惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時間變化規(guī)律及驅(qū)動因素分析

蘇俊文 于丹 陜永杰

[摘要]基于信息熵原理，分析了2010～2014年惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時間演變特征，并運用主成分分析方法對影響其變化的主要驅(qū)動因子進行定量分析。研究表明，近五年惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，土地利用結(jié)構(gòu)逐步向不均衡方向發(fā)展；人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、城市化進程加快等對土地的需求量不斷增加，是導(dǎo)致惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要驅(qū)動因素。

[關(guān)鍵詞]土地利用結(jié)構(gòu)；信息熵；時間變化；驅(qū)動因子；惠山區(qū)

[中圖分類號]F301 [文獻標(biāo)識碼]A

土地利用系統(tǒng)是由各因子耦合而成的一個龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，包括自然、人類、社會、經(jīng)濟、技術(shù)等，且具有耗散性結(jié)構(gòu)特征，也可進行調(diào)控。信息熵可以用來描述土地利用結(jié)構(gòu)變化，因此，很多學(xué)者運用信息熵原理對各地區(qū)在時間及空間方面的土地利用結(jié)構(gòu)變化進行了大量研究，并對其反映出的一般性規(guī)律進行了總結(jié)，從而提出了均衡度這個概念，用來反映土地利用結(jié)構(gòu)的合理程度，同時也在土地利用結(jié)構(gòu)時空變化規(guī)律、驅(qū)動因子、預(yù)測土地利用結(jié)構(gòu)等各方面做出了大量研究成果。以上研究表明，土地利用結(jié)構(gòu)信息熵可反映某區(qū)域在某時間段內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的變化情況及變化趨勢，對調(diào)整地區(qū)土地利用結(jié)果有指導(dǎo)意義，通過對其驅(qū)動因子的研究也可為優(yōu)化地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)提供參考意見。無錫市惠山區(qū)地處我國長江三角洲腹地，為無錫市的城鄉(xiāng)結(jié)合部，經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，較早步入了城鎮(zhèn)化，可以作為蘇南地區(qū)代表。文章將惠山區(qū)作為研究區(qū)域，分析了其土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的變化，并分析了影響其變化的驅(qū)動因子，可以為優(yōu)化惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)及保障惠山區(qū)土地可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

惠山區(qū)位于江蘇省南部的無錫市，屬于上海經(jīng)濟區(qū)的重要部分，又位于長江三角洲的腹地，是滬寧兩地的交通咽喉?；萆絽^(qū)地理位置為120°04′～120°24′E，31°～32°46′N之間，氣候?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，光照十分充足，降水也很豐沛，四季分明，雨熱同期。常年平均氣溫為16.2℃，降水量為1121.7mm。

2 數(shù)據(jù)來源研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中數(shù)據(jù)來源于《江蘇省統(tǒng)計年鑒》及實地調(diào)研，土地利用數(shù)據(jù)來源于國土資源局統(tǒng)計的2010～2014年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)。為了方便研究，把土地利用類型劃分為了八類：耕地、林地、園地、其他農(nóng)用地、交通運輸用地、居民點及工礦、水利設(shè)施用地以及其他用地。

2.2 研究方法

熵最開始是一個物理學(xué)概念，后來被運用到控制論、信息論等其他領(lǐng)域中，由此便出現(xiàn)了信息熵。后來被研究者大量運用于研究土地利用結(jié)構(gòu)變化。通過計算信息熵，可得出區(qū)域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)的有序性，并反映出影響其變化的主要因素。

2.2.1 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵。依照Shannon熵公式對信息熵（H）的定義如下：

Pi=Ai/A （1）

H=- （2）

式中：A表示區(qū)域土地總面積，某種土地類型的面積為Ai（i=1，2，…，n）；Pi表示各土地利用類型占該區(qū)域土地總面積的比例；H為土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，其大小用來反映各土地類型面積分布的均勻程度。當(dāng)各土地類型面積相等，即A1=A2=…AN=A/N時，熵最大，即Hmax=lnN。一般而言，土地類型越多，各類型的百分比相差越小，熵值越大。

2.2.2 均衡度與優(yōu)勢度。為了更直觀地表現(xiàn)出土地利用結(jié)構(gòu)的合理度，研究者在信息熵的基礎(chǔ)上引進均衡度的概念，為實際熵值與最大熵值（即lnN）之比，即公式（3）。

J=H/Hmax=- （3）

由公式（3）可看出，均衡度J的變化范圍是[0，1]，均衡度越大，表明土地利用結(jié)構(gòu)越合理。同理，引入優(yōu)勢度的概念，見公式（4）。

I=1-J （4）

式中：I為優(yōu)勢度，用來表示區(qū)域內(nèi)某一種或幾種土地利用類型對該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的支配程度，與均衡度的意義相反。

3 結(jié)果與分析

3.1 惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵時序變化分析

通過以上方法，計算出了惠山區(qū)2010～2014年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度及優(yōu)勢度，計算結(jié)果如表2所示：研究期間，惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵表現(xiàn)為不斷下降的趨勢，各類土地利用面積差距變大。均衡度逐漸減小，優(yōu)勢度逐漸增大，說明各土地類型利用面積不均衡，原因主要是人口增加、經(jīng)濟發(fā)展及城市化進程加快導(dǎo)致人們對土地的需求增加，居民點及工礦和交通運輸用地面積增加，耕地和園地面積減少。

3.2 驅(qū)動因素主成分分析

文章根據(jù)已有研究成果，選取了14個與土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化相關(guān)的指標(biāo)作為驅(qū)動因子進行了分析：X1為常住人口數(shù)（萬人），X2為城鎮(zhèn)化比例（%），X3為GDP（億元），X4為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)值（億元），X5為第一產(chǎn)業(yè)所占比例（%），X6為農(nóng)作物播種面積（千hm2），X7為農(nóng)村人均純收入（元/人），X8為工業(yè)增加值（億元），X9為第二產(chǎn)業(yè)所占比例（%），X10為城鎮(zhèn)居民可支配收入（元/人），X11為全社會固定資產(chǎn)投資額（億元），X12為社會消費品零售總額（億元），X13為財政收入（億元），X14為第三產(chǎn)業(yè)所占比例（%）（表3）。

采用主成分分析進行分析（表4、表5）。第一主成分貢獻率為87.248%，與X1、X2、X3、X4、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X13、X14存在較大的正相關(guān)性，與X12存在較大的負(fù)相關(guān)性，說明土地利用結(jié)構(gòu)變化與經(jīng)濟發(fā)展、城市化水平密切相關(guān)。第二主成分與第一產(chǎn)業(yè)所占比例存在較大正相關(guān)性，說明第一產(chǎn)業(yè)對土地利用結(jié)構(gòu)變化影響較大；從結(jié)果可以看出，選取的14個指標(biāo)都在某種程度影響著土地利用結(jié)構(gòu)變化，可將其歸結(jié)為四類：人口增長、城市化進程加快、經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重。

4 討論與結(jié)論

信息熵可用來反映土地利用結(jié)構(gòu)的有序性及其發(fā)生的變化，很多國內(nèi)外學(xué)者在研究土地利用過程中也廣泛應(yīng)用。無錫市惠山區(qū)屬于上海經(jīng)濟區(qū)的重要部分，又位于長江三角洲的腹地，是滬寧兩地的交通咽喉，經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，較早步入了城鎮(zhèn)化，在蘇南地區(qū)具有代表性。人類行為是導(dǎo)致土地利用發(fā)生變化的顯著因素。尤其是因為近些年以來，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的步伐加進，城鎮(zhèn)的建設(shè)進程不斷加快，其發(fā)展模式在蘇南地區(qū)具有普遍性?？梢园鸦萆絽^(qū)土地利用結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化、變化趨勢及反映出的問題作為蘇南地區(qū)的代表，以此來反映蘇南地區(qū)的土地利用變化及變化趨勢。

文中分析了惠山區(qū)2010～2014年間土地利用結(jié)構(gòu)信息熵在時間上的變化規(guī)律，并運用主成分分析方法定量分析了引起惠山區(qū)土地利用信息熵變化的14個驅(qū)動因子，通過分析得出了影響其變化的主要驅(qū)動因子，但是沒有對引起其變化的自然地理要素、政府決策等因素進行分析，因為這些因素不易量化，所以這也是下一步需要展開的重點研究內(nèi)容。

文章通過研究得出兩個結(jié)論：①2010～2014年，惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵表現(xiàn)出的趨勢為逐漸下降。其表現(xiàn)為耕地、園地的面積不斷減少，居民點及工礦、交通運輸用地的面積不斷增加，使得土地利用結(jié)構(gòu)均衡度降低，趨勢向無序發(fā)展。②人口增長、經(jīng)濟發(fā)展、城市化進程加快等原因使得人們對土地的需求量不斷增加，是導(dǎo)致惠山區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主要驅(qū)動因素?；萆絽^(qū)在近年來對土地利用規(guī)劃過程中，應(yīng)合理安排各類型土地利用面積，協(xié)調(diào)好土地利用與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系，從而保障土地利用系統(tǒng)能夠有序、均衡、可持續(xù)發(fā)展。

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