基于GLP模型的城市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策

田桐羽　玉梅　蘇虹

摘要：以呼和浩特市市區(qū)為研究區(qū)域，利用2009—2015年研究區(qū)域土地利用變更數(shù)據(jù)和相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，以影響城市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要因子為優(yōu)化決策要素，分別運用灰色模型GM（1，1）預(yù)測法和灰色線性規(guī)劃法（Grey linear programming，GLP）進(jìn)行各因子預(yù)測值區(qū)間和相關(guān)影響因子約束方程不等式的估算、構(gòu)建，并分別根據(jù)預(yù)測區(qū)間的上下限值，設(shè)計出兩個關(guān)于2020年研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置方案并進(jìn)行對比和擇優(yōu)。結(jié)果表明，以區(qū)間下限值為準(zhǔn)的優(yōu)化方案相比，取上限值的優(yōu)化方案在整體用地產(chǎn)出效益和單一類型用地的規(guī)模組合等方面均要優(yōu)于取下限值的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案以及現(xiàn)狀土地利用結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：土地利用；城市用地；灰色線性規(guī)劃；呼和浩特市

中圖分類號：F301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）18-0115-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.18.029 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Optimization of Urban Land Use Structure Based on GLP Model

——A Case Study of Hohhot

TIAN Tong-yu，YU Mei，SU Hong

（Geographical College，Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010022，China）

Abstract： Taking the municipal districts of Hohhot city as the study area， combined with the land use change data and social economic statistical data about the study area from 2009 to 2015， took some main factors for influence the structure optimization of city land use as the factors of optimal decision， respectively using GM（1，1） and GLP to estimate and construct the intervals of predictive value of the factors and inequality constraint equations， and respectively according to the interval prediction value of the limit to design two configuration optimization schemes of land use of the study area in 2020 and compared and optimized for it. The results show that compared to the optimization scheme of the interval of lower value， optimization scheme of the upper limit value in the efficiency of the whole land output and single type of land scale and combination was better than the optimization scheme of lower limit and current structure of land use structure.

Key words： land use； urban land； GLP； Hohhot

隨著中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和資源需求激增，人類加快了對區(qū)域土地利用的頻度，使得對土地利用結(jié)構(gòu)因時因地制宜的優(yōu)化調(diào)控已成為實現(xiàn)區(qū)域或城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性途徑之一。土地利用是指人類依據(jù)土地資源實體所附帶的多種自然或經(jīng)濟(jì)屬性功能，通過開展相應(yīng)的多部門經(jīng)濟(jì)活動對其加以開發(fā)、改造和保護(hù)的長期動態(tài)過程[1]，土地資源的優(yōu)化配置問題已發(fā)展成一個多目標(biāo)的不確定性決策問題。目前，對于不確定性條件下城市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究多見于生態(tài)視角的市域范圍農(nóng)用地資源的優(yōu)化配置，如劉彥隨[2]運用空間分區(qū)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、微觀設(shè)計等系列模型建立樂清市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以實現(xiàn)微觀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素與用地自然屬性的匹配和提高用地效率；但承龍[3]在提出代際公平原則的可持續(xù)土地利用規(guī)劃的基礎(chǔ)上構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會三大效益最大化的南京市土地利用多目標(biāo)線性規(guī)劃模型；段應(yīng)元等[4]運用灰色線性規(guī)劃法對民勤綠洲的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)計出基于土地資源優(yōu)化面積和水資源承載力最小的線性優(yōu)化模型，而以經(jīng)濟(jì)效益為視角對于經(jīng)濟(jì)活動集中、用地結(jié)構(gòu)變更相對凸顯的市轄區(qū)范圍內(nèi)的具體類型建設(shè)用地資源的優(yōu)化配置分析較少。

本研究以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)并采用Excel工具和MATLAB優(yōu)化工具對影響呼和浩特市市區(qū)內(nèi)各類具體類型農(nóng)用地和建設(shè)用地以及未利用地資源優(yōu)化配置的因子進(jìn)行GM（1，1）模型的預(yù)測值的估算與灰色線性優(yōu)化模型的設(shè)計，從而得出相應(yīng)因子約束條件的灰區(qū)間，并以灰區(qū)間上下限為基準(zhǔn)得出兩種方案并從中擇優(yōu)。研究結(jié)果對于有效解決呼和浩特市城市土地利用特別是建設(shè)用地布局對同期城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)對土地利用規(guī)劃需求的預(yù)見性有所欠缺的問題具有一定的參考價值，從而使不同類型土地資源于時空層面上均能得到最佳的布局。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法x

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)包括城市土地利用變更和社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)等發(fā)展領(lǐng)域統(tǒng)計資料，其中城市土地利用變更狀況數(shù)據(jù)主要采自于2009—2015年呼和浩特市土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)和《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面的數(shù)據(jù)主要來自相應(yīng)年份的《內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒》和《呼和浩特經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒》。

2 城市用地結(jié)構(gòu)實證分析

2.1 研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)變更狀況

以土地利用頂層結(jié)構(gòu)中所包含的農(nóng)用地、建設(shè)用地和未利用地等三大類用地作為定性劃分依據(jù)和定量評價角度，結(jié)合呼和浩特市轄區(qū)范圍內(nèi)2009年、2010年和2015年的相關(guān)用地類型結(jié)構(gòu)變化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對三大類用地總體結(jié)構(gòu)和各大類用地囊括的單一用地類型的變化特征、趨勢進(jìn)行分析和評價。

從三大類用地比重變更及其相互牽制關(guān)系來看，土地利用布局的變化與部門經(jīng)濟(jì)活動存在著較為明顯的對應(yīng)關(guān)系，區(qū)域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部門結(jié)構(gòu)的調(diào)整必然會引起用地類型構(gòu)成比重的變化[9]。因此，在用地總面積一定的前提下，研究區(qū)域新興產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的部門細(xì)化和規(guī)模擴(kuò)張必然會使農(nóng)用地的比重自2009年以來逐年減少而建設(shè)用地的比重不斷增加。雖然目前農(nóng)用地的比重仍遠(yuǎn)高于建設(shè)用地，如圖1所示，截至2015年底占到總面積的86.46%。另外，隨著建設(shè)用地面積擴(kuò)張的同時，未利用地特別是沙地、裸地等其他土地的數(shù)量也在明顯增多，至2015年底已占到1.32%的比重，說明該區(qū)域城市建設(shè)用地集約利用的程度欠缺，“攤大餅”式的建設(shè)用地擴(kuò)張現(xiàn)象仍然存在，造成部分土地資源原有功能逐步退化。

如圖2所示，從農(nóng)用地和建設(shè)用地的單一用地類型的變化特征和發(fā)展趨勢來看，農(nóng)用地的各種類型用地比重中耕地、林地和草地均占有較大的比重，截至2015年底分別占有32.01%、27.74%和20.40%的比例，同時自2009—2015年間出現(xiàn)了較大的削減幅度，特別是耕地面積比重的減少幅度在這7年間達(dá)到了6.38%；而林地和草地雖分別占20%以上的較大比重但削減幅度相對較小，其中草地比重的縮減幅度稍大于林地且可達(dá)到2.19%。水域和園地的面積比重小且削減幅度也較小，基本上可維持在相對穩(wěn)定的變化水平上。若不計人為控制措施的干預(yù)，預(yù)測在未來耕地和草地面積將會加快削減。與各類農(nóng)用地變化幅度總體差異程度相比，各具體類型建設(shè)用地所占比重的變化幅度和趨勢間存在相對較大的差異。至2015年底，居住用地和商服用地的比重可占到土地利用總面積和建設(shè)用地總面積的6.74%、55.20%，用地比重的年均變化幅度也較大，分別可達(dá)到11.21%和15.03%。交通運輸用地與前兩者相比，其在建設(shè)用地總體結(jié)構(gòu)中所占的比重適中而面積增長幅度最快，年均增幅可達(dá)22.46%。而工業(yè)用地的面積所占比重小，增長速度也相對緩慢且近年來呈現(xiàn)削減趨勢，可以認(rèn)為由新型工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的引進(jìn)與傳播而產(chǎn)生大量工業(yè)用地逐步轉(zhuǎn)型的現(xiàn)象。因此，建設(shè)用地規(guī)?？傮w上呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)張態(tài)勢，必須在滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對建設(shè)用地的合理需求的同時加強(qiáng)建設(shè)用地的集約利用和各功能分區(qū)的集中布局，以此加強(qiáng)對耕地和草地基本數(shù)量的保障。

2.2 用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策變量設(shè)置

按照變量獨立性、典型性和數(shù)據(jù)可靠性等變量設(shè)置的基本原則[10]，依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB-T21010-2015）和《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》（GB50137-2011）中的用地分類規(guī)范，本研究中以xj（j=1，2，…，n）為土地利用類型決策變量，共設(shè)置有11個變量：x1（耕地）、x2（園地）、x3（林地）、x4（草地）、x5（水域）、x6（居住用地）、x7（商服用地）、x8（工業(yè)用地）、x9（交通運輸用地）、x10（綠地與廣場用地）、x11（未利用地）。

2.3 灰色線性規(guī)劃模型的構(gòu)建

2.3.1 GM（1，1）預(yù)測分析 圍繞《呼和浩特市土地利用總體規(guī)劃（2006-2020）》中提出的土地資源供需矛盾突出、市轄區(qū)耕地后備資源不足等問題與經(jīng)濟(jì)行業(yè)間用地矛盾突出的挑戰(zhàn)[11]，對研究區(qū)域人口總量、糧食作物單產(chǎn)、地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)用地面積及其產(chǎn)出效益、工業(yè)用地和除工業(yè)用地外的其他類型建設(shè)用地的面積及其單位面積產(chǎn)出效益等與用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化有明顯約束作用的因素進(jìn)行灰色模型預(yù)測，具體結(jié)果如表1所示。

對于模型的模擬精確度檢驗，一般情況下認(rèn)為歷史同期的原始數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)間的平均相對誤差不超過2%，即可認(rèn)為模型的可靠性較高。除了工業(yè)用地單位面積產(chǎn)值的預(yù)測模型模擬精度稍低外，各主要約束因子的預(yù)測模型的可行性均較高，滿足線性規(guī)劃約束方程約束值的設(shè)置要求。

2.3.2 線性規(guī)劃約束條件分析 本研究的約束目標(biāo)年設(shè)定為2020年，結(jié)合GM（1，1）預(yù)測值和《呼和浩特市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》中的各類用地規(guī)劃指標(biāo)值，圍繞用地總量、單一用地面積、人口總量、糧食需求等要素，共設(shè)立9組約束方程式。

1）用地總量約束。自2010年以來，呼和浩特市轄區(qū)的總面積一直維持在2 054 km2，因此其中各類用地面積之和應(yīng)不大于研究區(qū)域的總面積，即：

1 822≤x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8+x9+x10+x11≤2 054

式中，設(shè)定用地總量約束表達(dá)式的用地總量 ∑xj（j=1，2，…，11）灰區(qū)間為1 822～2 054 km2，其下限為2015年已利用土地面積現(xiàn)狀值，上限為研究區(qū)域土地總面積。

2）經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約束。鑒于對土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化決策時需要結(jié)合不同類型用地所承載的相應(yīng)產(chǎn)業(yè)活動的經(jīng)濟(jì)效益，其中農(nóng)用地對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)主要為第一產(chǎn)業(yè)，工業(yè)用地對應(yīng)第二產(chǎn)業(yè)中工業(yè)部門，除工業(yè)用地外其他建設(shè)用地承載著是第三產(chǎn)業(yè)的部門經(jīng)濟(jì)活動。因此，三大類用地的數(shù)量約束條件式如下式所示：

3）耕地保有量約束。據(jù)《呼和浩特市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》中提出的截至2020年市區(qū)耕地保有量應(yīng)不低于574.29 km2的指標(biāo)值[11]，可將耕地保有量約束方程設(shè)為：

x1≥574.29

4）農(nóng)用地面積約束。呼和浩特市市區(qū)2015年農(nóng)用地總面積的現(xiàn)狀值和2020年的預(yù)測值分別為1 627.41、1 659.38 km2，同時考慮到社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對農(nóng)業(yè)基本資源的需求和宏觀經(jīng)濟(jì)計劃的要求，2020年農(nóng)用地面積應(yīng)不低于現(xiàn)狀值，農(nóng)用地面積約束的灰區(qū)間為1 627.41～1 659.38 km2，即：

1 627.41≤x1+x2+x3+x4+x5≤1 659.38

5）建設(shè)用地面積約束。據(jù)《呼和浩特市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020年）》中顯示市區(qū)2020年建設(shè)用地面積預(yù)期性指標(biāo)≤416.89 km2[11]，而2020年建設(shè)用地總面積預(yù)測值為446.45 km2，大于規(guī)劃指標(biāo)值。為保障城市農(nóng)用地的后備數(shù)量和維護(hù)城市生態(tài)環(huán)境，對建設(shè)用地總體規(guī)模予以適當(dāng)調(diào)控，使之適應(yīng)規(guī)劃建設(shè)要求，則建設(shè)用地面積上下限約束值應(yīng)分別以規(guī)劃值和現(xiàn)狀值為準(zhǔn)，即：

229.91≤x6+x7+x8+x9+x10≤416.89

6）未利用地面積約束。包括其他土地在內(nèi)的未利用地隨著土地利用開發(fā)規(guī)模的增大和土地治理技術(shù)的發(fā)展而將呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，因此2020年未利用地的約束面積應(yīng)小于現(xiàn)狀值，即：

x11≤24.90

式中，f（x）表示地區(qū)生產(chǎn)總值，dj表示經(jīng)濟(jì)利益系數(shù)，單位為萬元/km2，xj為各類用地面積，單位為km2。

目標(biāo)函數(shù)中各類用地自變量xj（j=1，2，…，11）對應(yīng)的用地產(chǎn)出利益系數(shù)權(quán)重uj（j=1，2，…，11）可以通過計算2015年單一用地現(xiàn)狀產(chǎn)值占土地利用現(xiàn)狀總產(chǎn)值的比重來確定，即：

uj=（0.001 07，0.004 01，0.000 13，0.013 39，0.000 09，

0.124 38，0.612 00，0.089 38，0.147 23，0.008 10，0）

對于經(jīng)濟(jì)利益系數(shù)dj（j=1，2，…，11）的值的確定，可利用表1所列出的工業(yè)用地單位面積產(chǎn)值的預(yù)測值即工業(yè)用地的利益系數(shù)d8=318 774與對應(yīng)的工業(yè)用地利系數(shù)益權(quán)重進(jìn)行比值計算，可得土地利用利益系數(shù)總和d=3 566 503，再與單一用地的利益系數(shù)權(quán)重相乘即可得對應(yīng)用地的利益系數(shù)。因此，所求的以經(jīng)濟(jì)利益最大化為主的目標(biāo)函數(shù)具體形式可表示如下：

maxf（x）=3 816x1+14 302x2+464x3+47 755x4+321x5+443 602x6+2 182 700x7+318 774x8+525 810x9+28 889x10

3 城市用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策

根據(jù)前述灰色線性規(guī)劃內(nèi)容中的用地總量、單一用地總量、年末人口總量等約束要素的灰區(qū)間上下限值，分別相關(guān)約束因素的取下限值和上限值，形成以下限值為準(zhǔn)的方案一和以上限值為準(zhǔn)的方案二，如表2所示。從用地結(jié)構(gòu)總體產(chǎn)出效益上來看，方案一所能取得的最大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出效益為265 641 706.8萬元，而方案二的最大經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到345 110 613.5萬元，方案二在經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)方面優(yōu)于方案一；從用地布局組合適宜性方面來看，方案一中用地總面積為1 923.00 km2，農(nóng)用地中耕地、林地和草地的比重較大且均在20%以上，而園地面積的比重過小且僅占0.62%；建設(shè)用地中居住用地和商服用地所占比重較大且分別達(dá)到4.91%和3.96%，而工業(yè)用地的比重較小，這對于作為研究區(qū)域現(xiàn)階段主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)的生產(chǎn)效益和整體用地產(chǎn)出效益的提高可能會產(chǎn)生不利影響。而在方案二中用地總面積為2 044.56 km2，高于方案一中的用地總面積且已接近于空間飽和狀態(tài)，這并不有利于區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、社會建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。該方案中農(nóng)用地和建設(shè)用地的面積分別比方案一高出30.47 km2和114.93 km2，為兼顧生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益發(fā)展提供了充足的用地支撐。同時，建設(shè)用地中的居住用地、交通運輸用地和商服用地等的占比與方案一相比均有1%左右的增加值，其對區(qū)域基礎(chǔ)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級將會產(chǎn)生顯著的推動作用。

綜上所述，雖然方案二在土地利用規(guī)劃總面積上近于飽和，使得區(qū)域城市建設(shè)進(jìn)一步擴(kuò)張受阻，但其對于實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益協(xié)調(diào)統(tǒng)一的可能性要遠(yuǎn)高于方案一，確定方案二作為土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策方案。

針對研究區(qū)域2015年土地利用結(jié)構(gòu)中各類用地占比和2020年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策的用地占比狀況進(jìn)行整體用地結(jié)構(gòu)可行性和單一類型用地變化幅度等可以分析得出，從現(xiàn)狀土地利用結(jié)構(gòu)和優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)的可行性來看，與2015年各類用地構(gòu)成狀況相比，2020年優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)中建設(shè)用地比重明顯增加，即部分農(nóng)用地和未利用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，為區(qū)域多種產(chǎn)業(yè)部門的布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型完善提供了諸多用地空間支持，使土地利用結(jié)構(gòu)整體均質(zhì)性和合理性得到很大程度上的提升；從單一類型用地變化幅度上看，優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)中用地占比增加幅度最大的是商服用地，較2015年增長71.13%，其次為居住用地、工業(yè)用地和交通運輸用地。而用地占比減少幅度最大的為未利用地，較優(yōu)化前減少63.92%，其次為農(nóng)用地中的園地和水域。另外，不同于優(yōu)化后用地結(jié)構(gòu)中各類農(nóng)用地的比重普遍下降的發(fā)展趨勢，優(yōu)化后的草地面積占比有所上升，加之建設(shè)用地中綠地與廣場用地也較優(yōu)化前增加了一定的比重，這對于兼顧經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益和實現(xiàn)區(qū)域綜合協(xié)調(diào)發(fā)展大有裨益。

3 結(jié)論

1）從呼和浩特市市區(qū)2009—2015年土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)展情況和變化趨勢來看，雖然截至2015年農(nóng)用地比重在整體結(jié)構(gòu)中仍占到86.46%的比重并遠(yuǎn)高于建設(shè)用地的占比，但自2009年以來農(nóng)用地總體占比呈現(xiàn)出逐年削減的變化趨勢，年均減幅0.6%，而建設(shè)用地占比規(guī)模呈波動增加的趨勢并且年均增幅可達(dá)到12.2%，且農(nóng)用地中占比縮減幅度相對較大的依次為園地、耕地和草地，而建設(shè)用地中比重增幅相對較大的是交通運輸用地、商服用地和居住用地。上述變化趨勢對于增加城市土地利用經(jīng)濟(jì)效益、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)部門體系的完善發(fā)展有著一定程度上的積極作用。

2）針對呼和浩特市市區(qū)2020年土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置方案的構(gòu)造與選擇而言，本研究著眼于動態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化的觀點與方法，采用灰色線性規(guī)劃法對研究區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行方案設(shè)計和對比選擇，即分別取灰區(qū)間的兩側(cè)端點值可設(shè)計兩個有著不同產(chǎn)出效益的用地優(yōu)化方案，其中取上限值的方案二在用地整體經(jīng)濟(jì)效益和用地功能組合方面均優(yōu)于取下限值的方案一，因此最終以方案二作為土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化決策方案。

3）對2020年優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)與2015年現(xiàn)狀土地利用結(jié)構(gòu)就其對三大效益協(xié)調(diào)發(fā)展的促進(jìn)作用進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的土地利用結(jié)構(gòu)比現(xiàn)狀土地利用結(jié)構(gòu)在用地規(guī)模的均勻性更顯著，同時優(yōu)化后的用地結(jié)構(gòu)中各類建設(shè)用地的比重均有增長，特別是交通運輸用地和商服用地的比重增幅較大，年均增幅分別達(dá)到22.5%和15.0%，從而使用地規(guī)模和結(jié)構(gòu)變化更契合于現(xiàn)代化城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求。

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