基于GIS与信息熵的长春市城市用地演变特征研究

吴旭影，张延军，于华岩，韦兰屹，程子朗

1.吉林大学 地球科学学院，长春 130061；2.建银工程咨询有限责任公司 吉林分公司，长春 130012

0 引言

随着中国城镇化进程加快，城市用地需求量快速增加与土地资源有限性的矛盾日益突出，如何在节约、集约利用土地的同时保证城市健康发展成为学者们研究的热点问题。同时，国土空间规划确定的城镇边界直接影响城市用地规模与用地结构特征，而城市用地结构又直接影响着城市功能的发挥,如何合理确定城市规模和布局城市用地结构，直接关系城市发展效率和发展空间。前人研究侧重城市空间结构的静态描述和动态变化以及土地利用与城市用地演变驱动机制等方面[1--4]，涵盖了城市用地的自然、经济、社会和政治等空间层面。近年来国内学者通过对城市用地演变的研究结果表明：社会经济发展、政策调整、人口增长、交通网络完善、城市建设投资规模和自然生态环境限制均是城市用地演变的驱动因素，其中，自然生态环境限制是城市用地演变的基础性因素，社会经济发展是城市用地演变的重要动因，政策调整、人口增长、交通网络完善、城市建设投资规模等人为因素是城市用地演变的关键性因素[5--11]。在中国，许多城市均存在城市用地结构不合理问题[12--14]，一个良好的城市土地利用结构，其土地分异程度应该介于混沌与有序之间[15--16]。土地利用由依赖自然资源地域组合规律的土地利用方式向市场经济诱导下的土地利用方式转变，城市多沿城市边缘扩展，既有开发建设经济效益高的优点,也有城市“摊大饼”式发展的缺点[17--18]。生活用地比重与城市化发展呈现显著的正相关关系，生产用地比重随着城市化发展呈现倒U型变化趋势[19--20]。土地利用结构信息熵和均衡度可用于分析城市土地利用结构特征。城市土地利用动态演化过程伴随信息熵和均衡度的上升，大城市用地结构的信息熵大于小城市的信息熵，综合性城市的信息熵大于专业化城市的信息熵[21--22]。

已有研究主要侧重大尺度城市用地研究，涵盖全国、城市群和省域，涉及某一市域城市内部的微观尺度空间研究相对较少。本文主要基于GIS与信息熵法，以长春市为例，对城市用地规模和城市用地结构进行研究，丰富城市用地微观尺度研究，同时，为长春市国土空间规划提供参考。

1 研究区概况

长春市是吉林省省会，被称为“塞北春城”，气候为中温带大陆性气候，是中国最大的汽车工业城市，是“振兴东北老工业基地”国家发展战略中着重发展的城市之一。住建部2019年1月发布的《2017年全国主要城市建成区面积排名》数据显示，在全国600多个城市中长春市建成区面积、城市建设用地面积位列第16名。截至2019年，全市市域面积20 593.53 km2，包括7区2市1县。全市户籍总人口753.8万人，其中市区人口445.1万人。2019年，全市实现GDP 5904.1亿元，城镇常住居民人均可支配收入37 844元。

2 研究数据来源与方法

研究数据来源于吉林省城镇土地利用数据更新调查项目(2009—2018年)[23]、《长春市统计年鉴》(2019—2020年)[24]和《长春市国民经济和社会发展统计公报》(2009—2019年)[25]。

研究技术方法为趋势分析法、土地利用动态度、土地利用结构信息熵与均衡度。

2.1 趋势分析法

根据既往年度长春市城市用地变化情况，通过曲线分析长春市2009—2018年城市用地量变特征。

2.2 土地利用动态度

可以反映研究区特定时段内各土地利用类型的规模变化幅度，计算公式[26]为：

(1)

式中：K为土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某种类型用地数量；T为研究时段。

2.3 土地利用结构信息熵与均衡度

土地利用结构信息熵可以反映城市用地的有序程度，熵值越高，有序程度越低，各职能类用地面积差别越高，用地结构越趋于稳定，计算公式[27--28]为：

(2)

式中：G表示土地利用结构信息熵；pi表示各土地利用类型面积占土地利用总规模的比重。

土地利用结构均衡度可反映土地利用均质情况，数值越高，土地利用结构的均质性越强，计算公式[28]为：

(3)

式中：J表示土地利用结构均衡度；G表示土地利用结构信息熵；N表示土地利用类型数量。

3 结果分析

3.1 长春市城市用地规模的演变特征

3.1.1 城市用地规模变化

通过对长春市城市用地在年际间的变化分析可以看出：长春市城市用地规模由2009年的54 481.94 hm2增长至2018年的76 905.70 hm2(图1)，增幅为41.16%，年均增长率为3.90%。

其中，2009—2012年增速相对较快，三年间增量占2009—2018年总增量的65.37%。自2013年起长春市城市用地总量增长缓慢，2013—2018年长春市城市用地年均增长率为1.30%。

3.1.2 城市用地内部变化

长春市2009—2018年间商服用地、工业用地、仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)、公园与绿地、特殊用地与交通运输用地动态度均为正，这表明这类用地呈现增长态势。其中，工业用地动态度值最高为9.56%，增长速度最快；住宅用地和交通运输用地次之，动态度分别为4.60%和3.25%，增长速度较快；商服用地与仓储用地动态度分别为2.59%和1.37%，增长较为缓慢；特殊用地和公园及绿地稍有增长，动态度分别为0.91%和0.63%。水域及水利设施用地保持稳定，而其他土地呈现减少态势，动态度为-0.25%(表1)。

图1 2009—2018年长春市城市用地规模增长曲线图

在城市用地扩展中，长春市生产性用地增幅较大，公园及绿地增速缓慢。

表1 2009—2018年长春市城市用地数量及动态度

3.1.3 长春市城市用地与周边城市对比

选取省内GDP排名前五的吉林市、延边州、四平市和松原市4个城市，统计其2009—2018年城市用地面积及年均增长率与长春市城市用地面积和年均增长率进行对比(表2，图2)。

表2 2017年吉林省地级市生产总值前5名

图2 2009—2018年间吉林省5个地级市城市用地面积变化情况

结果显示：长春市城市用地面积一直远高于其他城市的用地面积，吉林市城市用地面积排名第二。2009年长春市城市用地面积已是吉林市城市用地面积的1.83倍，到2018则增长至 2.25倍。同时，与其他4个城市不同的是，长春市城市用地面积在2009—2013年间出现了城市面积的快速大量增加。

长春市人均城市用地面积也远高于吉林省整体水平，且近年来二者差距有加大的趋势，2018年长春市人均城市用地面积较吉林省高出20.41 m2/人(图3)。

图3 2009—2018年吉林省和长春市人均城市用地面积变化情况

城市用地面积年均增长率的计算结果显示，2009—2018年间长春市城市用地年均增长率为3.90%，位列第一，是排名第二的吉林市城市用地面积年均增长率的2.5倍，是排名第五位的四平市城市用地年均增长率的47.74倍。长春市城市用地年均增长率显著偏高，城市用地的外部扩张有待控制(表3)。

表3 2009—2018年间吉林省5个地级市城市用地年均增长率

3.2 长春市城市用地结构特征

3.2.1 公园与绿地面积亟需提高，工业用地占比增长亟待控制

2012年1月1日起新颁布的GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]开始使用，同时，原有GBJ 137—1990《城市用地分类与规划建设用地标准》[30]停止使用。因此，本文中2009—2011年城市规划建设用地结构比例标准参照GBJ 137—1990《城市用地分类与规划建设用地标准》[30]分析，2012—2018年城市规划建设用地结构比例标准参照GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]分析。

2009—2012年长春市住宅用地占比最高，维持在35.0%±，高于国家标准的上限3%；工业用地占比有所增长，由2009年的19.97%增长至2012年的23.21%，符合GBJ 137—1990[30]的规定，且逐渐逼近国家标准的上限。其他各类用地占比均有所下降，公园与绿地占比由2009年的3.32%下降至2012年的2.76%，低于国家标准下限8.0%的要求。交通运输用地占比由2009年的10.52%下降至2018年的9.56%，符合GBJ 137—1990[30]的规定(表4)。

2012—2018年间，公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)占比在11.14%上下波动，有缓慢下降趋势，高于GB 50137—2011[29]规定上限3%±；公园与绿地占比为2.52%±，远低于GB 50137—2011[29]下限且有下降趋势；交通运输用地占比围绕9.50%上下波动，稍低于标准下限；住宅用地占比在34.60%±，工业用地占比在26.40%±，两者均满足GB 50137—2011[29]的规定，与此标准上限较为接近，且有上升趋势(表5)。

表4 2009—2011年长春市各类型城市用地比例

表5 2012—2018年长春市各类型城市用地比例

总体来看，2009—2018年长春市工业用地和住宅用地比例符合国家标准，且与标准上限较为接近。公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)占比高于国家标准，但有下降趋势，逐渐接近国家标准。公园与绿地占比远低于国家标准的下限，且仍有下降趋势。交通运输用地比例则由符合国家标准，逐渐下降至低于国家标准。需要注意的是长春市工业用地占比仍有上升趋势，且增速较快，如果不加控制，很有可能会超过国家标准的上限。而公园与绿地占比在远低于标准下限的情况下，仍然有连续下降的趋势。

根据长春市2009—2011年间各个类型城市用地占比分析结果可以看出，近些年来长春市较为注重城市经济的发展，为工业发展提供了大力支持，但相对忽略了城市生态效益的发展，造成了公园与绿地面积的严重不足。

3.2.2 长春市土地利用结构均质性与均衡状态

由长春市2009—2018年城市用地的信息熵和均衡度数值变化可知(表6，图4、5)，信息熵有缓慢下降趋势，各职能类用地面积差别有所增高，这主要是因为工业用地面积增速较其他各类用地快；公园与绿地和公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)面积较小，这也证明了城市用地类型的多样性和用地结构的复杂程度。信息熵下降速率逐渐减缓，均衡度基本保持在0.76±，说明长春市城市用地的均质性和有序程度在逐渐增强，趋于均衡状态。

表6 2009—2018年长春市城市用地信息熵与均衡度

图4 2009—2018年间长春市城市用地信息熵变化趋势图

图5 2009—2018年间长春市城市用地均衡度变化趋势图

总体来看，长春市人均住宅用地面积和人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)面积符合GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]，而人均公园与绿地面积和人均交通运输用地面积偏小，分别低于标准下限5.44 m2/人和2.17 m2/人，特别是人均公园与绿地面积，仅是标准下限的32%(表7)。

3.3 长春市各行政区人均城市用地

3.3.1 住宅用地

结合表7，将2018年长春市人均住宅用地面积与GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]对比可知，2018年长春市人均住宅用地符合GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]的有朝阳区、绿园区、双阳区、九台区和德惠市，南关区、宽城区、二道区、农安县和榆树市不符合此标准(图6)。

表7 2018年长春市各城市用地类型人均面积

图6 2018年长春市各行政区人均住宅用地图

其中，朝阳区、绿园区和双阳区人均住宅用地面积接近标准上限，人均住宅用地面积相对较小的双阳区，低于标准上限2.65 m2/人，而九台区和德惠市人均住宅用地面积接近标准下限，分别高于标准下限1.89 m2/人和0.82 m2/人。南关区、宽城区和二道区人均住宅用地面积偏大，分别高于该标准上限27.05 m2/人、14.07 m2/人和24.26 m2/人。农安县和榆树市人均住宅用地面积偏小，分别低于该标准下限11.89 m2/人和6.74 m2/人。人均住宅用地面积最大的南关区与人均住宅用地面积最小的农安县相差48.94 m2/人，是该标准下限的174.79%，上限的128.79%。

3.3.2 公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)

结合表7，将2018年长春市人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)面积与GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]对比可知，2018年长春市人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)符合GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]的有南关区、宽城区、朝阳区、二道区、绿园区、双阳区、九台区和德惠市，农安县和榆树市不符合此标准(图7)。

图7 2018年长春市各行政区人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)

其中，双阳区、九台区和德惠市人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)与标准下限较为接近，分别高于标准下限3.02 m2/人、3.5 m2/人和1.05 m2/人。农安县和榆树市人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)均低于标准下限，农安县低于标准下限0.37 m2/人，榆树市低于标准下限2.01 m2/人。人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)面积最大的二道区与人均公共管理与公共服务用地(不含公园与绿地)面积最小的榆树市相差31.23 m2/人，是该标准下限的567.82%。

3.3.3 公园与绿地

结合表7，将2018年长春市人均公园与绿地面积与GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]对比可知，2018年长春市人均公园与绿地面积符合GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]的仅有南关区，而二道区、绿园区、宽城区、朝阳区、双阳区、九台区、农安县、榆树市和德惠市均不符合此标准(图8)。

图8 2018年长春市各行政区人均公园与绿地图

其中，南关区人均公园与绿地面积高于标准下限1.59 m2/人。二道区、绿园区、宽城区、朝阳区、双阳区、九台区、农安县、榆树市和德惠市人均公园与绿地面积均低于标准下限，分别低于标准下限7.61m2/人、4.07m2/人、1.7 m2/人、3.3 m2/人、6.33 m2/人、7.27 m2/人、7.66 m2/人、7.9 m2/人和7.38 m2/人。宽城区、九台区、农安县、榆树市和德惠市公园与绿地面积均不足1 m2/人。

3.3.4 交通运输用地

结合表7，将2018年长春市人均交通运输用地面积与GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]对比可知，2018年长春市人均交通运输用地符合GB 50137—2011《城市用地分类与规划建设用地标准》[29]的有南关区、二道区和绿园区，而宽城区、朝阳区、双阳区、九台区、农安县、榆树市和德惠市不符合此标准(图9)。

图9 2018年长春市各行政区人均交通运输用地图

其中，宽城区、朝阳区、双阳区、九台区、农安县、榆树市和德惠市人均交通运输用地面积均低于标准下限，分别低于标准下限2.09 m2/人、3.74 m2/人、6.39 m2/人、6.51 m2/人、5.38 m2/人、10.49 m2/人和5.15 m2/人。人均交通运输用地面积最大的二道区与交通运输用地面积最小的榆树市相差27.03 m2/人，是该标准下限的225.25%。

4 结论

(1)长春市与省内其他地级城市相比，城市用地总量及年均增长率均显著偏高。

(2)2009—2018年长春市城市用地规模增加过程中，工业用地面积增速最快，比例偏高；公园与绿地面积偏小，不足1 m2/人，长春市十个区、市(县)中有5个人均公园与绿地面积不足1 m2/人；长春市各区、市(县)人均用地面积差异较大。

(3)2009—2012年间长春市土地利用结构信息熵值和均衡度逐渐下降，城市用地结构不稳定；2013年起，长春市土地利用结构信息熵值保持在1.75±，均衡度保持在0.76±，这说明长春市城市用地的均质性和土地利用类型结构基本趋于稳定。

(4)各区、市(县)城市人均用地面积均有一定差异，存在不符国家标准的情况。