基于信息熵的西宁市主城区城市土地利用结构演变分析

王于楠，李玲琴，单亮亮

(青海师范大学 生命与地理科学学院，青海 西宁 810008)



基于信息熵的西宁市主城区城市土地利用结构演变分析

王于楠，李玲琴，单亮亮

(青海师范大学 生命与地理科学学院，青海 西宁 810008)

基于城市土地利用结构的信息熵、均衡度和优势度，对1999～2012年间西宁市主城区城市土地利用结构演变进行分析。结果表明：14年间西宁市主城区建设用地面积呈逐年增加的趋势，城市空间不断扩大；同时西宁市主城区城市土地利用结构在不断调整，并逐渐趋于合理化；西宁市主城区城市土地利用结构信息熵、均衡度总体处于波动式下降态势，优势度处于波动式上升状态，表明西宁市主城区城市土地利用系统朝相对有序状态进行演变。

城市土地利用结构；信息熵；西宁市

土地利用结构是土地利用、土地覆盖的直观表象，具体包括土地利用的数量结构和空间格局，而土地利用结构的变化是人地长期相互作用的结果。[1]合理的土地利用结构不仅对本区域社会经济可持续发展、土地资源的合理配置以及社会经济的有序发展具有重要作用，而且对其他地区也具有特殊的指导与借鉴意义[2]。而土地利用系统是一个开放、可调控的耗散结构系统，其有序程度可以用信息熵进行描述和刻画[3]。因此，近年来，国内学者运用信息论中的信息熵模型对区域建设用地结构的时空变化特征进行了大量研究。陈彦光等利用信息熵对郑州、广州等城市的土地利用结构进行了分析研究，并得出结论：大城市用地结构的信息熵一般大于小城市，综合性城市的信息熵严格大于专业化城市，城市化地区的信息熵必须大于各功能区的信息熵[4]；何祖慰等对西藏昌都地区的土地利用结构进行分析，得出藏东地区信息熵的熵值特征[5]；谭洁等研究了长沙市土地利用结构信息熵的时间演变规律[6]。雷征等[7]、石培基等[8]在土地利用结构演变的研究中分别采用对比分析和主成分分析法，深化了对信息熵变化的驱动力研究，杨朝现等[9]、何丹等[10]、匡文慧等[11]、刘敬财等[12]分别从不同的空间尺度上对土地利用结构演变规律进行了探索，丰富了信息熵的研究成果。本文借鉴国内外研究成果对1999～2012年西宁市土地利用结构演变进行研究，分析其熵值的变化规律，为促进土地资源的可持续利用、区域经济的高效快速发展提供理论依据和决策参考。

1 研究区概况

西宁市是青海省的省会城市，下辖一市三县，西宁市主城区主要是指西宁市市区的城东区、城中区、城西区、城北区，面积350km2。西宁市主城区主要在湟水河上游的西宁盆地之中，四面环山，城区内湟水干流及其支流北川河、南川河呈十字形相交，呈典型的枝状半开放性河谷型城市。由于西宁市主城区建设用地受盆地、河谷等地形的影响和制约，使其被迫沿地形及河流走向发展，所以西宁市城市土地利用空间格局沿河流、盆地具有呈条带状分布的特征[13]。近年来随着西部大开发、青藏铁路建设以及国家一些重点项目的建设，西宁市城市经济得到快速发展，极大的促进了西宁市城市化发展水平，西宁市城市建设用地急剧扩张，生活居民用地、工业用地、园林绿地等土地利用面积也有了很大提高，由耕地为主导的城市土地利用格局演变为多元化土地利用格局。

2 西宁市主城区城市土地利用结构的变化趋势

本文以1999～2012年《西宁市统计年鉴》中相关数据作为分析西宁市主城区土地结构变化的基础数据。根据1991年3月1日建设部公布的《城市用地分类与规划建设用地标准》[14]将西宁市城市用地划分为6种土地利用类型：园林绿地、工业用地、生活居民用地、交通用地、仓储用地、其他建设用地(表1)。

从图1可以看出：西宁市主城区建设用地从1999年的70.41 km2增加到2012年的93.12 km2，年均增长率2.3%。其中1999～2005年西宁市主城区建设用地面积平稳增长，2005～2008年主城区建设用地面积增幅有较大的波动，2007年的房产泡沫导致“开发区热”，造成大量耕地被占用和闲置，所以2007年城区建设用地面积达到最大值113.66 km2，2008年之后随着国家的治理整顿，房地产开发热潮减退西宁市主城区建设用地面积明显减小且增幅缓慢。

西宁市主城区城市土地利用结构在1999～2012年间在变化上(图2)，除了交通用地和其他建设用地外，其余城市用地类型的面积都有所增加，其变化趋势和西宁市主城区建设用地面积的变化趋势保持一致。其中园林绿地增加19.48 km2，工业用地增加2.35 km2，生活居民用地增加16.51 km2，仓储用地增加1.29 km2。

图1 西宁市主城区建设用地面积变化趋势图Fig.1 Construction land area change trend chart in Xining City

图2 西宁市主城区城市土地利用结构变化趋势图Fig.2 The urban land-use Constitutes change trend chart in Xining City

相较于1999年和2007年，2012年西宁市主城区土地结构中，园林绿地、居民生活用地、仓储用地的比例有所提高，其中，园林绿地的增幅最快，从1999年的13.54%增加到2012年的31.16%，居民生活用地从32.76%增加到42.96%，仓储用地从3.84%增加到4.29%；而工业用地、交通用地、其他建设用地的比例都有一定程度的下降，其他建筑用地的降幅最大从25.37%下降到2.68%(图3)。

图3 1999、2007、2012年西宁市主城区城市土地利用结构比例图Fig.3 The urban land-use Constitutes scale chart in Xining city from 1999、2007、2012

西宁市主城区城市土地利用结构在1999-2012年不断调整，并逐渐趋于合理化。但同陈章喜在我国城市用地结构调整的研究中提出国外城市土地利用结构比例对比[15](图4)仍有一些不合理之处，尤其表现在园林绿地、交通用地和工业用地所占比例上，需要进一步扩大园林绿地和交通用地面积的比例，减小工业用地面积比例[16]，使西宁市主城区城市土地利用结构逐渐优化。

图4 国外城市土地利用结构比例图Fig.4 The foreign urban land-use Constitutes scale chart

3 西宁市主城区城市土地利用结构演变分析

3.1 西宁市主城区土利用地结构信息熵的计算及分析

“熵”原是一个热力学概念[17]，统计物理学用它来表示分子不规则运动的程度，信息论中则把它作为随机变量无约束程度的一种变量[18]。信息熵是系统复杂性和均衡性的测度，可用来测量土地利用系统的复杂程度和有序度[19]。一般情况下，信息熵越小，系统有序程度越高；反之有序程度越低[20]。

按照信息论的原理，并参考Shannon-weaner熵公式，定义土地利用结构信息熵为[21-23]：

(1)

式中：H为城市土地利用结构信息熵；Si为每种土地利用类型的面积。根据西宁市主城区土地分类统计数据，及上述的信息熵和均衡度公式，计算出1999～2012年西宁市主城区城市土地利用结构变化的信息熵(表1)，西宁市主城区城市土地利用结构信息熵变化趋势见图5。

图5 西宁市主城区城市土地利用结构信息熵变化趋势图Fig.5 Information entropy change trend chart of Land-use Constitutes in Xining City

经济的快速增长会引起城市用地规模的扩大，而产业结构的调整则会引起城市用地结构的变化。从图5可以看出：西宁市主城区建设用地面积逐年增加，平均每年增加幅度为2.78%，其中2001年增长幅度最大为6.13%说明西宁市主城区用地扩展较快；14年来西宁市主城区城市土地利用结构信息熵有所波动，总体趋势是逐渐降低。

3.2 西宁市主城区土利用地结构均衡度和优势度的计算及分析

基于信息熵公式，可定义区域土地利用结构的均衡度的公式：

(2)

式中：J为均衡度；H为信息熵为信息熵；Hm的最大值。那么J为实际熵值与最大值之比。由于，J∈[0，1]值越大，表明城市土地利用的均衡性越强；反之越弱。

根据均衡度的取值范围和地理意义，可以定义城市土地利用结构的集中度如下：

I=1-J

(3)

式中：优势度I表示土地利用的集中度，它是实际信息增量与最大信息增量之比，反映了区域内一种或几种土地类型支配该区域土地类型的程度，与均衡度的意义相反。显然，I∈[0，1]。

根据西宁市主城区土地分类统计数据，及上述的均衡度公式，计算出1999～2012年西宁市主城区城市土地利用结构变化的均衡度和优势度，计算结果见表1，西宁市主城区城市土地利用结构优势度、均衡度变化趋势见图6。

表1 1999～2012年西宁市主城区城市土地利用结构及其信息熵、均衡度和优势度Tab.1 Information entropy and equilibrium degree of land-use constitutes in Xining City from 1999-2012

图6 西宁市主城区城市土地利用结构优势度、 均衡度变化趋势图Fig.6 Equilibrium degree and dominance degree of land-use configuration in Xining City

从图5、图6可以就看出，西宁市主城区城市土地利用结构的信息熵、均衡度具有相同的变化趋势，故根据城市土地利用结构变动的信息熵波动的幅度大小，可以看出西宁市主城区城市土地利用结构变动经历了两个阶段：

第一阶段为1999～2010年，西宁市主城区城市土地利用结构的H值和J值都在波动中缓慢下降。在这段时间内城市建设与开发的各职能类型的土地增长明显不同，变化最显著的是生活居民用地、园林绿地、其他建筑用地，而工业用地、交通用地和仓储用地变动最小。在这段时间里西宁市的房地产行业发展较为迅速，是导致西宁市整体土地利用结构变动的主要原因。由于2007年的房产泡沫导致“开发区热”，造成大量耕地被占用和闲置，从而导致西宁市土地利用信息熵值在2007年达到1.6268，随着国家的治理整顿，房地长开发热潮减退，信息熵又有所降低。

第二阶段为2010～2012年，西宁市主城区城市土地利用结构的H值和J值都大幅下降，I上升。该阶段城市用地变化主要表现为生活居住用地、园林绿地显著增加，工业用地增长缓慢，交通仓储用地以及其他建筑用地都有所减少且两者变化有减缓趋势，故信息熵表现为下降趋势。这表明随着产业结构调整的进一步完善，工业用地、仓储用地的外迁，城市用地结构逐渐优化，使得该阶段信息熵值明显下降，西宁市城市土地利用也将日趋合理。

4 结论与讨论

(1)1999～2012年，西宁市主城区建设用地面积以年均2.78%的增幅逐年增加，城市空间不断扩大。其中1999～2005年城区建设用地面积平稳增长，2005～2008年城区建设用地面积增幅有较大的波动，且在2007年城区建设用地面积达到最大值113.66 km2，2008年之后城区建设用地面积明显减小且增幅缓慢。在未来西宁市主城区建设发展过程中，由于受到河谷地形的影响，城区建设用地面积不可能持续增加。

(2)在土地利用结构方面：14年间西宁市主城区园林绿地、居民生活用地、仓储用地面积比重呈现上升趋势；而工业用地、交通用地和其他建设用地面积比重呈现下降趋势。西宁市主城区城市土地利用结构在不断发生变迁和调整，趋于现代城市土地利用结构合理化的方向发展。但同国外城市用地结构相比，西宁市主城区城市土地利用结构仍存在一些不合理之处，尤其表现在园林绿地、仓储用地和工业用地所占比例上，需要进一步扩大园林绿地和交通用地面积的比例，减小工业用地面积比例。

(3)1999～2012年，西宁市主城区城市土地利用结构信息熵、均衡度总体上处于波动式下降态势，而优势度处于波动式上升状态，表明西宁市主城区城市土地利用系统朝相对有序状态进行演变；具体来看西宁市主城区城市土地利用结构信息熵、均衡度变化存在两个明显的阶段：第一阶段为1999～2010年，西宁市主城区城市土地利用结构的H值、J值和I值变化相对平稳；第二阶段为2010～2012年，西宁市主城区城市土地利用结构H值和J值大幅下降，I值增加。针对西宁市城市土地利用结构，它的信息熵究竟应该是多少才能使城市土地利用系统发挥最高的功能效率，从而促进西宁市主城区土地的高效可持续利用，尚需进一步研究与探讨。

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STUDY ON THE DRIVING FORCES OF CHANGING THE URBAN LAND-USE CONSTITUTES BASING ON INFORMATION ENTROPY IN XINING

WANG Yu-nan，LI Ling-qin，SHAN Liang-liang

(SchoolofLifeandGeographicScience，QinghaiNormalUniversity，Xining810008，Qinhai，China)

With the concept information entropy，equilibrium degree and dominance degree of land-use Configuration in Xining city from 1999～2012.The results show that：14 years，construction land area of Xining city showed a trend of increased year by year，expanding the urban space；urban land use structure of Xining city to constantly adjust and gradually rationalization；Information entropy and equilibrium degree of urban land use utilization of Xining city was decline in volatility，indicate the urban land-use systems of Xining city towards relatively orderly state.

urban land-use constitutes；information entropy；Xining City

2014-10-20；

2015-02-04．

F301

A

1001-7852(2015)01-0055-05