基于免疫克隆算法的土地復墾適宜性評價

文沛沨,夏建國,*,姜強

1.四川農業大學經濟管理學院,四川成都611130

2.四川農業大學資源環境學院,四川成都611130

基于免疫克隆算法的土地復墾適宜性評價

文沛沨1,夏建國1,2*,姜強2

1.四川農業大學經濟管理學院,四川成都611130

2.四川農業大學資源環境學院,四川成都611130

為優化土地復墾規劃設計，降低土地復墾成本，該研究構建了基于免疫克隆算法的土地復墾適宜性評價模型，并以“四川省巴廣渝高速公路工程”為調查對象進行了實證研究。結果表明：免疫克隆算法比較精確穩健，優化結果受參數影響較小，能夠合理地對地類面積進行高效優化組合，具有優秀的擴展性，并隨優化組合規模的擴大，它比線性規劃法更具解決復雜問題的優勢，從而使復墾土地在地類適宜的同時，滿足了土地成本適宜和質量適宜的要求，協調了不同土地利用約束的需求，提高了土地復墾效率，對工程復墾預算和復墾規劃設計具有現實指導意義，在土地復墾評價方面具有推廣應用價值。

免疫克隆算法;土地復墾;土地規劃;復墾成本;適宜性評價

土地復墾適宜性評價作為土地復墾的中心環節和項目決策的依據，不同土地復墾適宜性評價方法的選取將影響土地復墾適宜性評價結果的準確性和客觀性，進而影響土地復墾的決策工作[1-3]。

故基于前人成果[4,5]可知，土地復墾適宜性評價方法一般多采用極限條件法、指數和法、模糊綜合評價法、可拓法和人工神經網絡評價法等數學規劃模型分析法，即對數據結果或分布特征先作某種假定，按照一定準則建立顯式評價函數，對建立的評價函數模型進行實證的數據分析方法[6]。關于上述評價方法的研究成果相對集中于指標體系的構建及適宜性復墾方向的確定等方面，但從多目標約束角度出發來研究土地復墾適宜性評價的文獻尚未見報道。因此，該研究嘗試性地引入多目標優化算法[7,8]免疫克隆算法，以便將土地復墾適宜性評價問題轉化為一帶有約束條件的多目標優化問題進行研究。該研究以“四川省巴廣渝高速公路工程”復墾數據為基準數據進行實證研究，研究復墾土地在利用方向確定的同時，兼顧其他不同土地利用約束的需求，以期優化土地復墾規劃設計，降低土地復墾成本，為其他工程土地復墾適宜性評價研究提供一定的借鑒。

1 土地復墾適宜性評價模型

根據研究區復墾責任范圍和現狀，確定評價原則，建立適宜性評價指標體系，使用熵權法[9]確

1.1 免疫克隆算法模型

免疫克隆算法模型首先對抗體進行了編碼，計算抗體的適應度，然后循環運行克隆操作、變易操作、選擇操作，若達到最大進化代數或抗體適應度達到指定的終止條件，則結束進化[10]（圖2）。

圖1 基于免疫克隆算法的土地復墾適宜性評價模型Fig.1 Land suitability evaluation model based on immune clone algorithm

圖2 免疫克隆算法模型Fig.2 Model of immune clonal algorithm

1.2 免疫克隆算法操作步驟

（1）抗體編碼。免疫克隆算法的操作對象是抗體庫[8]，該文對抗原和抗體都采用實數的編碼方式，抗體初始化階段以正常狀態下的樣本作為初始抗體[10]。

（2）適應度函數。每個抗體的適應度是每個抗體對應的復墾成本，故以滿足不同土地利用約束的前提下使土地復墾成本C最低為優化目標的適應度函數為：（Kn代表復墾后臨時用地面積，cn代表各個地類的復墾成本）。

（3）克隆操作。克隆操作是依據免疫細胞和抗原的親合力大小對免疫細胞進行克隆繁殖，親和力越高，克隆繁殖的機會越大，克隆的數目越多[8]。具體的抗體庫P={a1,a2,…ai,…,an}的克隆操作C（）如下：

（4）變異操作。根據親和力對臨時種群實施高頻變異，其中變異率與親和力成反比，與抗原親和力較低的免疫細胞需經歷高頻變異來尋找具有更高親和力的免疫細胞[8]。即單位抗體按照一定的變異概率Pm隨機選取抗體中的1個或多個點進行變異操作，以形成新的抗體。具體抗體庫變異操作M（）為：

（5）克隆選擇操作。對經過克隆操作和變異操作的抗體庫進行再選擇優質個體，即適應度更高的抗體組成新的抗體庫[8]。具體操作為：

（6）結束條件。（a）抗體適應度達到指定的終止條件；（b）算法達到最大迭代次數。

2 實例研究

2.1 研究區概況

該研究以巴廣渝高速公路復墾用地為研究實例。該公路沿線農業植被占很大的比例，主要以紫色土和水稻土、黃壤、潮土為主。整個項目區境內，人口密度比較平均，人均耕地面積較大，耕地資源豐富，耕地質量等級較高，土地資源狀況良好。研究區臨時用地總面積450.2879 hm2，分為棄土場、施工生產生活用地、施工便道、取土場四種臨時用地類型，其中棄土場耕地137.2147 hm2，林地53.0890 hm2；施工生產生活用地耕地111.3732 hm2；施工便道耕地51.2347 hm2，林地71.7200 hm2；取土場耕地20.0229 hm2，林地5.6334 hm2。

2.2 評價原則的確定

土地適宜性評價顧名思義就是根據研究區土地的各種自然和非自然屬性，評定土地對于某種用途是否適宜以及適宜的程度[11]，故應遵循綜合原則、因地制宜原則、主導因素原則和最佳效益原則進行評價，實現土地相關經濟、生態和社會三大效益的高度統一。

2.3 評價單元和評價因子限制性等級標準的確定

2.3.1 評價單元的確定根據《巴廣渝高速公路初步設計報告書》，在公路建設過程中，主線及附屬設施屬于永久占用地，不能復墾，故該研究復墾適宜性評價單元范圍為除永久占地外的臨時用地，包括棄土場（81個）、施工生產生活用地（101個）、施工便道（252條）和取土場（14處）四種，評價單元共計529個，以下用L1、L2、L3、L4分別代表棄土場、施工生產生活用地、施工便道、取土場。

2.3.2 評價因子限制性等級標準的確定依據《土地復墾質量控制標準》（TD/T 1036-2013）以及相關土地文獻[11-13]，擬定出項目區評價因子主要有13個（表1和表2）。故依據《農用地質量分等規程》（GB/T28407-2012）和《農用地定級規程》（GB/T28405-2012），對參評因子進行賦值，把土地復墾適宜性評價等級數確定為4級標準：一等地為高度適宜（80～100分）；二等地為中度適宜（60～80分）；三等地為勉強適宜（40～60分）；四等地為不適宜（小于40分）（表1和表2）。故結合上述土地適宜性評價標準，經實地調查研究后確定土地破壞后復墾前研究區土地質量狀況，進行賦值。

2.4 評價因子和評價單元權重的確定

根據表1和表2確定研究區耕地類、林地類土地質量賦值，且由于每個參評因子對土地復墾適宜等級的影響程度不同，故需使用精度較高，客觀性更強的熵權法，計算確定研究區耕地和林地參評因子權重（表3和表4）和研究區評價單元權重（表5）。

表1 宜耕類復墾方向的限制性等級標準Table 1 Restrictive classification standards towards suitable reclamation direction

表2 宜林類復墾方向的限制性等值標準Table 2 Restrictive equivalent standards towards forestry reclamation direction

2.5 土地適宜復墾方向的確定

按照評價原則，該文依據相關等級標準和權重（表3、表4），將各評價單元的分值分別與參評因子計算所得權重相乘，并累積相加，即可確定各評價單元綜合評分。由此計算可知，除棄土場邊坡耕地適宜等級為四等地、林地適宜等級為三等地外，其他評價單元適宜等級都為二等地，所以可以確定研究區土地適宜復墾方向為耕地和林地兩種地類。

表3 研究區耕地類參評因子權重Table 3 Contestant factor weights of farmland in the study area

表4 研究區林地類參評因子權重Table 4 Contestant factor weights of forestry land in the study area

2.6 土地適宜面積組合的確定

2.6.1 問題描述近年來隨著經濟的發展，土地復墾的成本壓力增大，故該文土地復墾適宜面積組合以成本最低化作為優化目標。具體的優化問題描述如下：

約束條件：復墾后耕地總面積≥復墾前耕地總面積；土壤質量≥Q1；配套設施≥F2；生產力水平≥P3；K1，K2，…，Kn均為非負數，保留四位小數。

C為復墾工程的總成本（單位：萬元）；K1，K2，…，Kn分別代表各個臨時用地復墾后的面積（單位：公頃）；c1，c2，…，cn分別代表各個地類的復墾成本（單位：萬元/公頃）；Q1，F2，P3分別代表土壤質量約束、配套設施約束、生產力水平約束。

該文棄土場邊坡既定為林地，面積不再優化。且該文優化目標是土地復墾的成本，則將為耕地服務的交通運輸用地(溝渠)和水域及水利設施用地(生產道路)的成本歸入耕地復墾成本中，故復墾后地類只有耕地和林地兩種，并以研究區域內社會、經濟、生態環境和地類結構相近的土地復墾項目—遂廣高速公路復墾項目和遂西高速公路土地復墾項目的復墾成本作為參考，取其均值（表5）。

表5 研究區各臨時用地復墾成本Table 5 Cost of temporary land reclamation in the study area

2.6.2 優化結果該文使用免疫克隆算法模型對不同的進化次數、抗體群體大小、變異概率進行了實驗。如圖3所示，抗體群在第100代就已經收斂，可見使用免疫克隆算法進行土地復墾適宜性地類面積組合求解是高速的。故從表6中可以看出，伴隨抗體群規模的增大，免疫克隆算法的解變化幅度越小，免疫克隆算法找到最優解的概率也就越大。所以為了得到最優解，在計算時間適宜的前提下，適度擴大抗體群規模，增加迭代次數，以方便找到問題的最優解。具體來說，在前100次進化中最優成本具有顯著變化，降幅超過了200；但在100次進化后，最優成本穩定在6418.90萬元左右，并基本保持了穩定。故綜上可知該文選取進化次數為1000、抗體群體大小為500、變異概率為0.05進行參數優化，解得四種臨時用地的復墾后耕地面積分別為126.2219 hm2、111.3075 hm2、56.6667 hm2、25.6548 hm2，復墾后適宜性耕地總面積為319.8509 hm2，適宜性林地面積為130.4370 hm2，復墾后耕地較復墾前變動率為0.0012%，土地復墾的最低總成本為6418.90萬元。

表6 不同抗體規模的結果比較Table 6 Comparison of results from different size antibodies

3 結果有效性分析

為了保證免疫克隆算法結果的科學有效性，需對結果的有效性進行驗證。而線性規劃法可根據各種限制條件組合，選擇出最合理的計算方法，從而構建線性規劃模型以求得最合理結果[10]。故使用線性規劃模型對結果進行有效性驗證具有相當的可信度，其中單純形法是求解線性規劃問題的通用方法。則上述問題的線性規劃模型表述如下：

目標函數：

0≤K1≤157.4030，0≤K2≤111.3732，0≤K3≤122.9547，0≤K4≤25.6563，K1、K2、K3、K4均為負整數。

單純形法解得：面積分別為126.2219 hm2、111.3075 hm2、56.6667 hm2、25.6548 hm2，最低總成本為6418.90萬元，從而驗證使用免疫克隆算法進行土地復墾優化組合確實是行之有效的（圖3）。但對于土地復墾項目來說，不同地區地類復雜程度不一致，隨著土地復墾地類類型的增多，單純形法計算時間的復雜度成指數增長，計算時間太長，不適合處理大規模的優化問題[10]。故隨著類型的增多，適用于大規模優化組合問題的免疫克隆算法[8]較單純形法計算時間更短，具有更良好的擴展性，更具解決復雜問題的優勢。

圖3 免疫優化和線性優化對比Fig.3 Comparison between immune optimization and linear programming optimization

4 結論

該文運用免疫克隆算法，建立了確定土地適宜性復墾方向和復墾后適宜性地類面積組合的土地復墾適宜性評價模型，并運用巴廣渝高速公路土地復墾報告的相關數據資料，對模型進行了實例應證，通過對實例運算結果進行分析，得到了以下主要結論：

（1）基于免疫克隆算法的土地復墾適宜性評價模型，在確定適宜性復墾方向為耕地和林地的同時，定量分析了復墾后地類面積組合，確定復墾后適宜耕地面積為319.8509 hm2，適宜林地面積為130.4370 hm2，耕地總體變動率為0.0012%，最低的土地復墾成本為6418.90萬元，復墾后耕地較復墾前耕地面積略有增加。故可知，該評價模型計算結果精確詳實，其數據不僅為工程造價總預算中的土地復墾部分的預算提供了數據支撐，為工程造價總預算的準確性做出了貢獻，更便于復墾規劃人員在實際規劃設計時，對復墾總成本進行整體定量控制，對復墾后各臨時用地地類面積進行總量具體控制（特別是在臨時用地數量較多、規模較大的情況下），使各地類面積和復墾總成本定量向最合適宜的復墾后土地利用結構傾斜規劃，避免了各地類面積規劃的主觀性和盲目性。

（2）抗體群體大小、進化次數對最低復墾成本、耕地面積有一定的負向影響，但對不同的進化次數、抗體群體大小和變異概率而言，優化的結果中最低復墾成本變化幅度較小，即當接近最優解時，免疫克隆算法產生的最優新個體變化幅度不明顯，結果亦趨于穩定，達到一個恒定值，并使用了線性規劃法驗證了免疫克隆算法結果的有效性。表明免疫克隆算法的結果相對比較精確穩健，優化結果受參數影響較小，能夠迅速搜索到嚴格滿足約束條件的模型最優解。

（3）文中參考了生態環境、社會經濟環境和地類結構相近的土地復墾項目的平均成本，臨時用地選擇了通用的棄土場、施工生產生活用地、施工便道、取土場4種類型，地類類型只有耕地和林地兩種，不涉及其他土地類型，這些問題有待于進一步深入研究與探討。

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The Evaluation on Land Reclamation Suitability Based on Immune Clone Algorithm

WEN Pei-feng1,XIAJian-guo1,2*,JIANG Qiang2
1.College of Economics and management,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China
2.College of Resources and Environment,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China

In order to optimize the planning and design of land reclamation,lower land reclamation costs,construct a suitability evaluation model of land reclamation based on immune clonal algorithm taking"Ba Guang Yu Expressway Project in Sichuan province"as an empirical objective.Results showed that immune clone algorithm was more precise than before and optimization results affected by parameter smally,it could be reasonable to efficiently combine the class area and had an excellent enlargement,and with expanded combination scale,it had the advantage to solute the complex problem than linear planning method,thus made the reclamation land suitable and met the requirements of land cost and quality suitability, coordinated the needs for the utilization constraint of different lands,improved the land reclamation efficiency.There is a practical significance for the project budget of reclamation and planning design,and has been worthful for generalization in terms of the evaluation of land reclamation.

Immune clone algorithm;land reclamation;land planning;reclamation cost;suitability evaluation

F301.2

A

1000-2324(2015)03-0379-06

2013-07-11

2013-07-26

四川農業大學學科建設雙支計劃項目(2014);四川省學術和技術帶頭人培養基金項目(2014)

文沛沨(1988-),男,在讀碩士,研究方向:土地利用規劃.E-mail:310258565@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xiajianguo@126.com定相關評價單元和評價因子的權重，確定適宜性復墾方向，并引進免疫克隆模型原理，將土地復墾的約束條件（土地面積約束、質量指標約束）作為抗原，將問題的解（復墾成本最低和復墾質量最優）作為抗體，解的優劣通過親和函數進行判斷，新抗體通過克隆和變異實現繁殖，通過適度擴大抗體群規模，增加迭代次數，進行地類面積的大規模優化組合，從而找到問題的最優解，最終在滿足土地復墾約束體系的前提下，實現土地復墾質量最優和土地復墾成本最低的目標（圖1）。