基于GIS和信息熵的洮儿河流域土地利用结构演化分析

2015-09-09赵丹丹刘吉平马冲亚等

湖北农业科学 2015年14期

赵丹丹刘吉平马冲亚等

摘要：以洮儿河流域为研究对象，采用1986-2010年的5期土地利用数据，在SPSS、ArcGIS和CrimeStat软件的支持下，采用土地利用结构信息熵、土地利用结构均衡度、土地利用综合动态度及热点分析等方法，对1986-2010年洮儿河流域的土地利用结构及土地利用动态变化进行研究。结果表明，1986-2010年，土地利用结构信息熵和均衡度呈先减少后增加的趋势，土地利用结构信息熵的高值区由流域的中下游向下游区转移，上游低值区消失；土地利用结构均衡度的高值区由中下游地区向上游和下游地区转移；土地利用动态变化热点地区集中位于洮儿河流域上游和下游，其中下游面积较大；气候、水文及人口增长、经济发展和政策的综合作用对洮儿河流域土地利用结构变化起着决定性作用；除了2005-2010年信息熵变化率与综合动态度、均衡度变化率与综合动态度呈不相关性，1986-2010年，在0.01水平上显著，信息熵变化率、均衡度变化率和综合动态度三者之间均呈相关性。

关键词：信息熵；GIS；土地利用结构；动态变化；洮儿河流域

中图分类号：P301 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）14-3388-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.015

Evolution Analysis of Land Use Structure of Taoerhe Basin

Based on GIS and Information Entropy

ZHAO Dan-dan，LIU Ji-ping，MA Chong-ya，LIU Jia-fu

（College of Tourist and Geoscience， Jilin Normal University， Siping 136000， Jilin， China）

Abstract：In this paper， the land use structure of Taoerhe basin was studied using five periods land use data from 1986 to 2010. With the help of SPSS，ArcGIS and CrimeStat softwares， land use structure and dynamic changes of Taoerhe basin from 1986 to 2010 were investigated by land use structure information entropy， land use structure equilibrium degree， land use integrated dynamic degree and hot spots methods. The results showed that land use structure information entropy and equilibrium degree decreased first and then increased the high-value areas of land use structure information entropy transforms from mid-downstream to downstream，and upstream low-value areas disappear； The high-value areas land use structure equilibrium degree transform from mid-downstream to upstream and downstream； land use integrated dynamic degree alternately lies on upstream and downstream， and there is a low-value area in the north of midstream；the hot spots of land use dynamic changes concentrate in upstream and downstream of the basin， and downstream area is larger. The comprehensive effect of climate， hydrology， population increase， economic development and polices is a determining factor for land use structure changes. Information entropy rate and integrated dynamic degree as well asequilibrium degree rate and integrated dynamic degree showed no correlation. Information entropy rate， equilibrium eegree rate and integrated dynamic degree showed correlation from 1986 to 2010，and they are significant at the level of 0.01.

Key words：information entropy； GIS； land use structure； dynamic change； Taoerhe basin

土地利用结构是指在一定区域范围之内，国民经济的各个部门所占用的特定的用地类型按照一定的构成方式组成的集合，是经济结构在土地上的表现方式[1]。国内外学者主要单一从时间或空间对某个行政区域的土地利用结构进行研究和分析[2-10]，对研究区域土地利用信息熵和均衡度的时空变化涉及甚少。洮儿河流域是典型的生态脆弱带，土地利用结构的变化反映了区域发展和人类活动的强度，是土地利用演变的直接体现[11]。近几十年，由于不合理的土地开发和过度利用使洮儿河流域土地利用结构不断发生变化。通过对洮儿河流域的土地利用结构信息熵、均衡度、综合动态度和土地利用结构变化的驱动力进行分析，以指导洮儿河流域土地的合理利用，为流域内土地的良性循环和社会经济与生态可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洮儿河流域地处内蒙古自治区和吉林省的边界，位于东经120°-124°，北纬45°-47°，是嫩江下游的最大支流，流域东为嫩江，西临大兴安岭，南接霍林河，北靠绰尔河，流域面积43 443 km2，其中内蒙古境内流域面积 31 812 km2，形状狭长，从西北向东南高程逐渐减小[12]。洮儿河及其主要支流归流河和蛟流河都发源于大兴安岭东南麓，自西北向东南流入嫩江。流域属于典型的大陆性干旱-半干旱季风气候区[12]，冬季严寒而漫长，夏季炎热而短暂，年平均气温1.25 ℃。流域多年平均降水量435 mm，从空间上看，降水量由上游的470 mm减小到下游380 mm，年蒸发量1 800～2 000 mm，最大值出现在4-5月[13]。自东南向西北，气候从半干旱向半湿润过渡，地貌从平原向山地过渡，植被从草原向森林过渡，是东北西部地区景观的缩影，是典型的生态脆弱带和生态敏感带[14]。

1.2 资料来源

共采用5期土地利用数据，分别为1986、1995、2000、2005和2010年，其中洮儿河流域1986、2000、2005和2010年的4期以及1995年洮儿河流域中下游土地利用图通过解译TM遥感影像获得，1995年洮儿河流域上游的内蒙古部分资料来源于寒区旱区科学资料中心（http：//westdc.westgis.ac.cn），空间分辨率为30 m。土地利用分类参照IGBP的LUCC分类系统，结合洮儿河流域土地的实际利用情况，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、沙地、盐碱地、湿地、居民用地和未利用土地9类。气象数据来源于中国气象科学资料共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do），径流量资料来源于洮儿河流域镇西水文站，人口与GDP资料来源于《吉林省统计年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用结构信息熵熵是系统有序程度的度量，熵值越高，系统有序程度越低，系统越紊乱，稳定性越差[15]。土地利用结构信息熵（H）的其高低可反映区域土地系统有序程度[16，17]，同时反映土地利用类型的多少和各土地类型面积分布的均匀程度[18]。

H=-（Pi）ln（Pi）（1）

式（1）中，H是土地利用结构信息熵，m表示土地利用类型数，Pi表示第i类土地利用类型的面积比例。土地利用信息熵越大，各要素发展越均衡，土地利用系统的有序性程度越低，当系统完全达到平衡时，信息熵达到极大值。信息熵可综合反映区域各类土地利用类型的动态演变规律及其转换程度[19-22]，对土地利用结构的调整和优化具有一定的指导作用。

1.3.2 土地利用结构均衡度土地利用结构均衡度（E）可用式（2）表示，其是基于信息熵函数构建的反映土地利用结构均衡性的量值[23]。

E=-[（Pi）ln（Pi）]/ln（m）（2）

式（2）中，E表示土地利用结构均衡度，m表示土地利用类型数，Pi表示第i类土地利用类型的面积比例。E∈[0，1]，E值越大，均质性越强；E=0、E=1分别表示土地利用结构处于最不均衡和最理想平衡状态。

1.3.3 综合动态度综合动态度用于表征研究区土地利用的变化速度[24]，其可用式（3）表示。

Ks=ubi-uai/2=uai×T-1×100% （3）

式（3）中，uai、ubi分别是研究期初和研究期末某土地利用类型的面积；T为研究时段长；n为土地利用类型数。当T设定为年时，Ks值即为研究区内所有土地利用类型面积变化的年综合变化率。

1.3.4 热点地区分级热点探测是全局聚集性检验方法之一，它是根据某种规则（如邻近距离）来获取“金字塔”型多层次空间热点区域的。在分级热点探测中，首先通过定义一个“聚集单元”的“极限距离或阈值”，然后将其与每一个空间点对的距离进行比较，当某一点与其他点（至少一个）的距离小于该极限距离时，该点被计入聚集单元。也可以指定聚集单元点的数目来强化聚集规则。依此类推，可以得到不同层次的热点区域[25]。

2 结果与分析

2.1 1986-2010年洮儿河流域土地利用空间分布格局

基于ArcGIS技术，根据1986-2010年洮儿河土地利用数据，制作出洮儿河流域不同时期的土地利用空间分布图，如图1所示。

由图1可以看出，林地大部分位于中上游地区，并呈先减少后增加的趋势，到2010年，下游地区有大面积林地出现；湿地和水域主要位于中下游地区，并呈不断减少的趋势；居民地分散位于中下游；耕地主要位于流域中下游，呈先增多后减少的趋势；草地在中上游地区分布较多，并呈不断减少的趋势；盐碱地主要位于中下游地区，并不断减少。

2.2 1986-2010年洮儿河流域土地利用结构信息熵时空动态变化分析

为了研究土地利用结构的动态变化，将洮儿河流域进行网格化，为了保证每个网格内的信息完整性及准确性，在参考文献[26，27]的基础上，综合考虑洮儿河流域面积的大小，将流域分为23 km×30 km的网格单元，共89个（边缘部分网格进行合并），应用ArcGIS软件计算出整个流域不同时期网格信息熵的平均值。将不同时期的每个网格的土地利用结构信息熵，进行Kriging插值，如图2（a）所示。

由图2（a）可知，1986-2010年，流域上游土地利用结构信息熵低值区消失，转变为相对高值区，土地利用系统有序程度降低，主要在于耕地和草地面积变化较大，呈先增加后减少的趋势，林地呈先减少后增加趋势；流域中游由高值区转变为相对高值区，由于耕地面积值呈波状分布，林地先减少后增加，丧失大面积草地；在下游的东北部和南部，土地利用结构信息熵一直处在高值区，主要由于耕地面积先增加后减少，出现大面积林地，草地持续丧失。总之，洮儿河流域的上、中游地区土地利用结构信息熵逐渐增加，而下游地区信息熵的空间分布格局变化较小。

2.3 1986-2010年洮儿河流域土地利用结构均衡度时空动态变化研究

基于ArcGIS软件，计算出整个流域不同时期各网格均衡度的平均值，将不同时期的每个网格的土地利用结构均衡度，进行Kriging插值如，图2（b）所示。

由图2（b）可知，1986-2000年，流域土地利用结构均衡度分布格局类似，在上游和下游的中部存在一个低值区，中游和下游的东北部有一个高值区，到2005年和2010年，这种格局发生了明显变化，上游由低值区变为高值区，中游由高值区变成低值区，而下游的格局没有变化。总之，1986-2010年，土地利用结构均衡度上、中游变化较大，上游逐渐增加，中游逐渐降低，而下游变化不大，说明流域上、中游土地利用结构逐渐向均衡性发展。

2.4 洮儿河流域土地利用动态变化的热点地区

利用Crimestat软件，分别对4个时期89个网格土地利用综合动态度进行热点探测，可得洮儿河流域土地利用动态变化的热点地区分布图，如图3所示。

由图3可知，洮儿河流域4个时期的土地利用综合动态变化热点地区在不断变化，1986-1995年的2个热点地区主要位于上游和下游地区；1995-2000年，2个土地利用动态变化热点地区向中下游转移；2000-2005年，热点地区范围在扩大，并向上游转移；2005-2010年，土地利用热点地区面积在减小，位于流域上游和下游北部地区。总之，1986-2010年，除1995-2000年中游地区存在一个热点地区外，土地利用综合动态度热点地区集中位于洮儿河流域上游和下游，土地利用结构变化较大，热点地区面积呈先增加后减小的趋势，下游面积较大。

3 洮儿河流域土地利用结构的驱动力分析

3.1 自然因素

洮儿河流域不同的土地利用结构与自然因素密切相关，例如气候、地质、植被、地貌、土壤和水文等因素。介于时间尺度较小的情况下，土壤、地质和地貌等自然因素在短期内不会发生较大变化，因此认为气候和水文是影响洮儿河流域土地利用结构的主要因素。图4为1986-2010年洮儿河流域平均气温、降水量、径流量、总人口及人均GDP变化情况。由图4（a）可知，气温变化波动较大，在其它自然及人文社会因素不变的情况下，大大加快了蒸发过程，对湿地和水域也会造成一定程度的减少；由图4（b）和4（c）可知，1986-2010年，因1998年洪涝灾害，使降水量和径流量达到最大值，其他年份流域径流量大体呈减少趋势，导致水域被不断利用，沼泽被开发，水域和湿地面积减少，同时会加剧草地退化，使草地面积在不断减少[28]，使土地利用结构不断发生变化。

3.2 人文因素

洮儿河流域的土地利用结构变化与人文因素息息相关，例如人口增长、经济发展和政策的调控等。洮儿河流域上游是“以林为主”的地区，1986-1995年，内蒙古地区人口在不断增多[29]，生产力水平较低，迫于生存压力及粮食需求，对耕地不断进行开垦，使林地、草地和湿地面积有所减少，使土地利用结构发生变化。图4（d）中，各地区人口数量在不断增长，引起一些毁林开荒、破坏植被、开发水域等破坏土地利用结构的活动；图4（e）中，人均GDP在急剧增长，流域下游作为“以农为主”的地区，加剧了对耕地的开垦，同时“打造吉林省西部大粮仓，开发大安灌区”使流域下游加快了对林地、草地和水域等其他用地的开垦，使耕地面积大幅度增加；政府实施的“家庭联产承包责任制”增加了农民开垦种田的积极性，使林地、草地等其它类型用地被开垦为农田，并对一些生产力发展水平较低的生态脆弱区，实施一系列的生态工程，例如由1998年洪水及2000年沙尘暴引起的水土流失、生态环境恶化，政府提出的大范围“退耕还林还草”政策等，各种土地类型面积在不断地调整，使洮儿河流域土地利用结构在不断发生变化。

4 小结与讨论

4.1 讨论

土地利用结构信息熵是土地利用有序程度的度量，信息熵值越高，土地有序程度越低，稳定性较差。均衡度表示土地均质性，均衡度值大，均质性较好。土地利用综合动态度是土地动态变化的度量，其值越大，土地动态变化越大。基于SPSS软件，对1986-2010年不同时间段信息熵变化率、均衡度变化率和动态度进行皮尔森相关系数分析，如表1所示。

由表1可知，在2005-2010年，信息熵变化率与综合动态度、均衡度变化率与综合动态度均呈不相关性；在1986-2010年，信息熵变化率与均衡度变化率具有相关性；1986-1995年，信息熵变化率与综合动态度、均衡度变化率与综合动态度呈负相关性。以1986-1995年第29个典型网格为例，如图5（a）所示，土地利用综合动态变化较大，该网格中土地利用类型减少，湿地消失，林地在减少，耕地面积增加，各种土地利用类型面积分布不均匀，使信息熵和均衡度在不断减小，该网格系统有序程度不断升高，稳定性增强，均质性变弱。

1995-2005年信息熵变化率与综合动态度、均衡度变化率与综合动态度呈正相关性，在0.01水平上显著，如图5（b），以2000-2005年第41个典型网格为例，土地利用综合动态度较大，到2005年出现大量的耕地，湿地，草地面积在不断减小，土地利用类型在增加，各种土地利用类型面积差在缩小，面积分布趋于均匀，使土地利用结构信息熵在不断增加，同时均衡度也在不断增加，均质性变强。

4.2 小结

1）洮儿河流域主要的土地利用方式是耕地、林地和草地，1986-2010年，洮儿河流域土地利用结构信息熵和均衡度呈先减少后增加趋势，有序程度先增加后降低，土地利用结构信息熵的高值区由流域的中下游向下游地区转移，下游稳定性较差，有序程度较低，上游低值区消失；土地利用结构均衡度流域的高值区由中下游地区向上游和下游地区转移，到2010年，上游和下游地区均质性较好。

2）土地利用综合动态度高值区交替位于上游和下游地区，因此在洮儿河流域上游和下游地区土地利用结构交替变化较大，除2000-2005年以外，下游地区一直存在一个动态变化较大的区域，1986-2010年，土地利用综合动态度热点地区集中位于洮儿河流域上游和下游，热点地区面积呈先增加后减小的趋势，下游面积较大。

3）洮儿河流域1986-2010年径流量不断减少，降水量不断减少；同时气温不断升高，人口不断增多，流域下游人口GDP在不断增长，政府采取“家庭联产承包责任制”、“吉林省百亿斤粮食计划”、“退耕还林”、“三北防护林”等一系列政策使土地利用结构不断发生变化，主要原因包括水文及气候自然因素和人口增长、经济发展和政策的变化等人文因素。

4）1986-2010年，信息熵变化率与均衡度变化率呈相关性；1986-1995年，信息熵变化率与综合动态度、均衡度变化率与综合动态度呈负相关性；1995-2005年，信息熵变化率与综合动态度、均衡度变化率与综合动态度呈正相关性，在0.01水平上显著；2005-2010年，信息熵变化率与综合动态度、均衡度变化率与综合动态度无相关性。

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