基于熵权法的湖北省土地利用时空特征及综合评价

阮丽华 朱灿阳

摘要：土地的有序利用是城市可持续发展的基础，土地资源的合理利用关系到社会经济和自然环境的发展。以湖北省为例，从经济发展水平、区域发展优势、自然基底、生态服务、特殊生境5个维度选取17个指标构建土地利用综合评价体系，应用熵权法确定权重，以ArcGIS为技术支撑平台，对2011—2016年湖北省各市土地利用水平进行分析。结果表明，空间上土地利用综合水平在西部和南部上升明显，东部黄冈市呈下降趋势，而中部地区并无明显变化;土地利用综合水平呈缓慢上升趋势，土地社会经济利用水平呈较快发展趋势，土地自然利用水平变化不明显;2011—2016年湖北省土地利用总体上处于中低水平，且土地利用的社会经济和自然两方面发展不协调。此外，为促进湖北省各市土地资源的合理利用和城市的可持续发展，根据研究结果提出了相应的政策建议。

关键词：土地利用;时空特征;熵权法;湖北省

中图分类号：F301         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）16-0145-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.034           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： The orderly use of land is the basis for sustainable urban development. The rational use of land resources is related to the development of social economy and natural environment. Taking Hubei province as an example， 17 indicators were selected from five dimensions： economic development level， regional development advantage， natural basement， ecological service and special habitat to construct a comprehensive land use evaluation system. The entropy weight method was used to determine the weight， and ArcGIS was used as the technical support platform to analyze the land use level of each city in Hubei province from 2011 to 2016. The results show that the comprehensive level of land use in space has increased significantly in the west and south， and Huanggang city in the eastern part has a downward trend， while there is no obvious change in the central region; the comprehensive level of land use is slowly increasing， and the level of land socio-economic utilization is developing rapidly. The land use level has not changed significantly; from 2011 to 2016， land use in Hubei province is generally at a low level， and the socio-economic and natural development of land use is not coordinated. In addition， in order to promote the rational use of land resources and the sustainable development of cities in Hubei Province， corresponding policy recommendations are proposed based on the research results.

Key words： land use; space-time characteristics; entropy weight method; Hubei province

自1970年之后，随着土地利用调查的全面展开和世界范围内3S技术水平的不断发展，土地利用评价走向高峰期[1]。关于土地利用评价的研究有很多，总结起来主要分为两个方面。一是土地利用评价方法的研究。土地利用评价方法多采用多元综合评价法、数据包络分析法和投入与产出分析法（DEA），其中，在多元综合评价分析法中应用较广的是主成分分析法和加权平均法。指标权重的确定主要采用层次分析法和熵权法。研究的结果为土地利用水平存在明显的时空差异，分析其原因则多种多样[2]。如刘传明等[2]应用加权平均法、主成分分析法和投入与产出分析法对湖南省土地利用综合效率、农用地和建设用地利用效率进行了评价，认为湖南省土地利用效率存在明显的空间差异，产生空间差异的因素有经济发展水平、自然条件、区位差异和政策作用等。二是土地利用评价指标体系的研究。土地利用评价指标体系的研究一般都构建了包括社会、经济、生态、环境、土地利用结构在内的综合评价指标体系，对中国的省市或者城市圈的土地集约利用、可持续利用、利用效益等进行评价，其结果也因指标选取不同而存在差异。如史进等[3]应用熵权法和系统聚类法构建了包括人口、经济、交通、产业等在内的综合性评价指标体系，从规模效益、結构效益、集约效益3个方面对中国城市群土地利用效益进行综合评价研究，认为高效城市群规模效益和集约效益突出;中等城市群以规模效益为主，结构效益次之，集约效益偏低;部分低效城市群仅结构效益尚可。

本研究选用较为主流的熵权法和自然断点法作为研究方法，因为熵权法更具准确性和科学性，自然断点法更具客观性。同时参考前人的评价指标体系，选取更加适用的指标构建指标体系，对湖北省土地利用进行了综合评价，并进行土地利用的水平等级划分，根据研究结果，提出了相对应的政策建议。

1  研究区域概况

湖北省位于中国中部偏南、长江中游地区，介于北纬29°05′—33°20′，东经108°21′—116°07′，是中部地区的经济大省和农业大省。2016年末全省GDP总量为32 297.91亿元，城镇化水平从2011年的51.8%上升到2016年的58.1%。随着城镇化水平不断上升，城市建设需求的土地越来越多，为了满足城市建设用地的需求，许多土地的用途发生了变化。湖北省地形具有多样性，鄂西北地区为山区、中部为平原、东部是丘陵，既有生态区域，又有农业和经济发展区域。在城镇化发展的过程中，土地资源的有效合理利用是地区健康发展的关键。协调经济、人口、生态与土地资源之间的关系，也是地区发展的必然要求，是促进土地资源合理利用的重中之重。

2  研究方法

2.1  指标体系的建构

土地是具有自然和社会经济双重属性的复杂系统，不同的空间尺度和评价地域，评价指标的选择也存在较大差异[4]。在参考相关资料[4-6]的基础上，按照可操作性、代表性、全面性、层次性等原则，选取能够表征土地资源自然和社会经济属性特征的变量，建立综合评价指标体系。指标体系从5个维度选取了17个评价指标，其中，经济发展水平和区域发展优势维度属于社会经济属性，自然基底、生态服务和特殊生境维度属于自然属性，构建了包括目标层、系统层、指标层的湖北省土地利用综合评价体系，见表1。

2.2  熵权法

采用信息熵法确定指标权重，信息熵法是根据指标本身包含的信息量（熵）确定指标权重的方法，可以有效减少权重确定过程中的主观干扰[7]，信息熵能表征各指标的差异程度，某项指标的熵值越小，有序度越高[8]，对评价目标的重要性越大，反之越小。根据各项指标的熵值大小计算变异程度，确定权重，主要步骤如下。

2.3  数据来源及标准化处理

本研究数据由2011、2016年《湖北省统计年鉴》《中国城市统计年鉴》整理而得。由于不同评价指标具有不同的计量单位，为了消除这种量纲的影响，需要对数据进行标准化处理[9，10]。采用极值法对数据进行标准化处理，采取以下公式把数据映射到[0，1]之间，具体标准化公式如下。

式中，xij是标准化后的值;Fij是第i个市（州）第j项指标的值;Fjmax、Fjmin分别为第j项指标所在矩阵列的最大值和最小值。

2.4  土地利用综合评价

基于标准化的指标数据和相应的权重值，采用综合评价模型对研究区域的各个系统层进行评价，其计算公式为：

式中，Si为综合评价分值;wi为指标权重;xij是标准化后的单个指标值。

3  结果与分析

3.1  综合评价得分结果

2011、2016年湖北省土地利用评价得分结果见表2。根据计算出的评价结果，以ArcGIS 10.4.1软件为技术支撑平台，采用自然断点分级法对湖北省17个省辖市的土地利用状况进行分等定级，从高值到低值分为5个区间，将点数据转换为面数据，图1至图7为具体面数据，其中，时间断面分别是2011、2016年。

图1为2011和2016年湖北省各市土地利用综合评分结果柱状图。从图1可以看出，除黄冈市外，湖北省其他市2016年土地利用评分均高于该市2011年土地利用评分，整体呈上升趋势。从整体评分结果来看，除武汉市以外，其他市土地利用综合评分均较低。

3.2  经济发展水平分析

图2为湖北省各市经济发展水平评分结果。从图2可以看出，2011年武汉和宜昌经济发展达到较高和中等水平，其他地区经济发展均在较低和低水平，其中鄂西北和鄂东南地区处在较低水平阶段，鄂西南、中部和鄂东地区处在低水平发展阶段。2016年恩施经济发展处在中等水平，神农架、随州、黄冈处在较高水平，其他各市经济发展水平均已达到高水平阶段。2011—2016年湖北省经济发展水平整体有较大幅度提高，但各市的提升的幅度存在差异，恩施、神农架、随州、黄冈由低、较低水平提高到了中等、较高水平;荆州、仙桃、天门、孝感、十堰、襄阳、荆门、咸宁、黄石等地由低、较低水平都达到高水平，提升幅度相对较大，武汉则由较高水平提高到了高水平。2011—2016年湖北省各市經济发展水平均有提高的原因在于人均GDP、城镇居民可支配收入和城镇化率都有较大幅度提高，而人口密度变化并不明显。

3.3  区域发展优势分析

图3为湖北省各市区域发展优势评分结果。从图3可以看出，2011年湖北省各市区域发展优势存在明显差异，十堰、襄阳、宜昌、武汉4个城市区域发展优势评分为较高、高，恩施、荆州和黄冈的区域优势评分为中等，其余地区评分为低、较低。从地域分布上来看，湖北省中部和东南部的区域发展优势弱于其他地区。2016年湖北省区域发展优势得分除了神农架、天门、潜江、仙桃和鄂州等小范围地区还处在低、较低等级外，全省绝大部分地区的区域发展优势水平都达到了中等以上。2011—2016年湖北省各市区域发展优势得分变化并不十分明显，中部、东部地区各市均只提高了1个优势等级，而西部地区基本无变化。虽然全省各市的全社会固定资产投资和公路通车里程不断提高，增强了区域发展优势，但是高校数量和二三产业比重在5年内难以发生较大程度的提高。湖北省中部和东部地区因交通发展较西部地区更加迅速，因此优势等级有所提升。

3.4  自然基底分析

图4为湖北省各市自然基底评分结果。从图4可以看出，2011年湖北省各市自然基底评价中，中部、东部各市自然基底评价得分等级均高于西部，西部十堰、襄阳、神农架、宜昌、恩施等地区的评分为低、较低，而其他中东部地区评分都在中等以上，较多地区都达到了较高和高级。其主要原因在于，湖北省中东部地区主要为平原，地形起伏度小，降水相对丰富，因此自然基底整体状况优于西部。2016年湖北省各市自然基底评价与2011年基本相同，均无明显变化。2011—2016年湖北省自然基底无明显变化，一方面原因在于自然条件在短时间内不会有明显变化，另一方面表明湖北省各市较为重视环境保护和生态维持。

3.5  生态服务分析

图5为湖北省各市生态服务评分结果。从图5可以看出，2011年湖北省各市生态服务评价中，西部和东部地区评分明显高于中部地区，各市之间也存在着较大差异。神农架、恩施、黄冈、咸宁4个城市的生态服务评分等级为高，存在着明显的生态优势，随州、仙桃、荆门3个城市的生态服务评分等级为较低，生态服务较差，其他地区中等、较高等级均匀。2016年湖北省各市生态服务评价中，神农架、恩施、咸宁3个城市的评分等级为高，荆门、孝感、仙桃为较低、低，其他地区城市为中等和较高。各市之间存在较大差异，原因在于山区或丘陵地区的森林覆盖率高，生态环境更好。2011—2016年湖北省各市的生态服务评价得分变化也存在着差异，全省大部分地区生态服务评价等级没有产生变化，但随州、鄂州的评价等级有所提升，仙桃、黄冈的评分等级有所下降。其主要原因在于，城市的发展过程中有的地区更加注重森林绿化率和建成区绿化率比重的提高，而仙桃、黄冈等地区在发展中出现了填湖、破坏森林、占用耕地等情况，因此生态服务评价等级出现了反差。

3.6  特殊生境分析

图6为湖北省各市特殊生境评分结果。从图6可以看出，2011年湖北省各市特殊生境评价中武汉、宜昌为高等级，恩施、十堰为较高、中等等级，其他地区为低、较低等级。2016年湖北省各市特殊生境评价中仅武汉为高等级，恩施、十堰、宜昌为较高、中等等级，其他地区为低、较低等级。2011—2016年湖北省各市特殊生境评价中，主要变化在于宜昌市的评价等级降低十分明显，黄冈市提升了1个评价等级。纵观整个湖北省，大部分地区的特殊生境评价等级都处于低水平，主要是由于各地区4A、5A级景区数量和人均公园绿地面积少造成的。

3.7  土地利用综合评价分析

图7为湖北省各市土地利用综合评分结果。从图7可以看出，2011年湖北省各市土地利用综合评价中除武汉市为高等级、恩施和黄冈为中等等级外，其他地区都为低、较低等级。2016年湖北省各市土地利用综合评价中，仍然只有武汉为高等级，恩施、宜昌则为中等等级，其他地区为低、较低等级。2011—2016年全省大部分地区土地利用综合评价等级都有所提升，黄冈市则有所下降。评价等级有所提升的原因在于，在土地利用的过程中更加注重整体规划，从多方面考虑，实现土地资源的最优利用，尤其重点关注自然和生态环境方面的保护。但从整体上来说，湖北省的土地利用综合评价等级还处在一个相对较低的水平，主要有社会和自然两方面的原因。社会原因在于除武汉外，湖北省其他各市经济发展并不十分良好，同时各市全社会固定资产投资和教育资源差异巨大;自然原因在于湖北省地形复杂，平原、山地，丘陵都有，各市拥有的自然资源和生态环境也存在较大差异。两方面综合起来看，社会资源有优势的地区其自然资源与生态环境不存在优势，而自然资源与生态环境有优势的地区其社会经济又相对落后，因此造成了土地利用综合评价等级整体不高的现状。

4  结论与讨论

4.1  研究结论

为了了解2011—2016年湖北省各市土地利用的时空特征，从5个方面共选取了17个能体现土地利用状况的指标，应用熵权法确定每个指标的权重，对湖北省各市土地利用进行综合评价。以ArcGIS 10.4软件为技术支撑平台，将评价结果的点数据转换成面数据，更直观地展示了湖北省土地利用的动态趋势，得出以下结论。

1）总体上，2011—2016年湖北省土地利用处于中低水平，且土地利用的社会经济和自然两方面发展不协调。社会经济发展较好的地区，土地的经济和区域发展优势利用水平较高，土地的自然利用水平较低;反之，社会经济欠发达地区，土地的经济和区域发展优势利用水平较低，土地的自然利用水平较高。

2）在发展趋势上，湖北省土地利用综合水平呈缓慢上升趋势，土地社会经济利用水平呈较快发展趋势，土地自然利用水平变化不明显。

3）在空间上，湖北省土地利用综合水平在西部和南部上升明显，东部黄冈市呈下降趋势，而中部地区并无明显变化。

4.2  启示与讨论

为促进湖北省土地资源高效合理利用，根据研究结果提出以下建议。

1）促进土地社会经济利用和土地自然利用的协调发展。在经济发展较好的地区，土地利用追求社会经济效益的同时，也应该注重自然生态效益，保持土地利用结构的平衡性和合理性。在经济发展较差的地区，保持好土地利用的自然生态效益的同时，还要追求土地利用的经济效益，做到两方面协调发展。

2）土地社会经济利用反哺土地自然利用。2011

—2016年湖北省土地利用的社会经济方面发展较快，而土地利用的自然生态方面无明显变化，部分地区甚至出现利用水平下降的趋势。在经济发展的过程中，难免出现以牺牲自然环境为代价促进经济发展的现象。当经济发展良好时，应以经济反哺自然环境，促进经济和自然协调发展。

3）编制省域城市规划，加强城市地方政府之间的合作，打破行政界限的束缚，从更大的空间范围协调各市土地规划与利用，缩小各区域土地利用综合水平的差距，调动地方政府的积极性。

通过熵权法对湖北省土地利用进行综合评价，避免了主观权重的影响，具有较高的客观性与准确性。同时应用地理信息系统（GIS）和5年的指标数据揭示了湖北省土地利用的时空差异与特征，具有直观性和科学性。但研究的精细化问题还需进一步探讨，本研究基于省域对湖北省土地利用进行综合评价，如何从市、县、乡或者更小范围内进行更精细化研究是下一步研究的方向。

参考文献：

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