土地利用空间优化配置研究进展

土地利用空间优化配置研究进展摘要：土地利用空间优化配置是指土地要素在地域空间上的定性、定量和定位，是目前的研究热点之一。本文依据国内外土地利用空间优化研究的最新成果，概述了土地利用空间优化的概念、理论体系及一般流程；重点阐述了土地利用空间优化配置的方法与模型，从理论原则、模型构建、算法优化、与GIS空间分析模块结合四个角度分析了各种土地利用空间优化配置方法的优缺点；最后提出土地利用空间优化配置的展望，认为土地利用空间优化仍可从理论完善、单个模型或算法的改进、转换规则的优化等几个方面进行提高。关键词：土地利用空间优化配置；模型；构建；算法改进；转换规则中图分类号：F301文献标识号：A文章编号：1001-4942（2015）03-0138-06ResearchProgressofSpatialOptimizationAllocationofLandUseXiePengfei，ZhaoXiaoqing*，ZhangLongfei（CollegeofResourceEnvironmentandEarthScience，YunnanUniversity，Kunming650091，China）AbstractSpatialoptimizationallocationoflanduse，oneofthehotissues，meansquality，quantityandspatialpositionoflandelementsinregionalspace.Inthispaper，theconcepts，theoreticalsystemandgeneralprocessofspatialoptimizationallocationoflanduseweresummarizedbasedonthelatestresearchresultsathomeandabroad.Themethodsandmodelsofspatialoptimizationallocationoflandusewerethekeyexplaination，andtheadvantagesanddisadvantagesofthemethodswereanalyzedfromtheoreticalprinciples，modelbuilding，algorithmoptimizationandcombinationwithGISspatialanalysismodule.Finally，theprospectofspatialoptimizationallocationoflandusewasputforward.Itcouldbeimprovedfromperfectingtheories，amelioratingasinglemodeloranalgorithm，andoptimizingtheconversionrules.KeywordsSpatialoptimizationallocationoflanduse；Model；Construction；Algorithmimprovement；Conversionrule土地利用优化配置（OptimizationAllocationofLandUse）是指开发利用土地，促进社会、经济、生态的协调可持续发展。这种优化主要是针对区域内特定土地资源在利用方式、数量结构、空间布局以及综合效益等方面的优化[1，2]。土地利用的数量结构优化是最先出现的研究课题[3，4]，然而随着研究的不断深入，以经济效益最大化为目标的数量结构优化已不能解决土地利用中存在的诸多问题，空间优化逐步成为目前土地资源优化配置的主要内容[5]。土地利用空间优化配置（SpatialOptimizationAllocationofLandUse）是指在既定的规划目标前提下，根据一定的技术手段和方法，对某一区域范围内的土地资源，从利用结构、利用方式、时空等角度进行系统、科学、综合的安排、设计和布局，并得到由点、线、面组成的多目标、多层次、目标效益最大化的土地利用空间配置方案[6]。当前RS、GIS以及信息科学技术的不断发展完善，以及对土地利用的动态监测、空间分析、模拟预测能力不断加强，越来越多的学者在土地利用数量结构优化研究的基础上，转而投入到对土地利用空间格局优化研究的方向上来。本文在前人研究基础上分析总结了土地利用空间格局优化的理论体系、基本流程以及优化方法，将有利于促进土地利用研究领域的完善和创新。1土地利用空间优化配置的理论体系土地利用空间优化配置是一个复杂、综合的过程，其目的在于合理利用土地资源实现区域社会、经济、生态协调与可持续发展。其理论体系主要包含以下几个方面。1.1区位论区位论是为寻求合理空间活动而创建的，最早的区位论是1826年杜能提出的“杜能圈”；典型的区位论还包括韦伯工业区位论、克里斯塔勒中心地理论以及廖什市场区位论。区位论从点、线、面等区位几何要素对地理空间布局的思想进行归纳演绎，对优化模型的构建以及从区域协调发展的角度提升空间地类转换的评判规则有较大的指导意义。1.2区域经济学理论从经济学的角度，重点对土地利用过程中产生的经济效益进行评价，主要包括增长极核理论、极差地租理论、土地报酬递减理论等。区域经济学理论对指导土地资源合理配置以获得最大经济效益、同时协调不同地域空间组织的资源诉求有重大影响，如对我国城乡土地一体化空间均衡规划研究等有较好的借鉴意义[6]。1.3生态学方面的相关理论首先，土地利用变化的过程也是生态景观格局演变的过程，为此将景观生态学的理论思想引入到土地空间格局优化中来具有重要的实际意义。其次，生态位理论将土地利用类型表述为不同的生态位，继而调整土地利用的空间布局。生态学的理论观点在土地利用空间优化过程中主要为建模提供决策依据，如MCR模型。1.4可持续发展理论该理论兴起于20世纪五六十年代，涉及自然、环境、社会、经济、科技、政治等多个方面，考虑公平性、持续性和共同性原则。可持续发展是土地空间优化所要考虑的重要内容，对土地利用空间优化的指导意义主要表现在约束函数以及转换规则的设定上。1.5最优化理论该理论是近十几年形成的，通过各种数学方法，如线性规划、随机规划等，为不同的系统提供优化途径及解决方案，主要针对管理问题和生产经营活动。土地利用空间优化既是管理问题又是一种生产经营活动，最优化理论的研究方法将对空间优化的建模过程形成比较透彻的思路。2土地利用空间优化配置的一般流程土地利用空间优化配置是从土地利用结构优化配置的基础上进一步发展而来，是土地利用优化的高级形式。依据配置的主要内容，其主体流程见图1。图1土地利用空间优化配置的一般流程空间优化配置必须在结构优化的框架下进行，原因在于空间优化是从时空的角度对土地要素进行布局，而这些土地要素在规划期内的最佳面积、合理比例等是通过结构优化实现的。因此，土地利用空间优化配置首先需要对区域土地利用现状进行分析，结合区域中各种自然、社会、经济条件，评价其土地利用的适宜性，并依据区域发展规划的目标制定数量结构优化方案，之后选定空间优化方法模型，结合空间地类的转换规则实现区域土地利用的空间优化配置。3土地利用空间优化配置的方法土地利用空间优化配置最早起源于对城市空间格局的研究，从1826年杜能发表《孤立国》一书开始到现在，土地利用优化经历了数量结构优化的成熟到如今空间结构优化兴起的过程[6]。对于土地利用的空间优化配置，国内外许多学者就相关领域做了大量的研究工作，如：Matthews等[7]采用GIS与环境模型相结合的空间决策方法，研究了农村土地利用规划的空间决策问题；Stewart[8]、Porta[9]等分别对遗传算法（GA）在多目标条件下和不同并行模式（多核并行、群集并行）下的土地利用空间优化进行模拟；王新生等[10]基于模拟退火算法（SA），研究了城市土地利用空间布局；Eldrandaly[11]采用基因表达规划算法（GEP），结合GIS的空间分析，认为能较好地实现多目标条件下的土地利用空间优化；黎夏等[12]采用基于神经网络和元胞自动机（CA）相结合的空间优化模型，改进了单CA模型在地类模拟转变中的不足，并减少了CA模型中复杂参数的设定；张鸿辉[13]、Ralha[14]等采用多智能体系统（MAS），分别以长沙市和巴西塞拉多地区的土地利用变化进行模拟，实证MAS，取得良好的效果；马世发[15]、刘小平[16]等基于微粒子群优化算法（PSO），依次对县域城镇土地利用空间布局及宏观经济变量和社会驱动力以及多限制条件下的大区域土地利用空间布局进行模拟。另外还有其他一些模型或者算法在土地利用空间优化配置中的应用等，如：最小阻力模型（MCR）、多目标土地利用空间配置法（MOSOLUA）、蚁群算法等。归纳起来，土地利用空间优化配置主要从理论原则、模型构建、算法优化等角度以及结合GIS的空间分析模块四个方面进行研究。3.1基于理论原则的土地利用空间优化方法不少学者从生态安全、土地资源综合承载力、土壤水分分布、土地开发适宜性评价、城乡用地统筹安排、基本农田保护等角度提出土地利用的相关控制目标，继而在这些理论研究的基础上对某一地区的土地利用空间布局进行优化。如李晖等在对香格里拉县生态用地规划时，认为构建不同的景观安全格局能够为区域性的生态用地规划提供对策，提出“源”外第一层为禁建区、第二层为限建区、第三层为适建区[17]。金志丰等[18]借助土地开发适宜性分区成果，提出宿迁市的差别化区域土地利用方式与管制措施，将宿迁市分为建设用地重点保障区和农用地重点保障区等6种类型区[18]。基于理论原则的土地利用空间优化，主要优点在于优化决策层的构建是建立在相关成熟研究基础上的，优化过程中所要考虑的控制因子易于寻求；但同时这也是该方法的缺点，即因素层单一，如基于土壤水分分布的空间优化，并不能很好地将生态、经济效益等其他方面考虑进去。总体上来说该方法比较简单实用。3.2基于模型构建的土地利用空间优化方法基于模型构建的优化方法是指针对土地利用空间优化过程中涉及到的优化影响因子，在规划目标的指导下，通过构建模型提出有组织规划的综合决策方案，其主体过程如图2所示。图2基于模型构建的土地利用空间优化过程模型构建法通过各种参数的运算结果计算土地利用类型图中各栅格的转换概率，来实现不同情景模式下或者目标前提下的土地利用空间布局。当前土地利用空间优化的模型构建方法较多，各种新模型的提出和对已有模型的改进是许多学者研究的重点，常见模型主要有以下几种，见表1。另外还有系统动力学模型（SD）、人工神经网络模型（ANN）、多目标土地利用空间优化模型（MOSOLUA）等，各种模型各有其优缺点。当前不少学者也在不断尝试将不同的模型结合起来，对特定区域的土地利用空间变化进行模拟，如黎夏等[13]采用基于神经网络的元胞自动机模拟复杂土地利用系统，此种方法的好处在于不需要用户去设定CA模型的转换规则，而是通过ANN-CA模型的纠正模块自动获取模型参数。模型构建法深受系统论思想的影响，能较为全面地考虑土地利用空间优化过程中的各种社会、经济、生态等限制因素，且模型能充分体现人的主观行为在土地利用中的作用，因而模拟过程更容易贴合现实情况，使优化结果较好，如基于MAS的土地利用空间优化中，Agent的设定范围可以涵盖现实中各个利益体对土地的诉求，能充分模拟现实情况。但是该方法涉及的驱动因素层较多，资料收集困难，寻优程序繁杂。模型名称模型概述特点应用实例多智能体系统（MAS）20世纪70年代末提出；多个具备自主性、交互性、反应性的Agent在给定行为知识库条件的限制下，自下而上，通过协调寻求整体最佳规划方案的一种模型。从土地利用主体出发，独立的Agent行为通过协调产生整体最佳结果，即将复杂的土地利用空间优化问题耦合成简单任务，同时Agent又具备一定的学习、适应和推理能力；可以克服单个Agent的知识不完全、处理问题不全面等缺点。[13]元胞自动机模型（CA）20世纪50年代StanislanUlam和Johnvon