2011年12月甘肃农业大学学报第46卷第6期129~134]OURNAL OF GANSU AGRICUL TURAL UNlVERSITY 双月刊基于信息惰的酒泉市土地利用结构分析及其灰色预测闰沛禄(中国地质大学地球科学与资源学院.北京100083) 摘要:基于Shannon信息'摘理论，分析研究了2003年~2008年酒泉市土地利用结构信息情动态变化，对影响信息'脑值大小的土地利用类型做了初步探讨.并运用灰色系统理论的>模型对2009年~201S年酒泉市的信息'捅进行预测.结果表明:影响酒泉市土地利用结构信息'脑动态演变的主要土地利用类型有耕地、居民点及工矿用地、交通用地和未利用土地等，其中未利用土地与信息情变化关联最大;酒泉市土地利用结构的信息恼和均衡度呈单调递增趋势，增幅逐渐变缓.说明酒泉市在经济发展的同时，土地利用结构向着均衡化的方向发展.关键词:土地利用结构;信息恼;灰色预测;酒泉市中图分类号:F293. 2 文献标识码:A文章编号:1003~4315(2011)06~0129一06Study on the land use structure based on information entropy and grey prediction in Jiuquan City YAN Pei-lu CSchool of the Earth Sciences and University of ) Abstract:Based on Shannon entropy. the dynamic variation of land use structure information entropy during 2003 to 2008 was studied,and the relationship between land use types and the entropy values in Ji›uquan City was discussed. A remaining amended GM (1,1) model was established to foretell the informa›tion entropy from 2009 to 2015. The results showed that the land use types,including farmland,residential and industrial land, traffic land and unused land, played important roles in affecting dynamic evolution of Shannon entropy of land use structure in Jiuquan City. The areas of grassplot had significant correlation to the entropy. The land use structure information entropy and balance in Jiuquan City were increasing slight›ly, but not by much. The overall results indicated that the land use structure in Jiuquan City become more and more balance. Key words: land use structure; information entropy; grey prediction;Jiuquan City 土地是一个具有耗散结构的自然历史综合体，也表现出演替的阶段、过程和规律.土地利用结构调具有结构和功能的有序性特征.土地利用系统是自整是在有目的的行为指导下对土地利用系统施加的然、人类、社会、经济和技术等系统稠合而成的复杂一种人为干扰，在不同时空尺度上对土地利用系统系统，同时也是一个不可精确定义的系统，它不仅在的有序程度产生影响，这种有序程度可以用信息情空间与功能上表现不同的结构格局，而且在时间上来描述和刻画[1]在不同的土地利用方式下，土地利作者简介:闰沛禄(l956~).男，博士研究生，主要研究方向为资源产业经济.E~mail:jqswby@ 基金项目:教育部人文社会科学研究规划基金项目(07]A630056). 收稿日期:20 11 ~05~26;修回日期:2011~07~17
甘肃农业大学学报130 2011年用生吉构的信息情是不同的，其有序程度也不同，信息是系统有序程度的度量，也就是随机元约束程度的'脑的大小可以反映出土地利用系统的有序程度及土一种变量.城市作为人类社会复杂的巨系统，其土地地幸。用方式的不同阿.土地利用信息'脑越大，各要素利用类型的演替应处于有序与混沌之间，从系统论发展越均衡，土地利用系统的有序性程度愈低，当系的观点来说，土地类型演替的本质就是土地类型结统完全达到平衡时，情达到极大值[3J有很多学者选构和功能的自组织，这种自组织过程依靠城市内的取一些有代表性的区域做实例，分析并总结后指出人流、物流、信息流迁移转化这一地理过程来完成口oJ信息'脑可综合反映区域各类土地利用类型的动态演变主见律及其转换程度[叫，其研究对于区域土地利用假定一个研究区域土地总面积为S，该区域的结构调整和优化具有指导意义.同时，在已知信息脑土地利用类型可分成m种，每种类型的面积为儿，的基础上预测区域未来用地的变化规律对区域土地则:可于寺续利用有重要的指导意义，但国内外大多数学s=L:.，、(i=l、2、3"'m)(1) 者单纯的用已知信息'摘进行分析并进行主观预测，各种土地利用类型占研究区域土地总面积的比而应用相应数学模型进行预测的不多.鉴于此，本研例，即第i种土地利用类型在该区域所有土地利用究在计算酒泉市2003年~2008年土地利用结构信类型中出现的可能性用户z表示，则:息娟的基础上，分析酒泉市土地利用结构的动态演P;二S;I五.L:P;=l(2) 变和土地利用类型的变化规律，利用GM(l，1)模型按照信息论的原理，并参考Shannon-Weaner 建立酒泉市土地利用信息恼预测模型，对酒泉市指数，则定义土地利用结构的信息'脑(H)函数为:2009年~2015年信息'脑进行预测，以期为推测酒泉H=-L:(P;)ln(P;) (3) 市未来土地利用的变化趋势提供理论依据.由信息'脑函数可知，信息'脑高低可以反映用地结构均衡程度，孀值越高，表明不同职能的用地类型1 研究区概况数越多，各职能类型的面积相差越小，土地分布越均酒泉地区位于甘肃省西北部的阿尔金山、祁连衡.当研究区域各用地类型的面积相等，即:P;=Pz 山与马鬓山(北山)之间，介于E930~1030，N 380~ =…=PM=l/M时，孀值达到最大，表明区域内土043•东与张掖市高台县接壤，南依祁连山与肃南裕地利用达到了均衡状态.尽管'脑值大小可反映研究2固族相邻;总面积万km，占甘肃省土地总面区域用地类型的多少和各类型面积分布的均匀程度积的42%，境内聚居着汉、回、蒙、哈萨克、裕固、维及复杂状态，但在实际应用中，由于不同区域或同一吾尔等40个民族，总人口98万;辖2市(玉门市、敦区域不同发展阶段可能有不同的土地职能数，土地煌市)4县(金塔县、瓜州县、肃北县、阿克塞县)1区利用结构的信息恼往往缺乏可比性，且对区域内土(肃州区).地利用类型数i的反映、土地利用类型之间分异程度、结构格局不够明朗，其数值也缺乏可比性.因此，2 研究方法有必要引人土地利用均衡度概念，以便更好地反映土地利用结构和规模特征.基于信息'脑函数可构造2. 1 数据来源出城市土地利用结构的均衡度(E)公式:研究采用2003年~2008年甘肃省酒泉市土地E=-L:(P;ln(P;))/ln(m) (4) 利用变更数据. 研究方法区域土地利用结构的均衡度可表示为实际孀值 信息娟、均衡度、优势度"愤"原是一个热与最大精值之比，其取值范围为Eε(0，1)，即当E力学概念，统计物理学用它来表示分子不规则运动=0时，城市用地处于最不均匀状态，E值越大，均的程度，信息论中则把它作为随机变量无约束程度质性越强，当E=l时，则用地类型达到理想平衡状的一种变量.美国控制论及信息论创始人WeanerN 态.与信息'脑相比，此概念直观性和可比性均有所增和ShannonC E提出了更广义的信息'脯，即信息'脑强.相应地，优势度(D)的表达式为:D=l-E，反映
第6期闰沛禄等:基于信息惰的酒泉市土地利用结构分析及其灰色预测131 区域内一种或几种用地类型支配该区域土地类型的式算出关联度(ç).E(走)程度，与均衡度的意义相反.+ρn E (的|9iI I I I1 .I!1!12'平(的=-kk)+ρmmniddk)| GM(l，1)灰色模型建立GM(l，1)模出…-= EC走)X~Z! X~Z! 型[IIJ的实质是对原始序列作一次累加生成，使生成I I 序列呈一定规律，然后建立一阶线性微分方程模型，~=拦lw求得拟合曲线以对系统进行预测.式中，抓走)表示关联系数，é(k)表示绝对误差.设有原始时间数列X(0)，则:根据经验，当ρ=时，若关联度大于，则(4) X~Z! = {X~?; , X~~; , K , X~?，! } 认为模型有足够的精度.式中，走为数列中位数，走=1，2，…A对原始数列作累加生成(1-AGO)，则3 结果与分析xiiJ=土X~?i(是=1，2，3…川(5)3. 1 酒泉市土地利用结构现状分析采用一阶单变量微分方程进行拟合，得到白化3. 1. 1 酒泉市土地利用类型的面积变化酒泉市形式灰色动态模型为:未利用土地所占比重很大，约占全市土地总面积的dX(!)门dt十aX(!)=u(6) %.由图l可以看出，耕地在2008年比2003式中，α为发展系数;U为灰色作用量;t为时间.年增加了 h时，其中，2007年增幅最大，为2设d为待估参量，记â=[α，u]T，其中T为向量 hm;园地、林地和未利用土地总体呈下降趋转置符号.势，其中林地和未利用土地减少量比较显著，20082用最小二乘法求解:年比2003年分别减少了 hm和5839. 32 2 =(WB)-! WY\J (7) hm;其他农用地在2004年减幅最大，为 2式中，B为累加生成矩阵;Y为原始数据序列去掉Nhm;交通运输用地与居民点及工矿用地在2008年22第l个数值之后构成的向量.则二者构造为:比2003年分别增加了和, 2交通运输用地在2005年增幅最大，为, i(XiiHXiil)1 , 2 居民点及工矿用地在2006年增幅最大，为 i(Xiii+Xiij), 22 (8) hmB= ;牧草地、水利设施用地变化趋势最小，基本趋I 儿4M 于稳定.j十) X~!--耕地，'-I), 一÷叫\/二+园地 O乒晶电气温ζ.--只J~咱-林地J1 (9) Y乒---1:~孟二~二运+牧草地N =[X~~; ，X~~; ，A，X~~! : 二-x-其他农用地睛，…~ ~~-\ 筐-:l居民点T矿将a代人式(6)求解微分方程得:\ 幸l!'+交通运输用地/\\ ~ \ 、/'飞飞、-x-水利设施用地aJ =e-(Xm-...!:生)十二生0) X~]i (1一未利用土地αα 畴。气段。。萨〓。孕。b〓萨v"-\r\Y吩式(10)为连续时间响应函数，对其进行离散化，得到时间微分方程的数值解为:图1酒泉市土地利用类型增减趋势=e-ak 一丘)+互(11) XWf-J) CXma a Fig. 1 Increasing and decreasing trend of land 则其实际预测值可用下式得出:use types in Jiuquan City 2)X~9{+J) -X~){) Ck==XH<+J) 1，2，3…，的(13. 1. 2 土地利用结构信息娟的动态演变及其成因模型检验模型检验用关联度检验进行，关由表l可以看出，酒泉市2003年土地利用信息'脑联度分析是分析系统中各因素关联程度的方法.计为 2，到2008年上升为 6，增加了算关联度需先计算关联系数，根据关联度计算方法 4，表明酒泉市近年来不同职能的土地利用结X(OJ<OJ算出(k)与X(的的关联系数，然后用以下公构发生了变化.2003年土地利用结构信息摘较低，
甘肃农业大学学报132 2011年牧草地和未利用土地所占比例大，随着耕地、居民点结构的稳定性不断增强.优势度和均衡度相反，略及工矿用地、交通用地等建设用地面积不断增加，园有下降.2003年~2008年信息'脑和均衡度不断增地、和k地和未利用土地等逐步下降，导致该市土地利加，优势度不断下降的变化说明了酒泉市在经济用千言息'脑不断增加，说明酒泉市土地利用结构进一发展的同时，各土地利用结构之间更趋于平衡，该步变化，从侧面也表明了经济的快速发展.均衡度区土地资源开发利用结构正向更加合理、均衡的2008年比2003年增加了，说明土地利用发展方向演化.表1酒泉市2003年-2007年土地利用结构及信息娟、均衡度和优势度 Composition,information entropy,equilibrium and dominance degree of land use structur巳inJiuquan City from 2003 to 2007 耕地/园地/林地/牧草其他农居民工交通运水利设禾利用年份信息'脑均衡度优势度% % % 地/%用地/%矿/%输/%施/%士地/%2003年 6 21. 558 1 1. 774 3 2 2 8 2004年O. 784 2 O. 106 2 O. 708 0 21. 560 9 2 1. 775 2 9 7 6 8 5 5 2005年O. 786 1 O. 106 2 O. 708 1 21. 560 9 7 1. 775 6 4 8 74. 726 3 1 6 4 2006年 9 1 21. 5609 1. 7764 0 7 3 2007年O. 789 5 O. 106 1 O. 708 2 21. 560 9 8 1. 776 7 6 0 3 4 8 2 2008年O. 791 8 O. 105 9 3 21. 560 6 0 1. 777 3 0 0 1 6 9 1 酒泉市土地利用结构信息'脑增加的原因主要是地、林地、牧草地、其他农用地、居民点及工矿用地、农业结构调整和建设用地增加.耕地比重从2003年交通用地、水利设施用地和未利用土地与信息愤之2的 6%上升到2008年的%;居民工矿间的相关系数(r)分别为 6、 7、用地与交通设施用地的比重分别从2003年的 5、、、、、 9和1. 774 3%、%上升到2008年的 3%、 6.可以看出，未利用土地与信息惰的关联程%;园地、林地和未利用土地的比重分别从度最大，其面积所占比例也最高，其次为居民点及工2003年的%、%和%降至矿用地、交通用地、耕地等，园地与信息惰的关联性2008年的%、%和%.这些最小.说明未利用土地、耕地和居民点及工矿用地和变化反映出酒泉市正处在由传统农业向现代化、工交通用地等土地利用类型面积的大小是影响酒泉市业化的产业结构升级过程中.耕地比重上升，园地、土地利用结构信息J脑变化的主要因素.林地和未利用土地比重缓慢下降，一方面由于酒泉 酒泉市土地利用结构变化预测市是河西走廊商品粮生产基地之一，政策对农民、农通过GM(1，l)建立了未来土地利用结构信息业方面的倾向与扶持，增强了农业种植效益，从而加'脑的模型，为:D删(到iil〉叩-4 6咀831735叫大了对未利用土地的开发;另一方面，酒泉市近几年X12~1> =Xil~1> -Xl Ck=1，2，3…，的高速公路建设、国道拓宽改建、国家重点工程西气东(14) 输和西油东送建设、旅游开发、村民建房建设等征占经过关联度检验，~= 98>0. 6，说明该模了大量土地，使居民点及工矿用地、交通用地等增型精度高，可以用于未来信息'脑的预测.加;同时，城市化进程的推动使城市建成区规模扩展从表2和图2中可以看出，GM(1，l)模型的精成为必然趋势，农业用地转变为建设用地，农地景观度比较高，模型适应性好.运用预测模型预测2009转变为非农地景观的现象在城市郊区尤为显著.在年~2015年酒泉市土地利用信息'脑(表2，图2~图种种因素的合力作用下，出现了土地利用结构信息的.由表2可知，2003年~2015年酒泉市土地利用'脑和均衡度逐年增加，优势度降低的趋势.信息脑呈递增趋势，土地利用结构向着均衡化的方应用相关系数分别分析酒泉市9种土地利用类向发展的趋势.型与信息'脑之间的关联程度的结果表明，耕地、园
第6期闰沛禄等:基于信息'厢的酒泉市土地利用结构分析及其灰色预测133 表2酒泉市2003年-2015年土地利用结构信息烟、均衡度和优势度 Information entropy,equilibrium and dominance degree of land use structure in Jiuquan City from 2003 to 2015 模型真实值模型值绝对误差均衡度优势度2003年O. 721 23 O. 721 23 O. 328 25 75 2004年O. 721 84 O. 721 85 01 53 47 2005年O. 722 08 62 O. 671 39 2006年O. 722 21 O. 000 01 70 O. 671 30 2007年O. 722 39 41 78 22 2008年O. 722 61 60 一 01 87 13 2009年O. 722 78 95 O. 671 05 2010年 04 O. 670 96 2011年 15 O. 329 12 88 2012年O. 723 33 20 O. 670 80 2013年O. 723 52 29 71 2014年O. 723 70 O. 329 37 63 2015年O. 723 89 46 O. 670 55 nu寸n9，u4吁n，、，u4 寸3， AH6呵A2，υ6，A呵6UHl/Ovl呵O6in，-uF6n-叮u/60n呵6/u0寸n6un06un u l 牛句，J&n句u，年瓦MA--，、J怪『」一+一真实值雯，ω一+一预测{在气，、江 4nUQU3、江一串一真实值f7'。.7225一骨一预测{在 呵，，叮系，，lMA「 哼MOOMOOMUO CMEC DJN02NCSMO-M-C-MU NDM-C?MO-U OU 寸，匀，"nu NOCNDOMOONU0 05N CONCOMOOMAVO -H›O-N O-M 07N# C-M 品可 非J 品吐年份 ∞啊d 品川M图4酒泉市2003年-2015年土地利用优势度趋势图2酒泉市2003年-2015年土地利用信息烟趋势 Land use dominance degree change tendency Land use information entropy change tendency from 2003 to 2015 in Jiuquan City from 2003 to 2015 in J iuquan City 升，再趋于稳定口2J酒泉市土地职能数虽未增加，但酒泉市信息'脑从2003年到2015年单调递增并变缓 的趋势，说明土地利用结构仍在不断变化，并逐步趋 于稳定，也从侧面表明了该市正处于经济发展的加建速阶段.随着酒泉市城市化发展趋于稳定和成熟，信罪一+一真实值」一+一预测值 息'脑将逐渐趋向最大值，均衡度也将逐渐升高，但最 大不会达到极值，总体上将遵照动态的演变规律而nu句n、句u"，0句 &、0句"句0，n0U AU 'bnu变化bMCONUO CAN#D CUM OCNB CO82MOSNO--HO-MN O-MN OUNO-M >斗AH年份4 结论1) 本研究首次将信息'脑理论和GM(1, 1)模图3酒泉市2003年-2015年土地利用均衡度趋势型运用到酒泉市土地利用结构系统的评价与预测 Land use equilibrium degree change tendency from 2003 to 2015 in Jiuquan City 中，结果与实际现状及其发展趋势具有较好的一如果1个城市在成长过程中其土地职能数不断致性.2) 增多，则其H值先持续上升，然后趋于稳定.若一开从整体上看，酒泉市的耕地、居民工矿用始城市职能就比较齐全，则发展过程中H值先降后地、交通设施用地面积比重呈现上升趋势，耕地增幅
134 甘肃农业大学学报2011年恼变化及其动因分析[J].土壤，2004，36(5):527-531最大;而林地、园地和未利用土地面积比重呈现下降[6J 赵晶，徐建华，梅安新，等.上海市土地利用结构和形态趋势，其中未利用土地减幅最大.演变的信息婿与分维分析[J].地理研究，2004，23(2):3) 酒泉市信息'脑从2003年到2015年单调递137-145 增并变缓的趋势，说明了酒泉市土地利用结构仍在[7J 刘盛和，吴传钩，陈田.评析西方城市土地利用的理论不断变化，并逐步趋于稳定，也从侧面表明了该市正研究[J].地理研究，2001，(1):111-119处于经济发展的加速阶段.[8J 杨晓娟，杨永春，张理茜，等.基于信息'脑的兰州市用地的酒泉市未利用土地面积所占比重较大，说结构动态演变及其驱动力[J].干旱区地理，明该:市的土地开发潜力很大，在今后的发展中可以(2) :291-296 适度的开发利用.[9J 王{青，刘学录.基于娟权法的兰州市耕地整理潜力综合评价[J].甘肃农业大学学报，2009，44(6):123-127参考文献[loJ 李江，郭庆胜.基于信息惰的城市用地结构动态演变[1] 谭永忠，吴次芳.区域土地利用结构的信息'脑分异规律分析[J].长江流域资源与环境，2002，11(曰:393 -研究[J].自然资源学报，2003，18(1):112-117 397 [2J 姬桂珍，吴承祯，洪伟，等.武夷山市土地利用结构信息[11J 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京:高等教'脑动态研究[J].安全与环境学报，2004，8(4):41-44育出版社，2002[3J 陈彦光，刘继生.城市土地利用结构和形态的定量描[l2J 赵晶，徐建华，梅安新，等.上海市土地利用结构和形述:从信息铺到分数维[J].地理研究，2001, 20 ( 2 ) : 态演变的信息'脑与分维分析[J].地理研究，2004，23146-152 (2): 137-145 [4J 魏丽娜，刘学录.甘肃省土地利用结构信息恼动态研究(责任编辑许涛)[J].甘肃农业大学学报，2007，42(3):97-101[5J 高永年，刘友兆.经济快速发展地区土地利用结构信息(上接第114页)李德文，崔之久.岩溶夷平面演化与青藏高原隆升口].[12J 中国科学院地理研究所.中国1=100万地貌图制图规[4J 第四纪研究，2004，24(1);58-66范(试行稿)[M].北京:科学出版社1987:36-43 [5J 程捷，刘学清，高振纪，等.青藏高原隆升对云南高原环[13J 张耀武.云南省第2次土地调查实施细则(农村部分)境的影响[J].现代地质，2001，15(3);290-296[M].云南人民出版社，2007:64-68 [6J 杨达源，李郎平.云南高原隆升特点的初步研究[J].第李粉玲，李京忠，张琦翔.DEM提取坡度·坡向算法[l4J 四纪研究，2010，30(5);864-870的对比研究[，36(17):7356-7357[7J 钱方，周国兴.元谋第四纪地质与古人类[M].北京:科[15J 刘新华，杨勤科，汤国安.中国地形起伏度的提取及在学出版社，1991水土流失定量评价中的应用[J].水土保持通报，[8J 王学良，何萍.云南元谋土林风景区地貌的形成与演化2001,2(1) :56-58 研究[J].楚雄师范学院院学报，2007，22(9):56-59[16J 王雷，朱杰勇，周燕.基于1:25万DEM昆明地区地貌[9J 黄极清.中国大地构造及其演化[M].北京;科学出版形态特征分析[J].昆明理工大学学报:理工版，2007，丰士，198032(1):6-13 口oJ丁国瑜.中国岩石圈动力学概论[M].北京:地震出版[17J 徐汉明，刘振东.中国地势起伏度研究[J].现~绘学报，社，19911991,20(4):311-319 口1J皇甫岗，秦嘉政.云南地区大震活动规律研究[J].地(责任编辑李辛)震地质，2006，28(1):37-47
