信息熵在土地利用结构动态变化研究中的应用——以重庆市北碚区为例

 廖涟漪 ，廖和平 ，杨 伟  

（1. 西南大学地理科学学院，重庆 400715；2. 西南大学国土资源研究所，重庆 400715；3. 重庆工程职业技术学院地质与测绘工程学院，重庆 400037）

信息熵在土地利用结构动态变化研究中的应用
——以重庆市北碚区为例

廖涟漪1, 2，廖和平1, 2，杨 伟3

（1. 西南大学地理科学学院，重庆 400715；2. 西南大学国土资源研究所，重庆 400715；3. 重庆工程职业技术学院地质与测绘工程学院，重庆 400037）

基于转移流和信息熵理论，以北碚区为例，分析了2005～2015年重庆市北碚区土地利用的转移流和土地利用结构信息熵动态变化，对近11 a来土地的各个利用类型的增减变化和影响熵值大小的因素进行了讨论。结果表明：（1）研究期内北碚区建设用地持续增加，耕地不断减少，其他地类有增有减。（2）单一土地利用动态度差异较大，城镇村及工矿用地6.6%、交通运输用地6.6%，维持较高占比，耕地11 a内呈缓慢下降趋势，动态度变化不明显。（3）由于居民点及工矿用地和交通用地的增加，耕地和其他土地的减少使得北碚区土地利用结构均衡度和信息熵均呈现波动式上升事态，优势度呈现波动式下降事态。并提出合理利用北碚区土地资源的建议。

转移流；信息熵；土地利用结构；重庆

熵的概念源自热物理学，信息熵理论可以用来刻画复杂系统内部的变动趋势，随着信息熵研究领域的不断扩大，信息熵理论被引入到土地利用结构的研究中用来测度土地结构演变的动态性和有序性[1-5]。我国学者应用信息熵理论对不同的区域的土地利用结构动态变化进行了研究，如刘筱非等[2]对重庆市江北区的土地利用结构进行了研究与分析，认为土地利用类型的变化可用信息熵的动态演变来直接反映。周子英等[3-6]研究了长沙市土地利用结构信息熵时空变化规律，从时间角度分析了长沙市的土地利用结构时间分异情况，从空间的角度分析并研究了长沙市各个子区域的熵值变化。

研究以重庆市北碚区为例，通过2005～2015年11 a的时间尺度对北碚区土地利用时空动态特征进行分析，引入信息熵理论来研究北碚区2005～2015年土地利用结构变化的趋势和演变原因[7-8]。通过其熵值的变化来反映和分析北碚区这11 a来的演化规律和空间格局，对其信息熵变化的驱动因素进行分析，将信息熵的社会经济影响因子与其相关程度进行比较，以期为该区充分合理的进行土地利用的结构布局提供科学决策依据，为相似地区的土地利用结构优化和可持续利用提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 区域概况

北碚区地处重庆市主城区西北部，区域坐标位于东经 106°18′～106°56′，北纬 29°39′～30°03′，东接渝北区，南连沙坪坝区，西界璧山区，北邻合川区，面积为755 km2。全区下辖3个街道，12个镇，背靠缙云山，嘉陵江环城而过。北碚区农用地、建设用地和未利用地面积分别占全区面积的66.95%、22.39%和10.66%。农用地所占比重较大，人均建设用地所占比重相对较小，全区空间分布差异十分显著。

1.2 数据来源

社会经济数据来源于《重庆市统计年鉴》（2006～2016年）和《北碚区统计年鉴》（2006～2016年）。土地利用数据来源于北碚区2005～2015年土地利用变更调查资料。根据北碚区的实际情况并结合国土资源部2001年颁布《全国土地分类（试行）》文件，为了全面反应土地利用结构的动态变化情况，笔者参照有关研究，对2005～2015年的北碚区变更数据进行整理分类，按照《土地利用现状调查技术规程》中的土地利用分类系统标准进行转换，将土地利用的类型分为耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他土地等8个大类。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移流 引入动态物质变化中“流”的概念，一定的时间段内，将由某种地类转换为另一种地类的情况叫做“土地利用转移流”，用来表示土地利用用途变化的矢量属性。在不同的土地利用的类型当中，由其他地类转换为该地类的变化量称为“转入流”，由该种地类转为其他地类的变化量称之为“转出流”[9]。转入流与转出流之和为该地类的“土地利用转移流”，表示该地类中所有涉及土地利用变化的总量。转入流与转出流之差为土地转移流净值[10]。当差值为正时，表示该地类净流入；反之，当其值为负时，表示该土地利用类型净流出，公式如下。

式中：Lf为土地利用转移流；Lout为转出流；Lin为转入流；Lnf为土地转移流净值。

1.3.2 单一土地利用动态度 基于土地利用转移流的视角，对单一的土地利用变化的动态度进行分析，来更好的研究土地利用结构的变化程度。单一土地利用动态度是表示一定时间内，在研究区域中的某种土地利用类型数量变化的情况，可通过土地转移流净值占研究初期该土地利用类型面积的比例来表示[11]。公式如下：

式中：Ki为单一土地利用动态度；Lnf为土地转移流净值；Ai0为土地利用类型初期面积；T为土地利用变化时间段。

1.3.3 土地利用结构信息熵 假设1个区域的用地面积为S，根据其不同的功能可将其划分为n个职能类型，各个职能类型的地类面积分别为S1，S2，…，Sn，则有 。依照Shannon信息熵的概念可以构造出区域的土地利用结构信息熵[12-13]，公式如下。

式中：H为土地利用结构信息熵，表明区域土地利用的均衡程度，熵值越低，呈现出不同职能的土地利用类型数越少，各职能类型的面积相差越大，土地分布越不均衡；Pi为区域中各职能类型面积占区域用地总面积的比例。当各职能地类的面积相等时，即P1=P2=…=PN=1/N时，熵值最大，表明该区域的土地利用呈现均衡状态[11-12]。但这种均衡的状态在现实当中很难实现，事实上，土地资源产出量可以满足社会的需求，能够达到预期效益即可认为是较为合理的土地利用结构。

1.3.4 土地利用结构的均衡度和优势度 为了缩小不同发展时段的土地职能数的差异，使土地利用结构的信息熵的更具有直观性和可比性，可以定义区域土地利用结构的均衡度，即实际熵值与最大熵值（即lnN）之比[14]，公式见（5）。

式中可知，均衡度J的变化区间为（0,1]，当J=0时，区域土地利用结构属于最不均衡的状态，而J=1时，区域土地利用结构达到最平衡状态，即均衡度越大，区域的土地利用均质性就越强。相应的，引入优势度的表达式，见公式（6）。

式（6）中：I为优势度，优势度反映了区域内一种或多种土地利用类型支配该区域土地利用结构的程度，与均衡度的意义相反。

2 结果与分析

2.1 土地系统动态特征分析

2.1.1 北碚区土地利用转移流净值变化特征 由图1可知，2005～2015年，北碚区耕地减少4 569.45 hm2，占总面积比例由35.30%降为29.22%；城镇村工矿用地持续增长，增长值高达6 613.68 hm2，占总面积比例由10.81%增为19.61%；草地和水域变化量不大，占总面积比例未发生变化；园地增加1 773.67 hm2，由5.39%增加为7.75%；林地增加1 442.98 hm2，由之前的27.81%增加到29.73%；未利用地减少6 328.09 hm2，由14.74%降为6.32%；交通运输用地增加了977.02 hm2，由1.48%增加为2.78%。11 a以来，除建设用地持续增加外，其他地类有增有减。2005～2010年主要表现为林地、园地大幅增加，其他土地大幅减少；2010～2015年土地利用转移流的净值变化主要表现为耕地大幅度减少、城镇村工矿用地大幅度增加。

图1 北碚区不同时期土地转移量净值

2.1.2 北碚区土地利用动态度变化特征 由图2可知，2005～2015年，单一土地利用动态度差异较大，其中，城镇村及工矿用地6.6%、交通运输用地6.6%、其他土地-5.30%，园地4.06%，草地0.37%，林地0.63%，耕地-1.61%；5 a尺度上，各地类土地利用动态度的差异较大，根据不同时期的土地利用类型动态度，可以将其划分成两个阶段，第一阶段是2005～2010年，第二阶段是2010～2015年。耕地的土地利用动态度在第二阶段稍低于第一阶段，且均为负值，即耕地11 a内呈缓慢下降趋势，动态度变化不明显。2005～2010年园地呈快速增长趋势，土地利用动态度达到5.5%，2010～2015年开始缓慢减少，土地利用动态度呈现负值。城镇村及工矿用地和交通运输用地的动态度较高，两个阶段相差不大，变化率为正值，说明11 a内北碚区城镇化水平大幅度提高，城镇发展较快，交通设施不断完善。其他土地两个阶段土地利用动态度均为负值，在2005～2010年其他土地快速减少，动态度高达-16.36%，说明土地利用率不断提高。

图2 不同时期各土地利用类型动态度

2.2 北碚区土地利用结构时序变化分析

2.2.1 信息熵与均衡度均呈持续增长势态 由表1可知，近11 a来，北碚区土地利用结构信息熵由2005年的1.614 1 Nat增长到2016年的1.663 1 Nat。根据2005～2015年土地变更数据，研究期内北碚区土地职能总数维持不变，土地利用结构变化直接导致信息熵的变化，其主要变化的趋势是各职能地类逐渐趋于平衡。北碚区土地利用结构的优势度由2005年的0.223 8降低到了2015年的0.200 2，说明主导北碚区土地利用结构的土地类型相对增加，从侧面说明各职能地趋衡态势。

2.2.2 北碚区土地利用结构信息熵变化趋势分析 北碚区土地利用信息熵总体呈持续增长趋势，可划分为3个阶段。第1阶段：2005～2011年的快速增长阶段，信息熵由2005年底的1.614 1 Nat快速增长到2011年的1.656 2 Nat，年均增长0.70%，这一阶段也是北碚区社会经济迅速发展时期，经济的快速发展使得北碚区土地利用结构由差异化向均衡化方向发展；第二阶段：2012～2015年的高熵值呈缓慢增长势态，信息熵在1.65～1.67区间内维持着较高信息熵水平的缓慢增长，年均增长0.17%；北碚区土地利用结构的内部变化引起了信息熵的变化，具体如下。

（1）基础配套设用地的大幅增加，居民点及工矿用地和交通用地在研究期内分别以高速增加，11 a内分别增长了76.72%、161.39%，工业化和城镇化率的提高是建设用地持续增长的直接原因。

（2）农业内部结构调整，林地和园地增长较快，园地增量为17 km2，林地的增加量为14 km2；而耕地呈逐渐减少态势；

（3）其他土地被大量地开垦和利用，从2005年的11 078 km2快速减少到2015年的4 750 hm2，11 a净减少了6 328 km2。

研究期内，北碚区土地利用结构信息熵的变化情况反映了北碚区处在产业结构不断升级改造和城市扩张、农业结构调整的过程中，农用地向非农用地转化不断加快，土地生态系统的平衡度逐年降低。北碚区农用地大幅度减少的趋势，表明北碚区的土地利用结构有待提升，土地开发利用程度还有待加强。

3 土地利用结构信息熵变化影响因素分析

3.1 土地利用变化对信息熵的影响

信息熵的变化直接受土地利用变化的影响，可以通过信息熵的结果对土地利用系统的均衡性和有序性进行分析研究[15-16]，对2005～2015年北碚区土地利用类型与信息熵进行相关性分析（表2）。

表1 北碚区2005～2015年土地利用结构及其信息熵

表2 2005～2015年北碚区土地利用结构与信息熵的相关性

在显著性水平P<0.05时，园地、林地及草地与信息熵呈正相关，其中园地相关系数最高为0.856；在显著性水平P<0.01时，耕地和其他土地信息熵呈负相关，其中耕地相关系数最高，达到了-0.965，城镇村及工矿用地和交通运输用地与信息熵呈正相关，其中交通运输用地的相关系数最大，为0.991。由土地利用结构变化与信息熵变化相关性分析可知，信息熵的变化直接受土地利用变化的影响。研究期内北碚区土地职能总数维持不变，2005～2015年，城镇村及工矿用地和交通运输用地占比不断上升，耕地与其他土地持续下降，各职能地类逐渐趋于平衡，信息熵作为衡量各职能地类的均衡度，因而信息熵值呈逐渐增长趋势。

3.2 社会经济对信息熵的影响

对北碚区2005～2015年三大产业及地区生产总值（GDP）与信息熵进行相关性分析，结果见表3。

表3所示，在显著性水平P<0.01时，北碚区第一、第二产业的产值与信息熵均呈正相关，其中第一产业与信息熵的相关系数为0.957，略高于第二产业；第三产业综合的相关系数与信息熵的相关程度不高，但在第三产业中，房地产业、批发零售业与信息熵的相关性远高于其他行业。通过分析表明，第一产业在北碚区的生产总值中仍然占据着相当大的比重，随着农业结构的调整和经济转型，由第一产业用地逐步向第二、三产业用地转移，为第二、第三产业的发展提供空间的支持，有效促进了二、三产业的发展，进而有效促进了地区经济增长，优化北碚区的土地利用结构。

表3 2005～2015北碚区经济与土地利用结构信息熵相关性

由分析可知第一、第二产业与信息熵呈高度正相关，即第一、第二产业的变化对信息熵影响较大。由于第二产业产值呈飞速增长势态，第二产业的增长需要用地的支持，从而间接影响城镇村及工矿用地和交通运输用地占比上升。在土地利用结构与产业结构变迁过程中，由于农业本身的弱质性等原因，导致北碚区第一产业土地利用结构与产业结构匹配程度均呈现缓慢的下降趋势，因而土地利用结构逐渐呈现趋于平衡，信息熵值也逐渐增大。

3.3 人口因素对信息熵的影响

由于城市化水平不断提高，人口数出现巨大变化，导致了土地利用方式的变化、不同程度的加速了土地利用系统的演变，因此，人口的变化也在一定程度上对土地利用结构的信息熵值改变产生影响（表4）。北碚区作为都市功能拓展区，是新增城市人口的重要集聚区域，因此，参照2005～2015年的统计年鉴数据，对信息熵与人口数量的进行相关性分析，在显著水平P<0.05的情况下，总人口数与信息熵总人口增量与城镇人口增量均呈负相关，其中总人口数相关系数最高为-0.863，城镇人口数与信息熵呈高度相关，其相关系数为0.940，说明北碚区城镇人口数增加一定程度上促使总人口居住用地和生活用地增加，即城镇建设用地增加，从而使得土地利用结构更加均衡，信息熵持续增长。

表4 2005～2015北碚区人口与土地利用结构信息熵相关性

4 结论与讨论

利用转移流与信息熵理论对北碚区土地利用系统进行动态分析，得到结论如下。

第一，研究期内，北碚区建设用地持续增加，耕地不断减少，其他地类有增有减。11 a尺度间，耕地减少4 569.45 hm2，占总面积比例下降了6.08%；城镇村工矿用地持续增长，增长值高达6 613.68 hm2，占总面积的比例增加了8.8%。

第二，研究期内，单一土地利用动态度差异较大，城镇村及工矿用地6.6%、交通运输用地6.6%，维持较高占比；耕地11 a内呈缓慢下降趋势，动态度变化不明显。说明北碚区城镇化水平大幅度提高，城镇发展较快，交通设施不断完善。在2005～2010年其他土地快速减少，动态度高达-16.36%，说明北碚区的土地利用率不断提高。

第三，北碚区土地利用结构均衡度和信息熵均呈现波动式上升事态，因而优势度呈现波动式下降事态。其直接原因是由于居民点及工矿用地和交通用地的增加，耕地和其他土地的减少；经济方面是由于二、三产业的快速发展，促使地类向更加均衡化方向发展。

针对北碚区土地利用变化特征，提出以下建议。

第一，平衡土地资源利用与生态保护。随着城市化进程的加速，城镇用地不断的提高，致使耕地逐渐向其他地类转换现象明显。如不能控制耕地快速流逝势头，将对区域的粮食安全产生一定影响，而水域和未利用地等面积的挤压，又会一定程度的影响区域的生态平衡。因此，要保证粮食安全和生态平衡的前提下合理利用北碚区的土地资源，努力探索资源保护与经济发展、生态平衡的关系，不断提高土地资源确保科学发展的能力。

第二，合理统筹土地利用类型。“十三五”期间北碚区将进一步成为产业发展、城市建设和人口聚集的重要区域。同时，作为两江新区布局的高新技术产业园，北碚将成为重庆高新技术产业和战略性新兴产业快速聚集发展的重点区域。随着重庆市轻轨六号线、渝广高速公路等一大批基础设施项的建设和投入使用，北碚已融入重庆市主城区的快速发展的轨道，区位优势明显提升。面对北碚区建设用地的需求与日俱增，规模不断扩大。农用地不断减少，土地质量和土地景观价值不断下降的实际，北碚区要在土地利用功能分区和空间布局的基础上，着力做好各类用地的统筹，解决土地供需矛盾，实现土地资源要素的空间均衡，提高土地利用效率，促进城乡统筹发展。

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The Application of Information Entropy in Dynamic Change of Land Use Structure —A Case Study of Beibei District, Chongqing City

LIAO Lian-yi1，LIAO He-ping1,2，YANG Wei3
（1. School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, PRC; 2. Institute of Land Resources,Southwest University, Chongqing 400715, PRC; 3. Chongqing Vocational Institute of Engineering,Geology and Geometory Engineering School, Chongqing 400037, PRC）

Based on the theory of transfer flow and the information entropy, this research take Beibei district as an example and analyze the dynamic change of the transfer flow and the structure information entropy in the using of Beibei district land during 2005-2015, and we discuss the changes in the use of land of each type and the factors that affect the entropy size for nearly 11 years .The results are as follows : (1) During the study period, the current construction land is increasing continuously, the cultivated land is decreasing, other types increases and decreases. (2) A large difference showed in the dynamic degree of unitary land use, the proportion of the dynamic degree in urban and industrial land is 6.6%, the same situation occurs in the transport land, maintaining a high proportion, arable land showed a slow downward trend in this 11 years, and the dynamic change is not pronounced. (3) Due to the increase of land of residential areas, industrial and traffic land, the decrease of cultivated land and other land makes the degree of land use structure balance and the information entropy fluctuate upward trend, while the dominance shows fluctuating decline situation. Some suggestions of rational use of land resources in Beibei district were put forward at last.

transfer flow; information entropy; land use structure; Chongqing

F301.24

A

1006-060X（2017）11-0043-07

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.012

2017-08-08

重庆市教育委员会人文社科类重点项目（16SKGH250）；重庆市教育委员会科技项目（KJ1603202）

廖涟漪（1992-），女，重庆市人，硕士研究生，主要从事土地利用规划方向的研究。

廖和平

（责任编辑：肖彦资）