基于GIS的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置研究進(jìn)展

張薇　甘德清　王曉紅

摘要 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是土地利用總體規(guī)劃的核心內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用的重要手段。而GIS以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和空間分析功能，在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該研究從GIS與數(shù)學(xué)模型結(jié)合、GIS與智能算法結(jié)合以及GIS在土地利用輔助決策3個(gè)方面入手，總結(jié)了GIS在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中的應(yīng)用，闡述了不同優(yōu)化方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了未來一定時(shí)期內(nèi)GIS應(yīng)用于土地利用優(yōu)化研究的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 GIS；土地利用結(jié)構(gòu)；優(yōu)化模型；空間格局

中圖分類號(hào) S28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）13-04089-03

Abstract Optimization allocation of landuse structure was the core content of landuse planning and that was the important way to realize the sustainable utilization for land resources. Given the powerful data management and spatial analysis function， GIS was used widely in the field of landuse structure optimization research. In this paper the author summarized the application of GIS in land use structure optimization study， expounded the advantages and disadvantages of different optimization methods and analyzed the development trend of the future period of application of GIS in optimization of land use.

Key words GIS； landuse structure； Optimization model； Spatial pattern

地理信息系統(tǒng)（GIS）屬于空間信息系統(tǒng)的范疇，是一種以采集、存儲(chǔ)、處理、查詢、分析和評(píng)價(jià)全球或區(qū)域與空間地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)[1]，其對(duì)數(shù)據(jù)的分析功能可直接服務(wù)于管理和決策系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，GIS以其獨(dú)特的空間分析能力、快速的空間定位搜索和復(fù)雜的查詢功能、強(qiáng)大的圖形處理和表達(dá)能力、空間模擬和空間決策支持等優(yōu)勢(shì)，被迅速?gòu)V泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置研究中，GIS更是以其獨(dú)特的空間可視化、空間導(dǎo)向和空間思維功能[2]，推動(dòng)了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化從單一的數(shù)量?jī)?yōu)化到空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展。將各土地利用類型、數(shù)量在地域空間上進(jìn)行合理的落位，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置。

筆者從土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型和方法入手，主要探討了GIS在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中的3種應(yīng)用方式，即GIS與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的優(yōu)化方法、GIS與智能算法相結(jié)合的優(yōu)化方法和基于GIS的土地利用優(yōu)化配置輔助決策系統(tǒng)。并分析了各種優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，為今后的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，也對(duì)GIS技術(shù)如何更好地服務(wù)于土地利用作了展望。

1 土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置研究進(jìn)展

土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置是為了達(dá)到一定的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)，依據(jù)土地資源的自身特性，對(duì)區(qū)域內(nèi)土地資源的利用類型在數(shù)量上科學(xué)安排，同時(shí)合理調(diào)整其空間布局的過程。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為土地利用中的核心內(nèi)容之一，是提高土地利用效率，實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[3]。世界范圍內(nèi)最早的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化可追溯到各國(guó)制定土地制度時(shí)期，早期的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化只停留在對(duì)土地定性分析階段。由于單純的定性分析沒有量化數(shù)據(jù)支撐，缺乏說服力，學(xué)者開始嘗試建立各種數(shù)學(xué)分析模型，如線性規(guī)劃模型[4]、多目標(biāo)規(guī)劃模型[5]等進(jìn)行定量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了土地利用結(jié)構(gòu)的數(shù)量?jī)?yōu)化。之后的一段時(shí)期內(nèi)，數(shù)量?jī)?yōu)化一直是土地利用優(yōu)化研究的熱點(diǎn)，但是它無法實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用的空間配置優(yōu)化。20世紀(jì)80年代以來，由于地理信息系統(tǒng)（GIS）日益成熟和大量應(yīng)用，為解決這一問題提供了重要的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了土地利用的空間配置優(yōu)化[6]。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化將朝著系統(tǒng)化、機(jī)理化、精確化、實(shí)用化方向發(fā)展。

2 基于GIS的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

2.1 GIS與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的優(yōu)化方法

目前，研究土地利用優(yōu)化配置的主要方法是模型法，數(shù)學(xué)模型對(duì)于科學(xué)配置土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)量起到非常重要的作用。隨著地理信息技術(shù)（GIS）的不斷發(fā)展，將GIS與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合研究土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為熱點(diǎn)。

2.1.1 GIS與線性規(guī)劃模型結(jié)合。線性規(guī)劃模型是土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最為常見的一種方法，張佳會(huì)等通過最優(yōu)線性規(guī)化方法對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化得出此方法適用于土地利用總體規(guī)劃[7]。由于土地利用系統(tǒng)的復(fù)雜性與多變性，單一的線性規(guī)劃模型存在目標(biāo)單一，缺乏空間性等問題，將GIS與線性規(guī)劃模型相結(jié)合應(yīng)用于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中，借助GIS的空間分析功能，彌補(bǔ)了線性規(guī)劃模型的不足。Chuvieco 應(yīng)用GIS作為線性規(guī)劃分析工具，在對(duì)土地適宜性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)空間屬性進(jìn)行優(yōu)化和變量組合，并在西班牙進(jìn)行了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置的實(shí)驗(yàn)[8]。周素紅等人應(yīng)用GIS與線性規(guī)劃模型相結(jié)合的方法對(duì)廣州市文沖村進(jìn)行“城中村”改造分析，以GIS為數(shù)據(jù)平臺(tái)，構(gòu)建在滿足城市土地利用規(guī)劃要求基礎(chǔ)上獲取最大效益的線性規(guī)劃模型，并以此為依據(jù)，制訂“城中村”改造建設(shè)方案[9]。

GIS與線性規(guī)劃模型相結(jié)合雖然廣泛應(yīng)用于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中，但由于線性規(guī)劃模型本身無法考慮所有的限制條件和優(yōu)化目標(biāo)的缺點(diǎn)，使這種方法存在一定的局限性。鑒于此，有學(xué)者提出將GIS與多目標(biāo)規(guī)劃模型相結(jié)合，應(yīng)用于土地利用研究中。

2.1.2 GIS與多目標(biāo)規(guī)劃模型結(jié)合。

多目標(biāo)規(guī)劃模型的最大優(yōu)勢(shì)在于具有多目標(biāo)、多方案性，可以充分放映土地利用結(jié)構(gòu)的可能性，為決策者提供最佳方案，將GIS與多目標(biāo)模型相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置過程的自動(dòng)化。申寶以四川省樂山市犍為縣為例，運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃模型與GIS手段相結(jié)合的方法，對(duì)犍為縣土地利用結(jié)構(gòu)的數(shù)量分配和空間現(xiàn)狀布局進(jìn)行具體分析[10]。Wang Xinhao等將GIS與多目標(biāo)規(guī)劃模型相結(jié)合建立了GIS/IFMOP綜合模型，以中國(guó)洱海流域?yàn)槔M(jìn)行了在流域尺度上土地資源的優(yōu)化配置的研究[11]。張紅瑞等人基于四川雙流縣土地資源開發(fā)利用的特征和土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整的不確定性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，采用GIS與多目標(biāo)規(guī)劃模型對(duì)雙流縣進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整[12]。該模型在GIS環(huán)境中，將用多目標(biāo)線性規(guī)劃方法計(jì)算出來的各種土地利用類型的數(shù)量配置到合理的空間位置，有利于規(guī)劃者充分應(yīng)用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)土地資源的管理。

在土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中，將GIS與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合彌補(bǔ)了數(shù)學(xué)模型空間優(yōu)化能力的不足，實(shí)現(xiàn)了土地資源數(shù)量上和空間上的合理配置，使土地資源管理和決策更加科學(xué)有效。然而，土地利用結(jié)構(gòu)不是一成不變的，隨著時(shí)間的推移在不斷發(fā)生變化，GIS與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的研究方法無法動(dòng)態(tài)模擬土地利用結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化。智能算法是專門研究復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動(dòng)態(tài)行為之間關(guān)系的一種特殊算法，與數(shù)學(xué)模型相比對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性較小、操作靈活、可塑性強(qiáng)，在模擬大型非線性動(dòng)態(tài)多重反饋系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢(shì)，將GIS與智能算法相結(jié)合使動(dòng)態(tài)模擬土地利用結(jié)構(gòu)成為可能。

2.2 GIS與智能算法相結(jié)合的優(yōu)化方法

智能優(yōu)化算法是通過模擬某一自然現(xiàn)象或過程而建立起來的優(yōu)化方法，具有適于高度并行、自組織、自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)等特征，為解決復(fù)雜問題提供了一種新途徑[13]。將GIS與智能算法相結(jié)合在一定程度上解決了以往土地資源優(yōu)化配置模型的非動(dòng)態(tài)、結(jié)構(gòu)單一等缺點(diǎn)。

2.2.1 GIS與元胞自動(dòng)機(jī)（CA）結(jié)合。

元胞自動(dòng)機(jī)（CA）在地理學(xué)中的應(yīng)用最早可追溯到20世紀(jì)60年代，Hagerstrand在他的空間擴(kuò)散模型研究中首先采用了類似于元胞自動(dòng)機(jī)的思想[14]。20世紀(jì)末，Clarke等提出將CA與GIS結(jié)合，GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)預(yù)處理、空間分析和可視化功能可以與CA形成良好的互補(bǔ)[15]。周成虎等在Batty & Xie的DUEM模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了面向?qū)ο蟮?個(gè)CA模型耦合的GcoCAUrban模型，該模型可以引入GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)、遙感土地分類等實(shí)際數(shù)據(jù)來模擬和預(yù)測(cè)具體城市的發(fā)展演化[16]。張顯峰等在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，從滿足GIS時(shí)空分析建模需要的角度出發(fā)，提出CA擴(kuò)展至少應(yīng)包括的4個(gè)方面，建立了城市土地利用演化過程模擬預(yù)測(cè)LESP模型，并對(duì)包頭市城市擴(kuò)展進(jìn)行了有效模擬[17]。將GIS與CA結(jié)合，通過分析多年的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)變化動(dòng)態(tài)模擬，科學(xué)推斷未來土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

2.2.2 GIS與遺傳算法（GA）結(jié)合。

遺傳算法這一全局優(yōu)化搜索算法，憑借其通用性、并行性和穩(wěn)健性，以及能在搜索空間高度復(fù)雜的問題上取得比其他算法更好效果的特點(diǎn)[18]，在城市規(guī)劃中得到了廣泛應(yīng)用。將遺傳算法與GIS相結(jié)合，成為近幾年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的熱點(diǎn)。袁滿設(shè)計(jì)了土地利用規(guī)劃多智能體決策框架，將多智能體在空間決策行為與遺傳進(jìn)化算子相結(jié)合，構(gòu)建基于多智能體遺傳算法的土地利用優(yōu)化配置模型，并選取武漢市蔡甸區(qū)開展了實(shí)例應(yīng)用研究[19]。黃海以經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益為目標(biāo)函數(shù)建立土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，采用遺傳算法進(jìn)行模型求解，并以重慶市合川區(qū)為例詳細(xì)介紹了具體應(yīng)用過程[20]。遺傳算法的內(nèi)在并行機(jī)制、全局優(yōu)化以及其初始搜索無需導(dǎo)數(shù)信息的特點(diǎn)，應(yīng)用到區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置中，明顯提高了區(qū)域土地利用經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，促進(jìn)了區(qū)域土地資源的可持續(xù)利用。

智能優(yōu)化算法可以很好地模擬空間的復(fù)雜性，與GIS相結(jié)合可以產(chǎn)生強(qiáng)大的地理空間模擬能力，在一定程度上解決了數(shù)學(xué)優(yōu)化模型的非動(dòng)態(tài)、結(jié)構(gòu)單一等缺點(diǎn)。不少學(xué)者還嘗試將其他智能算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、微粒群算法與GIS結(jié)合對(duì)土地利用系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。由于每種智能算法或多或少都有其不足之處，因此，在GIS的基礎(chǔ)上將各種優(yōu)化算法相結(jié)合，是未來研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 基于GIS的土地利用優(yōu)化配置輔助決策系統(tǒng)

土地利用優(yōu)化配置輔助決策系統(tǒng)是根據(jù)土地利用結(jié)構(gòu)的空間特征和相關(guān)性，采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，運(yùn)用空間數(shù)據(jù)庫(kù)存貯、管理和操作各類與土地利用有關(guān)的信息和數(shù)據(jù)。根據(jù)GIS空間分析的類型和工能，設(shè)計(jì)各種土地利用結(jié)構(gòu)空間分析軟件，在這些分析軟件的協(xié)調(diào)下，自動(dòng)完成土地利用結(jié)構(gòu)的分析及圖件等的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源利用進(jìn)行科學(xué)決策和管理的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。黃杏等多年潛心研究地理信息系統(tǒng)（GIS）支持的區(qū)域土地利用決策原理和方法，為土地利用優(yōu)化配置輔助決策系統(tǒng)的建立奠定了基礎(chǔ)[21]。隨后，王春玲設(shè)計(jì)了基于GIS的防護(hù)林空間配置調(diào)整輔助決策系統(tǒng)框架[22]，袁成軍等以貴州省黔西縣為例，研究了基于GIS的土地利用總體規(guī)劃實(shí)施評(píng)價(jià)決策支持系統(tǒng)[23]。這些方法是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)、專家?guī)?、方法?kù)和模型庫(kù)的集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、儲(chǔ)存與分析，為區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化決策提供系統(tǒng)支持。

3 結(jié)論與展望

GIS與數(shù)學(xué)模型結(jié)合，使土地利用的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為可能。將GIS與智能算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究從單向、靜態(tài)模型向動(dòng)態(tài)、持續(xù)規(guī)劃模型的發(fā)展。對(duì)基于GIS的土地利用優(yōu)化配置輔助決策系統(tǒng)的深入研究，將有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)決策和自動(dòng)化管理。然而，縱觀現(xiàn)有的土地利用優(yōu)化方法，雖然GIS被廣泛應(yīng)用，但絕大多數(shù)都是將模型與GIS松散耦合在一起，實(shí)際上GIS與模型要素仍然是獨(dú)立的，并不是真正意義上的緊密耦合，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)土地利用優(yōu)化配置的自動(dòng)化過程是一種障礙。另外，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法很多，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，在GIS的基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用多種優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)土地利用的數(shù)量和空間優(yōu)化、動(dòng)態(tài)模擬、效益優(yōu)化以及土地資源的可持續(xù)利用，將成為未來土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] CHRISMAN N R.Exploring Geographic Information Systems[M].New York：Jon Wiley&Sons，Inc，1997.

[2] 楊志恒.GIS空間分析研究進(jìn)展綜述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（3）：1918-1919.

[3] 李超，張鳳榮，宋乃平，等.土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的若干問題研究[J].地理與地理信息科學(xué)，2003，19（2）：20-25.

[4] 劉彥隨.土地利用優(yōu)化配置中系列模型的應(yīng)用[J].地理科學(xué)進(jìn)展，1999，18（1）：26-31.

[5] 譚淑豪.經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)土地可持續(xù)利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，24（3）：101-105.

[6] BENNETT D A.A framework for the integration of geographical information system and model base management[J].International Journal of Geographical Information Science，1997，11（4）：337-357.

[7] 張佳會(huì)，黃全富，王力.最優(yōu)線性規(guī)劃法在士地利用總體規(guī)劃中的應(yīng)用[J].重慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，18（1）：36-39.

[8] CHUVIECO E.Integration of linear programming andGIS for land use modeling [J].International Journal of Geographical Information System，1993（7）：3-19.

[9] 周素紅，吳智剛，周銳波.GIS 與線性規(guī)劃模型輔助“城中村”改造分析——以廣州市文沖村改造方案為例[J].規(guī)劃師，2009（3）：75-79.

[10] 申寶.基于多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].重慶：西南大學(xué)，2013.

[11] WANG X H，YU S，HUANG G H.Land allocation based on integrated GIS optimization modeling at a watershed level[J].Landscape and Urban Planning，2004，66：61-74.

[12] 王紅瑞，張文新，胡秀麗，等.土地利用區(qū)間數(shù)多目標(biāo)規(guī)劃模型及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008（8）：68-73.

[13] 雷德明，嚴(yán)新平.多目標(biāo)智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[14] CANDAU J，RASMUSSEN S，CLARKE K C.A Coupled Cellular Automaton Model for Land Use/Land Cover Dynamics[C]//4th International Conference on Integrating GIS and Environmental Modeling（GIS/EM4）：Problems Prospects and Research Needs.Banff Alberta，Canada，2000.

[15] CLARKE K C，GAZULIS N，DIETZEL C K，et al.A Decade of SLEUTHing：Lessons Learned From Applications of a Cellular Automaton Land Use Change Model[M]//FISHER P F.Classics from IJGIS：Twenty Years of the International Journal of Geographical Information Science and Systems.Boca Raton，F(xiàn)L：CRC Press，2006.

[16] 周成虎，孫戰(zhàn)利，謝一春.地理元胞自動(dòng)機(jī)研究[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[17] 張顯峰，崔偉宏.集成GIS和元胞自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行地理時(shí)空過程模擬與預(yù)測(cè)的新方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2001（2）：148-155.

[18] 云慶夏.進(jìn)化算法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[19] 袁滿，劉耀林.基于多智能體遺傳算法的土地利用優(yōu)化配置[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（1）：191-198.

[20] 黃海.土地利用結(jié)構(gòu)多目標(biāo)遺傳算法[J].山地學(xué)報(bào)，2011，29（6）：695-700.

[21] 黃杏，元高文，徐壽成.地理信息系統(tǒng)支持的城市土地定級(jí)方法研究[J].環(huán)境遙感，1993，4（8）：241-249.

[22] 王春玲.基于GIS的防護(hù)林空間配置調(diào)整輔助決策系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（16）：7039-7041.

[23] 袁成軍，何騰兵，李屹旭，等.基于GIS的土地利用總體規(guī)劃實(shí)施評(píng)價(jià)決策支持系統(tǒng)——以貴州省黔西縣為例[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（2）：108-111.