蒲榮 王寶春 辛瑞超

摘要：為研究區(qū)域土地利用結構的動態(tài)變化，探究其發(fā)展規(guī)律和驅(qū)動機制，運用SPSS等軟件對天水市麥積區(qū)2015 — 2020年土地利用變更數(shù)據(jù)進行處理，采用信息熵、單一土地動態(tài)度對麥積區(qū)土地利用結構及其動態(tài)變化特征進行了定量分析并對麥積區(qū)2021 — 2026的信息熵進行了預測。結果表明，麥積區(qū)土地利用類型時間變化具有不均衡性，但已呈現(xiàn)良好方向發(fā)展的趨勢。從單一土地動態(tài)度來看，居民工礦用地、水利設施用地、交通設施用地均為正向變化，其中交通設施用地變化最為明顯，水利設施變化幅度最小。其他用地類型均為負向變化，林地變化最小。依據(jù)2015 — 2017年信息熵、均衡度、優(yōu)勢度以及2021 — 2026年預測值分析，麥積區(qū)土地利用結構正在向均衡化的方向發(fā)展。

關鍵詞：土地利用動態(tài)變化;信息熵;灰色預測;麥積區(qū)

中圖分類號：F301.2? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）02-0073-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.02.018

Dynamic Evolution and Prediction of Land Use Structure in Maiji District of Tianshui City Based on GM Model

PU Rong 1， WANG Baochun 1， XIN Ruichao 2

（1. Gansu Agricultural Vocational and Technical College， Lanzhou Gansu 730020，China; 2. Natural Resources Bureau of Shandan County， Shandan Gansu 734100， China）

Abstract：Based on the land use data of Maiji district from 2015 to 2020， using software such as Excel and Spss to handle the change data for 6 years， we made a quantitative analysis of the dynamic evolution of the land use structure by using the analyzing approaches such as the information entropy， single land dynamic degree and the GM（1，1） model of grey system theory， and made a prediction on information entropy of the Maiji district in Tianshui city from 2021 to 2026. The results demonstrated that the distribution of different land use types showed the trend of temporal unbalance， but it began to develop toward a good direction. From the perspective of single land dynamic degree， residential land， industrial and mining land， land used for water conservancy facilities， and land used for transportation facilities all had positive changes， in which the change of land used for transportation facilities was the most obvious， while the change of land used for water conservancy facilities was the least. Based on the analysis of information entropy， equilibrium degree and superiority degree from 2015 to 2017 and the predicted value from 2021 to 2026， the land use structure is moving towards equilibriumin Maiji district of Tianshui city.

Key words：Dynamic evolution of land use;Information entropy;Grey prediction;Maiji district

當前，我國正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的階段，經(jīng)濟、社會、人口快速發(fā)展的同時加大了對土地資源的需求，使得原本就存在的土地供需矛盾更加尖銳，土地利用結構也更加趨向于復雜化[1 ]。研究區(qū)域土地利用結構的動態(tài)變化，探究其發(fā)展規(guī)律和驅(qū)動機制，是土地利用結構研究中必須要解決的課題[2 ]。土地利用結構動態(tài)演變的研究成果對于在各地區(qū)和部門合理配置土地資源，有效緩解用地的供需矛盾，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著極其重要的參考價值。目前，國內(nèi)學者對土地利用結構演變已經(jīng)有了很多研究[3 - 9 ]，包括土地的空間分布、時間變化、均衡度及驅(qū)動力分析等。研究所使用的方法也各式各樣，如信息熵法、主成分分析法、馬爾可夫鏈、神經(jīng)網(wǎng)絡法等[10 ]。我們在借鑒了前人研究的基礎上，根據(jù)信息熵和單一地類動態(tài)度的原理，結合天水麥積區(qū)的土地利用現(xiàn)狀，選取2015 — 2020年間的土地利用變更數(shù)據(jù)，對麥積區(qū)6年的土地利用空間結構變化進行分析和研究，并運用灰色預測的方法對麥積區(qū)2021 — 2026年土地利用結構進行預測，以期為麥積區(qū)土地在各部門間優(yōu)化配置及土地的集約節(jié)約化提供科學依據(jù)。

1? ?研究區(qū)概況

1.1? ?自然經(jīng)濟概況

麥積區(qū)地處東經(jīng)105° 25′～106° 43′，北緯34°06′～34° 48′，東與寶雞市相接，南與兩當縣、徽縣相連，西靠甘谷縣，北臨清水縣、秦安縣。東西跨度最大123 km，南北最寬約50 km，最窄處則不足5 km。全區(qū)土地總面積3 452 hm2?，F(xiàn)轄17個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、3個街道辦事處，379個行政村，總?cè)丝诩s64萬，其中農(nóng)村人口約45萬。

1.2? ?土地利用結構概況

根據(jù)麥積區(qū)2015 — 2020年土地利用變更數(shù)據(jù)、麥積區(qū)統(tǒng)計年鑒，整理得到麥積區(qū)土地利用結構概況（表1）。麥積區(qū)2015 — 2020年土地類型中林地面積占比超過總面積1/2，但其比例變化幅度較小。水利設施用地占比最小，其變化也較小。耕地、林地、園地、未利用地、牧草地均有不同程度的減少，居民工礦用地、交通設施用地和水利設施用地都有增加，其中居民工礦用地增加最高，為0.446 1百分點。

2? ?數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1? ?數(shù)據(jù)來源

研究所用的基礎數(shù)據(jù)來源于2015 — 2020年麥積區(qū)土地利用變更統(tǒng)計數(shù)據(jù)及麥積區(qū)土地利用總體規(guī)劃，并以麥積區(qū)國土局、農(nóng)業(yè)局等部門提供的數(shù)據(jù)為補充。

2.2? ?研究方法

2.2.1? ? 信息熵? ? 信息熵原本是一個物理學的概念，它可以用來衡量一個系統(tǒng)的復雜度與均衡度，信息熵熵值越高，其所屬系統(tǒng)的有序程度就越低，系統(tǒng)也就越紊亂[11 - 12 ]。土地利用結構信息熵可以反映一定時期研究區(qū)土地利用結構的動態(tài)變化以及地類轉(zhuǎn)化的程度，對區(qū)域土地利用結構的優(yōu)化和調(diào)整都具有一定指導作用[5 ]。對某一具有固定界線的區(qū)域，假定其區(qū)域總面積為A，根據(jù)一定的劃分標準將該區(qū)域內(nèi)土地利用類型分為n類，各種土地利用類型的面積用A（xi）表示，則某一地類出現(xiàn)的概率可用如下公式表示：

p（xi）=A（xi）/A，i=1，2…，n（1）

顯然，當∑p（xi）=1時，滿足歸一化條件，則信息熵可定義如下：

H（x）=-∑p（xi）lnp（xi）（2）

信息熵H可以用來表示一個系統(tǒng)的復雜性與均衡性，本文將用其來描述一個區(qū)域內(nèi)土地類型的復雜程度。如果某個區(qū)域的土地類型有n種，那么當該區(qū)域處于未開發(fā)時，其熵值為0，即Hmin=0;相反，如果這一區(qū)域內(nèi)的各種土地類型已基本趨于穩(wěn)定或均勻，并且當其滿足信息熵熵值最大化條件時，即A（x1）=A（x2）=…A（xn）=A/n時，則有A（xi）=1/n（i=1，2，……n），此時該區(qū)域信息熵熵值達到最大值，有Hmax=ln（n）。根據(jù)上述分析可知，當一個區(qū)域內(nèi)的土地利用類型越多，各類土地面積越接近時，其熵值也就越大。

2.2.2? ? 優(yōu)勢度和均衡度? ? 基于信息熵函數(shù)，可以構建其均衡度，其均衡度公式如下：

式中，J表示均衡度，是土地利用結構信息熵值與理論最大熵值之比;H表示信息熵，因為H≤Hmax，所以J的變化區(qū)間為[0，1]。當J的值為1時，說明土地利用達到了最理想的平衡狀態(tài)，相反，當J的值為0時，則表明土地處于最不均勻狀態(tài)，該區(qū)域尚未開發(fā)?；诰舛鹊母拍?，可以構建出優(yōu)勢度公式：

I=1-J（4）

式中，I表示優(yōu)勢度，是實際熵值增量與最大熵值增量之比，其意義與均衡度的相反，用其表示土地利用的集中度，反映一個區(qū)域內(nèi)一種或幾種占優(yōu)勢的地類支配該區(qū)域土地的程度。

2.2.3? ?單一土地利用類型動態(tài)度 ? ?單一土地利用類型動態(tài)度模型[13 - 15 ]，本文用其表達某研究區(qū)內(nèi)一定時間范圍內(nèi)的某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其公式為：

式中 ，K代表研究時段內(nèi)某種土地利用類型的動態(tài)度。Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某種土地利用類型的數(shù)量，T為研究時長，當T=1時，K的值就是該研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型的年際變化率。

2.2.4? ?GM（1，1）灰色預測模型? ?灰色預測GM（1，1）模型[11 ]是擬微分方程的動態(tài)系統(tǒng)，灰色預測模型的實質(zhì)是對原始數(shù)據(jù)先進行一次累加生成，這使得生成的數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)一定的規(guī)律，而后通過建立一階微分方程模型，求得擬合曲線，用以對系統(tǒng)進行預測[11 ]。模型為：

3? ?結果與分析

3.1? ?麥積區(qū)土地利用結構信息熵演變分析

根據(jù)2015 — 2020年麥積區(qū)土地利用變更數(shù)據(jù)，結合研究區(qū)土地資源特點，將三大類基本土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、居民點及工礦用地、交通用地、水利設施用地和未利用地9種類型，通過計算與分析得到麥積區(qū)各年信息熵、均衡度和優(yōu)勢度（表2）。

由表2可知，麥積區(qū)土地利用結構2015年信息熵為1.161 9，2020年信息熵上升為1.168 8，增加了0.006 9，表明麥積區(qū)近年來土地利用結構發(fā)生了變化。熵值總體來說是增長的，但根據(jù)其增長特點不同又可分為兩個階段：第一階段，2015 — 2017年緩慢上升，熵值變化最小0.000 2、最大0.001 2。耕地與居民公礦用地變化顯著，說明該時段土地利用結構調(diào)整以耕地和居民點及工礦用地為主。第二階段，2017 — 2020年熵值快速上升，平均為0.003 8，居民點及工礦用地、耕地、園地比重變化較大?？傮w上，隨著居民點及工礦用地、交通用地、水利設施等建設用地比重的不斷增加，耕地、園地、林地等逐步下降，土地利用信息熵不斷增加。均衡度呈單調(diào)遞增趨勢，2020年比2015年增加了0.003 1，優(yōu)勢度與均衡度相反。說明各土地利用類型之間更加平衡，穩(wěn)定性也不斷增強，土地利用結構有向合理、均衡的發(fā)展的趨勢。

麥積區(qū)土地利用結構信息熵增加的最主要原因是建設用地和交通用地的增加。2015 — 2019年間，耕地、園地占比分別下降了0.120 5、0.287 5百分點，居民工礦用地、交通設施用地比重分別增加了0.446 1、0.091 3百分點。耕地、牧草地、園地比重持續(xù)下降，林地和未利用地緩慢下降，其他農(nóng)用地先上升后下降，居民工礦用地和交通設施用地持續(xù)上升，水利設施用地上升速度緩慢。地類此消彼長的變化，反映出了麥積區(qū)正在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、工業(yè)化轉(zhuǎn)變。一方面西部大開發(fā)如關中—天水經(jīng)濟區(qū)的建設、天平鐵路和寶天高速公路的建設、旅游開發(fā)等占用了大量土地，使居民工礦用地、交通建設用地等增加;另一方面，城市化進程的推動也使麥積區(qū)城市建成區(qū)的規(guī)模擴大成為必然趨勢，農(nóng)用地變?yōu)榻ㄔO用地、農(nóng)地景觀變?yōu)榉寝r(nóng)地景觀的現(xiàn)象在郊區(qū)更為顯著。在各種因素的共同作用下，麥積區(qū)近6年來熵值雖然呈上升的變化趨勢，但是“熵值趨于穩(wěn)定”的規(guī)律還沒有得到體現(xiàn)，這從一個側(cè)面說明麥積區(qū)正處于經(jīng)濟發(fā)展的加速階段。

3.2? ?單一土地利用類型動態(tài)度的時間分異分析

基于2015 — 2020年土地利用變更數(shù)據(jù)計算得到各類土地面積變化和單一土地利用類型年動態(tài)度（表3）。

由表3可知，2015 — 2020年麥積區(qū)土地利用變化速度較快，其中交通設施用地變化最為活躍，平均每年增加4.195%;其次是居民工礦用地和水利設施用地。變化較快的是園地、未利用地和牧草地，變化較緩慢的是耕地和其他農(nóng)用地，變化速度最小的是林地，平均每年減少0.005%。2020年較2015年居民點及工礦用地、交通用地和水利設施用地都有所增加，其中居民工礦用地增加面積最大，為1 553.85 hm2，水利設施用地增加較少，僅為0.28 hm2;耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、未利用地都在減少，以園地面積減少最多，為1 001.19 hm2，其次為耕地，減少了419.59 hm2。

3.3? ?麥積區(qū) 2021 — 2026年土地利用結構信息熵、均衡度、 優(yōu)勢度預測

3.3.1? ? 預測結果? ? 選擇2015 — 2020年信息熵、均衡度、優(yōu)勢度，運用matbal建立灰色預測模型對2021 — 2026年信息熵、均衡度、優(yōu)勢度進行預測的結果（表4）表明，麥積區(qū)2021 — 2026年信息熵和均衡度在原來的基礎上將繼續(xù)增加，優(yōu)勢度將持續(xù)下降。表明麥積區(qū)未來6年土地利用結構正在不斷變化中趨于穩(wěn)定并將向良好的方向發(fā)展，這也從側(cè)面表明了麥積區(qū)將繼續(xù)處于經(jīng)濟快速發(fā)展階段。

3.3.2? ? 灰色預測模型的精度檢驗? ? 灰色預測模型的精度檢驗方法主要有3種，分別是殘差檢驗法、后驗差檢驗法和關聯(lián)度檢驗法，我們采用第二種方法進行檢驗。檢驗數(shù)據(jù)選擇2015 — 2020年熵值和均衡度與預測值（表5）。

經(jīng)計算得出信息熵后驗差比值C=0.115 848，預測精度P=1.000 015。均衡度后驗差比值C= 0.120 300，預測精度P=0.999 975。指標C的值越小越好，C的值越小表明盡管原始數(shù)據(jù)很離散但模型所得計算值與實際值之差并不離散。指標P的值越大越好，P值越大表明其精度越高。將指標與預測精度等級參照表（表6）作對比。對比結果表明，預測精度等級達到一級，符合預測所需精度，可用于麥積區(qū)土地利用結構的未來預測。

4? ?結論

通過對麥積區(qū)2015 — 2020年的信息熵分析，麥積區(qū)在6年間土地利用類型變化具有不均衡性，結構性較差的特點。從單一土地利用類型動態(tài)度可知，麥積區(qū)在2015 — 2020年間土地利用變化速度較快，其中交通設施用地變化最為活躍，林地變化最為緩慢。從信息熵和單一土地利用類型動態(tài)度變化分析，麥積區(qū)信息熵變化與單一土地利用類型動態(tài)度最顯著的都是交通設施用地和居民工礦用地，說明這兩種用地類型變化是引起信息熵增加的主要因素。

通過對信息熵預測值分析，未來6年麥積區(qū)信息熵單調(diào)遞增，均衡度穩(wěn)定增加，土地利用結構正在不斷變化中趨于穩(wěn)定并將朝均衡的方向發(fā)展，這從側(cè)面表明了麥積區(qū)正處于并將繼續(xù)處于經(jīng)濟快速發(fā)展階段。

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