基于信息熵的南宁土地利用结构变化分析
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基于信息熵的南宁土地利用结构变化分析
摘要：本文利用信息熵对南宁2001-2010年的土地利用结构进行时间序列及空间差异分析，并对影响其信息熵变化的因素进行分析。
关键词：信息熵；土地利用结构；时空变化
Abstract: this paper using the entropy to nanning 2001-2010 years of land use
structure of time series and space difference analysis, and influence the information
entropy change factors are analyzed.
Keywords: information entropy; The land use structure; spatial and temporal
change
土地利用作为人类有目的、有意识的社会经济活动，贯穿在人类生存与发展的整个历史过程中，是人类社会与大自然相互影响和作用、共同发展与不断进化的产物。土地利用结构是土地利用结果的具体体现。城市土地利用结构变化是在一定政府行为或土地利用政策引导下，用地者为追求土地收益的最大化，调整区域土地利用的结果。
土地本身是一个具有耗散结构的自然历史综合体，具有结构和功能的有序性特征。土地利用系统是自然、人类、社会、经济和技术5个子系统耦合而成的复杂系统，同时也是一个不可精确定义的系统。它具有复杂系统的一般特征，如开放性、随机性、动态性、代谢性、非孤立性、自组织性、自适应性等。它不仅在空间与功能上表现出不同的组合关系和结构格局，而且在时间上也表现出演替的阶段、过程和规律。土地利用结构调整即是在人类有目的的行为指导下，对土地利用系统施加的一种人为干扰，这会对土地利用系统的有序性程度，土地利用结构的复杂程度和均衡程度产生影响。本文利用信息熵对南宁1998-2010年的土地利用结构进行时间序列及空间差异分析，并对影响其信息熵变化的因素进行分析。
一.研究区域概况
南宁市是广西省会城市和西部地区重要城市之一, 地处我国华南沿海经济圈、大西南经济圈和东南亚经济圈的交汇中心, 面向东盟各国, 毗邻粤港澳, 背靠中西部, 具有沿海、沿边、沿江“三位一体”的区位优势。全市国土面积为22112km², 2010年GDP为1516. 21亿元, 比2009年增长23. 10%,自1996年以来连续16年保持两位数的增长。全市户籍人口891. 69万人, 非农业人口288.
94万人, 其中市区人口363. 89万人。笔者选择的研究区域为南宁市行政管辖范围, 包括1市区(青秀区、兴宁区、江南区、西乡塘区、良庆区)和7县(邕宁县、武鸣县、横县、宾阳县、上林县、隆安县和马山县)。数据来源主要是南宁市相关年份土地利用变更调查数据和经济统计年鉴。
二.城市土地利用结构信息熵及其相关指数的计算
1.城市土地利用结构的信息熵
假定一个城市的建设用地面积总量为A，该市的土地可根据职能分成n种类型，每个职能类型的面积为Ai(i=1，2…．，rt)，则有：
据此可得各类土地面积的百分比为：
显然Pi具有归一性质：
因此Pi相当于事件的概率，从而可以依照shannon熵公式，定义土地利用结构信息熵为：
土地利用结构的信息熵值可以用来反映城市土地利用结构系统的有序程度。一般说来。信息熵值愈大，土地利用系统的有序程度愈低，反之亦然。土地利用结构信息熵可综合反映某城市在一定时段内各种土地利用类型的动态变化及其转换程度，对于城市土地利用结构调整具有指导意义。
2.城市土地利用均衡度
基于信息熵公式，容易定义城市土地利用构成的均衡度公式：
式中，J为均衡度；H为信息熵；HM为信息熵的最大值。
显然，J为实际熵值与最大熵值之比。由于H≤HM，J值变化介于0～1之间，J值越大，表明城市土地利用的均衡性越强。
由于上式引入Inn，城市职能类数得到了考虑，从而使职能数量不同的城市其均质程度具有可比性。
3.城市土地利用集中度
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：
借助信息熵值和均衡度值，可以探索城市土地利用结构的某些规律。与信息熵相比，均衡度以及与此相关的集中度增强了数值的可比性和指征性。由于它们的数值变化介于0～1之间，其显示的结果一目了然。计算简捷、数值直观和可比性强是均衡度(或集中度)作为一种指数的优越性所在。集中度的表达为：I=1-J，它反映了区域内一种或几种土地类型支配该区域土地的程度，与多样性成反比。
三.南宁市土地利用结构的信息熵变化分析
下表是2001-2010年10年间，南宁市各类土地利用面积的变化情况：下图为南宁市各类土地利用结构变化情况（从上到下分别为1998-2010）
根据上面土地利用结构信息熵的计算方式，我们可以计算出这一时期内南市建设用地结构信息熵(见下表)，同时还可以利用SPSS统计软件作出信息熵的演变图，结果见下图：
根据第一个表所提到的9种土地用地类型，南宁市用地结构信息熵理论上的最大值为Hmax=ln9≈2．197。10年间南宁市实际的建设用地结构HL的平均值达到1．961，接近最大值，因此，从宏观上说来，南宁市建设用地结构多样性程度较高。
结合上面几个图标，我们可以看出，这一时期南宁市土地用地结构变化可分
为三个阶段：2001～2004年，HL值相对较高，且比较稳定；经过明显的下降，2005～2008年HL变化比较稳定；2009～2010年，HL值相对较小，且基本没有发生变化。总体来看，南宁市土地用地结构信息熵的变化呈下降趋势。这说明南宁市城市土地用地正渐趋有序，而在均衡性上，各种用地类型之间的差距随着信息熵的变化有缓慢的加大趋势，不过不太明显。
根据上述土地用地结构和信息熵的变化情况进行分析可以得出：
1．在南宁市城市土地用地总面积持续增加的前提下，道路广场用地增加幅度最大，资料显示，主要分布于朝阳区以及西乡塘区。
2．工业用地和居住用地增幅也较大，这两种用地类型所占比例最大，并且居高不下，因此对用地结构的影响也较大。
3．2001-2010年期间，南宁市土地用地结构的HL值在整体上呈下降的趋势。这说明该市土地用地结构正向更加有序的方向发展。
4．其他类型土地用地呈现出减少趋势，这表明南宁市城区各种闲置土地，以及职能用途不确定的土地面积正在减少。这从另一个角度说明了南宁市土地用地结构正逐渐趋于有序。
5．道路广场、绿地、公共设施用地不断增加，这表明南宁市城市土地用地结构正在日趋优化，城区居住环境和居住质量有逐渐改善的趋势。
对于上述南宁市土地用地结构的变化，我们可以从多方面入手分析其原因，从而进一步讨论用地结构的可能性，当然主要还是集中于社会、经济领域。
四.影响因素分析
除政策、法规会对土地利用产生重大影响外，经济、人口等因素也是土地利用变化的重要影响因素。下面运用SPSS软件分析这些因素对南宁市土地利用结构信息熵的影响。
1.土地利用变化对信息熵的影响
土地利用结构信息熵反映的是土地利用系统的有序性与结构性，所以土地利用变化直接影响其信息熵的变化。对南宁市土地利用与信息熵的相关性进行检验（下表），发现：①在显著性水平为0.05时，牧草地、水利设施用地与信息熵呈中度相关；②在显著性水平为0.01时，其余土地利用类型与信息熵的相关度较高，其中，耕地、林地和未利用地的变化与信息熵呈负相关，园地、其它农用地、居民点及工矿用地、交通用地、未利用地与信息熵呈正相关。说明耕地、林地和未利用地的减少，园地、其它农用地、居民点及独立工矿和交通用地的增加，直接导致了研究时期内信息熵的波动增长态势。
2.地区生产总值及三次产业对信息熵的影响
对南宁市2001-2010年地区生产总值及其三次产业与信息熵相关性进行分析，结果（见下表）显示：在显著性水平为0.01时，南宁生产总值及其三次产业产值均与信息熵高度相关；第二、三产业与信息熵的相关性高于第一产业；工业、建筑业与信息熵的相关性系数在第二产业中居于前列；批发和零售业、房地产业与信息熵的相关性系数在第三产业中居于前列。以上分析表明，随着南宁经济的发展，尤其是第二和第三产业的迅速发展，土地用地需求不断扩大，使得南宁土地利用结构产生较大改变，其信息熵增大，土地利用系统的无序性增强，土地利用的均衡度增大，优势度减小。
3.人口对信息熵的影响
人口因素是影响土地利用变化的重要社会因素。在研究期内，南宁的城市化水平在不断提高；2005年以后，南宁非农业人口超过了农村人口。对人口变化与信息熵的相关性进行分析（见下表），发现该市年末户籍总人口、非农业人口和人口密度均与信息熵呈高度正相关；农业人口与信息熵呈负相关。这说明总人口的增加、城市化水平的提高与信息熵的增大有着密切关系。
五.结束语
总的来说，经济越发达、越靠近沿海的地级市和区域信息熵越大，土地利用系统表现为有序性越小、结构性越差、均衡度越大。耕地、林地和未利用地的减少，以及园地、其他农用地、居民点与独立工矿和交通用地的增加是导致信息熵变化的直接原因；经济发展，尤其是第二和第三产业的迅速发展，是信息熵增大的根本原因；总人口的增加、城市化水平的提高与信息熵的增大密切相关。
