（土地资源管理专业论文）土地利用规划中的AHPGA决策模型研究.pdf

土地利用规划中的a i t p g a 决策模型研究 摘要 随着近十年来我国人口的增长与经济建设事业的迅速发展，国民经济各部门 各行业对土地的需求量不断增加，人地矛盾日益尖锐，如何合理利用和优化配置 有限的土地资源，编制科学的土地利用总体规划，已成为现阶段我国土地管理的 核心任务。土地利用规划要涉及到人口、相关政策、管理体制、生态环境等社会 经济的诸多方面，是一项复杂的系统工程，它要求决策者事先对各项政策措施可 能产生的各种后果进行定量和动态的分析，以便决策建立在科学的基础上。因此， 决策模型的研究为土地利用规划的编制提供了模型的支持，使得土地利用规划的 决策更加的科学，更加有效，更能发挥土地管理“龙头”的作用。 本文首先概述了土地利用规划决策的相关理论以及一些传统的决策模型，然 后详细的介绍了层次分析法和遗传算法的基本原理和步骤，并分析了它们各自的 特点及不足之处。其次，基于层次分析法和遗传算法的特点，探讨了层次分析一 遗传算法模型( 简称a h p g a 模型) 的设计与求解，并结合长春市土地利用结构 优化的实例，对a h p g a 模型在土地利用规划中的应用进行了系统的分析和研究。 最后简要的描述了a h p g a 模型和g i s 集成的几种形式，并提出了a h p g a 模型和 g i s 集成的系统架构，为今后的土地利用规划工作及土地利用规划信息系统的建 立提供有益的模型的参考。文章结尾进行了总结，并对a h p g a 模型在土地规划 工作中的发展和有机结合做了分析和展望。 关键词：土地利用规划；决策；层次分析法；遗传算法；鲁棒性： s t u d i e so n a h p - g a d e c i s i o n - m a k i n gm o d e l si nl a n du s e p l a n n i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gp e n g t u t o r ：m ac m x u c ( c o l l e g eo f l a n dm a n a g e m e n t , h u a z h o n ga g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , w u h a n4 3 0 0 7 0 ) w i t ht h eg r o w t ho ft h ep o p u l a t i o na n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c c o n s t r u c t i o ni nt h el a s td e c a d ei no u rc o u n t r y , t h ed e m a n d sf o rl a n do fa l ld e p a r t m e n t s o fn a t i o n a le c o n o m yh a v eb e e ni n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y , a n dt h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h ep e o p l ea n dl a n dr e s o u r c eh a sb e c o m em o r ea n dm o r es h a r p t h u s ，i th a s a l r e a d yb e c o m et h ek e yt a s ki n t h i sp h a s eo ft h el a n dm a n a g e m e n tt h a th o wt o r a t i o n a l l y u t i l i z ea n dd i s t r i b u t et h el i m i t e dl a n dr e s o u r c e ，a n dh o wt oc o m p i l e s c i e n t i f i cg e n e r a ll a n du s ep l a n n i n g t h el a n du s ep l a n n i n gi sac o m p l i c a t e ds y s t e m p r o j e c tt h a ti n v o l v e sag r e a td e a lo fr e s p e c t si ns u c hs o c i a le c o n o m y a sp o p u l a t i o n ， r e l e v a n tp o l i c i e s ，m a n a g e m e n ts y s t e m ，e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，e t c ，a n di no r d e rt o o f f e rt h eb a s i st om a k i n gt h ep o l i c i e si tr e q u i r e st h a tp o l i c y m a k e rt oc a r r yo n q u a n t i t a t i v ea n dd y n a m i ca n a l y s i st oe v e r y v a r i o u sk i n d so f c o n s e q u c n c e st h a tp o l i c i e s a n dm e a s u r e sm i g h tp r o d u c ei na d v a n c e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h ed e c i s i o n m o d e lc a no f f e rt h es u p p o r tt oc o m p i l i n gt h el a n du s ep l a n n i n g ，a n dm a k et h el a n du s e p l a n n i n gd e c i s i o nb em o r es c i e n t i f i c ，m o r ee f f e c t i v e ，a n dp l a yt h er o l eo fl a n d m a n a g e m e n t “t a p ”e v e nm o r e f i r s t l y , t h i sp a p e rs u m m e du pt h er e l e v a n tt h e o r i e sa n ds o m et r a d i t i o n a ld e c i s i o n m o d e l so ft h el a n du s ep l a n n i n g ，t h e ni n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds t e p so ft h e l a y e ra n a l y s i sm e t h o da n dt h eh e r e d i t a r ya l g o r i t h mi nd e t a i l ，a n da n a l y z e dt h e i ro w n m e r i t sa n ds h o r t a g e s s e c o n d l y ，b a s e do nt h et w o a p p r o a c h e s ，t h ed e s i g na n ds o l u t i o n o ft h ea h p g am o d e lh a v eb e e nd i s c u s s e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h em o d e li nt h e l a n du s ep l a n n i n gh a sb e e na l r e a d ya n a l y z e da n ds t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yw i t ht h e e x a m p l eo fl a n do p t i m a la l l o c a t i o ni nc h a n g c h u nc i t y f i n a l l y , i ta l s od e s c r i b e d s e v e r a lk i n d so ff o r m sa n dp u tf o r w a r ds y s t e m a t i cf r a m e w o r ko fa h p g am o d e la n d g i si n t e g r a t i o n ，w h i c hp r o v i d eb e n e f i c i a lr e f e r e n c et ot h el a n du s ep l a n n i n ga n dt h e e s t a b l i s h i n go fl a n du s ep l a n n i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h ee n do f t h i sp a p e r , w ea l s o d i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to fa h p g am o d e la n dt h eo r g a n i cc o m b i n a t i o no f a h p - g am o d e la n dt h el a n du s ep l a n n i n g k e yw o r d s ：l a n du s ep l a n n i n g ；d e c i s i o n m a k i n g ；a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ； g e n e t i ca l g o r i t h m s ；r o b u s t i j 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 我国相对薄弱的土地资源在新世纪初期正承受来自三方面的巨大压力。一是 人口增长对食物的需求形成了对耕地保护的压力。我国人口占世界人口的2 0 ， 人口总量持续增加。我国粮食生产虽然出现了阶段性、地区性盈余，但从长期看， 人口数量庞大与粮食生产能力不足仍是主要矛盾，并主要表现为耕地供求矛盾。 二是社会经济快速发展对土地资源总量需求的压力。党的十六大强调发展是党执 政兴国的第一要务，提出了全面建设小康社会的奋斗目标，国内生产总值到2 0 2 0 年力争比2 0 0 0 年翻两翻。社会经济的持续快速发展，对作为其基本物质条件的 土地资源的需求必然不断扩大，与土地总供给不足的矛盾将更加突出。三是加强 生态建设和环境保护对土地资源利用方式改变所形成的压力。保护和改善生态环 境日益成为各级政府和全社会的共识。土地是环境的主体，随着生态建设和环境 保护工作力度的空前加大，特别是以退耕还林、防治沙化、保护湿地等为主体的 全国性重大生态环境保护建设工程的实施，对保护耕地及其他生产性用地将带来 新的压力。土地利用规划是协调各业用地需求、保护土地资源、保障经济社会可 持续发展的重要措施，是合理配置土地、实施土地用途管制、促进城乡建设合理 有序进行的重要手段。在新世纪初期，随着资源、环境与经济社会发展的矛盾日 益加大，各业用地矛盾加剧，耕地、林地、湿地等一些重要土地资源短缺问题日 益突出，土地利用规划工作的难度将进一步加大，任务更加繁重。 在社会主义市场经济不断发展的情况下，我们原先熟悉的规划思路、规划方 法与客观实际之间出现了明显的不适应。从2 0 0 2 年开始，新一轮土地利用总体 规划修编试点正在全国范围内进行，新一轮修编的土地利用总体规划，为了适应 社会经济条件的客观发展，必须更具有科学性、时效性和可操作性。这就要求我 们必须在规划的理论、制度和科技等方面进行创新。土地利用规划的科技创新包 括方法创新和手段创新，主要是引进一些先进的科技手段，例如，g i s 、遥感、 全球定位等技术。利用已完成的图件和调查的资料建立g i s 环境的空间数据库是 一个有益的尝试，它不仅提供空间和属性数据的查询、分析、处理、预测，而且 为实现土地可持续发展和土地资源信息的全社会共享发挥越来越大的作用。但 是，至今基于g i s 的土地规划信息系统还不完善，特别是在模型分析及数据的及 时更新还是还需要我们去继续研究探索。 土地利用总体规划是一定规划区域内，根据当地自然和社会经济条件以及固 民经济发展的要求，协调土地总供给与总需求，确定或调整土地利用结构和用地 布局的宏观战略措施，其核心就是确定或调整土地利用结构和用地布局。土地利 用结构系指国民经济各部门占地的比重及其相互关系的总和，是各种用地按照一 定的构成方式的集合。根据系统论的观点，结构决定功能。只有用地结构合理， 才能保持土地利用系统的良性循环，才能取得土地利用的最大效率，优化结构， 提高功能，从而可用较少的消耗或投入取得较高的效益。优化土地利用结构是在 保证土地利用效率最大化的前提下，解决土地供需平衡的有效途径。优化土地利 用结构是不需要追加土地面积投入的条件下获得土地供需平衡的结构效应的有 力措施。土地利用结构优化的过程实质上是将有限的土地资源充分、有效、合理 配置的过程，该过程其实也就是一个多目标决策的问题。通过多目标决策，确定 了土地利用结构，也就实现了一个区域土地利用规划。在前两轮的土地利用总体 规划的编制工作中，结构优化一般采用传统的土宜法、综合平衡法、线性规划法、 灰色线性规划法、模糊线性规划法等。这些常规的方法在处理庞大数据量的土地 利用空间结构优化配置问题时，都存在着许多不足之处。例如目标单一、很多指 标体系和目标的确定均采用线性规划的方法，而在实际中，目标往往都不只是一 个，各种影响因素对指标值和目标的表达也远远不是线性规划所能实现的等等。 因此，必须找到一种新的解决方法。近年来，随着人工智能和专家决策系统思想 的引入，人工神经网络( a n n ) 和遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ，g a ) 等智能算法 在土地利用规划中的应用研究也越来越多。遗传算法的内在并行机制及其全局优 化的特点适合于多目标优化问题的解决，特别是目标函数多、数学表达式非线性 或者不明确、优化变量多、常规方法难以奏效的复杂场合。但是，遗传算法面对 些定性问题或目标函数时，或是多目标函数的重要程度不一样时，其应用就受 到了限制。因此，研究一种改进的遗传算法，克服这种限制，对土地利用结构的 优化具有极其重要的现实意义。并将其与g i s 结合起来，为今后开发土地规划信 息系统提供模型的支持。 1 2 国内外的研究动态 1 2 1 土地利用规划决策模型的研究现状 决策就是面对几种不同的自然状态( 或称客观条件) 有可能采用几种不同方 案，针对各种不同的自然状态，在各种不同的方案中选定一个最优方案加以实旌。 以冯诺曼一摩根斯坦( j o l l l lv o nn e u m a n n - o s k a rm o r g e n s t e m ) 的期望效用值理论为 标志，决策理论作为一门学科已有近5 0 年的历史。从决策的描述性和规范性研究 2 到决策技术的应用性研究，都取得了许多成果，并在管理实践中发挥了重要的作 用。决策方法及模型作为决策理论不可分隔的部分，也随之发展。决策方法和模 型作为一种工具在解决工程技术、经济、管理、军事和系统工程等问题时越来越 显示出它的强大生命力。在现代决策体系中，决策问题的复杂性程度不断加深。 决策行为受到众多因素的制约，决策辅助的作用日显突出。决策辅助的方式概括 起来有两种：数据形式、模型和方法形式，其中以模型和方法的形式辅助决策是 一种更为有效的决策辅助途径，可提高决策的准确性、科学性。 模型是人们对系统的属性及其运行状态的主观描述，是系统本质属性用数学 或非数学表示的形式，是客观现实系统的抽象。决策模型实质上是决策者将系统 的本质属性用数学或非数学表示的形式，为决策过程提供一种科学的筛选规则。 一般可分为定量模型，例如：线性规划、整数规划、非线性规划、多元统计等， 模拟模型，例如：马尔可夫链模型、c l u e - - s 模型，c a 模型等，和人工智能模型， 例如：神经网络模型、遗传算法模型等。这些模型在土地利用规划中的应用也越 来越广泛。近年来，国内外学者利用遗传算法在土地利用规划的用地结构配置中 作了许多积极有益的探索和研究，并取得了一些可喜的成果。1 9 9 8 年，张刚元利 用遗传算法对土地利用规划的线性规划模型设计及求解进行了探索性研究。2 0 0 1 年，席一凡、杨茂盛、尚耀华研究了遗传算法应用于城市土地功能的优化配置问 题。2 0 0 2 年，付强、周江红、金菊良、王立坤、门宝辉等对遗传算法做了一些改 进，提出加速遗传算法，并将其应用于小流域水土保持多目标综合优化模型中， 为该方面研究提供了新的思路与研究模式。2 0 0 2 年，孙艳丰、w i l l i a mh k l a m 等第一次将遗传算法和禁忌搜索算法结合起来应用于实际的土地利用规划问题， 提出一种将二者混合使用求解土地使用规划的算法模型，为今后的混合遗传算法 的研究提供了新的思路。2 0 0 2 年，陈艳艳、宋健民通过将地理信息系统与遗传算 法相结合，进行交通系统道路选线优化决策。2 0 0 4 年，何鑫、王昌全、李琼芳等 又提出一种混合遗传算法模拟退火遗传算法应用于土地利用规划中。这些有 益的尝试都取得了比较满意的结果，说明遗传算法在土地利用规划的决策方面比 传统方法具有更好的效果，很有必要作进一步的探索和研究。 1 2 2 地理信息系统( g i s ) 方面的研究 g i s 是g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 或g e o - - l n f o r m a t i o ns y s t e m 的缩写， 通称地理信息系统，是对空间数据进行采集、存储、检索、分析、建模和表示的 计算机系统。它具有强大的对空问数据处理和对现实世界模拟的能力，在空问要 素的叠置过程中，能够产生相关、综合的新信息，为用户决策服务。g i s 的用途 十分广泛，目前世界上出售的g s 商用软件系统已多达3 0 0 余种。 研究的g i s 技术，最终都要应用到实际工作中。目前g i s 在地质、农业、 商业、军事、政府部门管理工作、环境规划和评估、城市交通规划和管理、城市 规划、土地管理、城市基础设旌管理等领域得到广泛的应用，且效果良好。但一 般的应用只局限于数据的存贮、更新、查询、业务处理等方面，主要是用硬件和 g i s 平台软件搭构空间事务处理系统和空间管理信息系统，而很少出现空间决策 支持系统，如深圳市土地管理信息系统、厦门市基础设施信息系统、海口市城市 规划信息系统。但应该说它们只能称为信息管理系统。近年来，g i s 的一个发展 方面就是利用空间分析优势为管理和规划提供决策信息，向空间决策支持系统发 展。空间决策支持系统的难点之一是知识表达和知识推理。因为计算机善于处理 结构化问题，对于半结构化和非结构化问题处理能力不足。而且决策支持系统都 要涉及到专家知识问题，一般的g i s 平台软件不能完全解决。所以g i s 工程总 是要与具体行业的内容紧密结合在一起。 为了使g i s 工程更适合于本行业的需要，用户一般都利用现有的g i s 平台 进行二次开发，形成适合于具体行业的业务系统。g i s 的二次开发，就是在现有 的g i s 软件平台上，通过g i s 平台所提供的开发工具或其它能与现有g i s 平台 紧密结合的开发工具，对原有系统的界面风格进行客户化，或进一步加入专业模 型，开发出适合于具体业务工作的系统。 1 3 本文主要研究的内容 土地是人类生存与发展的基础。作为一项不可再生资源，随着经济社会的快 速发展和城市化进程的加快，土地的重要性已经越来越被人们所认识。在资源过 度消耗、环境不断恶化的背景下，保护环境和土地资源己成为全中国以及全世界 人民共同关心的重大问题。土地规划作为土地资源管理的基本手段，已经日益受 到各级政府的重视。编制科学的，符合社会经济发展需要的土地利用规划已成为 当前迫切需要解决的问题。针对这一问题，本文结合长春市土地利用结构优化的 实例，对a h p g a 模型在土地利用结构优化中的应用进行了一定的分析和研 究，为今后的土地利用规划信息系统的建立提供了模型的参考。 全文分七部分：第一部分为绪论。主要论述本文的研究意义、国内外研究动 态和主要研究内容。第二部分为土地利用规划决策的理论基础。主要介绍了土地 利用规划决策的一些相关理论。第三部分为传统土地利用规划决策模型的概述。 主要介绍了一些传统决策模型，并分析总结了各个模型的优缺点。第四部分为 a h p g a 模型的设计与求解。首先，介绍了层次分析法基本思想、原理、计算 基本步骤、优点、限制和遗传算法的基本思想、运算过程、主要特点以及应用等。 然后，在此基础上详细介绍了a h p g a 模型的算法流程和求解步骤。第五部分 4 为a h p g a 模型在长春市土地利用规划中的应用。结合长春市土地利用结构优 化的实例，将a h p - - g a 模型具体结合到土地利用结构优化中，即是对第四部分 的一个实例的应用和验证。第六部分为a h p - - g a 模型和g s 的集成。简要的描 述了a h p g a 模型和g i s 集成的几种形式，并提出了a h p g a 模型和g i s 的系统架构。第七部分为结论与建议，对本文研究的主要成果进行总结，并对 a h p - - g a 模型在土地利用规划中的应用研究提出一些建议与展望。 2 土地利用规划决策的相关理论基础 土地利用规划是对一定区域未来土地利用超前性的计划和安排，是依据区域 社会经济发展和土地的自然历史特性在时空上进行土地资源分配和合理组织土 地利用的综合技术措旌，是为合理开发、利用、整治、保护土地，采取经济、技 术、工程等综合措施而进行的长期的土地组织的布局和配置。土地利用规划的过 程是一个相当大的系统工程，涉及到国民经济的各个行业及其各个方面，其决策 也必须考虑到方方面面，例如：在土地利用规划决策中，衡量经济效益时，必须 考虑地租、区位等因素，在耕地数量的决策过程中，必须考虑可持续发展和生态 环境的要求，在城镇用地的规模上，必须考虑人地要协调发展。因此，在决策过 程中，应该以下列几个理论为基础。 2 1 地租理论 西方经典的地租理论，可分为三类：古典经济学地租理论：新古典城市地租 理论；马克思地租理论。 古典经济学地租理论以威廉配第、亚当斯密和大卫李嘉图为代表，前 两者认为地租是土地的恩赐，它是土地资本所带来的利息。大卫李嘉图是古典 经济学的最后完成者，他提出了级差地租的概念。 新古典城市地租理论兴起于1 9 世纪末，2 0 世纪初的新古典经济学派，以马 歇尔、庇古等人为代表。他们对古典经济学地租理论进行了完善，提出地租实际 上是一种分配工具，总是把土地分配给出价最高者即最高租金原则。在这一 原则的指导下，他们提出了城市土地利用空间分布模式。如图1 ， 图1 中，r 1 ( d ) ，r 2 ( d ) ，r 3 ( d ) ，r 4 ( d ) 分别为农业、住宅、工业或商业、零售 业的竞标地租曲线。两条竟标地租曲线的交点所对应的距离d ，便是出价最高的 土地用途的分布范围，线段o a ，a b ，b c 分别为零售业( 中心商务区) 、工业或商 业、住宅的分布范围，c 以外是农业的分布范围。 马克思批判继承和发展了古典经济学的地租理论。他认为地租是土地所有者 出租他的土地每年获得的定额收入，它是土地所有权在经济上的实现形式，并且 以土地所有权和使用权相分离为条件。一切地租都是剩余价值的转化形式。 根据超额利润形成的原因和条件的不同，地租可分为绝对地租、级差地租和 垄断地租。土地绝对地租是指由于土地所有权的垄断，任何一块土地，即使是劣 等地，也绝对必须支付的地租，它是农产品价值中超过社会平均生产价格的那部 6 分超额利润。其来源仍然是劳动者所创造的剩余价值。 级差地租是指那些利用生产条件较好的土地所有者所得到的超额利润。其产 生的原因是土地面积的有限和土地经营权的垄断。级差地租分为两种：级差地租 i 和级差地租i i 。级差地租i 即在不同的地块上进行等量投资，但由于土地肥力 的大小和土地位置的优劣所形成的级差地租。级差地租i i 即在同一地块上由于连 续追加投资，会有不同的劳动生产率，因而各次投资产量的个别生产价格不同， 从而形成的级差地租。两者的区别是：级差地租i 不能在劣等地上获得，但级差 地租i i 可以：级差地租i 与粗放经营相联系，级差地租与集约经营相联系；级 差地租i 以土地的自然丰度为基础，级差地租i i 则以土地的经济丰度为基础。 垄断地租指因垄断了某些自然条件特别有利的土地，在该土地上能生产稀有 的土特产品，这些产品能提供一个垄断价格，从而带来了一个相当大的超额利润。 这些超额利润，因土地所有权的存在而转化为垄断地租。 o 图1 城市土地利用的空间分布 f i 昏1s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fu r b a nl a n d - u s e 2 2 土地区位理论 d 区位，可以简单理解为客观物质分布的地区和地点。区位理论则是关于自然 物质及人类活动的空间分布及其在空间中的相互关系学说。区位理论是土地分区 利用，土地结构优化的基本原理。 区位理论作为一种学说，产生于1 9 世纪2 0 3 0 年代，其标志是1 8 2 6 年德国农 业经济和农业地理学家杜能( j t h u n c n ) 发表的著作孤立国农业和国民经济的 关系( 通常简称孤立国) 。杜能在这部著作里，提出了农业区位理论。其 中心内容是：农业土地利用类型和农业土地经营集约化程度，不仅取决于土地的 天然特性，而且更重要的是依赖于当时的经济状况和生产力发展水平，尤其是农 业生产用地到农产品消费地的距离。继杜能之后，1 9 0 9 年，韦伯( w w e b e r ) 的 7 论工业的区位的发表，标志着工业区位论的闯世。工业区位论的核心是，通 过运输、劳动力及集聚因素相互关系的分析与计算，找出工业产品生产成本最低 的点作为工业企业的理想区位。至2 0 世纪3 0 年代，德国地理学家克里斯塔勒 ( w o h r i s t a l l e r ) 又提出了中心地理论，即城市区位论。他从城市中心居民点的物 品供应、行政管理、交通运输等主要职能的角度，论述了城镇居民点的结构及形 成过程，由此而提出了城市空间分布的六边形模型。几年后，德国经济学家廖什 ( a u g u s t l o s c h ) 从市场区位的角度分析研究了城市问题，提出了与克里斯塔勒 的城市区位论相似的理论。为与前者相区别，后人将其称之为市场区位论。在此 之后，随着人们认识的深入和实践的需要，自2 0 世纪5 0 年代以来，区位理论又有 了更新的发展，人们开始研究各种经济实体的动态和空间布局的关系，从而使区 位论走向成熟。 土地利用规划实践必须全面系统的应用区位理论作为指导，合理地确定土地 利用方向和结构，根据区域发展的需要，将一定数量的土地资源科学地分配给农 业、工业、交通运输业、建筑业、商业和金融业以及文化教育卫生部门，以谋求 在一定量投入的情况下获得尽可能高的产出。在具体组织土地利用时不仅要依据 地段的地形、气候、土壤、水利、交通等条件状况，确定宜作农业、工业、交通、 建筑、水利等用地，而且要从分析土地利用的纯经济关系入手，探讨土地利用最 佳的空间结构。按照杜能的研究结果，由于距离产品消费中心( 城市) 位置不同 而产生不同大小的土地利用纯收益即位置级差地租( l a g e r e n t e ) ，可以用公式表 示： r = e ( p a ) 一e & 式中：r 单位面积上的地租； e 单位面积上农作物的产量； p 一单位产品的市场价格； a 单位产品的生产成本； 卜单位产品运输单位距离的费用； 卜生产地与消费地之间的距离。 由于位置级差地租的客观存在，影响社会经济各方面、各部门以至个人对土 地的需求，进而导致土地价格的空间差异，即处于市场附近的土地地租高，因为 这里支付较低甚至无需支付产品运费，其结果是吸引各种经济及管理单位想中心 区集聚，对土地需求量就大增，地价就会相应的上升。因此，位置级差地租可用 来作为控制城市区域土地利用的重要手段，以及用来决定各种生产要素的投入 量。位置级差地租既然反映了土地纯收益的差异，也就在很大程度上支配着城市 各项用地的空闯安排。人们可以制定合理的级差地价政簸，在中心区及附近郊区 8 收取较高的地价和使用费，以控制中心区的继续膨胀，保护近郊的绿地和高产菜 地：在远郊则收取较低的地价和使用费，以鼓励工业向远郊区发展，建立新的工 业区和卫星城镇。 2 3 可持续利用理论 “可持续发展”从字面上理解是指促进发展并保证其成为可持续性，它包括 可持续和发展两个概念。所谓可持续性，可以理解为，在对人类有意义的时间和 空间尺度上，支配这一生存空间的生物、物理、化学定律所规定的限度内，环境 资源对人类福利需求的可承受能力或可承载能力。所谓发展，可理解为人类社会 物质财富的增长和人群生活条件的提高。在著名的布伦特兰报告我们共同 的未来( o u r c o m m o n f u t u r e ) 中，可持续发展被定义为：既能满足当代人的需 求而又不对满足后代人需求的能力构成危害的发展。 可持续发展理论源于发展的理论，发展理论的研究在时间上分为4 个阶段： i 发展= 经济增长、i i 发展= 经济发展+ 工业污染、i 发展= 经济 社会发展+ 环境保护、可持续发展。到可持续发展阶段的发展理论，其内 涵充实为：可持续发展既包括经济增长、经济发展的含义，也包括经济发展与人 口、资源、环境的协调；社会进步是可持续发展的目标，可持续发展的最终目的 是实现社会的发展、人的发展；可持续发展的重要标志是资源的永续利用和良好 的生态环境：科学技术是实现可持续发展的内在动力。其不断的进步可以加深人 类对自然规律的理解，开拓新的可利用的自然资源领域，提高资源综合利用效率 和经济效益，提供保护自然资源和生态环境的有效手段；可持续发展的本质是要 求经济社会的人口、资源和环境三个约束条件下持久、有序、稳定和协调地发展。 土地数量有限性和土地需求增长性构成土地资源持续利用的特殊矛盾。土地 资源持续利用的目的在于具有持续性特点的利用。通过对土地资源持续利用，人 类可能从中获取土地产品和劳务的满足。土地数量的有限性为土地资源持续利用 提供了宏观必要性，土地可更新性和利用永续性使土地资源持续利用成为可能。 协调土地供给和土地需求是土地资源持续利用的永恒主题，也是土地利用规划的 重要内容。 2 4 生态经济理论 生态经济学( e c o l o m i c s ) 是2 0 世纪5 0 年代产生的由生态学和经济学相互 交叉而形成的一门边缘学科，它是从经济学角度，研究生态经济复合系统的结构、 功能及其演替规律的一门学科，为研究生态环境和土地利用经济问题提供了有利 9 的工具。 土地资源是无法替代的重要的自然环境资源，它既是环境的组成部分，又是 其他自然环境资源和社会经济资源的载体。土地本身就是自然、社会、经济、技 术等要素组成的一个多重结构的生态经济系统。土地利用不仅是自然技术问题和 社会经济问题，而且也是一个资源合理利用和环境保护的生态经济问题，同时承 受着客观上存在的自然、经济和生态规律的制约。 土地生态经济系统是由土地生态系统与土地经济系统在特定的地域空间里 耦合而成的生态经济复合系统。土地生态经济系统及其组成部分以及与周围生态 环境共同组成一个有机整体，其中任何一种因素的变化都会引起其他因素的相应 变化，影响系统的整体功能。毁掉了山上的森林，必然要引起径流的变化，造成 水土流失，肥沃的土地将沦为瘠薄的砾石坡，源源不断的溪流将成为一道道干涸 的河床，严重时甚至导致气候恶化。因此，人类利用土地资源，进行土地利用规 划决策时，必须要有一个整体观念、全局观念和系统观念，考虑到土地生态经济 系统内部和外部的各种相互关系，不能只考虑对土地的利用，而忽视土地的开发、 整治和利用对系统内其他要素和周围生态环境的不利影响。不能只考虑局部地区 的土地资源的充分利用，而忽视了整个地区和更大范围内对其的合理利用。 2 5 人地协调理论 人地关系即人类与其赖以生存和发展的地球环境之问的关系，是在人类出现 以后地球上就已客观存在的主体与客体之间的关系。在1 9 7 2 年5 8 个国家1 5 2 位 成员组成的顾问委员会的协助下编写成一本对人类环境最完整的报告只有一个 地球。当年6 月，这本书在瑞典斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议上获得 了肯定和通过。只有一个地球一书中多次强调人类与环境之间相互影响、相 互改造、相互依存的观点，是现代人地协调论的重要标志。1 9 7 4 年的联合国环 境规划理事会议和1 9 7 9 年举行的资源、环境、人口相互关系座谈会，都一再强 调要把人口和经济的发展，同自然资源和环境保护协调起来。 对于人类来说，地球是一个负担能力有限的相对封闭系统，散失到外层空间 或又外层空间增加的物质的数量都是微不足道的。地球为人类提供的生存空间是 有限的，人类赖以生存和发展的自然资源和环境的承载量也是有限的。多数科学 家认为，1 0 0 亿的世界人口是接近适宜人口的最高限值。为了人类自身的利益， 为了给子孙后代留下或创造良好的生存条件，人类就不能盲目的、无限制的增加 人口、不能超过限度的向自然界摄取资源和排放废弃物，更不能去破坏生态系统 的平衡和稳定。 在人地系统中，自然环境本身是一个有机统一的整体。自然界是一个自组织 1 0 系统，在不断提高其内部有序性的过程中获得整体性的发展，自然界的减熵是自 然界结构组织整体优化发展的内在依据。自从人类从自然界分化出来之后，自然 界已经成为人类的外部环境，人的活动已经成为影响自然联系的本质因素，自然 环境的发生发展毕竟还是要受自然规律的支配。作为人地系统中的人，具有自然 和社会两重属性；既是生产者，又是消费者；既是建设者，又是破坏者。从某种 意义上讲，人类是环境的塑造者，在人地系统中居主导地位。尽管人类不可能从 根本上改变自然系统，但他们的确具有干预地球上动力作用的巨大能力。反过来， 这一切又影响人类自身。要引导环境向有利人类方向发展，趋利避害，就是符合 自然界的客观规律；反之，不按自然规律办事，破坏了地球维持生命的能力，终 将受到自然界的惩罚。 3 传统土地利用规划决策模型的概述 模型是人们对系统的属性及其运行状态的主观描述，是系统本质属性用数学 或非数学表示的形式，是客观现实系统的抽象。决策模型实质上是决策者将系统 的本质属性用数学或非数学表示的形式，为决策过程提供一种科学的筛选规则。 土地利用结构的优化是土地利用规划的核一t l , 内容，国民经济各部门所占地的比 例，各种用地类型所占的比例，都是土地利用规划的决策内容，也就是土地利用 规划模型的所要解决的问题。传统的用于土地利用结构优化的决策模型主要有线 性规划模型，多目标规划模型，模糊线性规划模型，灰色线性规划模型等等。 3 1 线性规划模型 线性规划是求解在一组线性约束条件下，使一个线性目标函数达到最大或最 小，如土地利用经济效益最大或成本最小。线性规划的一般形式为： n 目标函数：m a x z = c ，善， t 1 约束条件： ：，矿， 矿评价指标分值 a h p 法可对原始观测数直接加权运算进行综合排序，未削弱原始信息量， 使评价指标逻辑判断量化且保持判断思维全过程的一致性。但构造备层指标的权 重判断矩阵时，一般采用的是分级定量赋值，这可能会造成同一类中同一指标是 另一指标的5 倍、7 倍，甚至是9 倍，从而影响了权重的合理性，有学者提出将 特尔斐法与层次分析法联合运用，以弥补其不足。 4 1 2 层次分析法的基本步骤和原理 1 、明确问题 首先要弄清所要研究问题的范围、目的、要求和所能掌握的原始信息，其中 最主要是两条： ( 1 ) 决策者要求分析者回答什么问题； ( 2 ) 分析者从决策者和其他来源能获得什么样的资料和数据等原始信息。 2 、划分和选定有关因素 在明确问题的基础上，就要弄清所要决策的问题将要涉及到的主要因素。这 里需要注意的是，主要因素固然不应疏漏，同时也不宜把次要因素考虑过多而主 次混淆，反而把主要因素湮没而造成决策的偏颇失实。 例如，土地利用结构调整或布局需要做出决策，土地利用结构是否优化的判 断标准是经济效益、社会效益和生态效益等构成的综合效益是否最大化，每一种 效益由选取的一些指标在不同的方案下的取值所确定。 3 、建立系统的递阶层次结构； 概称方案类。这些分 图2a h p 法的层次结构示倒 类指标分属于不同的 f i g 2ad e m o n s t r a t i o na b o u tt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo f a h p 层次。如图2 所示。 4 、构造各层的判断矩阵 ( 1 ) 分级定量法 在同一层次上的各因素，按其优良程度或重要程度可以划分成若干等级，赋 以定量值。一般可以采用5 级定量法，即相等、弱、强、很强、极强，相应的赋 值可以是1 、3 、5 、7 、9 ，如表1 所示。 表1 分级定量法 重要程度或优良程度赋值说明 至于一个元素比另一个因素为次要，则其定量赋值可取为上述1 、3 、5 、7 、 9 ，的倒数。 1 6 如果有些问题的分级可有较高的精确度，认为上述5 级定量法不足以描述清 楚，即可用2 、4 、6 、8 四个数值进行内插，成为9 级定量法。在有的场合，甚 至可以采用1 - - 9 之间的任一实数进行内插。 ( 2 ) 建立判断矩阵 对某一层次的因素，比如有b l ，b 2 ，b 。，于是可以建立一个判断矩阵 如下， 、乙因素 、淤 b lb 2 b i b n 甲蠢心 b 1b l ib 1 2 b l i b l n b 2 b 2 1b 2 2 b 2 i b 2 。 b ib i lb i 2 b i i b i n b nb n lb l 2 b n i b n n 矩阵中的赋值b i i 表示甲因素b i 对乙因素b i 的重要程度的赋值。这些赋值的 根据或来源，可以是有决策者直接提供，或由决策者同分析者对话来确定，或由 分析者通过各种技术咨询而获得，或者通过其他合适的途径来酌定。 5 、检验判断矩阵的一致性并修正判断矩阵 一致性检验的办法是： ( 1 ) 求出一致性检验指标c i c ：垒婪= ! 行一1 式中n 为判断矩阵的维数；k 。为判断矩阵的最大特征值。 ( 2 ) 求出平均随机一致性指标r j 单层次判断矩阵的平均值一致性指标m 随矩阵的维数而变动，其取值可如 表2 所示。 表2 随机一致性指标的取值 t a b 2 t h ev a l u eo ft h er a n d o me o n s h t e n c yi n d e x 矩阵的维数1 112345 平均随机一致性指标r j 0 0 0 0 o oo 5 80 9 0 1 1 2 矩阵的维数1 167891 0 平均随机一致性指标r i 1 2 41 - 3 2 1 4 l1 4 51 4 9 ( 3 ) 求出相对一致性指标c r c r ：c i 五， 当c r 愈小时，判断矩阵的完全一致性愈好，其极限值为0 。一般认为 c r y 一0 1 ，那么一般认为初步建立的判断矩阵是不能令人满意的，需要 重新分析赋值，仔细修正，直到检验通过为止。 6 、确定各层中因素的优先次序 在通过一致性检验的判断矩阵的基础上就可以求得表征各因素b l ，b 2 ， b 。优先次序的权系数。一般采用乘积方根法几何平均法。具体求解办法也 就是，先将判断矩阵的横行各元素连乘并开n 次方，这就是求取各行元素的几何 平均值，再将其规范化，这就得到了各因素b l ，b 2 ，b 。优先次序的权系数。 4 1 3 层次分析法的优点及局限性 1 、层次分析法的优点 层次结构具有稳定性和弹性。稳定性是指层次结构中的改变，可控制掌握， 不致产生重大的变动；弹性是指可以依据需要在原有的结构中作一些影响因素的 增添变化，这些性质有助于我们在认定层次结构的过程中，得以做逐步地修正或 扩充。 由于层次结构中，各层次影响因素的优先程度，乃是逐层分别衡量比较产生 的，所以我们可以很清楚地观察出上层影响因素间优势结构的变化，对下一层影 响因素发生的冲击影响力，在研究问题系统结构变化的冲击影响上，此点是极为 重要的。 2 、层次分析法的局限性 虽然a h p 可解决定性目标函数的优化问题，但是因为a h p 量化的基础是建 立在判断者的主观判断上，容易受极端值的影响，且当阶层与元素较多时，判断 者容易失去理性，影响方案的评选。故a h p 较适宜在处理元素量不大的决策问 题上。 刘信宏于2 0 0 0 年提出，虽然a h p 方法已被广泛的应用，但仍有面临到对于 专家的人数及其人选为一个主要的限制，乃因人数过多或人选认定标准有所偏差 时，将会影响分析结果的一致性。 张春龙在2 0 0 0 年提出，在用以a h p 解决问题时，若选择要素超过一定的层 次因素( 理论上以九个为上限) ，则容易面临到一致性准确度降低的问题。 4 2 遗传算法的基本理论 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应 1 8 全局优化概率搜索算法。它最早由美国密执安大学的h o l l a n d 教授提出，起源于 6 0 年代对自然和人工自适应系统的研究。7 0 年代d ej o n g 基于遗传算法的思想 在计算机上进行了大量的纯数值函数优化计算实验。在一系列研究工作的基础 上，8 0 年代由g o