·资源利用·
长株潭地区土地利用结构信息熵时空测度与演化 *
郭荣中1※，申海建2，杨敏华3
(1.长沙环境保护职业技术学院，湖南长沙 410004；2.湖南省测绘科技研究所，长沙 410007；3.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083)
摘 要 [目的] 探讨区域土地利用结构的时空变化，为政府制定土地利用规划提供参考。[方法] 基于信息熵的基本原理，利用2002—2014年长株潭地区各县(市、区)土地利用变更数据和相关社会经济资料，对研究区域土地利用结构的时间变化规律和空间分异特征进行了分析，并运用灰色模型进行了预测分析。[结果] (1)从整体上看，耕地、园地、林地、草地、水域及水利设施用地、其他土地所占比例呈递减趋势，城镇村及工矿用地、交通运输用地所占比例呈递增趋势。(2)土地利用结构信息熵在2002—2014年期间总体呈先下降后上升的变化趋势，从2002年的1.350 3 Nat上升到了2014年的1.362 3 Nat。(3)各县(市、区)土地利用结构的信息熵呈现出较大的时空差异。(4)运用灰色模型预测可知，到2026年土地利用结构信息熵出现上升趋势。[结论] 当地政府必须高度重视，大力提高土地资源配置效率与集约利用水平，优化城市土地利用结构，合理布局城市用地，实现土地资源的可持续利用。
关键词 信息熵 土地利用结构 时空测度 灰色GM(1，1)模型 长株潭地区
0 引言
土地是人类赖以生存和发展的物质基础和环境条件，城市的发展对区域资源环境和区域生态安全产生了不同程度的影响。近年来，很多学者从不同角度对不同区域的土地利用动态变化进行了研究。Wolter等[1]对1992—2001年美国大湖流域土地利用覆被变化情况进行了研究。Engström等[2]利用节省参数模型对全球农业土地利用变化进行了分析。雷征等[3]采用对比分析方法深化了对土地利用变化的驱动力研究。石培基等[4]采用主成分分析法分析了引起区域土地利用变化的主要影响因素。王居午等[5]、潘荟交等[6]探讨了绍兴市、崇州市土地利用变化的时空规律。刘敬财等[7]、张立峰等[8]、乔家君等[9]、司慧娟等[10]分别从不同的空间尺度上对土地利用结构演变规律进行了探索。李文彦等[11]、车臣等[12]在对区域土地利用结构变化进行分析的基础上，运用灰色模型对其发展趋势进行了预测。边静等[13]、安明珠等[14]、刘影等[15]基于信息熵和空间洛伦兹曲线对区域土地利用结构变化进行分析和评价。张群等[16]、谢贤健[17]基于信息熵和数据包络分析对区域土地利用结构进行了评价。谭术魁等[18]运用计量地理模型、信息熵的方法，分析湖北省17个市(州)土地利用结构的地域差异。长株潭地区作为助推湖南加快全面小康建设的重要引擎，正进入提速发展的大好时期，人类活动正日益影响和改变着区域土地利用的结构与方式。文章基于Shannon熵理论[19]，从时间和空间的角度对研究区域土地利用结构进行分析，以期为长株潭地区优化土地资源结构和布局提供参考依据，以实现研究区域土地利用与生态建设的协调发展。
1 研究区概况
图1 研究区域范围和地理位置
长株潭地区位于湖南省中东部丘陵区(图1)，地理位置为：东经111°53′～114°15′，北纬26°03′～28°41′。下辖3个地级市，具体为长沙市、株洲市、湘潭市，共12个市辖区，4个县级市，7个县。
截止2014年底，研究区域土地总面积280.693 3万hm2，其中耕地63.963 2万hm2，园地2.317 1万hm2，林地148.597 4万hm2，草地3.934 6万hm2，城镇村及工矿用地31.406 4万hm2，交通运输用地6.508 0万hm2，水利及水利设施用地18.284 9万hm2，其他土地5.681 8万hm2。总人口1 408.52万人，占全省19.56%；地区生产总值1.173 539万亿元，占全省41.52%；人均地区生产总值8.331 7万元；城市化水平达65.99%。2014年，长株潭GDP中，第一产业606.48亿元，第二产业6 503.91亿元，第三产业4 625.00亿元，三次产业结构为5.17 ∶55.42 ∶39.41。
2 资料来源
该研究以长株潭地区土地利用结构信息熵时空变化为研究对象，其土地面积等基础数据来源于自然资源部门第二次土地调查数据。为了让研究区域土地利用结构变化数据具有连续性和一致性，对于2002—2008年数据，该文以第二次土地调查公布的土地面积为基数，利用土地变更调查地类增减的资料逐年反推计算得到；2009—2014年则直接采用第二次调查成果及其年度变更数据。社会经济、人口、粮食产量、水土流失面积等基础数据来源于同期湖南统计年鉴和湖南农村统计年鉴。
3 研究方法
3 .1 土地利用变化分析
单一土地利用类型动态度(K )可表达区域一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[20]，即：
传统的成本管理过分强调“省”和“节流”，努力追求成本最小化，结果使成本管理仅仅限制在生产领域当中，这种方式把直接材料、直接人工，和制造费用当作减少成本费用的主要技巧，因此成本管理陷入了一个简单的循环，成本的减少并不能够提供最终的决策所需要的有效信息，无法准确的表现出整个经营活动过程，更不能具体的表现出每一个环节的成本信息。反而更多的关注点放在了生产过程中的节省，这样造成了在过程当中核算的比较多，但是前期的预测和准备较少，成本管理效果非常弱。
K =(U b -U a )/U a ×T -1×100%
1.5 制备肿瘤抗原负载的DC细胞 首先制备肝癌肿瘤抗原，用反复冻容的方法将肝癌肿瘤细胞裂解，离心后取上清，经过无菌处理后备用，之后按树突细胞浓度加入适当肿瘤抗原，并培养过夜。第2天，离心后弃去上清，无菌生理盐水洗3次，即获得肿瘤抗原负载的树突细胞。
(1)
由表3可知,长株潭地区农用地结构信息熵从2002年的1.221 56Nat持续下降到2014年的1.201 76Nat，这说明农用地结构不断发生调整，向相对有序的方向发展。
3 .2 信息熵、均衡度和优势度
信息熵的概念在1948年由Shannon提出之后，就广泛应用于地理、物理、生物等学科，是一种对不确定性的量度，可以用来描述和刻画土地利用结构的有序程度[21,22]，其大小反映土地利用类型的多少和各类土地利用类型面积分布的均匀程度。
设一个地区的土地总面积为A ，则有：
(2)
式(2)中：n 指土地利用类型，A i 是每种类型的面积。
设各种土地利用类型占总面积的比例P i 为：
P i =A i /A
(3)
根据表4和图3a可以看出：2002—2014年13年，长株潭地区各县(市、区)土地利用结构的信息熵在时间维分为4种类型：快速下降区、慢速下降区、基本稳定区、慢速上升区。
(4)
式(4)中：H 为信息熵，单位为奈特(Nat)。土地利用类型越多，各类型的百分比相差越小，土地利用信息熵越大，土地利用系统的有序性程度越低。
对司法行政机关来说，大力推行律师调解工作，可以创新做大做强律师业务，进一步发挥律师在矛盾纠纷化解中的作用。但基层司法行政机关业务科室力量薄弱，故大多将律师调解业务归口到基层科（人民调解科）管理，并不重视。
先将微分方程离散化，利用一次累加生成后的时间序列数据，转化为求解线性方程组，用矩阵表示为
(5)
式(5)中：J 为均衡度，H 是实际熵值，H max为最大熵值。由于H ≤H max，可知0≤J ≤l。所以当J =0时，土地处于最不均匀状态，J =l时，则土地利用类型达到理想的平衡状态。
国家有道无道之时，恰恰是检验每个人是否秉持道的试金石。所以，孔子说：“士志于道，而耻恶衣恶食者，未足与议也！”即读书人将志向定为追求真理，可是又以吃粗食、穿破衣为耻，这种人不值得同他商议。
根据GM(1，1)模型即式(7)可以得出一次累加生成量x (1)(t )的模型值，用
表示，如：
I =1-J
(6)
式(6)中：I 为优势度。
3 .3 土地利用结构变化预测分析
3.3.1 灰色GM(1，1)模型构建
为了预测长株潭地区土地利用结构变化情况，该文利用灰色GM(1，1)模型[24]进行预测。主要步骤：设原始序列为：x (0)(t )=(x (0)(1),x (0)(2),…，x (0)(n ))，对其做一次累加生成得到
则灰色GM(1，1)预测模型微分方程为
其中a和u为常数。
基于信息熵公式，可以定义土地利用结构的均衡度与优势度[23]：
开放自由的建筑学专业其专业教室同时具有宽敞开放式的特点，促进了人与人之间的交流与合作。整体上是一种可以灵活布置，易于分割的大空间特点，具有较好的空间体验。根据不同的专业教室类型，其空间特点也各有不同[1]。
其中:
在依照前文中的标准完成种子的选择之后，可以通过科学的种子处理来增加种子的抗逆性和出苗率。具体措施为先使用15℃的凉水将种子浸湿，随后放入54℃的温水中浸泡15分钟，等水温冷却至20℃的时候再浸泡12小时左右完成浸种。在浸种完成中，需要进行催芽处理。将浸好的种子捞出洗净之后，用湿布包裹完好，放置于27℃左右的恒温中催芽3天。需要注意的是，在催芽的过程中每天需要翻动几次包裹，并采用清水进行淘洗。通过上述操作，可以大幅度增加种子的出芽速度和出苗率。
然后求得矩阵
的最小二乘解为
从而推导出灰色GM(1，1)模型为：
(7)
(8)
3.3.2 灰色GM(1，1)模型精度检验
对于建立的微分方程模型的精度需检验后才能用于预测，检验方式为残差检验，方法如下。
相应地，优势度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，它与均衡度的意义相反，表达式为：
…
由于：
所以：
九月可可西里的山风冷得她发抖，她望着远处连绵不断的草原想，她当然不会真的要他跟她一起死，只是出于女生天生爱考验的本性。
(9)
这样即得出原始序列数据x (0)(t )的模型值
通过计算残差ε (0)(t )及其相对误差q (0)(t )进行残差检验：
(10)
q (0)(t )=ε (0)(t )/x (0)(t )×100%
广彩瓷器日用瓷造型以实用性为第一要素，融入西方元素，在传统器形的基础上稍做调整，如将碗、盘、碟的圆口、撇口改为花口，将部分元素做镂空造型、或做模印立体纹路处理等。为了迎合消费者的生活习惯和审美倾向，广彩的造型变化多样，精巧细腻。图1为制作于19世中期的椭圆四瓣形广彩杯和碟，杯高度为7.3厘米，碟直径为13.9厘米，仿制十八世纪的梅森陶瓷器形。器物展示出的曲线造型、贵族场景带有明显的洛可可风格，与图2十八世纪法国著名画家华托所描绘出的《情歌》油画作品风格一致。
覆盖在顶管上的载荷主要由管节上方土压力和道路交通载荷组成，管节上方土压力主要与覆土深度和土层有关，在考虑卸荷拱效应的作用下，采用散粒体的极限平衡理论的马斯顿法计算土压力，马斯顿法相比其他土压力理论方法考虑了土体内聚力的影响［1-2］。
(11)
相对误差越小|q (0)|，表示模型精度越高。
4 长株潭地区土地利用结构演变结果与分析
4 .1 土地利用类型面积动态变化与特征
根据2002—2014年长株潭地区土地利用类型面积变化情况(表1)，从表1可知：2002—2014年，研究区域内各类土地利用均发生了较大的变化。从变化数量上看，只有城镇村及工矿用地、交通运输用地面积净增，城镇村及工矿用地增加5.190 5万hm2；交通运输用地增加1.469 9万hm2。耕地等其他6种土地类型的土地面积都是净减，其中林地减少最多，达2.169 2万hm2；其次是耕地，达2.033 2万hm2。从变化幅度来看：交通运输用地变化幅度最大，高达29.18%；其次是园地，为-27.89%；最小的是林地，仅为-1.44%。
由式(1)计算出长株潭地区单一土地利用类型动态度(表1)，从表1可知：交通运输用地变化幅度最大，为2.43%；其次是园地，为-2.32%；最小的是林地，仅为-0.12%。
表1 2002—2014年长株潭地区土地利用类型面积变化和动态度
4 .2 土地利用结构信息熵时间上的动态变化
由式(2)、式(3)和式(4)根据2002—2014年长株潭地区土地利用类型面积动态变化数据，对研究区域土地利用结构信息熵进行计算和分析，同时由式(5)和式(6)计算均衡度与优势度，结果详见表2。土地利用结构信息熵动态变化情况见图2。
表2 2002—2014年长株潭地区土地利用结构比例及其信息熵
图2 2002—2014年长株潭地区土地利用结构信息熵演变
从表2可以看出，研究区域土地利用结构信息熵从2002年的1.350 3 Nat上升到了2014年的1.362 3 Nat，仅上升了0.012 0 Nat，这说明13年长株潭地区土地利用结构变化幅度不大。由图2也可以看出，研究区域土地利用结构信息熵总体呈先下降后上升的变化趋势，具体如下：2002—2004年逐步下降，由起始值(1.350 3 Nat)下降到2004年的最小值(1.342 5 Nat)；这说明在2002—2004年长株潭地区土地利用系统的有序程度提高。2004—2008年基本维持稳定，至2008年缓慢增加达到1.344 1 Nat，后期持续上升至最大值1.362 3 Nat。因2007年国务院批准长株潭城市群两型社会综合配套改革试验区以后，各项建设迅速发展，建设用地逐年增加，导致了土地利用结构信息熵的不断上升。
4 .3 农用地内部土地利用结构信息熵动态变化
为更深入分析农用地内部结构变化的趋势，根据2002—2014年长株潭地区土地利用变更数据中的三级农用地地类，对研究区域2002—2014年农用地土地利用结构信息熵进行计算(表3)。
表3 2002—2014年长株潭地区农用地结构信息熵
式(1)中：U a 、U b 分别为研究期初、期末一种土地利用类型的数量；T 为研究时段长，设定为年。
4 .4 长株潭地区各县(市、区)土地利用结构信息熵动态变化
对2002—2014年长株潭地区各县(市、区)土地利用结构信息熵进行计算之后，根据研究区域的地域特点，通过征询专家意见，按照土地利用结构信息熵在2002—2014年的变化率(S)大小将长株潭地区各县(市、区)分为4种类型，即快速下降区(S<-10%)、慢速下降区(-10%≤S<-1%)、基本稳定区(-1%≤S≤1%)、慢速上升区(1%<S≤10%)，根据2002年、2008年、2014年长株潭地区23个县(市、区)土地利用结构信息熵值的空间分异情况，划分为如下3种类型区，即高熵值区(H >1.40)、中熵值区(1.20≤H ≤1.40)、低熵值区(0<H <1.20)。结果详见表4及图3(a，b，c，d)。
表4 2002—2014年长株潭地区各县(市、区)土地利用结构信息熵时空分异
图3 2002—2014年长株潭地区土地利用结构信息熵时空变化格局
依照Shannon熵定义土地利用信息熵为[21]
h1=∑wiai=0.698561*0.6+0.725445*0.3+0.802354*0.1=0.764811
信息熵快速下降区包括雨花区、芙蓉区、天心区等3个区；信息熵慢速下降区包括岳麓区、开福区、宁乡县、芦淞区、天元区、石峰区、株洲县、湘潭县等8个县(区)；信息熵基本稳定区包括攸县、茶陵县、炎陵县、醴陵市、雨湖区、湘乡市、韶山市等7个县(市、区)；信息熵慢速上升区包括望城区、长沙县、浏阳市、荷塘区、岳塘区等5个县(市、区)。
4.1 增强烟农整体素质，提高培训效率 烟农文化水平低，培训时接受能力弱，这就导致了参加培训的实际效果较差的现象。烟农是安全使用农药的主体，他们掌握了农药安全使用的知识，才能做到科学用药，保证烟草质量安全。在与烟农签订烟草种植合同时，尽量向文化水平高、种植面积大且集中连片的烟农倾斜。这样不仅可以增强烟农整体素质，提高培训效率，还便于监管。
由表4和图3(b、c、d)可知：2002—2014年长株潭地区各县(市、区)土地利用结构的信息熵在空间差异分为3种类型区：高熵值区(H >1.40)、中熵值区(1.20≤H ≤1.40)、低熵值区(0<H <1.20)。
以2014年为例，高熵值区包括岳麓区、开福区等14个县(市、区)，这些区域经济发展较快，土地利用结构趋于平衡。中熵值区包括株洲县、攸县、醴陵市等3个县(市)，这些区域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，但各种用地的相对变化比例较平衡。低熵值区有雨花区、芙蓉区、天心区、浏阳市、茶陵县和炎陵县等6个县(市、区)，其中雨花区、芙蓉区、天心区是长沙市的旧城区，建设用地比例稳中有升，由2002年的49.00%,72.08%,55.43%分别快速增长到2014年的82.53%,87.89%,70.67%，土地利用结构已经相当稳定。浏阳市土地利用结构相对单一，尤其是林地面积较大，2002年占该市的比例是68.77%，2014年仍占67.85%。茶陵县和炎陵县地处湖南省东南部，经济社会发展相对较慢，土地利用结构也较为单一。
（164）广西毛耳苔 Jubula kwangsiensis C.Gao＆G.C.Zhang.余夏君等（2018）
K为蒙特卡罗次数，取K=200，D为波达方向数，本次试验设定D=13，RMSE随信噪比的变化曲线和RMSE随快拍数的变化曲线如图8所示.
4 .5 土地利用结构变化预测分析
以2002—2014年长株潭地区土地利用结构信息熵、均衡度、优势度为基础，利用灰色GM(1，1)模型即式(10)和式(11)预测研究区域2017—2026年土地利用信息熵、均衡度、优势度状况，预测模型见表5。
表5 长株潭地区土地利用结构信息熵预测模型
表6 2014年土地利用结构信息熵模型值与实际值对比
表7 2017—2026年土地利用结构信息熵预测
通过计算相对误差来检验预测模型的精度，相对误差越小，表示精度越高。由表5可知，土地利用结构信息熵、均衡度、优势度的相对误差值分别为0.20%,0.20%,0.02%，这表明预测模型可信度高。
同时，为了进一步验证预测模型的准确性，该文将通过预测模型计算出来的2014年的模型值与实际值进行比较，并计算出相对误差，见表6。计算结果表明，相对误差均小于5%，模型通过检验。
根据表5中的预测模型，分别预测2017—2026年长株潭地区的土地利用结构信息熵、均衡度、优势度，预测结果见表7，到2026年土地利用结构信息熵上升到1.397 4Nat；均衡度上升到0.667 8Nat；优势度下降到0.332 5，土地利用的均质性不断增强，土地利用结构向相对无序的方向发展。
5 结论
(1)从整体上看，2002—2014年，长株潭地区各种土地利用类型均发生了较大的变化。耕地、园地、林地、草地、水域及水利设施用地、其他土地面积净减，其中林地减少最多，达2.169 2万hm2。城镇村及工矿用地、交通运输用地面积净增，城镇村及工矿用地增加居首位，达5.190 5万hm2。研究区域土地利用类型变化的主要原因是长株潭地区城市化水平不断提高，尤其是在2007年获批两型社会综合配套改革试验区之后，区域经济社会快速发展，基础设施建设的大量占用及生态退耕[25]。要求当地政府必须严格保护耕地尤其是基本农田，坚持“一要吃饭”、“二要建设”基本原则长期不动摇，严格控制非农建设占耕，各项建设必须坚决执行土地利用总体规划，严格控制城镇、园区等外延扩张占用耕地。
(2)长株潭地区土地利用结构信息熵值在时间上具有动态变化规律，在2002—2014年总体呈先下降后上升的变化趋势。反映了该区域土地利用系统的有序程度先上升再下降。当地政府必须高度重视，大力提高土地资源配置效率与集约利用水平，优化城市土地利用结构，合理布局城市用地，在功能分区上实行统一规划，优化环境配套设施，提高土地集约利用效益。保持城市土地的自然生态平衡，实现城市的可持续发展。
(3)各县(市、区)土地利用结构信息熵在时间维上体现区域差异。信息熵快速下降区包括雨花区、芙蓉区、天心区3个区，属于经济最为发达的市辖区；信息熵慢速下降区包括岳麓区等8个县(区)；信息熵基本稳定区包括攸县等7个县(市、区)；信息熵慢速上升区包括望城区等5个县(市、区)。各县(市、区)土地利用结构信息熵在空间维上表现区域分异规律，2014年，高熵值区有岳麓区等14个县(市、区)；中熵值区为株洲县等3个县(市)；低熵值区为雨花区等6个县(市、区)。高熵值区经济发展速度最快，土地利用结构趋于平衡；中熵值区土地利用较为均衡；低熵值区土地利用结构相对单一。
(4)利用灰色GM(1，1)模型进行预测可以看出，到2026年长株潭地区土地利用结构信息熵、均衡度呈现上升趋势，优势度出现下降趋势，土地利用结构向相对无序的方向发展。
参考文献
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SPATIAL -TEMPORAL ASSESSMENT AND EVOLUTION RESEARCH OF INFORMATION ENTROPY OF LAND USE STRUCTURES IN CHANG -ZHU -TAN REGION *
Guo Rongzhong 1※,Shen Haijian 2,Yang Minhua 3
1.Changsha Environmental Protection Occupation Technical College,Changsha,Hunan 410004,China;2.Institute of Mapping of Hunan Province,Changsha,Hunan 410007 ,China；3.School of Info-Physics and Geomatics Engineering,Central South University ,Changsha,Hunan 410083 ,China)
Abstract The spatial and temporal changes in the structure of regional land use are explored in order to provide insights for the government to make land use plan.In terms of the information entropy,the dynamical temporal-spatial changes in the land use structures for Chang-Zhu-Tan region are analyzed by utilizing the revised data of land use and the corresponding literatures related to economy,and then are predicted by the grey model.These results showed that (1)the proportions of farmland,garden,water and unused land were decreasing as a whole,whereas the areas of traffic,settlement sites and mining land were rapidly enhancing;(2)During the research period from the year of 2002 to 2014,the information entropy of land use structures at first decreases and then continuously increased from 1.3503 Nat in 2002 to 1.362 3 Nat in 2014.(3)The temporal and spatial diversities were showed in the information entropy of each counties (cities and districts).(4)The grey model predicted that up to 2026 in Chang-Zhu-Tan region,the information entropy of land use structures would rise.The local government should pay much attentions,improve the efficiency of land resources and intensive usefully level,rationally distribute the urban land,and realize the sustainable use of land resources.
Keywords information entropy;land use structure;spatial-temporal assessment;GM (1,1)model；Chang-Zhu-Tan region
中图分类号： F301. 24
文献标识码： A
文章编号： 1005-9121[ 2019] 09092-09
doi: 10.7621/cjarrp.1005-9121.20190910
收稿日期： 2018- 10- 15
作者简介： 郭荣中(1979—)，女，湖南桂东人，副教授、高级工程师、博士。研究方向：土地信息与土地生态研究。Email：865495696@qq.com
*资助项目： 湖南省自然科学基金资助项目“长株潭地区生态系统服务价值评估及权衡协同研究”(2019JJ70013)；湖南省教育厅科研项目“环境伦理视域下长株潭地区生态足迹和生态承载力研究”(18C1801)；湖南省社会科学成果评审委员会课题“生态正义视域下澧水流域生态补偿机制研究”(XSP19YBC297)
标签：信息熵论文; 土地利用结构论文; 时空测度论文; 灰色论文; GM论文; (1论文; 1)论文; 模型论文; 长株潭地区论文; 1.长沙环境保护职业技术学院论文; 湖南省测绘科技研究所论文; 中南大学地球科学与信息物理学院论文;