基于多目標規劃的鹽城市土地利用結構優化研究

唐文帥

摘要以鹽城市為例，綜合考慮經濟效益、生態效益和社會效益，采用多目標規劃方法，通過構建土地利用結構多目標優化體系，設置土地利用結構利用優化約束條件和目標函數，提出土地利用結構多目標優化方案和決策選擇，對鹽城市土地利用結構進行優化研究。結果表明：運用灰色多目標方程，利用WIN-QSB中的GOAL Programming模塊進行優化，共得到6個方案，方案3是土地利用結構熵與綜合利用效益分析優化選擇方法下最合理的優化方案，方案1是序參量指標體系灰關聯分析優化選擇方法下最合理的優化方案。利用序參量指標體系進行灰色關聯分析，對方案1和方案3進行對比分析得出，方案1是6種方案中的最優方案。

關鍵詞多目標規劃；土地利用結構優化；鹽城市

中圖分類號F301.2文獻標識碼A文章編號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

我國城鎮化的不斷推進伴隨著城市蔓延和土地非農化過程，由于土地自然供給的稀缺性和不斷增長的土地需求，不合理的土地利用方式，導致人地關系結構的紊亂和系統的無序，土地利用系統呈現出無序化的發展，嚴重制約經濟社會的發展。土地供應稀缺已成為我國城市發展和經濟增長的“瓶頸”，耕地面積減少對我國糧食安全和生態安全直接構成威脅。面對城鄉土地利用與保護的兩難問題，國家運用手中掌握的規劃權進行土地利用規劃，而土地利用規劃最重要的內容就是土地利用結構優化[1]，運行良好的土地利用結構有利于土地的發展。如何保證土地利用結構運行良好，這就需要從土地利用系統去考慮，土地利用結構關系到土地利用系統功能的實現。

雖然我國學者在土地利用結構優化方面開展了大量研究，取得了頗豐的研究成果，但基于多目標規劃的土地利用結構優化研究成果偏少。鑒于上述情況，在新型城鎮化的背景下，在現行規劃體系和規劃思路的框架下，如何應對外界環境和政府決策中的不確定因素，推進城鄉土地統籌配置，開展土地利用結構優化研究，已成為當前我國土地資源管理理論與實踐中迫切需要解決的重要課題。

1數據來源與研究方法

1.1數據來源

研究經濟社會數據來源于《鹽城市“十二五”規劃綱要》《鹽城統計年鑒2014》及《鹽城市2014年國民經濟和社會發展統計公報》；土地利用現狀數據來源于2014年變更調查數據，土地利用規劃數據來源于《鹽城市土地利用總體規劃（2006-2020年）》；其他數據來源有《鹽城市生態文明建設規劃（2013-2022）》《鹽城市生態紅線區域保護規劃》等。

1.2研究方法

1.2.1

土地利用結構信息熵。土地利用結構信息熵的實質就是根據土地利用的布局結構，經過一定的算法，確定土地利用的有序程度。土地利用結構信息熵用以衡量土地利用系統的有序程度，當土地利用結構信息熵的值越小，說明產生的影響小，其土地利用系統則相應表現為有序，反之，則相反。

1.2.2

灰色多目標線性規劃方法。灰色多目標線性規劃方法是比多目標線性規劃方法更優越的規劃方法。不僅保證了多目標的實現，還將具有動態性的數據考慮在內，進行動態的線性規劃。灰色線性規劃保證了不確定性。灰色系統理論認為，在模型構建、分析、預測過程中都有灰數的存在，因此可以把預測的目標和決策的目標確定在一個灰色的平面或灰靶的滿意區間之內。灰色多目標線性規劃方法即在多目標規劃的導向下，只要存在一個系數的值是灰色的，那么就可以運用灰色系統理論進行確定。

目標函數：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為約束系數；Cj為效益系數；bi為約束常數；m為約束條件的個數。為實現動態規劃，和需要通過多種方法進行綜合預測，以獲取符合當地實際情況的白化值。

2結果與分析

2.1土地利用結構多目標優化體系構建

2.1.1

設置變量。依據土地利用現狀分類，結合考慮鹽城市土地資源的利用特點和變化趨勢，保證耕地總量動態平衡，滿足土地用途管制的要求，結合數據的可操作性，設置了8個變量（表1）。其中農用地變量包括耕地、園地、林地和草地；建設用地變量設置為城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地。

2.1.2目標函數的建立。

2.1.2.1經濟效益目標。經濟效益目標函數旨在達到經濟效益最大化，因此以經濟效益目標方程為：

maxf1（x）=∑Ci·xi

式中，Ci代表效益系數，由各種地類的產出效益Cj與其權重Wj相乘而得；xi表示各土地利用類型。根據鹽城市土地利用類型的實際特點，在計算出各類型土地產出效益的基礎上，將第一產業中農業產出值作為耕地x1和園地x2的產出值，將林業產出值作為林地的產出值，另外，水域及水利設施用地的產出值主要以漁業產出值來表達，交通運輸用地產出值由交通運輸產業的產出值表示，最后，將除去交通運輸產業產出值的第二、三產業值作為城鎮村及工礦用地的產出值[2]。

根據鹽城市統計年鑒有關數據，采用趨勢預測法預測2020年各類土地的產出效益，得到Cj=（10.581，10.581，0503，18.581，698.220，255.817，35.586，20.562），基于相關文獻所得研究成果[3]和鹽城市實際情況調整，獲得權重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），將各類土地的權重與產出效益相乘，得到效益系數：

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

經濟效益目標函數為：

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

2.1.2.2生態效益目標函數。生態效益目標函數主要目的是保護土地生態功能，實現土地生態效益最大化而設立的。根據已有的研究成果[4]，主要應用生態綠當量來定義生態效益，其主體主要包括耕地、園地、林地等。

生態效益目標函數為：

maxf2（x）=（8j=1gixjS）×100%

式中，gi為各類土地的平均綠當量，根據相關文獻，gi的計算主要是依據日本專家根據調查法獲得各類生態環境功能的評分分值表[5]。將各類型土地的生態環境功能評分值計算后獲取生態綠當量，在此基礎上依據生長期與熟制，鹽城市稻谷類作物基本上一年兩熟，因此需要乘上成長期系數067，最后獲取平均綠當量gi。g1=0.5，g2=0.494，g3=1，g4=0.494。另外由于水域及水利設施用地可以暫作水田處理，即g1=g7=0.5。而建設用地包括城鎮村及工礦用地和交通用地沒有為環境提供價值，因此不存在生態綠當量，所以g5=g6=0。

2.1.2.3

社會效益目標函數。社會效益目標函數主要是為了得到社會效益最大化而建立的，目的在于維護區域社會的長足發展，需要考慮到糧食產量、建設用地人均面積等一系列指標。但是由于社會效益目標比較復雜，不能一一考慮到每一個因素，即便考慮到有些指標也未必能找到指標匹配，擬將社會效益內化為約束條件融入其他2個目標中去[6]。

2.1.3

約束條件的建立。約束條件是用以限制目標函數，該研究根據鹽城市的土地利用結構變化驅動因素分析以及利用現狀情況，并在此基礎上結合經濟效益、生態效益和社會效益三方面選擇相關約束條件，共計12個約束條件。其中糧食需求量約束和人口總量約束采用趨勢預測法進行預測。

2.2土地利用結構多目標優化方案決策

在土地利用結構優化中，不能僅僅滿足于一個最優方案，由于規劃實施中存在不確定性，往往現在的最優方案并不適用于未來。考慮到這一點，筆者將理論與實踐相結合，為提高規劃的實用性和可操作性，構建灰色多目標方程，應用WIN-QSB中的GOAL Programming模塊進行土地利用結構優化，由于灰色系數的存在，共得到6個方案。

由于“規劃悖論”的存在，在土地利用結構優化過程中得到的優化結果是不確定的，因此不能斷定存在完美的最優方案。雖然不能消除不確定性的影響，但是進行規劃的過程中可以適當減輕其不確定性的影響，預留彈性以應對未來的不確定性。所以該研究在進行土地利用結構優化方案的選擇時，需要考慮到不確定性的存在，并不旨在于得到最優方案，而是采用2個方法進行優化方案的選擇并進行對比。第一個方法是土地利用結構熵結合生態效益和經濟效益公式得到的方案，第二個方法是根據序參量指標體系與優化后的6個方案的土地利用結構熵再進行灰色關聯度分析，選取關聯度高的方案。

2.2.1

優化方案的提出。在土地利用結構優化中，并不能僅僅滿足于一個最優方案，由于規劃的不確定性，未來的不確定性，時間的不確定性，往往現在的最優方案并不適用于未來。鑒于此，該研究將理論與實踐相結合，考慮到實用性和可操作性，運用灰色多目標方程，利用WIN-QSB中的GOAL Programming模塊進行優化，共得到6個方案（表3）。

從表3不難發現，所有方案相比于之前的土地利用現狀分類面積都有所優化，林地面積減少，耕地面積增加，建設用地面積相應變動。但各個方案的優化側重點不同，如方案2，耕地面積達到909 823.52 hm2，與其他方案相比，建設用地中的城鎮工礦用地面積和交通設施面積都下降，這與經濟發展情況不符。在觀察方案6，相比于其他方案。建設用地面積增長過快，導致園地、林地面積大幅下降，這與保護生態環境的初衷不符。

序號No.約束因素Constraints約束因子表達式Constraint factor expression

1土地總面積約束L總=x1+ x2+ x3+ x4+ x5+ x6+ x7+ x8=1 693 128.15 hm2

2耕地動態平衡約束x1≥848 145.50 hm2

3人口總量約束 a1（x1+ x2+ x3+ x4+ x5）+ a2（x6+ x7+ x8）≤P， a1為農用地平均人口密度， a1∈（5.43，5.55）， a2為城鎮用地平均人口密度， a2∈（11.70，13.94）， P為2020年預測人口，為900萬

4糧食需求量約束X1≥（Sa× P）/（b×fr×f0），Sa為人均用糧標準， b為糧食單產，b∈（5 897，5 933）

5建設用地控制建設用地總量規模控制：x5+x6+x7≤288 185.00 hm2

新增建設用地控制：x5+x6+x7≤10 790.00 hm2

人均建設用地約束：x5+x6+x7≤P×a3，a3為目標年人均建設用地系數，為130

綠當量約束：（0.5 x1+0.494 x2+x3+0.494 x4+0.5 x7）/ 13 60 761.86×100%≤1

6土地利用率約束x8≤ x1×（1-r），x9為未利用土地面積，x1為土地利用總面積，r為目標年所達到的土地利用率。

7宏觀計劃約束城鎮工礦用地規模：x5≥78 076.28

8數學模型約束非負約束：xj≥0（j=1，2，…，8）

2.2.2優化方案選擇方法。

2.2.2.1

土地利用結構熵與綜合利用效益分析。在優化方案的選擇時，要將優化后所產生的經濟效益、生態效益和社會效益考慮在內。所以，該研究在進行優化方案選擇時，應用土地利用結構熵及其熵變值，結合經濟、生態效益值的計算對鹽城市6個土地利用結構優化方案進行評價，選擇其中較優方案，計算結果見表4。

由表4可知，在鹽城市土地利用結構優化方案中，從熵變值看，熵變最小的是方案3，說明方案3的各土地利用類型差異比較小，說明該優化方案較為合理。再看各方案的3種效益，在經濟效益中，方案6的經濟效益最高，說明方案6比較偏重于經濟發展，但其生態效益是最低的，且熵變較大，說明該方案土地利用結構相比于其他方案較不合理；在生態效益中，方案2的生態效益比其他方案都高，而且經濟效益比其他方案都低，說明方案2高度注重環境的保護，關注生態，但過低的經濟效益不能帶來寧波的發展，因此方案2也是不合理的。方案1與方案3相比，生態效益相差不大，但是在經濟效益上不如方案1高，且其熵變變化較大，因此，方案3是這種優化選擇方法下最合理的優化方案，是在效益趨向下比較合理的方案。

2.2.2.2

序參量指標體系灰關聯分析。在進行優化之后，為保證優化后的方案能夠滿足土地利用系統的協調及實現系統的良好運行，需要與序參量指標體系相關聯。優化后的6個方案也許經濟效益和生態效益都很高，但如果對土地利用系統的運行產生負面影響，這就不是一個好的方案。而在土地利用結構協調性評價中，運用協同學原理構建的序參量指標體系，就可以很好地實現土地利用系統運行與土地利用結構優化之間的關聯。序參量指標體系是在土地利用各子系統中對系統取決定性作用的參量，通過優化后的土地利用結構熵與序參量指標體系進行灰關聯分析，既可以保證利用結構的分布是合理的，又可以促進整個土地復合系統的有序運行。綜上所述，該研究利用優化后的6個方案的土地利用結構熵與序參量指標體系進行灰關聯分析，最后得到的關聯度見表5。

如表5所示，方案1的土地利用結構熵最高，與序參量指標體系的關聯度為0.960 92，也是6個方案中最高的，說明方案1的土地利用類型對序參量的關聯度高，通過序參量指標又影響到土地利用各子系統的運行，從而影響土地利用系統的發展。因此，方案1是對土地利用系統良好運行較為優秀的方案。

2.2.3

優化方案對比分析。根據兩種方法，選擇出2個較優的土地利用結構優化方案：方案1和方案3。分別將2個方案與優化前的土地利用結構方案進行對比分析，有利于更直觀地觀察出優化后的方案的合理性。

由表6可知，方案1中，耕地（x1）面積比優化前增加4 279.49 hm2，林地（x3）面積減少1 654.94 hm2，園地（x2）面積減少2 044.91 hm2，草地（x4）面積變化不大，整體上農用地中耕地的比重依舊最大。在建設用地中，城鎮村及工礦用地（x5）總體比優化前比重上升，交通設施用地（x6）面積增加，水域及水利設施用地（x7）面積也有所增加，整體建設用地都有所增加，這與經濟發展的常態是相吻合的。方案1是與土地利用系統合理運行關聯度最大的優化方案，尤其獨特的優越性，該方案能夠保證系統的合理有序運行，是比較合理的方案。

方案3中，耕地（x1）面積比優化前增加了17 679.29 hm2，園地、林地、草地面積相應的減少了，其他農用地的面積也相應減少，在農用地中，各類土地面積之間的差距減小，說明農用地結構趨向于合理化發展；在建設用地中，居民地工礦用地的比重也有所上升，面積增加。另外，未利用地和其他土地的面積也呈現出不同幅度的下降，說明土地利用率提高，土地得到合理利用。在該方案中，其生態效益達到18 392.53萬元，經濟效益達到64 590.39萬元，而且熵變較小，較為合理。

方案1和方案3這2個較優優化方案是基于不同的優化方法，如何判別2種優化方法的優劣，所選方案能否保證土地利用系統的協調有序發展，需要進行進一步對比分析。從表7可以看出，在土地利用結構熵及綜合效益分析方法中，農用地面積比例更高，更注重農用地的發展，如耕地比例達到54.65 %，園地比例和農用地比例都高于序參量指標體系下的優化方案，且兩者的建設用地比例相差不是很大，說明這一種方法更注重生態環境功能的發揮；在基于序參量指標體系下的灰關聯分析方法中，可以發現，該結構對于各類土地類型結構的調整幅度不是很大，僅有耕地、林地和城鎮村及工礦用地的比例做了稍微的調整。相較于前一種方法，在序參量指標體系關聯下的優化方案更注重整體系統的協調性，因此對于整體優化結構改動的幅度不大，與系統有序發展相符。

綜上所述，基于協同學的分析，考慮到土地利用系統整體的優化發展，利用序參量指標體系進行灰關聯分析得到的優化方案即方案1是6種方案中的最優方案。該方案對土地利用結構進行優化，能夠確保土地利用系統功能有效發揮；另一方面，通過對序參量指標體系的灰關聯分析，可以保證該方案下的土地利用結構與序參量指標體系關聯度高，換句話說，序參量是決定土地利用系統發展的決定性變量，關聯度高，說明該結構有助于土地利用各子系統之間的協調及系統要素間的有序發展，從而實現土地利用系統優化的目的。

3鹽城市土地利用結構優化政策建議

土地利用結構優化是實現鹽城市土地利用規劃的重要內容之一，不僅有利于改善城市環境，而且可以促進經濟有效率的發展及社會環境的穩定。土地利用結構優化過程中，要合理保護農用地，嚴格控制建設用地規模，注重生態環境的保護，提高利用變化的動態監測技術，加強土地的信息化和技術化。

3.1提高區域土地利用集約度，提升區域土地利用效率

目前普遍存在一種土地利用現象：通過占用耕地、農用地來增加建設用地面積，促進經濟發展，造成耕地減少，威脅糧食安全，而建設用地不斷向外擴張。這是一種粗放的利用方式，是以破壞生態環境為代價的。鑒于此，鹽城市政府需要提高土地利用效率，尤其是建設用地的集約利用率，可以通過整理農村居民點用地，挖掘未利用地潛力，整理廢棄工礦用地等手段促進土地的集約利用。另外，要合理規劃農用地內部用地，保護耕地、林地面積，堅持因地制宜的原則，保護生態環境。

3.2嚴格控制建設用地規模

隨著城鎮化的發展，建設用地不斷向外擴張，不僅影響城市的功能，而且造成城市整體格局混亂、社會問題突出。在控制建設用地規模中，尤其要控制建設用地占農用地的規模，同時可以挖掘其內部潛力，包括促進農村居民點整治，盤活農村資源用地，從而促進集約利用，注重建設用地的合理配置和重復利用，促進舊城改造和“空心村”改造。嚴格執行相關單位建立的建設用地控制指標，促進經濟集約發展。

3.3提高土地利用的技術化和信息化

使用傳統的土地管理方式，精度低且成本高。在土地利用規劃過程中，要結合GIS、RS和GPS技術，提高規劃的信息水平。逐步實現動態管理和實時監測，對土地利用規劃、計劃執行情況實時追蹤和監測，不斷更新土地利用計劃，尤其是基本農田的實時監測，保護基本農田。

3.4加強規劃的公眾參與度，呼吁公眾自覺促進規劃實施

規劃的根本目的是為人民服務。因此在實施規劃過程中，要提升公眾的參與度，呼吁公眾一起來規劃。同時可以開展一些活動，提高公眾對耕地的保護意識，提升公眾對規劃的知識，從而使鹽城市全民參與規劃，執行規劃，保護規劃。

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