基于多目标规划的盐城市土地利用结构优化研究

唐文帅

摘要以盐城市为例，综合考虑经济效益、生态效益和社会效益，采用多目标规划方法，通过构建土地利用結构多目标优化体系，设置土地利用结构利用优化约束条件和目标函数，提出土地利用结构多目标优化方案和决策选择，对盐城市土地利用结构进行优化研究。结果表明：运用灰色多目标方程，利用WIN-QSB中的GOAL Programming模块进行优化，共得到6个方案，方案3是土地利用结构熵与综合利用效益分析优化选择方法下最合理的优化方案，方案1是序参量指标体系灰关联分析优化选择方法下最合理的优化方案。利用序参量指标体系进行灰色关联分析，对方案1和方案3进行对比分析得出，方案1是6种方案中的最优方案。

关键词多目标规划；土地利用结构优化；盐城市

中图分类号F301.2文献标识码A文章编号0517-6611（2017）35-0209-04

AbstractTaking Yancheng as an example， considering the economic benefits， ecological benefits and social benefits， a multiobjective programming method was adopted to construct a multiobjective optimization system of land use structure， and the optimal constraint conditions and objective function of land use structure were set up to propose the land use structure multiobjective optimization plan and decisionmaking， and optimize the land use structure in Yancheng.The results showed that using the gray multiobjective equation and the GOAL Programming module in WINQSB， 6 programs were obtained.Program 3 was the most reasonable optimization solution under the optimal selection of land use structure entropy and comprehensive utilization benefit analysis. Program 1 was the most reasonable optimization solution under the optimal selection of gray relational analysis index system.By using gray relational analysis of index parameter index system， the contrastive analysis of program 1 and program 3 showed that program 1 was the optimal scheme among the 6 programs.

Key wordsMultiobjective programming；Land use structure optimization；Yancheng City

我国城镇化的不断推进伴随着城市蔓延和土地非农化过程，由于土地自然供给的稀缺性和不断增长的土地需求，不合理的土地利用方式，导致人地关系结构的紊乱和系统的无序，土地利用系统呈现出无序化的发展，严重制约经济社会的发展。土地供应稀缺已成为我国城市发展和经济增长的“瓶颈”，耕地面积减少对我国粮食安全和生态安全直接构成威胁。面对城乡土地利用与保护的两难问题，国家运用手中掌握的规划权进行土地利用规划，而土地利用规划最重要的内容就是土地利用结构优化[1]，运行良好的土地利用结构有利于土地的发展。如何保证土地利用结构运行良好，这就需要从土地利用系统去考虑，土地利用结构关系到土地利用系统功能的实现。

虽然我国学者在土地利用结构优化方面开展了大量研究，取得了颇丰的研究成果，但基于多目标规划的土地利用结构优化研究成果偏少。鉴于上述情况，在新型城镇化的背景下，在现行规划体系和规划思路的框架下，如何应对外界环境和政府决策中的不确定因素，推进城乡土地统筹配置，开展土地利用结构优化研究，已成为当前我国土地资源管理理论与实践中迫切需要解决的重要课题。

1数据来源与研究方法

1.1数据来源

研究经济社会数据来源于《盐城市“十二五”规划纲要》《盐城统计年鉴2014》及《盐城市2014年国民经济和社会发展统计公报》；土地利用现状数据来源于2014年变更调查数据，土地利用规划数据来源于《盐城市土地利用总体规划（2006-2020年）》；其他数据来源有《盐城市生态文明建设规划（2013-2022）》《盐城市生态红线区域保护规划》等。

1.2研究方法

1.2.1

土地利用结构信息熵。土地利用结构信息熵的实质就是根据土地利用的布局结构，经过一定的算法，确定土地利用的有序程度。土地利用结构信息熵用以衡量土地利用系统的有序程度，当土地利用结构信息熵的值越小，说明产生的影响小，其土地利用系统则相应表现为有序，反之，则相反。

1.2.2

灰色多目标线性规划方法。灰色多目标线性规划方法是比多目标线性规划方法更优越的规划方法。不仅保证了多目标的实现，还将具有动态性的数据考虑在内，进行动态的线性规划。灰色线性规划保证了不确定性。灰色系统理论认为，在模型构建、分析、预测过程中都有灰数的存在，因此可以把预测的目标和决策的目标确定在一个灰色的平面或灰靶的满意区间之内。灰色多目标线性规划方法即在多目标规划的导向下，只要存在一个系数的值是灰色的，那么就可以运用灰色系统理论进行确定。

目标函数：maxf（x）=nj=1（Cj）xj（j=1，2，3，…，n）

其中，（Cj）=[（c1），（c2），…，（cn）]

（A）=

（a11）（a12）…（a1n）

（a21）（a22）…（a2n）

（am1）（am2）…（amn）

（Bi）=[（b1），（b2），…，（bm）]T

式中，xj为约束系数；Cj为效益系数；bi为约束常数；m为约束条件的个数。为实现动态规划，和需要通过多种方法进行综合预测，以获取符合当地实际情况的白化值。

2结果与分析

2.1土地利用结构多目标优化体系构建

2.1.1

设置变量。依据土地利用现状分类，结合考虑盐城市土地资源的利用特点和变化趋势，保证耕地总量动态平衡，满足土地用途管制的要求，结合数据的可操作性，设置了8个变量（表1）。其中农用地变量包括耕地、园地、林地和草地；建设用地变量设置为城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地。

2.1.2目标函数的建立。

2.1.2.1经济效益目标。经济效益目标函数旨在达到经济效益最大化，因此以经济效益目标方程为：

maxf1（x）=∑Ci·xi

式中，Ci代表效益系数，由各种地类的产出效益Cj与其权重Wj相乘而得；xi表示各土地利用类型。根据盐城市土地利用类型的实际特点，在计算出各类型土地产出效益的基础上，将第一产业中农业产出值作为耕地x1和园地x2的产出值，将林业产出值作为林地的产出值，另外，水域及水利设施用地的产出值主要以渔业产出值来表达，交通运输用地产出值由交通运输产业的产出值表示，最后，将除去交通运输产业产出值的第二、三产业值作为城镇村及工矿用地的产出值[2]。

根据盐城市统计年鉴有关数据，采用趋势预测法预测2020年各类土地的产出效益，得到Cj=（10.581，10.581，0503，18.581，698.220，255.817，35.586，20.562），基于相关文献所得研究成果[3]和盐城市实际情况调整，获得权重Wj=（0.097 8，0.114 4，0.104 5，0.063 2，0.281 2，0.155 4，0.110 2，0.072 1），将各类土地的权重与产出效益相乘，得到效益系数：

Ci=（1.035，1.210，0.053，1.174，196.339，39.754，3922，1.483）

经济效益目标函数为：

maxf1（x）=1.035x1+1.210x2+0.053x3+1.174x4+196339x5+39.754x6+3.922x7+1.483x8）

2.1.2.2生态效益目标函数。生态效益目标函数主要目的是保护土地生态功能，实现土地生态效益最大化而设立的。根据已有的研究成果[4]，主要应用生态绿当量来定义生态效益，其主体主要包括耕地、园地、林地等。

生态效益目标函数为：

maxf2（x）=（8j=1gixjS）×100%

式中，gi为各类土地的平均绿当量，根据相关文献，gi的计算主要是依据日本专家根据调查法获得各类生态环境功能的评分分值表[5]。将各类型土地的生态环境功能评分值计算后获取生态绿当量，在此基础上依据生长期与熟制，盐城市稻谷类作物基本上一年两熟，因此需要乘上成长期系数067，最后获取平均绿当量gi。g1=0.5，g2=0.494，g3=1，g4=0.494。另外由于水域及水利设施用地可以暂作水田处理，即g1=g7=0.5。而建设用地包括城镇村及工矿用地和交通用地没有为环境提供价值，因此不存在生态绿当量，所以g5=g6=0。

2.1.2.3

社会效益目标函数。社会效益目标函数主要是为了得到社会效益最大化而建立的，目的在于维护区域社会的长足发展，需要考虑到粮食产量、建设用地人均面积等一系列指标。但是由于社会效益目标比较复杂，不能一一考虑到每一个因素，即便考虑到有些指标也未必能找到指标匹配，拟将社会效益内化为约束条件融入其他2个目标中去[6]。

2.1.3

约束条件的建立。约束条件是用以限制目标函数，该研究根据盐城市的土地利用结构变化驱动因素分析以及利用现状情况，并在此基础上结合经济效益、生态效益和社会效益三方面选择相关约束条件，共计12个约束条件。其中粮食需求量约束和人口总量约束采用趋势预测法进行预测。

2.2土地利用结构多目标优化方案决策

在土地利用结构优化中，不能仅仅满足于一个最优方案，由于规划实施中存在不确定性，往往现在的最优方案并不适用于未来。考虑到这一点，笔者将理论与实践相结合，为提高规划的实用性和可操作性，构建灰色多目标方程，应用WIN-QSB中的GOAL Programming模块进行土地利用结构优化，由于灰色系数的存在，共得到6個方案。

由于“规划悖论”的存在，在土地利用结构优化过程中得到的优化结果是不确定的，因此不能断定存在完美的最优方案。虽然不能消除不确定性的影响，但是进行规划的过程中可以适当减轻其不确定性的影响，预留弹性以应对未来的不确定性。所以该研究在进行土地利用结构优化方案的选择时，需要考虑到不确定性的存在，并不旨在于得到最优方案，而是采用2个方法进行优化方案的选择并进行对比。第一个方法是土地利用结构熵结合生态效益和经济效益公式得到的方案，第二个方法是根据序参量指标体系与优化后的6个方案的土地利用结构熵再进行灰色关联度分析，选取关联度高的方案。

2.2.1

优化方案的提出。在土地利用结构优化中，并不能仅仅满足于一个最优方案，由于规划的不确定性，未来的不确定性，时间的不确定性，往往现在的最优方案并不适用于未来。鉴于此，该研究将理论与实践相结合，考虑到实用性和可操作性，运用灰色多目标方程，利用WIN-QSB中的GOAL Programming模块进行优化，共得到6个方案（表3）。

从表3不难发现，所有方案相比于之前的土地利用现状分类面积都有所优化，林地面积减少，耕地面积增加，建设用地面积相应变动。但各个方案的优化侧重点不同，如方案2，耕地面积达到909 823.52 hm2，与其他方案相比，建设用地中的城镇工矿用地面积和交通设施面积都下降，这与经济发展情况不符。在观察方案6，相比于其他方案。建设用地面积增长过快，导致园地、林地面积大幅下降，这与保护生态环境的初衷不符。

序号No.约束因素Constraints约束因子表达式Constraint factor expression

1土地总面积约束L总=x1+ x2+ x3+ x4+ x5+ x6+ x7+ x8=1 693 128.15 hm2

2耕地动态平衡约束x1≥848 145.50 hm2

3人口总量约束 a1（x1+ x2+ x3+ x4+ x5）+ a2（x6+ x7+ x8）≤P， a1为农用地平均人口密度， a1∈（5.43，5.55）， a2为城镇用地平均人口密度， a2∈（11.70，13.94）， P为2020年预测人口，为900万

4粮食需求量约束X1≥（Sa× P）/（b×fr×f0），Sa为人均用粮标准， b为粮食单产，b∈（5 897，5 933）

5建设用地控制建设用地总量规模控制：x5+x6+x7≤288 185.00 hm2

新增建设用地控制：x5+x6+x7≤10 790.00 hm2

人均建设用地约束：x5+x6+x7≤P×a3，a3为目标年人均建设用地系数，为130

绿当量约束：（0.5 x1+0.494 x2+x3+0.494 x4+0.5 x7）/ 13 60 761.86×100%≤1

6土地利用率约束x8≤ x1×（1-r），x9为未利用土地面积，x1为土地利用总面积，r为目标年所达到的土地利用率。

7宏观计划约束城镇工矿用地规模：x5≥78 076.28

8数学模型约束非负约束：xj≥0（j=1，2，…，8）

2.2.2优化方案选择方法。

2.2.2.1

土地利用结构熵与综合利用效益分析。在优化方案的选择时，要将优化后所产生的经济效益、生态效益和社会效益考虑在内。所以，该研究在进行优化方案选择时，应用土地利用结构熵及其熵变值，结合经济、生态效益值的计算对盐城市6个土地利用结构优化方案进行评价，选择其中较优方案，计算结果见表4。

由表4可知，在盐城市土地利用结构优化方案中，从熵变值看，熵变最小的是方案3，说明方案3的各土地利用类型差异比较小，说明该优化方案较为合理。再看各方案的3种效益，在經济效益中，方案6的经济效益最高，说明方案6比较偏重于经济发展，但其生态效益是最低的，且熵变较大，说明该方案土地利用结构相比于其他方案较不合理；在生态效益中，方案2的生态效益比其他方案都高，而且经济效益比其他方案都低，说明方案2高度注重环境的保护，关注生态，但过低的经济效益不能带来宁波的发展，因此方案2也是不合理的。方案1与方案3相比，生态效益相差不大，但是在经济效益上不如方案1高，且其熵变变化较大，因此，方案3是这种优化选择方法下最合理的优化方案，是在效益趋向下比较合理的方案。

2.2.2.2

序参量指标体系灰关联分析。在进行优化之后，为保证优化后的方案能够满足土地利用系统的协调及实现系统的良好运行，需要与序参量指标体系相关联。优化后的6个方案也许经济效益和生态效益都很高，但如果对土地利用系统的运行产生负面影响，这就不是一个好的方案。而在土地利用结构协调性评价中，运用协同学原理构建的序参量指标体系，就可以很好地实现土地利用系统运行与土地利用结构优化之间的关联。序参量指标体系是在土地利用各子系统中对系统取决定性作用的参量，通过优化后的土地利用结构熵与序参量指标体系进行灰关联分析，既可以保证利用结构的分布是合理的，又可以促进整个土地复合系统的有序运行。综上所述，该研究利用优化后的6个方案的土地利用结构熵与序参量指标体系进行灰关联分析，最后得到的关联度见表5。

如表5所示，方案1的土地利用结构熵最高，与序参量指标体系的关联度为0.960 92，也是6个方案中最高的，说明方案1的土地利用类型对序参量的关联度高，通过序参量指标又影响到土地利用各子系统的运行，从而影响土地利用系统的发展。因此，方案1是对土地利用系统良好运行较为优秀的方案。

2.2.3

优化方案对比分析。根据两种方法，选择出2个较优的土地利用结构优化方案：方案1和方案3。分别将2个方案与优化前的土地利用结构方案进行对比分析，有利于更直观地观察出优化后的方案的合理性。

由表6可知，方案1中，耕地（x1）面积比优化前增加4 279.49 hm2，林地（x3）面积减少1 654.94 hm2，园地（x2）面积减少2 044.91 hm2，草地（x4）面积变化不大，整体上农用地中耕地的比重依旧最大。在建设用地中，城镇村及工矿用地（x5）总体比优化前比重上升，交通设施用地（x6）面积增加，水域及水利设施用地（x7）面积也有所增加，整体建设用地都有所增加，这与经济发展的常态是相吻合的。方案1是与土地利用系统合理运行关联度最大的优化方案，尤其独特的优越性，该方案能够保证系统的合理有序运行，是比较合理的方案。

方案3中，耕地（x1）面积比优化前增加了17 679.29 hm2，园地、林地、草地面积相应的减少了，其他农用地的面积也相应减少，在农用地中，各类土地面积之间的差距减小，说明农用地结构趋向于合理化发展；在建设用地中，居民地工矿用地的比重也有所上升，面积增加。另外，未利用地和其他土地的面积也呈现出不同幅度的下降，说明土地利用率提高，土地得到合理利用。在该方案中，其生态效益达到18 392.53万元，经济效益达到64 590.39万元，而且熵变较小，较为合理。

方案1和方案3这2个较优优化方案是基于不同的优化方法，如何判别2种优化方法的优劣，所选方案能否保证土地利用系统的协调有序发展，需要进行进一步对比分析。从表7可以看出，在土地利用结构熵及综合效益分析方法中，农用地面积比例更高，更注重农用地的发展，如耕地比例达到54.65 %，园地比例和农用地比例都高于序参量指标体系下的优化方案，且两者的建设用地比例相差不是很大，说明这一种方法更注重生态环境功能的发挥；在基于序参量指标体系下的灰关联分析方法中，可以发现，该结构对于各类土地类型结构的调整幅度不是很大，仅有耕地、林地和城镇村及工矿用地的比例做了稍微的调整。相较于前一种方法，在序参量指标体系关联下的优化方案更注重整体系统的协调性，因此对于整体优化结构改动的幅度不大，与系统有序发展相符。

综上所述，基于协同学的分析，考虑到土地利用系统整体的优化发展，利用序参量指标体系进行灰关联分析得到的优化方案即方案1是6种方案中的最优方案。该方案对土地利用结构进行优化，能够确保土地利用系统功能有效发挥；另一方面，通过对序参量指标体系的灰关联分析，可以保证该方案下的土地利用结构与序参量指标体系关联度高，换句话说，序参量是决定土地利用系统发展的决定性变量，关联度高，说明该结构有助于土地利用各子系统之间的协调及系统要素间的有序发展，从而实现土地利用系统优化的目的。

3盐城市土地利用结构优化政策建议

土地利用结构优化是实现盐城市土地利用规划的重要内容之一，不仅有利于改善城市环境，而且可以促进经济有效率的发展及社会环境的稳定。土地利用结构优化过程中，要合理保护农用地，严格控制建设用地规模，注重生态环境的保护，提高利用变化的动态监测技术，加强土地的信息化和技术化。

3.1提高区域土地利用集约度，提升区域土地利用效率

目前普遍存在一种土地利用现象：通过占用耕地、农用地来增加建设用地面积，促进经济发展，造成耕地减少，威胁粮食安全，而建设用地不断向外扩张。这是一种粗放的利用方式，是以破坏生态环境为代价的。鉴于此，盐城市政府需要提高土地利用效率，尤其是建設用地的集约利用率，可以通过整理农村居民点用地，挖掘未利用地潜力，整理废弃工矿用地等手段促进土地的集约利用。另外，要合理规划农用地内部用地，保护耕地、林地面积，坚持因地制宜的原则，保护生态环境。

3.2严格控制建设用地规模

随着城镇化的发展，建设用地不断向外扩张，不仅影响城市的功能，而且造成城市整体格局混乱、社会问题突出。在控制建设用地规模中，尤其要控制建设用地占农用地的规模，同时可以挖掘其内部潜力，包括促进农村居民点整治，盘活农村资源用地，从而促进集约利用，注重建设用地的合理配置和重复利用，促进旧城改造和“空心村”改造。严格执行相关单位建立的建设用地控制指标，促进经济集约发展。

3.3提高土地利用的技术化和信息化

使用传统的土地管理方式，精度低且成本高。在土地利用规划过程中，要结合GIS、RS和GPS技术，提高规划的信息水平。逐步实现动态管理和实时监测，对土地利用规划、计划执行情况实时追踪和监测，不断更新土地利用计划，尤其是基本农田的实时监测，保护基本农田。

3.4加强规划的公众参与度，呼吁公众自觉促进规划实施

规划的根本目的是为人民服务。因此在实施规划过程中，要提升公众的参与度，呼吁公众一起来规划。同时可以开展一些活动，提高公众对耕地的保护意识，提升公众对规划的知识，从而使盐城市全民参与规划，执行规划，保护规划。

参考文献

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