基于GIS与信息熵法的河南省城市用地演变特征研究

鲁春阳 文枫 腊梦 司锦 王慧莹

摘要：随着城市化的快速发展，城市用地演变加速，由此引起的区域土地利用外部扩展与内部结构重组引起学者们的高度关注。以河南省为例，采用地理信息系统（GIS）空间分析、土地利用动态度、土地利用信息熵和土地利用均衡度，对其2006—2016年期间城市用地演变时空特征进行分析，结果显示：（1）2006—2016年，除对外交通用地、特殊用地、商业服务业设施用地面积略有下降外，其他功能性用地面积均呈增加趋势。（2）2006—2016年土地利用信息熵为0.58左右，2006—2011年均衡度为0.26左右，2012—2016年为0.28，说明河南省土地利用的均质度不断提升。（3）2006—2016年，河南省人均用地面积异质性较大，符合国家标准要求的地级市比例偏低。

关键词：城市土地利用;时空特征;信息熵;GIS空间分析;河南省

中图分类号： F299.21 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）20-0281-06

区域土地利用动态变化是学者们研究的热点问题之一。我国学者在土地利用变化的特征、驱动机制、演变机制等方面展开了诸多研究，取得了丰硕成果。鲁春阳等采用土地利用变更调查数据分析了重庆市主城区土地利用动态变化特征[1]。李一琼等采用土地利用转移矩阵、标准差椭圆、点密度分析和热点分析等方法探究苏州市土地利用动态变化特征[2]。苏浩等分析了黑龙江省城市土地利用绩效时空变化特征[3]。史培军等阐述了土地利用时空变化模型[4-5];刘纪远等采用地理信息系统（GIS）和遥感技术（RS）相结合的方法研究我国城市土地利用变化特征[6-8]。史利江等采用GIS空间分析与土地利用动态变化模型相结合的方法分析上海市土地利用动态变化特征[9-11]。城市作为区域社会经济发展的核心区，其土地利用变化对区域整体用地效益的提升具有至关重要的作用。因此，开展城市用地结构变化特征分析，探究其土地利用演变的一般规律，对找准城市用地结构演变的内在动因具有重要意义。因此，已有的研究大多采用大尺度或者中尺度研究区域某一时段土地利用变化情况。本研究为弥补现有微观尺度研究不足的现状，采用GIS空间分析法探讨河南省城市土地利用时空演变特征，以期为河南省城市用地结构优化和城市整体功能发挥提供科学依据。

1 区域概况

河南省是全国第一农业大省、人口大省和粮食生产大省。2016年年底，河南省总人口1.07亿人，其中城镇人口5 232万人，城镇化率为48.5%。同期，河南省国内生产总值（GDP）总量为40 471.79亿元，稳居我国第5位、中西部地区首位，三次产业比例为10.6 ∶47.6 ∶41.8，人均GDP为 42 575元。2016年，河南省城市建设用地面积为 2 424.64 km2，人均公园绿地面积为 10.4 m2/人。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据来自《中国城市建设统计年鉴》（2006—2017年）、《河南省统计年鉴》（2006—2017年）、《河南省国土资源年鉴》（2006—2017年）。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态度

土地利用动态度反映不同用地类型的变化幅度，计算公式为

2.2.2 土地利用结构信息熵

设城市土地总规模为S，依据城市职能不同，将土地划分为n种类型，每一种类型的土地面积为Si，则有：

2.2.3 土地利用結构均衡度

均衡度的计算公式为

3 结果分析

GBJ 137—1990《城市用地分类与规划建设用地标准》（以下简称《原标准》）已经废止，GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》（以下简称《新标准》）自2012年1月1日起使用。因此，将研究时段分为2006—2011年、2012—2016年。

3.1 数量变化分析

2006—2011年，河南省城市建设用地面积由 1 517.65 km2 增加到2 019.26 km2，土地动态度为5.51%。其中，绿地动态度为18.80%，道路广场用地动态度为7.27%，市政公用设施用地动态度为6.56%，公共设施用地动态度为6.11%，居住用地动态度为5.81%，工业用地动态度为0.46%，仓储用地动态度为4.75%，而特殊用地动态度为-1.82%，对外交通用地动态度为-0.39%（表1）。

2012—2016年，河南省城市建设用地面积由 2 083.42 km2 增加到2 424.64 km2，动态度为3.28%，变化速度低于2006—2011年。工业用地动态度为4.74%，道路交通设施用地动态度为4.04%，居住用地动态度为3.75%，绿地与广场用地动态度为3.66%。公共管理与公共服务用地动态度为2.34%，物流仓储用地动态度为1.48%，公用设施用地动态度为 0.20%，商业服务业与公共服务业用地动态度为-0.09%（表2）。

3.2 结构变化分析

从表3可以看出，根据《原标准》和《新标准》中规划建设用地结构比例标准，2006—2011年，河南省居住用地占比最高，其次是工业用地，公共设施用地占比在14%左右，道路广场用地与绿地的占比在12%左右。根据《原标准》，居住用地、工业用地、道路广场用地和绿地的比例符合要求。总体上，绿地占比呈上升趋势。

2006—2011年，土地利用信息熵和均衡度变化不大，分别在0.58和0.26左右。这说明河南省土地利用的均质性有所增强。在城市用地中工业用地、绿地比例变化最为明显。为反映和描述城市用地类型的多样性和用地结构的复杂程度，本研究将各类型用地变化值进行分类（表4）。

从图1至图8可以看出，2006—2011年，人均居住用地变化值处于一级的有鹤壁市和开封市，处于二级的主要分布在豫中、豫南、豫北地区，处于三级的分布在豫西地区;2011年符合《原标准》的只有开封市、洛阳市、焦作市，其他地级市均不符合。人均工业用地变化值处于一级的主要分布在豫北地区，处于二级的分布在河南省绝大多数地区，处于三级的只有洛阳市;2011年符合《原标准》的只有开封市、洛阳市、鹤壁市、济源市，其他地级市均不符合。人均道路广场用地变化值处于一级的只有鹤壁市、开封市，处于二级的主要分布在河南省绝大多数地区;2011年符合《原标准》的有郑州市、开封市、洛阳市、鹤壁市、济源市、漯河市，其他地级市均不符合。人均绿地变化值处于一级的主要分布在豫中、豫北地区，处于二级的主要分布在河南省绝大部分地区;2011年符合《原标准》的只有郑州市和漯河市。

由表5可知，2012—2016年，河南省城市用地比例呈上升趋势的有工业用地、居住用地、道路交通设施用地、绿地与广场用地，其增加比例分别为0.93、0.60、0.51、0.23 百分点。

而商业服务业设施用地比例下降0.91百分点，公用设施用地比例下降0.62百分点，公共管理与公共服务用地比例下降0.47百分点，物流仓储用地比例下降0.27百分点。

根据《新标准》，2012—2016年，河南省只有居住用地、绿地与广场用地、道路交通设施用地符合要求。其中居住用地比例平均值为29.62%，略高于《新标准》下限4.62百分点。绿地与广场用地比例平均值为14.50%，比《新标准》上限低0.50百分点。道路交通设施用地比例平均值为15.73%，高于《新标准》下限5.73百分点。而工业用地比例在2012年低于《新标准》，但在2013—2016年期间符合《新标准》。公共管理与公共服务用地比例不符合《新标准》，超过《新标准》上限3.52百分点。总体上，2012—2016年信息熵和均衡度分别为0.58和0.28，城市用地中的各职能类型土地比例增减变化明显不同。

从图9至图16可以看出，2012—2016年，人均居住用地变化值处于一级的分布在豫北、豫中地区，处于二级的主要分布在河南省绝大多数地区。人均公共管理与公共服务用地变化值处于一级的分布在豫北、豫中、豫东地区，处于二级的分布在豫南地区;2016年符合《新标准》的有郑州市、开封市、洛阳市、鹤壁市、焦作市、三门峡市、济源市，其他地级市均不符合。人均交通设施用地变化值处于一级的分布在豫东、豫东南、豫中地区，处于二级的主要分布在豫北、豫西南地区;2016年符合《新标准》的只有济源市，其他地级市均不符合。人均绿地与广场用地变化值处于一级的主要分布在豫东、豫北地区，处于二级的分布在绝大部分地区;2016年符合《新标准》的只有郑州市、鹤壁市和漯河市。

4 结论与讨论

通过对河南省城市用地扩展的时空特征进行研究发现，（1）2006—2011年，河南城市用地呈持续增长态势。除特殊用地、对外交通用地、商业服务业设施用地略有下降外，其余功能性用地呈上升趋势。（2）从土地利用信息熵和均衡度来看，2006—2016年信息熵为0.58左右，均衡度由0.26增加到0.28，这说明2006—2016年河南省土地利用的均质性有所增强，土地利用向更合理的方向发展。在城市用地中工业用地、绿地比例变化最为明显。（3）2006—2016年，河南省人均用地面积异质性较大，符合国家标准要求的地级市比例偏低。

河南省在城市发展的过程中，城市用地结构不尽合理，达标城市不多，说明城市各类功能性用地供给有待优化，要深化土地供给侧结构性改革，增加公共管理与服务用地、交通用地和绿地等的供给量，以满足人们日益增长的对美好生活的需求。同时，要科学划定城市增长边界，促进城市紧凑发展和精明增长，提高城市发展质量，这也是下一步城市发展研究中应重点关注的热点问题之一。

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