土地结构熵

土地结构熵（精选八篇）

土地结构熵 篇1

重力模型最早是由Casey提出[1], 用来分析某一地区不同城镇间的购物行为, 后续学者对围绕该模型进行了一系统研究和应用, 重力模型逐步成为交通规划中出行分布预测的典型方法之一[2,3,4,5,6]。王德[7]推导了以标准人口迁移率为因变量的制约重力模型, 证实迁入地收入水平在高速经济发展的初期、中期和末期对人口吸引分别呈现递减效应;Shen[8]研究了航空网络中的逆向重力模型;刘晓明和夏洪山[9]建立了逆向重力模型标准代数算法和基于哈密顿图原理的简化代数算法;朱顺应等[10]结合模糊数学提出模糊重力模型, 应对阻抗函数中路网交通状况、行驶速度、路口延误和交通事件等因素不确定性影响;结合地理信息系统, 米红等[11]考虑人口和经济活动的空间分布改进了重力模型, 将人口重心与经济中心的距离作为影响人口迁移的重要变量。

但传统的重力模型对较短距离的出行分布预测存在不适应性, 这是因为在预测模型中, 交通小区收缩为无尺度的几何点, 作为网络流量收发点, 当交通阻抗值逼近零时, 出行分布预测值则逼近无穷大。在实践中, 由于区内出行一般距离较短, 重力模型对区内出行量进行预测时容易出现估计值偏大的情况。表面上, 区内出行量对网络配流影响较低, 但受出行总量的控制, 区内出行可以调节小区出行总量与区间联系量相对大小, 并影响整体网络配流。因此, 如何合理地估计区内出行分布, 尤其是合理地设定区内出行阻抗及初值, 是当前交通规划的主要研究热点之一。部分研究以小区出行半径所对应的步行出行阻抗作为区内阻抗, 其预测效果偏低[2,3,12,13,14]。为了提高重力模型预测准确性, 笔者根据信息熵的理论[15], 应用信息熵函数、统计分析和重力模型方法研究交通需求预测区内出行阻抗设计及标定方法, 并应用2008年西安市居民出行调查的实际数据验证其准确性和可靠性。

1 一般重力模型与阻抗函数的性质

1.1 重力模型与标定技术

在交通出行分布预测中, 为了有效模拟出行者对目的地的选择行为决策过程, 重力模型有2个重要假设:1在相同情况下, 距离出发地点近的目的地被选择的机会较多, 而较远的目的地被选择的机会较少;2出发地发生量和目的地吸引量较大的点对之间形成较大出行量的机会较大。

上述2个假设与经典物理学中的重力模型所描述的质点间引力关系极为类似。因此, 研究者参照物理学万有引力公式构建了出行分布预测的重力模型[1], 并被证明可由信息论中的熵函数推导。通常, 重力模型的表达式为

式中, tij为从交通小区i到小区j的出行量, 次/d;Gi为交通小区i的出行发生量, 次/d;Aj为交通小区j的出行吸引量, 次/d;cij为从交通小区i到j的出行阻抗;K为分布因子;f (cij) 为从交通小区i到j的阻抗函数, 其常见形式:

将其代入式 (1) , 则负指数函数阻抗型重力模型为

该模型的优点是引入了阻抗函数, 且模型结构与直观相符, 易于理解。其预测不依赖于现状分布矩阵, 能广泛用于现状出行分布资料不完整或不准确的情况。但是由于模型阻抗函数对于区内出行不具有明确的实际意义, 因此难以适用于区内出行分布估计。

1.2 重力模型的参数标定

重力模型中的参数需利用基年的出行分布进行参数校准。为了论述的一致性, 笔者约定所表述重力模型的阻抗函数形式均为负指数函数, 其他类型阻抗函数的标定方法与此类似。

外部参数b需要作为未来运算时的模型输入, 而对b的估计, 可采用能最大程度地再现观测出行距离分布 (observed trip length distribution, OTLD) 的方法。较为直观的方式为任意给定初始值, 运用双约束重力模型得到模型计算的估计出行距离分布 (estimated trip length distribution, ETLD) , 将其与OTLD比较并修正, 循环迭代计算直至ETLD与OTLD差值不大于预先定义的误差阈值。首先, 定义观测平均出行阻抗

对应第n次的平均出行阻抗

Hyman[16]提出了较为实用的割线法进行参数估计, 其主要步骤[17]如下。

步骤1。令n=0, 并给定初始

步骤2。令n=n+1, 对当前估计bn-1运用标准重力模型计算出行矩阵, 得到C (bn) 。

步骤3。若 (δ为预设精度) , 算法终止;否则转入步骤4。

步骤4。当n=1时, ;若n>1, 则转入步骤3。

类似地, 其他类型阻抗函数 (幂函数、伽马函数等) 的重力模型也可按上述方法标定。当出行分布参数以出行时间为阻抗因子时, 具有较高的稳定性。

1.3 阻抗函数的性质与区内预测的不适用性

由于阻抗函数是重力模型中的主要影响因素, 笔者首先分析阻抗函数估计参数对函数整体形态的影响。为了显示重力模型应用中的结构性偏移机理, 以负指数函数形式的阻抗函数为例, 画出参数b在 (0, 1]范围内变化时阻抗函数曲线图像, 见图1。为简化问题, 这里以小区间的出行距离作为出行阻抗。

从图1函数图像随参数的变化可看出:随参数b取值增大, 阻抗函数曲线有向坐标轴弯曲的趋势, 当出行距离较短, 在[0.5, 1]km范围内变化时, 阻抗函数值基本在 (0.38, 1]范围内变化, 而在此出行距离范围内, 绝大多数人选择步行的概率更高。从国内外城市居民出行结构上来看, 其步行出行比例一般在[0.2, 0.25]范围内[18]。阻抗函数值随出行距离加大迅速减小, 这就容易造成重力模型中短距离出行阻抗过小, 进而出现估计值偏大的情况, 所以传统重力模型对短距离的出行分布预测存在高估问题[19,20], 影响后续出行模式的分配。

因此, Hyman法中参数标定结果将会由于短距离出行的高估而整体偏小, 主要原因是在利用信息熵理论推导重力模型时, 引入了对初始熵模型的等概率假设和定常条件。而这些假设和条件在重力模型的推导过程中具有核心作用, 因此存在的系统误差难以避免。除非, 对区内出行采用非重力模型的方法进行估计。

2 基于用地结构熵的广义重力模型

解决重力模型对短距离出行, 尤其是区内出行的过高估计的1种可行办法是采用非重力模型, 例如基于相关因素进行回归分析, 在估计区内出行量的基础上, 再应用重力模型反推区内阻抗[20]。将该区内阻抗作为区内出行分布的重力模型阻抗估计初值, 再代回重力模型, 进行整体标定。然而, 这将会导致出行分布模型的表现形式不一致, 同时存在区内出行和区间出行2个系统的总量平衡问题。通常采用人为控制区内出行量的方式, 但会消减出行分布估计的客观意义。所以, 笔者从重力模型的原始假设入手, 构建能一致估计区内、区间出行分布的广义重力模型。

从重力模型的基本假设来看, 主要侧重出行量大小以及出行成本在出行目的地选择过程中的作用, 而忽略了不同目的出行对于目的地的指向性。事实上, 现代城市的用地差异化布局 (例如功能分区和大型商业综合体的出现) , 将会导致其指向性随城市的发展越来越显著问题。

通常, 出行者在目的地选择的决策过程中, 首先考虑出行目的, 再估计出行成本, 尽量按照效用最大化的原则选择目的地。例如, 以就学为目的的通勤出行难以与办公用地的吸引能力产生关系。这意味着原始重力模型中以出行产生/吸引规模、出行成本 (即阻抗) 为影响因素的模型本身没有将相关因素涵盖完备。为了描述用地布局差异性所造成的目的地选择制约现象, 引入新的参数来表达不同性质用地构成差异性对出行目的地选择的作用。

2.1 土地结构差异性的熵函数表达

从系统科学的角度讲, 系统只要满足叠加原理, 总可以利用式 (6) 的概率测度熵函数来唯一确定系统的构成状态[21]。

式中:S为系统状态的概率测度熵;β为比例系数, 与相关变量的采用单位有关;pi为事件i出现的概率测度, 满足pi≥0, 。假定交通小区i和j的用地类型可划分为n种, 那么类型k的用地出现的概率测度为pij, k, 表示交通小区i与j中属于类型k的用地在2个交通小区总用地构成中的比例。在实际的城市系统中, 用地结构特征与交通出行分布之间有复杂联系, 用地结构特征受到如土地面积、建筑面积、用地性质、空间位置等多种因素的影响。其中, 建筑面积为土地面积与开发容积率的乘积, 是与交通出行分布直接相关且容易量化并统计的关键参数, 一定程度上反映了用地结构特征。为简化计算, 不对用地结构差异性模型进行专题研究, 在广义重力模型中仅以建筑面积指标来表征用地结构差异。按下式计算。

式中:Aij, k为交通小区i与j中类型为k的用地面积, km2;rij, k为交通小区i与j中类型为k的用地平均容积率, 可按现状调查或规划限制值取平均值。将式 (7) 代入式 (6) 得到

式中:Hij为交通小区i与j间的联合用地结构熵, 表征2个交通小区之间出行产生/吸引量相互平衡的可能性。概率测度熵函数参数β的变化如图2所示。

2.2 广义重力模型

假设交通小区i与j间的出行量主要受出行产生/吸引量、出行成本和用地混合程度的影响, 则广义重力模型的一般形式如下。

借鉴一般重力模型的表达形式, 将式 (9) 改写为

式中:K, a, b, d为待定参数。

2.3 出行阻抗的标定

对式 (10) 两端取自然对数, 得:

式中:K, a, b, d可采用多元线性回归法进行标定, 参见相关统计学论著。此外, 在上述估计的基础上, 还应该采用前述Hyman法检验估计优度。

3 案例分析

采用2008年西安市居民出行调查实际数据[22]验证广义重力模型的准确性和可靠性。一方面, 利用区内出行的部分调查数据估计式 (10) 中的相关参数, 区内出行的剩余数据进行误差分析;另一方面, 利用整体调查数据进行区内和区间出行估计的综合分析。

3.1 区内出行估计分析

在2008年西安市居民出行调查数据库中提取相关数据见表1。参照式 (11) , 应用统计产品与服务解决方案 (statistical product and service solutions, SPSS) 软件对小区内出行分布的前17组数据进行多元线性回归, 结果见表2。

根据回归分析结果, 得到区内出行分布估计为

虽然在SPSS回归分析过程中对系统进行了标准化, 但为便于模型计算的直观性, 本式及下文中的式 (13) 、 (14) 均仍采用非标准化系数表达。

利用式 (12) 对表1后16组数据进行估计分析, 从表3中可看出:传统重力模型 (traditional gravity model, TGM) 的平均估计误差为6.81%, 最大估计误差高达23.93%, 而笔者提出的广义重力模型 (generalized gravity model, GGM) 平均误差为3.16%, 最大误差仅为9.04%, 证明笔者所提出的模型能够有效提高区内出行分布的准确性。

3.2 整体出行估计分析

3.1节验证了笔者提出的广义重力模型对区内出行估计的可用性, 本节与3.1的研究思路类似, 应用多元线性回归分析的方法验证该模型对包含区内和区间出行的整体出行估计的可用性。同样采用表1中前17组调查数据用于标定TGM模型和GGM模型中的相关参数, 而用后16组数据用于估计结果的验证。标定结果如表4所示。

TGM的出行分布估计表达式为

对应地, GGM的出行分布估计表达式为:

利用西安市居民出行调查的实际数据进行对比分析, 分别应用式 (13) 和式 (14) 对部分出行数据进行估计, 对估计结果的误差分析如下表5所示。从数据分析结果来看, 本文提出的GGM平均估计误差为19.1%, 而TGM为23.47%, 估计精度提高了4.37%。总体来讲, 引入土地结构熵参数的广义重力模型也能够改善整体的出行分布估计。

来源:2008年西安市居民出行调查数据库, 长安大学, 2009。

说明:b-因变量:ln (tij) 。

说明:b.因变量:ln (tij) 。

4 结束语

在交通出行分布小区间估计中, 重力模型具有较好的估计性能, 但是小区内估计性能较差。本文通过引入用地结构熵函数建立了广义重力模型, 一定程度上可以反映城市空间和土地利用对交通需求的影响。建立的广义重力出行分布模型能够用一致地形式逻辑表达区内和区间出行分布。与现有重力模型相对, 实测数据显示:对整体的出行预测平均误差降低4.37%;而对于区内出行平均预测误差降低了2.43%, 预测精度提高了一倍, 尤其是最大预测误差降低了14.89%。

土地结构熵 篇2

关键词： 土地评价；功能分区；熵权模型；新乡市

中图分类号： F301 24 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2015）08-0322-05

近年来，随着改革开放的逐步推进，我国正处于经济快速发展和城镇化快速推进的时期 [1]，人类社会与土地生态系统的交互不断加深 [2]。在生产力发展水平和粗放的土地利用方式双重胁迫下，产生了一系列土地生态问题，严重制约着人类的可持续发展。为确保土地资源的可持续利用和人类的可持续发展，合理保护和利用土地资源成为当务之急。土地生态质量评价和土地利用功能分区对土地资源的集约利用具有指导意义。土地生态质量评价是指对一定时间、空间范围内环境的总体或部分环境要素的组合体对人类的生存及社会经济持续发展的适宜程度进行评价 [3]；土地利用功能分区是根据区域内土地用途管制的要求，在分析区域内不同地区功能定位、发展趋势、发展现状和潜力、资源环境承载能力的基础上，将一定区域划分为若干个功能区片 [4-5]。

土地利用功能分区是土地利用总体规划的核心内容 [6]，当前在土地生态评价、土地利用功能分区方面，许多学者已做了大量的研究。王瑷玲等对土地生态质量进行了研究 [7-9]；吴泽斌等对城市土地生态利用水平进行了测度及障碍因子诊断 [10]； 卓凤莉等对土地生态安全进行了研究 [11-17]。当前，针对土地生态质量评价的研究较多，但对土地利用功能分区的研究还处于起步阶段。本研究通过熵权模型、综合法对河南省新乡市的土地生态质量进行评价，然后以评价为基础对研究区进行功能分区，最后将评价分区结果与河南省新乡市土地利用规划大纲中的分区进行比较，以验证评价分区的可行性。

1 材料与方法

1 1 研究区概况

河南省新乡市地处34°53′～35°50′N、113°23′～115°1′E，总面积8 269 km2，与焦作市、郑州市、开封市、安阳市、鹤壁市接壤，是中原经济区的重要城市。新乡市属于暖温带大陆性季风气候，年均气温14 ℃，年均降水量656 3 mm，水热条件好，又因位于黄河流域，土壤条件也较好，成为我国粮棉主产区和优质小麦生产基地。新乡市的地势为北高南低，北部山地丘陵区海拔较高，林地广泛分布，中部市区以建设用地为主，南部各县地形平坦，土地利用以农用地、村庄为主。南太行山蜿蜒于新乡市北部上千公里，宏伟壮丽，成为新乡市重要的旅游资源，为新乡市奠定了中国优秀旅游城市的地位。

1 2 数据来源

数据来源于2011年重点区域土地生态状况调查，包括2 5～5 0 m遥感影像数据、行政区划数据、第2次全国土地资源调查数据、多目标地球化学调查数据、地籍调查数据、气象部门资料及统计年鉴。数据处理软件包括ArcGIS、Erdas、Excel，主要用于数据的提取与统计。数据格式主要包括矢量数据、栅格数据2种，栅格单元大小为100 m×100 m，矢量数据比例尺为1 ∶ 100 000。

1 3 试验方法

1 3 1 构建评价指标体系 在遵循科学性、代表性、系统性、可获取性、全面性原则的基础上，结合新乡市的土地生态特点，构建基于自然地理因素、生产建设因素、生态多样性因素、生态保护因素4个要素共29个指标的市级土地利用生态质量评价指标体系（表1），从而全面体现市级土地利用水平。

1 3 2 权重集确定 在生态质量评价中，不同指标的性质、计量单位、值域存在差异，不适宜直接比较。为了方便比较，本研究选择极差标准化方法对各项指标进行标准化处理，把指标转化为无量纲的相对数。正、负向指标的标准化公式[JP+1]分别为式（1）、式（2）。鉴于层次分析模型（AHP）主观性较强，采用客观的熵权模型来确定权重，模型涉及式（3）至式（6）。

1 3 3 综合值计算 在新乡市的土地生态评价中，共选取29个评价指标。为了计算方便，本研究采用综合法对土地生态质量进行评价[式（7）]。运用自然断点法对评估综合值进行分级，共分为差、一般、中等、良、优5个等级。

2 结果与分析

2 1 自然地理因素评价分析

自然地理因素即自然基础条件，反映土地承载力水平，是土地生产力、资源潜力的最初来源。新乡市自然地理因素指数整体上介于0 08～0 86之间，自北向南趋于增加，与高程的变化具有一致性，表明自然基础条件受地形的影响显著。研究区绝大部分土地自然基础较好，占总面积的81 41%，评估结果介于中等和优之间；潞王坟乡、耿黄乡等地区自然基础差，占1 64%，评估值范围为0 08～0 38；其余土地自然地理基础处于一般水平，评估值介于0 39～0 51之间（表2）。各等级的地理分布情况见图1，自然地理因素评估值分级及各等级涵盖区域范围详见表2。

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2 2 生产建设因素评价分析

生产建设因素反映的是在生产力水平限制、城镇化进程加速、人口压力递增共同胁迫下土地利用的适宜性程度。从图2、表3可以看出，区域绝大部分土地如获嘉县、延津县等生产建设条件较好，介于良、优之间，评估值范围为0 44～070；城郊乡、顿坊店乡等地区生产建设条件介于差、一般之间，占区域总面积的9 79%，评估值范围为0 06～0 31；其余土地生产建设条件为中等水平，整体分布范围见表3。

2 3 生态多样性因素评价

生态系统类型在土地利用中表现为土地利用类型，因此生态多样性因素反映了人为干扰下土地生态系统中廊道、斑块、基质的破碎化程度。由图3、表4可以看出，新乡市绝大部分土地的生态多样性介于一般、良之间，占区域总面积的83 80%， 评估值范围介于0 40～0 77之间；新乡市区、黄河滩涂等地区的评估结果为差，占区域总面积的13 79%，评估值范围为009～0 39；国营辉县市林场、城郊乡等地区生态多样性处于优等水平，占区域总面积的2 34%，评估值介于0 78～1 00之间。

2 4 生态保护因素评价

在资源分布区域差异性变大及生态环境逐渐恶化的背景下，建立自然保护区是保护生态环境、生物多样性、自然资源最为经济有效的措施。由图4、表5可知，凤泉区、牧野区、新乡县等地区的生态保护因素较差，其余地区生态保护条件较好[CM（25]；获嘉县、延津县等地区生态保护因素评估分级为优，占总面积的32 76%， 评价指数介于0 78～0 88之间；长垣县、卫辉市等地区的生态保护因素评估分级介于一般、中等之间，占区域的41 72%，评估值范围为0 43～0 64。

2 5 生态质量综合评价

由图5可知，整体来看，获嘉县、延津县、原阳县等县的土地生态质量较好，介于良、优之间；新乡市区土地生态质量总体较差，处于差、中等之间，但红旗区市辖区以外土地除外，介于良、优之间；新乡县、辉县市西南、卫辉市南部的土地生态质量处于中间偏上水平，介于中等、良之间；辉县市、卫辉市北部山区土地生态质量处于中间偏下水平，介于一般、中等之间。新乡市土地生态综合评估值总体介于0 22～0 74之间；研究区大部分地区土地生态质量较好，占区域的69 90%，介于良、优之间，综合评估值下限为0 57；区域中仅很小一部分土地生态质量为差，占总面积的2 34%，综合评估值上限为038； 其余27 80%的土地生态质量介于一般、中等之间， 综合评估值基于0 39～0 56之间，区域分布范围见表6。

从研究区土地生态质量形成机制来看，自然地理基础、城镇化水平、资源需求是主要作用因素。自然基础是反映区域地形、气候、土壤、植被等方面状况的综合指标，对土地利用和区域发展具有基本限制性。从自然基础来看，2个市北部山地丘陵区属于太行山石灰岩区，较为干旱，海拔又较高，可垦性、建设性均较差，土地利用类型以林地、未利用地为主，土地生态质量介于一般、中等之间。

在城市化进程加速和工业化过快增长的双重胁迫下，城镇建设用地总量失控，结构失衡，可以通过城镇建设用地比例、非渗透地表比例等指标反映。新乡市区和各县城人地矛盾突出，在机械压实、践踏及人为干扰下，土壤理化性质恶化；土壤板结、污染严重，生物多样性锐减，综合评估结果介于差、中等之间。然而，各县以农用地、村庄为主，土地开发利用程度较小，生物多样性较好，土地生态质量介于良、优之间。

资源需求也是土地生态质量的作用因素，众所周知，矿产资源属于非可再生自然资源，但其具有地域分布不均衡的特征。矿产资源需求日益膨胀驱使着区域性土地破坏行为发生，受开采技术的限制，采矿过程中产生的废水、废气、废渣，对矿区的土地产生严重污染。黄河滩涂因分布有众多采矿用地，破碎度高，生态多样性受到破坏，土地生态质量综合评价为良，稍差于其北部地区。辉县市东南、凤泉区、卫辉市西部交界处同样因为分布有大量采矿用地的缘故，土地生态质量评估介于差、中等之间。

2 6 土地利用功能分区

依据土地生态综合评估值，并结合新乡市自然地理基础、社会经济发展状况进行评价分区，将新乡市划分为山地丘陵生态保护区、城市发展核心区、生态农业区（图6）。将评价分区与新乡市土地利用规划大纲中的分区相对比表明， 仅有获嘉县与原阳县及原阳县的原武、桥北等地区存在差异（表7）。

这说明基于29个评价指标（表1）的土地生态质量评价分区具有可行性，能够很好地反映研究区的自然、社会、经济状况，分区含义如下。山地丘陵生态保护区：以涵养水源、生物多样性保护为主要目标，主要发展林果业及观光旅游业；对策为在发展旅游业的同时兼顾环境污染问题，确保生态环境的保护到位。城市发展核心区：人口密度大，经济增长领先，具有集聚效应；对策为调整产业结构、控制人口规模、维护生态平衡、疏通与周边地区经济发展瓶颈。生态农业区：以取得最大的生态经济效益为目标，在田、水、路、林配套基础上实现生态环境良性循环；对策为高品质、集约化、节能减排、低碳环保、循环利用。

3 结论

本研究在2011年河南省新乡市土地生态状况调查的基础上，首先采用熵权模型、综合法对研究区进行土地生态质量评价，然后以评价结果为依据将研究区分为3大功能区，并与新乡市土地利用规划分区进行比较，得出如下结论。（1）土地生态质量受自然地理基础的限制。辉县市及卫辉市山区属于太行山石灰岩半干旱区，土壤干旱贫瘠、土层薄、植被覆盖度低、水土流失严重，土地生态质量介于一般、中等之间；辉县市西南、卫辉市东南属于平原，土壤为砂姜土，有机质含量并不高，但保肥能力强，土地生态质量为良。（2）土地生态质量与城市化水平有关。新乡市区城市化水平高，人地矛盾突出，土地利用强度大，在机械压实、践踏及人为扰动下，土壤理化性质恶化，容重变大，孔隙度降低，表现为土壤板结与污染严重，生态质量介于差、一般之间；其他各县以村庄和农用地为主，土地干扰度和破碎度较小，生态质量介于良、优之间。（3）土地生态质量受资源需求影响。在人口压力和经济发展的共同胁迫下，矿产资源处于供不应求的状况，由此引发一系列土地生态问题。黄河滩涂、辉县市东南分布有大量采矿用地，土地破碎度较高，生物多样性遭到严重破坏，土地生态存在区域失衡现象。（4）评价分区可行性较强。评价分区与规划分区具有较好的一致性，从分区范围来看，仅有获嘉县与原阳县及原阳县的原武、桥北地区存在差异。（5）不足。指标体系仍需要完善：受技术和方法的限制，有些指标难获得或拘泥于定量化方法，土地生态质量评价的指标体系还需要完善；权重确定方法需要改进：由熵权模型确定的权重较为客观，但对较大或较小指标有失衡现象存在，为了弥补这一不足，将熵权模型与层次分析模型相结合将成为下一步研究的目标。（6）展望。基于土地利用生态质量评价的土地利用功能分区尚处于起步阶段，分区范围保持了行政区界线的完整性，且本研究对区域社会经济因素考虑不全面，有待进一步拓展。

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土地结构熵 篇3

土地利用结构对一个地区而言,在一定程度上可谓之一个结构系统,目前我国学者在宏观层面上利用信息熵物理理论对土地利用结构进行了相关研究,如周子英等采用信息熵分析了长沙市土地利用结构的时空变化,得出了长沙市土地利用结构信息熵的空间差异;陈彦光等对郑州、广州等城市的土地结构进行了分析,总结出关于城市土地利用的信息熵值规律:大城市用地结构的信息熵一般大于小城市,综合性城市的信息熵严格大于专业化城市,城市化地区的信息熵必须大于各功能区的信息熵;并基于信息论思想提出反映城市土地利用结构特征的均衡度概念。

学者们研究最多的是省、大城市或者区域,对小城市的土地利用结构研究并不多。扶余市于2013年1月24日,经国务院批准,撤销扶余县设立扶余市(县级),由吉林省直辖、松原市代管,通过对扶余市土地利用结构分析,使得扶余市更好的配置土地资源,促进城市的快速发展。

1 研究区概况

扶余市地处松嫩平原东北部边缘,位于吉林省西北部,松原市东部。西与松原市宁江区接壤,南隔第二松花江与前郭县、长春市农安县、长春市德惠市为邻,北与黑龙江省大庆市肇源县、黑龙江省哈尔滨市双城区相望,东与长春市榆树市接壤。(扶余市在吉林省的位置见图1-1)位于东经125°56′~126°11′,北纬44°45′~45°30′之间。地势东高西低中间洼,地貌类型差异明显,海拔135~240m,地面起伏较大,相对高差10~50m。全县南北两面被松花江、拉林河环绕,流域内有会塘沟、加津沟等较大的水沟和泡沼。扶余市下辖5个乡、12个镇,其中包括7个居委会、383个行政村;1 025个自然屯,下设173个居民小组、1 810个村民小组。截至2014年年末,扶余市常住人口总数为671 576人,占全国总人口的0.048%;2014年地区生产总值为340.73亿元,占国内生产总值的0.054%。

2014年截止到2014年12月31日,扶余市土地总面积为464 705.3hm2,其中,耕地340 034.06hm2,园地239.18hm2,林地41 241.44hm2,草地25 470.27hm2,城镇村及工矿用地25 187.16hm2,交通运输用地10 017.79hm2,水域及水利设施用地19 928.84hm2,其他土地2 586.56hm2,分别占土地总面积的73.17%、0.05%、8.87%、5.48%、5.42%、2.16%、4.29%、0.56%。耕地及林地面积占扶余市土地总面积的82.04%,耕地比重较大,占到了全市土地总面积的73.17%,相比于吉林省内其他县市,扶余市耕地面积占土地总面积比例较大。

2 数据来源

本文数据来源于《扶余市统计年鉴》和扶余市2010-2014年扶余市土地利用变更数据。

3 方法综述及数据处理

3.1 信息熵

美国信息创始人香农发现了信息的冗余,在此基础上得出了信息熵物理模型,可以用于测定系统的稳定性和均衡性。信息熵结果可以辅助判定扶余市土地利用类型的配置情况,进而优化当前土地利用方式,对于未来土地利用也有一定的指导作用,为后期土地利用规划做准备。

假设扶余市区域土地总面积为M,土地利用类型的个数为m,每个土地利用类型的面积为M(mi),那么各个土地利用类型在扶余市整个区域内出现的概率为:

为了计算方便,上式中,a取10,则公式变为:

从公式中可以得出,信息熵值与概率值总和呈现负相关关系,各个土地利用类型出现的概率越大,熵值越小,那么系统就越稳定、均衡;反之系统就不稳定、不均衡。

3.2 均衡度

基于上述信息熵公式、均衡度计算方法可定义为:

均衡度就是各项信息熵值与信息熵值最大值的比值,显然,J值处于0-1之间,反映的是土地利用的均衡程度。

3.3 数据处理

采用上述信息熵公式,对扶余市2010~2014年的土地利用结构的相关数据进行计算,计算结果如下:

从表1中可以看出,扶余市近五年中,2010年的信息熵值最小,之后四年的信息熵值逐渐增加。这表明,相比来说2010年扶余市土地利用结构更稳定,其后四年信息熵的增加说明土地利用结构有无序化的倾向,一方面是因为社会发展,当地人对高质量生活水平的需要的增加;另一方面是扶余市处于撤县立市(县级)时期,经济发展加快。2010~2014年耕地总体有下降趋势,面积比例由73.25%下降说明到73.17%,而城镇工矿用地有所增加,面积比例由0.68%增加到0.73%,交通水利用地由0.86%增加到0.94%,因此未利用土地由8.29%下降到8.21%,说明扶余市正处于城市发展的上升期。

4 结束语

经过上述扶余市土地利用结构信息熵分析,得出以下结论:

(1)土地利用结构信息熵可以分析判断研究区域土地利用结构的组合关系,定量分析其是否有序,信息熵值及均衡度的大小直观的放映了系统的稳定程度,信息熵值越小,土地利用结构的系统越稳定。

(2)扶余市土地利用结构信息熵值在2010年最小,之后四年的信息熵值逐渐增加,这表明,2010年扶余市土地利用结构更稳定,其后四年土地利用结构有无序化的倾向。

(3)扶余市土地利用结构信息熵可以综合反映其内部土地利用类型的动态变化,对于其土地利用结构优化调整和后期土地利用规划都有一定的指导作用,但是扶余市土地利用结构信息熵值的最优值的多少还要根据影响该区域各种因素指标值综合判定。

5 建议

(1)扶余市于2013年撤县设市(县级),城市处于发展的上升期,因此需要不断的探索研究区域内的土地利用情况,确保城市良好快速的发展。

(2)在技术方面,要采用先进的遥感和地理信息技术,实时监测土地利用状况,促进城市的可持续发展。

(3)要切实的根据实际情况,结合土地利用结构的情况,对城市进行规划,保证各类土地利用类型的综合利用,也要促进城市土地利用结构的有序发展。

摘要：运用信息熵物理方法对扶余市2010-2014年的土地利用数据进行分析,信息熵值的大小反映了扶余市土地利用结构的有序性,信息熵值越小,那么土地利用结构越有序,反之,则土地利用结构趋于无序。通过结构的信息熵定量计算分析可以得出扶余市最近五年的土地利用类型动态变化,2010年信息熵值最小,其后四年信息熵值逐渐增加,表现为土地利用结构无序化倾向,研究结果可为扶余市土地利用结构调整和后期规划起指导作用。

关键词：信息熵,扶余市,土地利用结构

参考文献

[1]周子英,段建南,梁春凤.长沙市土地利用结构信息熵时空变化研究[J].经济地理,2012,32(4):124-129.

[2]陈彦光,刘继生.城市土地利用结构和形态的定量描述:从信息熵到分数维[J].地理研究,2001,5(2):146-152.

[3]陈彦光,刘继生.城市土地利用结构和形态的定量描述:从信息熵到分数维[J].地理研究,2001,5(2):146-152.

[4]扶余市地方志编纂委员会.扶余统计年鉴(2015)[M].吉林文史出版社,2015.

土地结构熵 篇4

1 基于熵值法的多因素综合评价模型的建立

1.1 多因素综合评价模型

多因素综合评价模型就是按照一定的目的和原则, 以评价单元为样本, 选择对评价单元发生作用的因素和因子作为评价指标, 并通过适宜的模式予以量化、计算和归并, 从而实现评价目标的一种方法。小城镇土地集约利用评价就是一种多因素综合评价。本文通过选择符合研究区实际情况的指标因子, 同时选用熵值法确定各个指标因子的权重, 最后综合确定研究区的土地集约利用评价指数。具体模型如下:其中ΣWi=1

F为土地利用经济综合评价指数, Ai为第i项指标, Wi为第i项指标的权重值。

1.2 熵值法确定评价指标权重

基本原理:熵值法是利用评价指标的固有信息来判别指标的效应价值, 从而在一定程度上避免了主观因素带来的偏差, 其基本原理是:熵是对信息不确定性的度量, 熵值越小, 所蕴含的信息量越大。因此, 若某个属性下的熵值越小, 则说明该属性在决策时所起的作用越大, 应赋予该属性较大的权重。这也就是可以用熵值法来确定评价指标的权重的依据。

计算过程为:

①将指标矩阵A= (aji) n×m进行标准化处理得:, 且有②计算第i项指标的熵值, 其中则0≤ej≤1;③计算第i项指标的偏差程度系数gi=1-ei;④计算第i项指标的权重按照上述方法分别计算各项指标的权重值。

2 枣阳市土地集约利用实证分析

2.1 研究区基本情况

截止到2005年末, 枣阳市土地总面积327757.98hm2, 其中已利用土地面积为300313.98 hm2, 土地利用率为91.63%。其中农用地262700.22 hm2, 占土地总面积的80.15%;建设用地面积37613.76 hm2, 占土地总面积的11.48%, 其中城市用地1002.59hm2, 占建设用地的2.67%, 占土地总面积的0.31%;建制镇用地1023.53 hm2, 占建设用地的2.67%, 占土地总面积的0.31%。

枣阳市2005年实现国内生产总值72亿元, 同比增长9.2%。其中第一产业增加值29.61亿元, 增长2.09%, 第二产业增加值14.31亿元, 增长13.42%, 第三产业增加值28.08亿元, 增长14.36%。2005年枣阳市的地均GDP为2.20万元/hm2, 建设用地地均二、三产业产值分别是0.44万元/hm2和0.86元/hm2。

2.2 枣阳市土地集约利用评价过程

2.2.1 评价指标体系的构建。所选取的评价指标应能客观、真实的反映评价区域的土地集约利用水平。根据不同的学者的研究, 以及枣阳市的具体情况, 本文从经济规模、土地利用强度、土地开发强度等三个方面选取了共10个指标。具体指标设置见表1。

2.2.1 指标标准化处理。为了使各个指标之间具有可比性, 首先要对各个指标进行标准化处理, 本研究采取极大值法对指标进行处理, 具体公式如下:其中, ai为评价因子A的实际数值;fi为评价因子A相对应的理想值。

本次研究中, 将各项指标的全国平均水平作为评价指标的理想值。

根据公式, 标准化后的指标值如下表所示:

2.2.2 指标权重确定。利用前面介绍的熵值法, 最终确定个指标的权重如下表所示:

2.2.3土地利用集约度计算。由公式:得:

3.3 评价结果分析

3.3.1 土地集约利用评价等级划分。

根据相关土地集约利用评价, 可将土地集约利用划分为4个等级:

3.3.2 评价结果分析。

由表3可知, 枣阳市相对于全国平均水平的集约利用程度是0.56, 根据表4所确定的土地集约利用评价等级, 枣阳市土地集约利用程度处于第四档:基本集约利用。可见, 枣阳市就全国范围内, 土地利用达到基本集约利用的程度。下面, 再从指标分项来对土地集约利用的深层次进行分析。 (表6)

从相对全国水平上来看, 枣阳市除单位面积地区生产总值、居民点及工矿用地比率、建设用地率三项超过全国的平均水平外, 其他指标均低于全国水平, 相应的这三项的评价得分也比较高。因此, 枣阳市目前土地利用存在的主要问题有:

第一, 建设用地规模较大, 投入产出水平较低。枣阳市的建设用地率超过了全国平均水平, 而人均地区生产总值均较低。另外, 居民点及工矿用地规模比率高于全国平均水平, 其中居民点用地所占比重较大, 这也是造成建设用地投入产出水平整体不高的一个重要原因。

第二, 土地综合容积率偏低, 土地综合开发程度较低。枣阳市的综合容积率分别为全国平均水平的39%。

第三, 二三产业的产值比较低。枣阳市的人均二三产业产值仅为全国平均水平的31%, 可见鉴于枣阳市的居民点及工矿用地率和建设用地率均高于两者, 二三产业的经济规模还处于一个较低的阶段。

第四, 固定资产投资规模较低。枣阳市固定资产投资为全国平均水平的20%。固定资产投资规模较低, 直接会导致地区经济发展配套设施不完善, 影响经济的快速发展。

摘要：本文构建了三个方面因素, 包括10个指标的评价指标体系, 建立多因素综合评价模型, 并通过熵值法确定各评价指标的权重。通过选取评价指标相对应的全国平均水平的指标作为理想值, 分别计算出枣阳市相对于两个层次的集约利用程度, 并通过对比分析, 得出枣阳市土地集约利用方面存在的问题。

关键词：土地集约利用,评价指标,熵值法,枣阳市

参考文献

[1]濮励杰, 彭补拙等.城市土地定级方法若干问题研究——以新疆库尔勒市为例[J].南京大学学报.1996, 22 (1) :18—22.

[2]朱方霞, 陈华友等.确定区间数决策矩阵属性权重的方法——熵值法[J].安徽大学学报.2006, 30 (5) :4—6.

[3]甄江红, 成舜等.包头市工业用地土地集约利用潜力平价初步研究[J].经济地理.2004, 24 (2) :250-253.

[4]罗雄飞, 周勇等.武汉市城市土地集约利用评价研究[J].安徽农业科学.2007, 35 (31) :10040-10042.

[5]朱红梅, 王小伟等.长沙市城市土地集约利用评价[J].经济地理.2008, 28 (3) :442-444.

[6]国土资源关于开展开发区土地集约利用评价工作的通知, 国土资发【2008】145号.

区位熵视角下唐山产业结构分析 篇5

关键词：产业结构,区位熵,产业集群

1改革开放以来唐山产业结构演变历程

改革开放以来,唐山产业结构大致经历了三个历史阶段,1978—1991年是三次产业的快速调整期,第一产业波动明显,第二产业比重下降,第三产业快速发展;1992—2002年是三次产业协调发展时期,第一产业继续下降,第二产业增幅明显,第三产业平稳发展;2003年以后进入快速发展期,重化工业得到高速发展,第一产业降幅最为明显(见图1)。

1.1产业结构快速调整阶段(1978—1991年)

这一时期我国经济政策发生重大变化,逐渐由重工业向以轻工业为主的加工制造业倾斜,同时受到1976年大地震的影响,唐山经济一直处于恢复建设时期,1986年以后才得到快速发展。受到地区内外环境的影响,第二产业占比迅速下降,由1978年的59.46%下降到1991年的42.71%,第二产业内部也发生了明显变化,纺织、服装、陶瓷等轻工业以及机械制造等基础行业发展较快。1991年,在乡及以上工业产值中轻工业同比上年增长15.5%,快于重工业1.5个百分点,轻重工业比例为32.8:67.2[1]。

改革开放极大提升了第三产业,大批劳动力从事批发、零售和餐饮业,促进了传统服务业的发展。 三次产业人员构成发生显著变化,第一产业人员比重下降,第二、三产业人员比重上升,其中第三产业从业人员比重由1978年的13.4%上升到18.9%。第三产业增加值占比迅速提升,由1978年的11.82%上升到1991年的33.93%,首次超过第一产业并达到历史最高点。商业饮食业、运输邮电业和金融业得到了巩固和发展,成为第三产业中的支柱产业。

1.2三次产业协调发展时期(1992—2002年)

进入20世纪80年代中后期,国内工业结构由消费品、原材料工业为主向重加工工业为主转变,装备制造业和基础工业得到发展和加强。这一时期,唐山第二产业保持平稳增长趋势,占GDP比重由1992年的45.95%增长到2002年的51.74%。受投资需求增长拉动的影响,建设投资类产品较多的重工业发展速度明显快于轻工业的发展,至2002年,轻重工业比例为14.1:85.9,重工业化结构趋势更加明显。黑色金属冶炼及压延加工业、煤炭采选业、水泥制造业、黑色金属矿采选业、化学原料及化学制品业成为五大支柱产业,占工业增加值比重达到了57.1%。

第三产业出现先下降后缓慢上升的发展趋势,占GDP比重由1992年的32.43% 下降到1995年的28.05%后上升至2002年的31.29%。其中,批发、 零售和餐饮业仍然占据较大比重。在公路运输中,高速客运和快速货运得到较快发展,成为交通运输业新的增长点。水路运输发展迅速,京唐港建设发展加快。但现代服务业、金融、科研等部门发展缓慢,第三产业整体发展落后,不能满足经济增长的需要。

1.3第二产业快速发展时期(2003年以后)

2003年以后在扩大内需政策的刺激作用下,国内大力发展基础设施建设,拉动了钢铁、机械、建材等中间投资品行业和石油、煤炭等能源行业的快速发展。唐山抓住宏观经济需求迅速扩张的有利时机,积极吸引外来资金,立足资源和产业发展优势,对钢铁、 能源、建材等支柱产业加大技术改造,拉动第二产业整体实现了快速发展,五大主导产业占全部工业增加值比重由2003的55.2%上升到2012年的62.86%。 其中重工业发展速度明显快于轻工业,轻重工业比例由2003年的10.5:89.5发展到2012年的3.42: 96.58。钢铁、建材、能源、化工、炼焦、电力等高能耗、 高物耗和高污染产业发展迅速,经济增长与节能减排矛盾日益突出[2]。

第三产业发展稳中有升,占地区生产总值比重由2003年的29.84%增加到2012年的31.7%,和第二产业的快速发展相比,比重依然偏低,不适应地区经济发展的需要。

2优势产业区位熵分析

区位熵用于定量分析产业的效率和效益,又称为专门化率,主要反映区域内部某一产业或部门的专业化程度以及研究区域在高层次区域的地位和作用。 本文以全国作为背景区域,2011年国内生产总值为研究变量,研究唐山主要工业产业各部门的专业化水平。表1给出了唐山优势产业产值占唐山总产值的比重以及区位熵。

根据区位熵值进行判断,钢铁和煤炭采选业具有比较优势,前五位产业区位熵值均大于1,表明依托于地区资源及长期的产业发展优势,黑色金属及煤炭开采行业、钢铁冶炼及金属制品业均高于全国发展水平,其中铁矿石采选和钢铁冶炼行业的发展优势最为明显。同时,比重较高的部门其区位熵系数也较大, 表明对地区生产总值贡献比较大的部门发展水平较高、发展速度最快。从第六位产业开始,唐山其他行业的发展均低于全国平均水平,作为唐山五大支柱产业的能源、化工、建材和装备制造行业亦表现出较低的专业化水平和竞争能力,表明唐山总体产业发展相对滞后,优势产业发展缺乏良好的生存环境,长远发展受到制约。

从产业链条的技术角度进行分析,18%的优势产业比重来源于采选业,50%的产值比重来自于钢铁加工业,按照产品和技术使用上的差异性,上述前五位优势产业从属于钢铁产业链和煤炭产业链;从技术密集程度角度进行分析,产业发展主要处于链条的中上游,向下游产业的延伸程度不足。

3唐山产业结构调整对策

3.1促进农业可持续发展

合理开发农业资源,改善和治理农业生态环境, 通过发展现代农业循环经济推进农业的可持续发展。 一是合理开发耕地资源,利用土地流转政策,集中土地发展规模生产和机械化作业;强调“耕地动态总量平衡”,既要保护耕地总量,又要提高耕地质量;全面实施有机肥、提高化肥利用率来降低农作物投入;优化农业产品种植结构,推进旱作高效农业建设,从而实现农业增效、农民增收的可持续发展。二是做好农业生态环境建设,促进农业产业链延伸,并加大农村新能源开发力度,通过发展农村户用沼气池和秸秆气化炉实现农业废弃物资源的循环利用。三是发展乡村旅游业。采取农业园区果品观光采摘、休闲垂钓、 旅游休闲观光等多种形式培育新的农民收入增长点。

3.2推进特色产业集群的发展

目前,唐山已有开平、丰润、迁安三个现代装备制造产业聚集区和乐亭临港产业聚集区,并有钢铁、乳制品、陶瓷、钢锹、电子元器件等特色产业集群,在促进资源集约利用、功能集合构建上发挥了重要作用。 继续推进特色产业集群的发展,一是要打造具有突出产业特色的主导产业,借助主导产业“竞争力强、成长性好、关联度高”的优势鼓励产品和技术创新,打造产业品牌、提升产业层次和增加值,通过专业化分工协作带动中小企业的发展[3];二是加强产业关联,以主导产业为核心,推动区域内企业间的有机关联和整合,从而提高行业集中度,实现集群的规模效应;三是注重资源集约,通过对各种生产要素进行科学合理的组合,争取用最少的投入获得最大的收益,实现有限资源的高效配置;四是推动高新区建设,高新技术开发区是产业集群发展的载体,为战略性新兴产业的发展提供了雄厚的物质基础和良好的创新服务环境,应通过政策引导实现高新区的可持续发展。

3.3建立唐山港现代化物流网络

土地结构熵 篇6

关键词：能源消费结构,信息熵

能源是国民经济发展的重要战略物资。近十年来, 恰逢国家重化工业化举措、西部大开发战略和振兴东北老工业基地的战略机遇, 内蒙古自治区通过资源开发利用, 实现了经济的超常规、跨越式发展, 有力地推动了经济发展与社会进步。然而, 在经济超常规增长的背后, 内蒙古能源消费结构中的化石能源比重过大, 能源消费结构中的不合理配置问题凸显。

一、内蒙古能源消费结构的信息熵、均衡度、优势度测算

根据《中国能源统计年鉴》、《内蒙古统计年鉴》以及内蒙古统计局网站2001-2012年内蒙古煤炭、石油、天然气等能源消费数据, 并按照统计口径进行量纲统一数据预处理。由表1.1和图1.1中可知: (1) 在内蒙古能源消费中, 煤炭消费总量占绝对地位。煤炭消费总量远远超过石油、天然气的消费量。煤炭消费总量最小值4095.19万吨, 也超过了石油、天然气消费总量的最大值的1至5倍。可初步判断, 内蒙古能源消费结构处于不均衡状态。 (2) 2001-2012年, 内蒙古能源消费总量以及煤炭消费量、石油消费量、天然气消费量均呈现出上升的趋势, 三种能源中煤炭消费量上升速度最快。

结合表1.2、图1.1和图1.2可知:2001年到2012年间, 内蒙古能源消费信息熵、均衡度和优势度呈现阶段性变化。 (1) 2001至2003年, 内蒙古煤炭消费量占比从92.1%下降到90%, 而石油和天然气消费量则呈现一个上升趋势, 因而这段时间内蒙古能源消费信息熵和均衡度有所提升, 优势度则与均衡度呈反向变动。 (2) 2004年, 内蒙古煤炭消费再次回升至91.5%, 而石油、天然气消费比例则有所下降, 能源消费结构不均衡程度较2003年有所加剧。 (3) 2005至2009年间, 内蒙古煤炭消费量占比从90.6%下降到87.4%, 而石油和天然气消费量则呈现一个上升趋势, 因而这段时间内蒙古能源消费信息熵和均衡度有较大幅度提升, 优势度则与均衡度呈反向变动。 (4) 2010至2012年间, 内蒙古煤炭消费量占比又呈现了一定程度的回升, 石油、天然气消费比例则有所下降, 能源消费结构不均衡程度逐年加剧, 表现为这一阶段内蒙古能源消费信息熵和均衡度逐年下降。

对比十二年间煤炭信息熵S1、石油信息熵S2、天然气信息熵S3走势, 煤炭、石油信息熵相对变化不大, 天然气信息熵相对变化较大, 具有明显的上升趋势, 而且与内蒙古能源信息熵S的整体走势吻合。可以推断新千年后, 随着国家鼓励和支持使用清洁能源, 三大主要能源中污染相对较小的天然气的使用量逐步上升, 使得内蒙古的能源消费结构趋向均衡。

总体而言, 内蒙古能源消费结构中, 煤炭始终占据着绝对的主力地位。2001至2012年, 天然气消费量的持续增加, 虽然在近三年呈现出一定程度的反复, 但内蒙古能源消费结构的总体态势是向更加均衡、合理的方向发展的。

二、内蒙古能源消费结构演化的特点及未来发展趋势预测

综合上节测算分析的结果可以归纳内蒙古能源消费结构具有以下特点:

第一, 从消费总量上, 内蒙古能源消费比例前三甲依次是煤炭、石油和天然气。三者中煤炭消费比例约为90%, 而石油消费比例约为9%, 而天然气消费量仅占1%。应该说, 内蒙古能源消费结构是不均衡的。

第二, 从动态发展趋势上来说, 2001至2012年间内蒙古能源消费总量是逐年上升的, 这与内蒙古十二年来经济社会发展不无关系。其中, 煤炭增速最快, 其次是石油和天然气。

第三, 从近三年的内蒙古能源消费结构走势来说, 均衡度呈缓慢下降趋势, 优势度再次抬头。虽然2012年内蒙古能源消费结构的均衡性较2001年有较大的改善, 但是近三年的结构均衡的弱化趋势, 以及相应的天然气消费总量的下降趋势, 仍然值得关注。

从上述测算和分析可知, 若要提高内蒙古能源结构的均衡性和合理性, 需要鼓励非煤炭能源的开发和使用, 从而提高非煤炭能源的消费总量, 提升整体能源结构和能源使用效率。当然, 非煤炭能源不仅指石油、天然气, 还包括近年来国家所提倡的其他清洁能源。同时, 从节能环保的角度考虑, 这种能源消费结构的变化也是一种必然的趋势。

MODERN BUSINESS现代商业119

参考文献

[1]耿海青, 谷树忠, 国冬梅.基于信息熵的城市居民家庭能源消费结构演变分析——以无锡市为例[J].自然科学报, 2004, 19 (2)

[2]屈燕妮.资源型区域经济发展与环境约束——以内蒙古为例[M].北京:经济管理出版社, 2013.3

[3]赫尔曼.希尔. (德) .能源变革:最终的挑战[M].北京:人民邮电出版社, 2013

土地结构熵 篇7

航空应急救援特指采用航空技术手段和技术装备实施的一种应急救援。航空应急救援具备响应速度快、机动能力强、救援范围广的特点,在各类突发灾难和事件施救中发挥了重要作用。“5.12”汶川大地震后,党中央多次就航空应急救援体系建设作出了重要批示,要求尽快“进行研究、规划和部署”。在国内,航空应急救援行动虽实施多年,但长期以来一直未形成完善的体系,随着应急救援行动的增多,保障能力建设亟待加强。积极开展理论研究,构建应急救援体系,对于增强保障能力具有重要意义[1]。

1 航空应急救援的特点及要求

航空应急救援主要包括自然灾害救援、事故灾难救援、公共卫生事件救援和公共安全事件救援。由于作业类型的特殊性,以及实施主体的多样性,在具体实施过程中面临各种各样的困难[2]。

1.1 任务突发,时效性要求高

应急事件一般具有很强的突发性,这就要求救援主体务必在灾害或事故发生后第一时间到达并实施救援。时间的紧迫性要求应急救援必须有科学的协调机制和工作方法以及高效的手段,做到迅速响应。

1.2 类型多样,救援任务繁重

随着我国经济生活和社会事业的不断发展,航空应急救援的概念已经突破了传统的范畴。在各种灾难援救中,需要利用航空手段执行的任务多种多样。如救援队伍的紧急输送,救援物资、设备的空运送达食品、药物投送,伤员运送和疏散,等等。

1.3 环节诸多,行动过程复杂

航空应急救援是一项复杂的系统工程,涉及预测、监测、监控、应急处置、恢复重建等多个环节。仅航空器出动过程就包括航空器准备、机场准备、机务准备、飞行员准备、气象准备、空管准备、油料准备等诸多环节。应急施救过程中,还包括救生、医疗、通信等相关环节。

1.4 力量多元,组织协调困难

航空应急救援涉及飞行、机务、机场、管制、油料、气象、航行情报等多个专业部门,实施一次救援需要协调的部门多。各部门的工作人员由于背景各异、职责不同、工作程序不一、平时沟通演练不足等原因,在合作开展救援时,便会遇到相互配合困难的问题,从而导致救援力量分散、相互牵制和资源浪费现象的发生。

2 结构熵的基本理论

熵这一概念起源于热力学,是系统的无序状态的量度,同时也是一个较适合描述复杂系统层次结构的概念,熵的变化可以反映系统的演化;复杂系统不同层次应有不同的熵概念。同时,不同组织结构的熵也不同,因此熵可用来表征特定组织结构的宏观有序程度[3]。

参考生物系统结构熵H来对体系结构进行描述(E.O.Wiley Layzer.D,2002)[4],用系统结构有序度R来定义系统的组织化程度:

式中:H为系统的结构熵,Hm为系统的最大熵。R越大,表示系统的有序化程度越高,体系结构的效率越高。对于一个管理系统而言,系统是否具有快速灵活的应变能力与其信息传递的有序度直接相关,系统中信息传递的速度与信息传递的准确性是评价系统有效性的重要指标。因此可以通过系统时效与系统质量两个指标来考察和衡量系统结构的有序度,即

其中α和β分别表示系统时效性与系统质量的权重系数。体系结构如图1所示。

2.1 系统时效熵

系统时效反映的是系统各元素之间的信息流动程度,时效熵反映的是流通过程中的不确定性程度。图1所示中,定义系统纵向上下级任意两个元素节点之间的联系时效熵为:

其中Pij表示系统i、j元素联系时的时效微观态实现概率,可以表示为:

式中A1为时效微观态总数,指系统可能呈现或经历的微观状态;Lij为最短路径[5],即节点间的联系长度。例如,图1中元素1与元素2的联系长度为1,元素1与元素n之间则为2;可以表示为:

由此可得系统总的时效熵为:

系统最大时效熵为:

系统的时效为:

2.2 系统的质量

系统的质量反映的是信息在系统各元素中流通时的准确性,质量熵反映的是信息的不确定性[6]。系统中元素的联系跨度Ki(i=1,2,…,n)是指在拓扑结构图中与该元素有直接联系的元素数量,如图1中的元素3与其相互联系的元素有3个,则联系跨度为3.系统的质量微观态总数为:

3 航空应急救援能力体系结构分析

3.1 建立综合一体化的航空应急救援体系

我国的航空应急救援体系不能完全照搬欧美等发达国家的建设思路和方法,必须立足于我国的基本国情和当前的历史阶段。我国是一个发展中的大国,地形、气候、人文和社会发展程度等各方面地区差异极大。当前,依赖任何一个单独的部门或企业都难以承担起我国航空应急救援体系规划、建设和运行的重任。因此,我国必须发挥社会主义优越性,集中力量,统筹规划,实现综合一体化的航空应急救援体系的建设目标[1]。

3.2 航空应急救援能力体系结构

依照航空应急救援能力存在问题的特点不同,划分为:应急救援主体、应急救援装备、应急救援体制、应急救援能力、应急救援设施、应急救援预案、应急救援人才。如图2所示。

依照航空应急救援能力受多种因素的影响和制约,划分为:组织指挥体系、应急救援装备、应急救援力量、基础设施条件建设、应急救援预案、应急救援专业人才,等等[1]。如图3所示。

4 基于结构熵的航空应急保障能力体系结构评价

在高效、顺利完成航空应急救援保障行动时,应急救援装备保障是其中一个重要环节。在应急救援保障的牵引与带动下,将许多关联度不是很高的因素糅合在一起,形成了一个能力指标体系,通过各个子系统的有效运转,我们能够在执行遂行任务更加顺畅。本文利用系统时效、质量及结构嫡评价公式对航空应急救援能力体系结构进行了有序度评价,通过选取5种不同偏好的权重值来计算结构的有序度,以验证结构在权重偏向性条件下的稳定度。结果见表1和表2。

由表中的结果可知,体系结构2的结构熵值均低于结构1,而时效相对较大,质量相对也较大,而且在不同权重偏好比较下,是相对较优的结构模型。结构2层次清晰,信息沟通快,即在航空应急救援行动下,信息传导路径简洁,快速清晰,能够快速便捷的调动各方的能力来进行救援。由此可知,按照受多种因素影响体系更加适合航空应急救援。

5 结束语

论文研究了航空应急救援的特点及要求,分析了航空应急救援行动的影响因素,运用结构熵理论对航空应急救援能力体系进行了结构有序度评价,为合理构建航空应急救援能力体系结构提出了一种实现的途径。

摘要：根据航空应急救援的特点及要求,构建了综合一体化的航空应急救援能力体系,并运用结构熵理论对航空应急救援能力体系的结构有序度进行了评价,提出了相对优化方案。结合算例验证了该方法的可行性。

关键词：航空应急救援,能力评价,结构熵,结构优化

参考文献

[1]于耕等.航空应急救援[M].北京:航空工业出版社,2009.

[2]郭锐.基于结构熵的邻近空间武器装备体系结构评价[J].空军工程大学学报,2009.12.

[3]李习彬.熵-信息理论与系统工程方法论的有效性分析[J].系统工程理论论与实践,2000,(14)2:38-40.

[4]Wiley E O Entropy and Evolution,entropy.information and Evolution[M].Massachusetts Institute of Technology,2000.

[5]程启月.作战指挥决策运筹分析[M].北京:军事科学出版社,2004.

土地结构熵 篇8

创新集群是一种基于产业创新和协同创新的高端创新组织方式, 通过协作发展、竞争和共享信息、金融和市场, 以及政府服务形成集群优势。创新集群为国家和地区的创新, 以及经济迅速发展提供了强劲的支撑和动力。

创新集群是经济合作与发展组织 (OECD) 于1999年提出的提升创新能力的新思路, 是指由企业、研究机构、大学、风险投资机构 、中介服务组织等构成, 通过产业链、价值链和知识链形成战略联盟或各种合作, 具有竞争优势的集聚经济和大量知识溢出特征的技术——经济网络。[1]

研究创新集群有对提高国家竞争力、提高国民生活水平有着深远的意义。然而创新集群是一个复杂开放的系统, 变量众多, 为定量分析带来了不小的挑战, 幸而耗散结构理论为研究复杂开放的系统提出了一种行之有效的手段。

二、耗散结构理论概述

耗散结构理论是比利时布鲁塞尔非平衡统计物理学派领导人普利高津 (Prigogine) 教授于1969年提出的一种科学理论, 该理论是研究开放系统在远离平衡的非线性区从混沌向有序转化的机理和规律的理论。[2]耗散结构理论的核心观点是一个远离平衡态的开放系统, 通过不断地与外界进行物质和能量交换, 在外部条件和系统内部某个序参量变化达到一定阈值时, 通过涨落, 系统就可能发生突变, 由原来的混沌无序状态, 变为一种在时间、空间和功能上的有序结构, 这种在远离平衡态所形成的新的有序结构即为耗散结构。

三、创新集群耗散结构特征

一个系统适用耗散理论必须满足以下三个条件:一是开放系统;二是系统处于远离平衡态的非线性区;三是涨落现象。

创新集群是一个远离平衡态的开放系统, 需要不断地与外界进行物质、信息和能量交换, 客观上满足耗散结构特征。

1.创新集群是开放系统。

在一个孤立的系统中, 熵会不断增加, 系统会逐渐趋向无序最终衰亡。创新集群要想生存和发展, 必须不断地与外界进行信息、资金和物质交流, 不断地从系统外部引进资源和人才, 以满足创新集群的有序演进, 并建立自身的竞争优势, 最终会有大量的新知识、新产品乃至新兴产业溢出。

2.创新集群处于远离平衡态的非线性区。

在创新集群中, 各企业、研究单位、高校、中介机构, 以及政府机构是不同质的, 发展是不均衡的, 各组成单位之间的要素禀赋也存在差异性, 所以创新集群处于非平衡态。并且创新集群中各成员之间存在着动态的非线性关系, 如多方合作、多方监督、知识溢出、技术转移、合作方互相持股等非线性合作与竞争关系。集群内部通过催化与自催化作用产生非线性协同放大作用, 因此创新集群系统内, 各要素之间的作用是非线性的。

3.涨落现象触发了创新集群中耗散结构的形成。

所谓涨落就是一种随机的干扰, 这种扰动的性能和结构非常复杂, 难以控制。当系统处于远离平衡态的非线性区域时, 任何一个微小的涨落都可能通过非线性作用机制的不断放大形成“巨涨落”, 相当于打破系统的原有结构, 形成一个新的有序结构。[3]创新集群内部和外部中都有随机的干扰出现, 如良好的政策出台, 大量的信息、技术、知识、资金集聚, 促进新的知识, 以及产品出现, 新的合作关系形成, 甚至于产生新的企业、新的产业。以中关村为例, 中关村每年创办企业3000余家, 创制了第三代移动通信TD-SCDMA、宽带无线接入McWill、闪联等86项重要国际标准和800余项国家标准等均是涨落的结果。因此创新集群中存在涨落现象。

综上, 创新集群具备形成耗散结构的条件。

四、熵流分析

在一个创新集群系统中, 熵来自两个部分, 分别为集群内部和外部。来自于系统内部的熵只能大小为正, 即如果创新集群固步自封, 随着时间的增加集群只会变得愈加无效、无序。来自于系统外部的熵可正可负亦可为零。此外, 在创新系统中还存在着一些比较难以界定的熵, 例如集群中的企业、高校, 以及科研机构可能会因为知识的转移或者研发形成新的知识, 使系统变得更加有序, 为负熵, 表面看起来这部分熵是由系统内部产生的, 而笔者认为这部分的熵应为一段时间以前系统从外部吸取的熵, 而当时该熵值未能对系统产生影响, 而是在延迟了一段时间之后对系统的熵值产生了影响。因此, 引入了时间概念之后的创新集群系统的熵值公式应为:

其中S (t) 表示t时刻时系统总熵值, S (t-1) 表示t-1时刻时系统总熵值, dSi (t) 表示t时刻时系统内部产生的熵值, 该熵只能为正, dSe (t) 表示t时刻时系统从外部吸取的熵值, 该熵可正可负可为零, uei (t) 表示t时刻以前系统从外部吸取的熵, 但该熵当时未对系统产生影响, 而是在延迟了一定时间后的t时刻对系统产生了影响, 该值可正可负可为零。

1.创新集群中熵流种类及产生因素

(1) dSi (t) 为系统内部产生的熵, 该熵只可能大于零, dSi (t) 的主要因素有以下几个:

①集群内部知识不更新、不转移, 导致知识陈旧, 不能产生创新的驱动力, 导致竞争力降低;

②集群内部组织松散, 集群内部各个单位随意行事, 无视规章制度;

③组织制度、管理能力、信息沟通能力落后, 不能适应集群的发展, 管理效率低下, 系统运行的效率低;

④随着时间的推移, 政策及其他软环境不能很好地支持创新集群的发展, 反而成为阻碍;

⑤生产技术和设备长期不更新换代, 导致生产能力、创新能力降低;

⑥随着时间推移, 集群内各单位更加懈怠、彼此互不信任, 沟通受阻, 合作意愿差;

⑦集群内部各单位各思己利, 一味追求自身利益最大化, 导致集体不理性, 集群内部矛盾上升, 集群走向瓦解、衰亡;

⑧集群内各单位之间没有制定良好的契约, 或者肆意违约, 知识产权没有得到良好的保护, 导致合作破裂;

⑨其他因素。

(2) dSe (t) 为系统外部产生的熵, 该熵可为正可为负可为零。正dSe (t) 的主要因素有以下几个:

①不可抗自然力量给创新集群系统带来的打击, 例如地震、海啸等;

②不可抗社会力量带来的破坏, 例如战争、政府禁令、罢工等;

③市场上不利于创新集群发展的急剧的需求变化, 例如替代产品的出现或者产品的更新换代;

④其他创新集群的强烈竞争, 例如其他创新集群的产品性能远超于该创新集群且价格低廉;

⑤其他因素。

这些因素可以看作是创新集群外部环境中的威胁。

负dSe (t) 的主要因素有以下几个:

①消费者偏好向有利于创新集群发展的方向改变;

②有利于创新集群发展政策的颁布、施行;

③融资环境、创新环境改善;

④其他因素。

这些因素可以看作是创新集群外部环境中的机会。

(3) uei (t) 为一定时间之前, 系统从外部吸取的熵, 但没有即刻产生效应, 而是与系统作用一段时间之后, 在t时刻产生了效应。

正uei (t) 的主要因素有以下几个:

①因为接受了错误的环境情报, 因此对集群内外部环境判断错误, 集群做出了错误的战略规划, 导致集群走向错误的方向;

②因为接受了不合时宜的知识、采用了不合时宜的技术及手段, 集群花费了大力气创造出了不实用的产品或者服务, 浪费了有限的资源;

③其他因素。

负uei (t) 的主要因素有以下几个:

①创新集群从外部引进了人才, 经过培训之后产生出了良好的作用;

②创新集群从外部引进了先进的知识, 经过知识转移、知识再创造等过程, 产生了新的适应市场的产品和服务;

③其他因素。

2.创新集群熵流模型图

通过对创新集群的熵流分析, 得出创新集群熵流模型图, 见图。

从上述对熵流的分析, 以及创新集群熵流模型图可以得出, 创新集群若要顺利演进, 必须从外界吸取负熵流。具体分析如下。

一个创新集群系统内部产生的中的熵dSi (t) 只能为正, 创新系统只能采取一定的措施, 降低系统内部产生正熵的速率, 以及大小, 主要是靠从外界吸取负熵并在集群内部转化成负uei (t) , 以及积极创造负的dSe (t) 来降低、抵消系统内部产生的熵。

创新集群系统外部产生的熵dSe (t) 可为正可为负可为零, 是集群面临的机会及挑战, 大部分情况之下, 集群并不能控制环境向有利或是不利的方向发展, 但是集群可以采取一定的措施, 影响外部环境。如进行广告宣传, 引导消费者的偏好向有利于创新集群发展的方向改变;给政府提出合理化建议, 积极游说政府, 出台有利于创新集群发展的国家政策;采取一定的措施规避不利环境产生的风险等。

一个创新集群演进最需要把握住的熵流就是uei (t) , uei (t) 能给创新集群带来最核心的竞争力。企业应该着重从以下几个方面着手, 获取负uei (t) 。

(1) 正确认识创新集群所处环境, 根据环境制定正确的战略规划, 并顺应外部环境的发展时时调整政策措施, 避免错误的战略使集群走向错误的方向;

(2) 根据市场需求采取适宜的手段, 以及生产技术生产产品。集群如计划创新出新的产品或者服务满足顾客的潜在需求, 一定要进行足够的市场调研并采取一定的措施防止资源浪费;

(3) 引进合适的人才, 并对人才进行训练及培训, 让人才发挥最大的作用;

(4) 创造学习环境、鼓励知识交流, 以及溢出, 促进知识的再创造;

(5) 提高产学研合作水平, 建立健全创新促进, 以及监督管理机制, 提高创新效率;

(6) 完善创新集群中的资金流、物流、信息流流通环境等。

五、结语

本文主要探索了耗散结构理论对创新集群系统的适用性, 并对创新集群的熵流进行了分析, 构建了创新集群系统熵流模型, 对集群的顺利演进进行了初步的探索提出了建设性的建议。创新集群系统熵流模型为的创新集群的分析提供了一种行之有效的系统的思路。如何将创新集群系统各种来源的熵流量化将是未来需要研究的课题。

摘要：研究创新集群有对提高国家竞争力、提高国民生活水平有着深远的意义。创新集群是一个复杂开放的系统, 而耗散结构理论为研究复杂开放的系统提供了一个行之有效的手段。文章首先阐述了耗散结构形成条件, 在创新集群的研究中引入熵的概念, 并分析说明创新集群是一个耗散结构;然后对创新集群中的正负熵流进行了分析和诠释, 构建出创新集群的熵流模型。

关键词：创新集群,耗散结构,熵流

参考文献

[1]钟书华.创新集群:概念, 特征及理论意义[J].科学学研究, 2008, 26:178～184.

[2]Prigogine, I. (1967) .Structure, dissipation and life[M].Institut de la Vie.

[3]刘明广.基于耗散结构理论的区域创新系统演化分析[J].商业时代, 2012 (8) :127～128.