蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的初步確立

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

研究土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)的特點(diǎn)正從“全球到區(qū)域”轉(zhuǎn)變到“自然到人文”領(lǐng)域，區(qū)域土地利用演變已發(fā)展為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)[1]。一定研究區(qū)域各種土地利用結(jié)構(gòu)類型的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律及其國土規(guī)劃調(diào)整可以通過信息熵計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果可用于調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和指導(dǎo)城市規(guī)劃的編制與實(shí)施。我國學(xué)者利用信息熵對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了大量研究，如王秀紅等的研究成果為分析土地利用問題與制定土地退化防治對(duì)策提供了理論支撐[2]。陳彥光等通過研究城市土地利用功能劃分的相關(guān)內(nèi)容得出了結(jié)論：土地分異介于紊亂與有序之間是一個(gè)合理的城市土地功能劃分的特點(diǎn)[3]。本文基于Shannon等人創(chuàng)立的Shannon熵理論[4]，對(duì)蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進(jìn)行計(jì)算，以便為蘭州市土地利用開發(fā)利用、城市規(guī)劃編制、國土空間土地管理等相關(guān)工作提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

本研究所選的研究區(qū)域?yàn)樘m州市，甘肅省會(huì)，現(xiàn)轄五區(qū)三縣，分別是城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)、紅古區(qū)以及榆中縣、皋蘭縣、永登縣。蘭州市冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，是適合居住和創(chuàng)業(yè)投資的理想之地。蘭州市行政區(qū)劃圖如圖1所示。

2 研究方法—土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、優(yōu)勢度

本文采用Shannon熵公式來定義土地利用結(jié)構(gòu)信息熵：

圖1 蘭州市行政區(qū)劃圖

其中，信息熵用H表示，隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率用Pi表示。A被設(shè)定為某研究區(qū)域的土地總面積，土地利用類型被分成n種，每一種土地利用類型的面積表示為Ai（i=1，2，…，n），則有：各種土地利用類型占研究區(qū)域土地總面積的比例Pi=Ai/A，很容易發(fā)現(xiàn)，Pi顯示出歸一性。第i種土地利用類型面積占該區(qū)域土地總面積的比值用Pi表示，即用其值表示信息熵研究中事件發(fā)生的概率。

在理論研究模型中，一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)的信息熵值僅會(huì)增加，且其熵值有極大值，達(dá)到極大熵值后，在某一長時(shí)間范圍內(nèi)，它反映出熵增加原理，保持熵極大值狀態(tài)，每一個(gè)不同的信息熵值都對(duì)應(yīng)著不同的概率分布[5]。然而，這一理論在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于某一城市的特定發(fā)展時(shí)期和規(guī)劃目標(biāo)建設(shè)周期，如蘭州新區(qū)的前期建設(shè)階段，或不同城市在完成國土空間發(fā)展建設(shè)任務(wù)的特定時(shí)期，土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵通常缺少比較性，因此把實(shí)際熵值與最大熵值的比值作為城市土地利用構(gòu)成的均衡度（J）：

式中，J為均衡度，用其值表示研究區(qū)土地利用的均衡程度。基于H≤Hm，得出0≤J≤1。假設(shè)J=0 時(shí)，土地會(huì)變?yōu)樽畈黄胶鉅顟B(tài)，當(dāng)J=1時(shí)，相應(yīng)地，土地利用類型會(huì)達(dá)到最均勻狀態(tài)。因此可以得出，優(yōu)勢度的表達(dá)式為：

優(yōu)勢度I表示的意義與均衡度J相反，用來表示研究范圍內(nèi)一種或幾種土地利用類型占該范圍土地類型的比例。和信息熵比較，均衡度以及與它關(guān)聯(lián)的優(yōu)勢度加強(qiáng)了數(shù)值的可比性和指征性，基于它們的數(shù)值在0～1之間變化，得出的結(jié)果一目了然。均衡度或優(yōu)勢度作為一種指數(shù)，其優(yōu)越性顯而易見，即計(jì)算簡單、數(shù)值直觀和可比性強(qiáng)。

3 研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的計(jì)算

本研究利用信息熵來描述與刻畫土地利用系統(tǒng)的有序程度[6]。熵越大，表示系統(tǒng)有序度越低，反之，有序度越高。依據(jù)信息熵的計(jì)算公式（1）、（2）、（3）對(duì)蘭州市近四年的土地利用結(jié)構(gòu)信息熵進(jìn)行計(jì)算（見表1），結(jié)果顯示，2015年信息熵最低，為1.2852，此后逐年上升，2018年信息熵達(dá)到最大值，為1.2915，這也反映了蘭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平穩(wěn)步上升，土地利用的有序程度逐年降低。

通過計(jì)算和分析蘭州市2015-2018年連續(xù)4年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、優(yōu)勢度，發(fā)現(xiàn)其有序度與全國的土地利用有序度相比，相對(duì)較高，土地利用系統(tǒng)的平衡性比較好，這樣的結(jié)果一定程度上反映出蘭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，土地利用系統(tǒng)保持在一個(gè)低水平的有序狀態(tài)。這主要是由于蘭州市為依山傍水而建的黃河沿岸城市，牧草地所占比例大，林地、水域用地的面積所占比例相對(duì)較小。

4 信息熵與國土空間規(guī)劃的關(guān)系

近年來，蘭州市所管轄的三縣五區(qū)范圍內(nèi)，在土地利用中顯現(xiàn)出了不同的熵值特征，尤其在蘭州市的第四版城市總體規(guī)劃中發(fā)揮了重要作用。在規(guī)劃中將進(jìn)一步健全城鎮(zhèn)規(guī)劃體系，合理規(guī)劃都市區(qū)、中心城區(qū)、衛(wèi)星城鎮(zhèn)，有利于土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以構(gòu)筑核心發(fā)展空間，尤其是蘭州生態(tài)空間的主要承載地帶來的規(guī)劃發(fā)展，將大幅度提高生態(tài)建設(shè)水平，加快蘭州“得山獨(dú)厚、得水獨(dú)秀”現(xiàn)代化中心城市建設(shè)進(jìn)程。尤其是將榆中縣作為蘭州副中心城市，榆中縣（蘭州高新區(qū)，副地級(jí)，包含夏官營鎮(zhèn)），下轄東城區(qū)（和平、定遠(yuǎn)、連塔鄉(xiāng)），按照蘭州建設(shè)現(xiàn)代化中心城市的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)籌榆中經(jīng)濟(jì)社會(huì)各項(xiàng)工作，新型城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)一體化會(huì)加速發(fā)展。

表1 蘭州市2015～2018年土地利用結(jié)構(gòu)信息熵、均衡度、優(yōu)勢度

伴隨當(dāng)下國土空間規(guī)劃工作的展開，蘭州市也將會(huì)加快《蘭州市國土空間總體規(guī)劃》的編制工作。通過對(duì)蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵的研究，可以更好的為國土空間規(guī)劃提供參考意義，在尊重蘭州城市發(fā)展規(guī)律基礎(chǔ)上，更加明確了蘭州在蘭西城市群的引領(lǐng)地位和蘭白都市圈的空間格局；為確定蘭州土地利用結(jié)構(gòu)的發(fā)展目標(biāo)、戰(zhàn)略定位和城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模和國土空間開發(fā)保護(hù)格局，明確重要管控邊界，多措并舉引導(dǎo)蘭州從“單極”走向“一心兩翼組合型城市”，塑造高質(zhì)量發(fā)展增長極提供研究數(shù)據(jù)。

國土空間總體規(guī)劃，是貫徹新時(shí)代高質(zhì)量發(fā)展理念的規(guī)劃，首先要認(rèn)識(shí)到規(guī)劃是服務(wù)于發(fā)展，要與國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃相互銜接，做到高質(zhì)量的多規(guī)合一，在十四五規(guī)劃期間實(shí)現(xiàn)同步。其次，要從問題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向和結(jié)果導(dǎo)向出發(fā)，評(píng)估分析四版城市總體規(guī)劃執(zhí)行的問題，以及土地利用結(jié)構(gòu)的問題，研究蘭州空間發(fā)展的需求問題，通過城市和生態(tài)的一體化實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，緊抓國土安全、強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)；再次，對(duì)蘭州人口規(guī)模、土地利用結(jié)構(gòu)、建筑高度與密度受限等進(jìn)行研究，更好的指導(dǎo)土地利用開發(fā)和地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

5 結(jié)語

通過計(jì)算蘭州市土地利用結(jié)構(gòu)信息熵，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)土地利用系統(tǒng)存在有序度的特征，更加準(zhǔn)確地反映出蘭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，其研究的深入可以更好、更科學(xué)地調(diào)整利用土地，對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。