，以穩(wěn)定、效率為首要因素，不斷推進土地空間內(nèi)涵挖潛.長沙市遠郊地區(qū)應繼續(xù)加強生態(tài)用地保護，以提高第三產(chǎn)業(yè)為核心，優(yōu)化土地利用結構布局，使土地利用結構向著有序、穩(wěn)定的方向發(fā)展.

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