土地利用结构信息熵时空变化分析——以宜春市为例

土地利用结构信息熵时空变化分析——以宜春市为例
程浩;舒晓波;龙英;李秀娟;吕江
【摘要】基于系统论的信息熵有关理论,对江西省宜春市土地利用结构的时空变化进行了研究.结果表明:(I)宜春市1997 ～2008年土地利用结构信息熵总体上呈上升趋势,土地利用结构缓慢向均衡状态发展.(2)根据2008年信息熵空间分布差异,将宜春市土地利用结构变化分为3个不同类型区域.(3)宜春市土地利用结构信息熵和均衡度在时空上的区域分异规律主要受区域自然环境条件和社会经济因素的影响.%On the basis of the relevant information entropy theory in system theory, this paper analyzed the spatial and time changes in the information entropy of land use structure in Yichun city, Jiangxi province. The results showed that; (1) During 1997 - 2008, the land use structure information entropy expressed an ascendant trend in general, and the land use structure slowly developed to a balanced state. (2) According to the spatial distribution difference of information entropy in 2008, the land use structure in Yichun city could be divided into three types of areas. (3) The regional distribution rule of the land use structure information entropy and equilibrium degree in Yichun city in time and space was mainly influenced by the factors of regional natural environment and social economy.
【期刊名称】《江西农业学报》
【年(卷),期】2011(023)012
【总页数】4页(P166-168,177)
【关键词】土地利用结构;信息熵;时空变化;宜春市
【作者】程浩;舒晓波;龙英;李秀娟;吕江
【作者单位】江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;江西师范大学地理
与环境学院,江西南昌330022;江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;江
西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;江西师范大学地理与环境学院,江西
南昌330022
【正文语种】中文
【中图分类】F301.24
区域土地利用结构的时空变化不仅是区域土地利用现状及其结构关系的演变，也是区域社会经济发展程度的反映。

由于土地利用系统是一个由自然－社会－经济等多个子系统耦合而成的复杂巨系统，而信息熵能较好地反映土地利用系统的有序程度、动态变化过程及空间差异，所以不少研究人员将系统论中的信息熵引入到土地利用结构的时空变化的研究中来，已取得了不少研究成果［1－4］，但从研究的区域
来看，绝大部分属于经济发展比较迅速地区的城市或者是城乡结合部，而对中部经济发展相对缓慢地区的分析则较少。

在空间变化研究的尺度上主要集中在省域或县域尺度上，较少在地级市尺度上进行空间变化分析。

本文以中部地区的江西省宜春市为例，运用信息熵有关理论探讨了地级市尺度上的土地利用结构的时空变化特征，并从自然、社会和经济等方面分析了影响信息熵时空变化的因素。

该研究结果可为宜春市土地利用结构调整、优化利用土地提供科学决策依据，并对中部地区的土地资源可持续利用和区域人地关系调控具有一定的借鉴意义。

1 研究区概况
宜春市位于江西省西北部，地处赣西北山区向赣抚平原过渡地带，境内地形由北向南、由西向东倾斜，以丘陵、山地为主。

属于亚热带季风气候，全年平均温度17.3℃，年降水量1720 mm。

辖袁州区和丰城、樟树、高安、奉新、万载、上高、宜丰、靖安、铜鼓等1区、3市6县，代管3市。

2010年末总人口548.43万人，土地总面积1863766.97 hm2，全市土地利用率为94.66%，利用类型以林地、耕地为主，同时受地形地貌的影响，基本形成了“南城北农”、“南耕北林”的土地利用地域格局。

2 数据来源和研究方法
2.1 数据来源数据主要来自于宜春市土地利用现状年度变更调查数据、《江西省
统计年鉴》和《宜春市统计年鉴》。

土地利用数据的分类系统采用现行的《土地利用现状分类》体系，把研究区域土地资源按二级类分为10种类型:耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水利设施用地、未利用地和其它土地等。

2.2 研究方法信息熵是复杂性和均衡性的测度，能够反映系统结构的状态特征，
度量系统的有序程度，判断系统的演化进程［5］。

在信息系统中的信息熵是信息无序度的度量，即信息熵越大，信息的无序度越高;反之，信息熵越小，信息的无
序度就越低［6］。

假设某区域土地面积为A，该区域有n种土地利用类型，第i种土地利用类型的面积为 Ai(i=1，2，3，…，n)，则第i种土地利用类型的面积占该区域土地总面积的比例为Pi=Ai/A。

Pi相当于在信息熵中第i种土地利用类型在该区域中出现的概率，即利用信息熵理论公式来定义土地利用结构的信息熵(H)为［7］:
信息熵的高低可以反映土地利用结构的分异程度和各土地类型面积分布的均匀程度，
熵值越高，土地利用的职能类型越多，各类型的面积相差越小［8］。

当各土地利用类型面积相等时，P1=P2=P3=… =Pi=1/n，此时信息熵最大:Hm=ln(n)，由此可得，土地职能类型越多，各职能内的面积相差越小，则熵值越大［9－10］。

但在实际应用中，由于同一区域的不同发展阶段或不同的区域可能有不同的土地职能数，土地利用结构的信息熵会缺乏可比性，因此根据信息熵又引申出两个相关概念:均衡度和优势度［11］。

均衡度E表示实际熵值和最大熵值的比值，反映一个区域土地利用的均衡程度，E值越大，土地利用的均质性就越强，其公式为:
优势度D反映区域内一种或几种土地利用类型支配该区域土地类型的程度，与均衡度的意义相反，其公式为:
3 宜春市土地利用结构信息熵时空变化分析
3.1 信息熵时间变化分析根据公式(1)～公式(3)，1997～2008年宜春市土地利用结构信息熵、均衡度、优势度计算结果如表1，信息熵和均衡度变化趋势见图1和图2。

由计算出的数据来看，1997～2008年宜春市土地利用结构信息熵总体上呈上升趋势，土地利用结构缓慢向均衡状态发展，各职能类型的面积差别逐渐减小，土地利用结构的均质性逐渐增强，但是从整体来说，其信息熵值依然较低，土地利用结构有待进一步合理优化。

如图1所示，可将宜春市土地利用结构信息熵变化划分为3个阶段:(1)1997～2001年，土地利用结构信息熵基本保持上升趋势，尤其是在1997～1998年，上升幅度最大。

到2001年，信息熵达到最大，为1.3087，该阶段以林地面积减少最多，建设用地面积增加较多。

此阶段，优势度下降，均衡度增强;(2)2001～2003年，土地利用结构信息熵持续下降，未利用地面积减少，林地和建设用地面积又有所增加;(3)2003年后，土地利用结构信息熵略有上升，耕
地、牧草地和未利用地面积相对减少，建设用地面积继续有所增加。

表1 1997～2008年宜春市土地利用结构的信息熵、均衡度及优势度均衡度优势
度1997 26.409 1.357 55.404 0.014 5.470 4.035 0.3年份耕地/%园地/%林地/%牧草地/%其他农用地/%居民点及工矿用地/%交通运输用地/%水利设施用地/%未利用地/%其他土地/%信息熵/nat 06 1.523 3.663 1.818 1.3023 0.5656 0.4344 1998 26.411 1.375 55.221 0.014 5.499 4.046 0.308 1.523 3.786 1.818 1.3074 0.5678 0.4322 1999 26.411 1.375 55.212 0.014 5.498 4.058 0.321 1.523
3.772 1.818 1.3079 0.5680 0.4320 2000 26.409 1.374 55.209 0.014 5.497
4.064 0.327 1.523 3.765 1.818 1.3082 0.5681 0.4319 2001 26.409 1.374
55.194 0.014 5.494 4.084 0.335 1.523 3.756 1.817 1.3087 0.5684 0.4316 2002 26.182 1.362 55.421 0.010 5.492 4.167 0.360 1.527 3.666 1.813 1.3072 0.5677 0.4323 2003 25.855 1.366 55.758 0.011 5.505 4.207 0.377 1.529
3.580 1.812 1.3048 0.5667 0.4333 2004 25.757 1.362 55.829 0.010 5.501
4.265 0.385 1.529 3.556 1.807 1.3048 0.5667 0.4333 2005 2
5.742 1.365
55.822 0.009 5.499 4.296 0.394 1.532 3.524 1.817 1.3055 0.5670 0.4330 2006 25.258 1.340 56.185 0.009 5.541 4.402 0.423 1.533 3.496 1.812 1.3050 0.5667 0.4333 2007 25.218 1.371 56.127 0.009 5.538 4.513 0.443 1.533
3.437 1.811 1.3078 0.5680 0.4320 2008 25.219 1.371 56.107 0.008 5.535
4.578 0.445 1.533 3.393 1.810 1.3082 0.5681 0.4319
图1 1997～2008年土地利用结构信息熵变化趋势
图2 1997～2008年土地利用结构均衡度变化趋势
3.2 信息熵空间变化分析根据公式(1)～公式(3)，2008年宜春市各县市区土地利
用结构信息熵、均衡度、优势度计算结果如表2，信息熵的变化趋势见图3，各县市区信息熵的分布情况见图4。

2008年宜春市土地利用结构信息熵为1.3082，在全市10个县区市中，高于全市平均水平的有樟树市(1.6303)、丰城市(1.5397)、上高县(1.5034)、高安市
(1.4560)，而其它6个县市区都低于全市平均水平，其中最低的是铜鼓县(0.5562)。

由图3可将宜春市按照土地利用结构信息熵区域差异划分为 3 个类型区:Ⅰ区(H ＞1.50)、Ⅱ区(1.00 ＜ H ＜1.50)和Ⅲ区(H ＜1.00)，见图4。

(1)Ⅰ区，主要分布在
宜春市东南部社会经济较发达的地区，共有3个县市，占宜春市土地总面积的29.31%。

该区人口密度大，经济发展迅速，城市化程度较高，建设用地面积比重
较大，土地利用结构相对趋于均衡;(2)Ⅱ区，主要分布在宜春市中东部和西南部，
共有4个县市区，占全市土地总面积的44.61%。

由于该区处于经济发展相对较快阶段，农业结构调整和非农建设也占用较多土地，土地利用较均衡;(3)Ⅲ区，主要
分布在宜春市的北部和西北部经济欠发达地区，共有3个县，占全市土地总面积
的26.08%。

该区位于山地丘陵地区，经济发展相对落后，城市化水平较低，林地在土地利用结构中占比重较大，宜丰、靖安及铜鼓分别占到 72.66%、82.62%和88.00%。

表2 2008年宜春市各县市区土地利用结构的信息熵、均衡度及优势度注:奉新、高安和铜鼓无牧草地，其n的取值相应地较其他县市区小1。

县区市耕地/%均衡度优势度袁州 22.342 0.921 56.818 0.0034 4.667 5.790 0.388 0园地/%林地/%牧草地/%其他农用地/%居民点及工矿用地/%交通运输用地/%水利设施用地/%未利用地/%其他土地/%信息熵/nat.592 7.555 0.923 1.2979 0.5637 0.4363丰城34.990 1.258 39.220 0.0067 6.061 6.430 0.697 2.648 4.591 4.099 1.5397
0.6687 0.3313樟树 43.097 2.343 25.393 0.0698 9.330 7.282 0.910 2.334
4.907 4.334 1.6303 0.7080 0.2920高安 38.536 1.144 36.686 0.0000 11.216
5.598 0.371 3.384 1.857 1.207 1.4560 0.6626 0.3374奉新 25.770 1.507
62.262 0.0000 3.324 3.320 0.258 0.762 1.656 1.141 1.1053 0.5031 0.4969万
载 19.147 0.682 66.055 0.0021 5.413 4.689 0.296 0.562 2.193 0.960 1.1007 0.4780 0.5220上高 27.950 4.249 46.958 0.0121 4.531 4.298 0.555 2.338 7.218 1.892 1.5034 0.6529 0.3471宜丰 16.450 1.193 72.659 0.0002 3.817 2.878 0.425 0.831 0.888 0.858 0.9544 0.4145 0.5855靖安 8.585 1.312
82.615 0.0119 2.643 1.831 0.252 0.586 0.516 1.648 0.7358 0.3196 0.6804铜鼓 5.822 0.260 87.997 0.0000 1.993 1.370 0.275 0.381 1.078 0.823 0.5562 0.2531 0.7469
图3 2008年宜春各县市区土地利用结构信息熵
图4 2008年宜春市土地利用结构信息熵分区
4 土地利用结构信息熵的影响因素分析
系统总是存在熵增的发展趋势，随着系统与外界环境物能不断地进行交换，土地利用结构多样性也在不断地增加，熵值也在增加。

宜春市土地利用结构信息熵的时空差异主要是各县市区地形地貌、气候水文、地质土壤等自然生态环境因素和城市化率、人口密度、经济发展水平等社会经济文化因素综合作用的结果。

4.1 自然环境因素自然环境条件较好的区域，土地资源开发条件较好，各类用地所占比例相差不大，信息熵较高。

位于鄱阳湖平原南缘的樟树市和丰城市，水陆交通便利，土地利用类型较均匀。

相反，土地资源开发利用难度较大的区域，土地利用类型单一，信息熵较低。

铜鼓和靖安境内以山地为主，属典型的地广人稀的山区县，总体均衡度不高。

4.2 社会经济因素在短时间尺度内，自然环境因素对土地利用结构变化的影响是有限的，社会经济因素起着主导驱动作用。

因此，在综合分析的基础上选择宜春市1997～2008年的人均GDP等5个相关指标从定量的角度来分析社会经济因素对建设用地、农用地和未利用地的影响，结果见表3。

表3 建设用地、农用地和未利用地与影响因素间相关系数人均GDP 0.987 －
0.934 －0.930财政收入 0.959 －0.925 －0.889城镇化率 0.971 －0.947 －
0.890人口密度 0.966 －0.938 －0.890全社会固定资产投资0.959 －0.903 －0.906
由表3可看出，建设用地与影响因素呈现正相关性，且相关系数显著，农用地和
未利用地与影响因素呈负相关性。

土地利用结构信息熵的时间变化主要是由于近年来随着社会经济的发展、人口的增长和城市化进程的加快对建设用地的需求量增加，农用地和未利用地相应减少，使土地利用结构从有序向无序方向发展。

5 结论与讨论
宜春市1997～2008年土地利用结构信息熵总体上呈上升趋势，土地利用结构缓
慢向均衡状态发展，具体可将其发展过程分成3个阶段。

宜春市各县市区土地利
用结构信息熵空间差异较大。

通过对2008年各县市区土地利用结构信息熵空间变化分析，可将其分为3个类型区域。

影响宜春市土地利用结构的主要因素是社会
经济的快速发展。

从宏观上看，土地利用结构信息熵值和均衡度的大小在一定程度上能综合反映出某区域一定时期和空间内各种土地利用类型的变化趋势，但是不能反映土地利用结构内部的复杂差异性，例如，若土地类型比重不变，只是类型相互变换，熵值是不变的，但系统结构状态明显变化。

从合理性上看，土地利用结构信息熵的大小只是与有序度相关，不同尺度、不同区域的信息熵临界阈值要达到多少才是最合理的，才能最大程度地发挥土地利用系统的功效还需要进一步探讨。

参考文献:
【相关文献】
［1］赵晶，徐建华，梅安新，等.上海市土地利用结构和形态演变的信息熵与分维分析［J］.地理研究，2004，23(2):137 －146.
［2］李江，郭庆胜.基于信息熵的城市用地结构动态演变分析［J］.长江流域资源与环境，2002，11(5):393－394.
［3］高永年，刘友兆.经济快速发展地区土地利用结构信息熵变化及其动因分析:以昆山市为例［J］.土壤，2004，36(5):527－531.
［4］何祖慰，杨忠，罗辑.西藏昌都地区土地利用结构熵值时序分析［J］.长江流域资源与环境，2007，16(2):192 －195.
［5］陈彦光，刘明华.城市土地利用结构的熵值定律［J］.人文地理，2001，16(4):212.
［6］马建华，管华.系统科学及其在地理学中的应用［M］.北京:科学出版社，2003.
［7］谭永忠，吴次芳.区域土地利用结构的信息熵分异规律研究［J］.自然资源学报，2003，
18(1):112 －117.
［8］匡文慧，张树文.长春市百年城市土地利用空间结构演变的信息熵与分形机制研究［J］.中国科学院研究生院学报，2007，24(1):73 －80.
［9］刘康.土地利用可持续性评价的系统概念模型［J］.中国土地科学，2001，15(6):19 －23. ［10］刘纯平，陈宁强，夏德深.土地利用类型的分维数分析［J］.遥感学报，2003，7(2):136 －141.
［11］刘筱非，周宝同.信息熵在区域土地利用结构研究中的应用:以重庆市江北区为例［J］.西南师范大学学报:自然科学版，2004，29(6):1062 －1066.。