基于信息熵的河津市土地利用结构时序变化及驱动力分析

刘 泽

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

目前，土地利用已成为全球环境变化研究的核心领域和前沿课题[1-2]，而土地本身具有结构和功能的有序性特征，是具有耗散结构的自然历史综合体，在时间上表现出演替的阶段、过程和规律[3-6]。土地利用结构信息熵可以全面反映一定时期内研究区土地利用类型的变化和转换情况，对研究区域的土地利用结构调整具有很好的指导作用[7]。近年来，国内学者借助信息熵理论分别针对不同地域开展了一系列的土地利用结构信息熵研究[8-12]，但对县域范围的研究甚少。

本研究借助信息熵、均衡度和优势度原理，分析和探讨山西省河津市土地利用结构的动态演变特征及其驱动力，以期对该地区土地资源的合理配置和可持续利用起到积极的促进作用，同时也为该市新一轮土地利用总体规划提供理论依据。

1 研究区概况

河津市位于山西省运城市西北角以及黄河、汾河交汇处，东迎汾水，与稷山县为邻；西隔黄河，与韩城市相望；南有台地，与万荣县毗连；北依吕梁，与乡宁县接壤。介于北纬35°28′17″～35°47′15″之间，东经110°32′15″～110°50′45″之间，土地总面积593 km2。河津市下辖2个街道办事处2镇5乡，2008年末全市总人口38.94万人，城镇化率为43.74%。2008年全市实现生产总值201.56亿元，比2007年同期增加9%，三产结构比例为1.7∶69.6∶28.7。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

1997—2008年河津市的土地利用变更数据来源于河津市国土资源局，相关社会经济指标来源于《河津市统计年鉴》。由于所收集的土地变更数据2003年前和2003年后的分类系统不同，为了便于分析，以我国1984年颁发的土地利用现状分类系统为基础、土地用途为划分依据，将研究区土地利用类型划分为耕地、园地、林地、其他农用地、居民点及工矿用地、交通用地、水利设施用地和未利用地8个一级类。

2.2 研究方法

首先利用信息熵、均衡度、优势度理论与方法，对山西省河津市市域1997—2008年土地利用结构动态变化进行分析；然后利用SPSS17.0软件对影响河津市土地利用结构变化的主要经济社会指标进行主成分分析；最后利用多元线性回归分析的方法建立研究区土地利用结构信息熵变化的驱动力模型。

3 河津市土地利用结构信息熵时序变化分析

3.1 土地利用结构的信息熵、 均衡度以及优势度理论

“熵”是一个物理概念，信息论中用它来衡量随机无约束程度[13]。土地作为自然历史的综合体，具有耗散结构特性，并且其结构和功能是有序的。土地的演变受到自然、社会等各种因素的综合影响，表现出自发性和不可逆性，这满足耗散结构理论的假设，因此，土地利用的结构特征用信息熵表示是合适的[7]。

3.1.1 信息熵 假定研究区土地总面积为S，该区域的土地利用类型为n 种，各个类型的土地面积为Si（i＝1，2，3，…，n），则有：

Pi为各类土地利用类型的面积占该区域土地总面积的比例，则有：

式中，H 为信息熵，其大小反映了土地利用类型的多少以及各类型面积分布的均匀程度，熵越大，类型越多。表明各类型的面积相差越小，则利用越均衡。当各类面积相等时（S1＝S2＝…＝SN＝S/n），熵达到最大，即Hmax＝ln n，这表明土地利用达到了均衡状态。

3.1.2 均衡度与优势度 实际应用中，由于区域不同或同一区域发展阶段的差异，导致土地分类标准不同；但土地利用类型数量不同时，土地利用结构的信息熵比较起来会缺乏可信度。因此，学者们在信息熵的基础上，提出了土地利用均衡度的概念[15]。

式中，J 为均衡度，是实际熵与最大熵的比值，反映了土地利用的均衡程度。由于H≤Hmax，所以0≤J≤1，当J＝0时，土地利用结构最不均匀；当J＝1时，土地利用类型达到理想平衡。

式中，I 为优势度，其反映的是一种或者几种土地类型对该区域土地类型的支配程度，意义与均衡度正好相反。

3.2 河津市土地利用结构信息熵时序变化分析

3.2.1 信息熵值变化分析 对河津市1997—2008年土地利用结构信息熵（表1）的分析表明，1997—2008年河津市土地利用结构信息熵由1997年的1.389 5增长到2008年的1.459 1，总体呈现出不断增长的趋势，这表明河津市土地利用系统总体的发展方向是有序度不断降低，结构性逐渐减弱。

河津市土地利用信息熵经历了3个显著的变化阶段（图1）：第1阶段是1997—2002年河津市土地利用结构信息熵处于平稳增长期，从1997年的1.389 5增长到2002年的1.412 4，年均增长0.382%；第2阶段是2002—2006年河津市土地利用结构信息熵处于快速上升阶段，由2002年的1.4124增长到2006年的1.450 7，年均增长0.958%，说明土地利用结构发生了较大变化，分析发现，造成这种变化的主要原因是这一阶段河津市开始实施退耕还林政策，城市化步伐加快，各类型用地面积差异缩小，导致了土地利用结构信息熵快速增加；第3阶段是2006—2008年河津市土地利用结构信息熵处于剧烈上升后的缓慢增长阶段，3年间仅增长了0.008 4。

表1 河津市1997—2008 年土地利用结构及其信息熵的变化

3.2.2 均衡度、优势度变化分析 由图2可知，1997—2008年河津市土地利用结构均衡度与信息熵呈现出一致的变化，即不断上升，而优势度则是不断减小，说明河津市农业用地特别是耕地和未利用地向其他用地类型的转化促使其信息熵增大，从而使得土地利用结构更加均衡；同时，河津市耕地和未利用地支配该区域土地类型的程度降低，使得其优势度呈下降趋势。

4 河津市土地利用结构演变的驱动力分析

土地利用结构信息熵和均衡度反映土地利用结构的变化，因此，对影响河津市土地利用结构变化的驱动力进一步分析，了解土地利用的变化机制很有必要。土地利用结构的影响因素主要包括自然因素和人文因素。在较短的时间尺度上，具有累积效应的自然因素相对比较稳定，而社会经济的驱动效应则相对更为活跃，所以，社会经济因素应该是分析土地利用变化的重要因素。

4.1 分析指标的选取

在影响土地利用变化的诸多因素中，社会经济活动是导致土地利用变化发生的主要原因。利用主成分分析法，将河津市影响土地利用结构变化的9个经济社会驱动力因子情况列于表2。

表2 主成分分析

本研究根据主成分分析法的要求，并结合现有相关资料情况，采用河津市1997—2008年与土地利用相关的9个指标作为影响土地利用结构变化的经济社会驱动力因子：年末总人口（X1，万人），非农业人口（X2，万人），GDP（X3，亿元），社会固定资产投资额（X4，万元），社会消费品零售总额（X5，万元），农林牧渔总产值（X6，万元），工业总产值（X7，万元），第2产业比例（X8，%），第3产业比例（X9，%），这些指标基本涵盖了人口、社会结构、经济水平、产业结构等，具有较强覆盖性和代表性（表2）。

4.2 主成分分析

运用SPSS 17.0软件对数据进行主成分分析，计算各驱动力因子的特征值、各自对研究区土地利用变化的贡献率以及累积贡献率（表3）。然后利用正交矩阵的特征得出旋转之后的主成分载荷矩阵（表4）。

表3 特征值及主成分贡献率分析

表4 旋转后主成分载荷矩阵

由表3可知，第1、第2主成分的累积贡献率已经达到96.521%＞85%，完全符合分析要求。由表4可知，第1主成分与年末总人口（X1，万人）、非农业人口（X2，万人）、GDP（X3，亿元）、社会固定资产投资额（X4，万元）、社会消费品零售总额（X5，万元）、农林牧渔总产值（X6，万元）、工业总产值（X7，万元）7个指标有很强的关联性，而这些因子与区域人口经济发展关系密切，因而，第1主成分可以被认为是人口经济发展的代表。第2主成分主要与第2产业比例（X8，%）、第3产业比例（X9，%）有关，说明产业结构调整对用地结构变化影响较大。

4.3 驱动因子的多元线性回归模型

对河津市土地利用结构变化的驱动因子主成分分析得知，9大因子与土地利用结构变化都有一定的相关性。因此，利用表2中的样本数据，再根据历年来土地利用结构信息熵值，借助SPSS的多元线性回归分析工具，对土地利用结构变动的驱动力进行进一步定量分析，得到河津市信息熵变化与驱动因子的多元线性回归模型：

式中，Y 代表土地利用结构信息熵。

5 结论

通过对河津市土地利用结构信息熵及其驱动力的实证分析，得出几点结论。河津市1997—2008年土地利用结构信息熵和均衡度都呈现增长趋势，表明12 a来河津市土地利用结构逐渐向均衡状态发展，各用地类型的面积差别逐渐缩小，土地利用系统无序度在增加。但优势度与信息熵、均衡度变化相反，呈下降趋势。河津市用地结构动态演变的信息熵经历了3个阶段：1997—2002年的平稳增长期，2002—2006年的快速上升期和2006—2008年剧烈上升后的缓慢增长期。通过主成分分析方法分析得出，影响河津市土地利用结构变化的主要经济社会驱动力为人口经济发展和产业结构调整，其中，人口经济发展的影响最为明显。通过多元线性回归模型，揭示了土地利用变化与驱动因子的相互关系。

［1］岳禧庆，黄朝禧.武汉市耕地资源动态变化及驱动力研究[J].天津农业科学，2011，17（3）：58-62.

［2］乔慧.丘陵山区县域耕地资源变化及驱动力研究：以湖北省咸宁市咸安区为例[J].河南农业科学，2005（7）：65-68.

［3］刘康.土地利用可持续性评价的系统概念模型[J].中国土地科学，2001，15（6）：19-23.

［4］刘彦随.区域土地利用优化配置[M].北京：学苑出版社，1999.

［5］吴克宁，李晶辉.城市化过程中郊区耕地变化及驱动力分析：以郑州市为例[J].河南农业科学，2006（6）：72-75.

［6］侯少杰.浅析准格尔旗土地资源利用存在的问题和对策[J].内蒙古农业科技，2001（6）：52-53.

［7］谭永忠，吴次芳.区域土地利用结构的信息熵分异规律研究[J].自然资源学报，2003，18（1）：112-117.

［8］吴燕芳，石培基，刘宁宁.陇南山地土地利用结构动态演变分析[J].水土保持研究，2010，17（6）：133-137.

［9］双文元，郝晋珉.基于信息熵和协整理论的新疆土地利用时空动态分析[J].中国农学通报，2011，27（6）：249-255.

［10］陈西蕊，张蓉珍.历史文化名城土地利用结构熵值时序分析：以韩城市为例[J].江西农业学报，2011，23（1）：184-186.

［11］董翰蓉，石培基，杨雪梅.甘州区土地利用结构动态演变研究[J].国土与自然资源研究，2012（1）：31-33.

［12］周子英，段建南.长沙市土地利用结构信息熵时空变化研究[J].经济地理，2012，32（4）：124-129.

［13］朱剑英.智能系统—非经典数学方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.

［14］陈彦光，刘继生.城市土地利用结构和形态的定量描述：从信息熵到分数维[J].地理研究，2001，20（2）：146-152.

［15］王宝，石培基，康建芳.天水市土地利用结构信息熵演变及驱动力分析[J].国土与自然资源研究，2010（5）：22-24.