（土地资源管理专业论文）基于蚁群算法的土地利用结构优化研究——以柳州市为例.pdf

华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的士地利用结构优化研究以柳州市为例 摘要 随着社会生产力的发展，土地利用类型结构和布局趋向复杂化。在一定区域内， 为达到土地利用系统一定的生态、经济和社会效益最优目标，对土地利用结构进行 优化研究，实现土地资源的可持续利用，成为土地科学特别是土地利用学迫切需要 解决的课题。探讨土地利用结构在空间和时间上的合理配置，必须求助于系统优化 的方法。在规划过程中，系统优化方法其实就是以数学模型为主要手段的定量分析 过程。目前在规划手段中大量采用模型优化方法是现代土地利用规划学科发展的趋 势之一。 蚁群算法是种新型启发式优化算法，具有较多优点。将蚁群算法应用于区域 土地资源结构优化，提出基于蚁群算法计算的区域土地资源结构优化模型是一种全 新的尝试与应用。本文拟以系统优化模型为基础，制定合理的区域土地资源结构优 化方案，用有限的土地资源，实现研究区域内的经济效益、社会效益和生态环境效 益三者的最大化。 本文以柳州市为研究区域，运用蚁群优化算法方法对柳州市土地利用结构进行 了优化配置研究。其主要内容包括：( 1 ) 全面论述了土地利用结构优化的基本理论和 技术手段，为柳州市土地利用结构优化提供了理论基础；( 2 ) 从地理区位、自然条件 和社会经济条件三方面较为详细的分析了柳州市土地利用的外部环境，并从土地利 用类型的数量结构、空间结构和组合结构三个方面，对柳州市土地利用现状进行了 定量分析和评价，为土地利用结构优化提供了现实基础；( 3 ) 依据柳州市历年来的数 据，建立蚁群优化算法模型，利用其良好的处理非线性问题的能力和自学习能力， 对柳州市土地利用结构进行优化，应用m a f l a b 程序进行计算，最后得出柳州市土地 利用结构优化的最优方案，同时，为有效的实施该方案提出了相应的保障措施。实 践表明，将蚁群算法应用到区域土地利用结构优化，对土地利用结构进行从定性到 定量进行优化评价是合理可行的，可以为柳州市未来土地利用结构调整、土地利用 总体规划的制定提供参考。 关键词：土地利用结构优化；蚁群算法；优化模型；柳州市 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a lp r o d u c t i v ef o r c e , t h el a y o u ta n ds t r u c t u r eo fl a n d u t i l i z a t i o nb e c o m ec o m p l i c a t e d i ns o m ec e r t a i na r e a s ，i no r d e rt oa c h i e v et h ec e r t a i n s o c i a l 、e c o l o g i c a la n de c o n o m i cb e n e f i t so p t i m i z a t i o no fl a n du t i l i z a t i o ns y s t e ma sw e l la s t h eg o a lo fs u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fl a n dr e s o u r c e s ，t h es t u d yo no p t i m i z a t i o no fl a n d u t i l i z a t i o ns t r u c t u r eh a sb e c o m et h eu r g e n tt h e s i sf o rl a n ds c i e n c e ，e s p e c i a l l yf o rt h el a n d u t i l i z a t i o n b e s i d e s ，t h ed i s c u s s i o n a b o u ta p p r o p r i a t ea l l o c a t i o no fl a n du t i l i z a t i o n s t r u c t u r ef r o mt h ea s p e c t so fs p a c ea n dt i m ed e p e n d so nt h es y s t e mo p t i m i z a t i o nm e t h o d d u r i n gt h ep r o c e s so fl a n dp l a n n i n g , t h es y s t e mo p t i m i z a t i o nm e t h o di st h ep r o c e s st h a t c o n d u c t i n gt h ea n a l y s i so nt h eb a s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e l n o w a d a y s ，t oa p p l yt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o di nl a n dp l a n n i n gi so n eo ft h ed e v e l o p m e n tt r e n d so fm o d e r nl a n d p l a n n i n g a n tc o l o n ya l g o r i t h m si so n ek i n do fn e wh e u r i s t i cc a l c u l a t i o nm e t h o d 嘶mal o t a d v a n t a g e s a f t e rt h ea p p l i c a t i o no ft h ea n tc o l o n ya l g o r i t h m si n t h er e g i o n a ll a n d r e s o u r c e ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n , t op u tf o r w a r dt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo fr e g i o n a ll a n d r e s o u r c e ss 缸u c t u r co p t i m i z a t i o nw h i c hi sb a s e do na n tc o l o n ya l g o r i t h m si sn e wt r i a l b a s e do nt h es y s t e mo p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h i sa r t i c l ew o r k so u tt h er e a s o n a b l ep l a nf o rt h e r e g i o n a ll a n dr e s o u r c e ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n , a n dr e a l i z e st h es o c i a l 、 e c o n o m i ca n d e c o l o g i c a lb e n e f i t sm a x i m u mi nt h er e s e a r c h 也r o u g hu t i l i z i n gt h ei n s u f f i c i e n tl a n d s t a k i n gt h el i u z o uc i t ya st h er e s e a r c ha r e a , t h i sc o n d u c t sr e s e a r c ha b o u to p t i m u m d i s t r i b u t i o no fl a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r et h r o u g ha p p l y i n gt h ea n tc o l o n ya l g o r i t h m s 1 1 1 e m a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：( 1 ) b yc o n d u c t i n gc o m p r e h e n s i v ee x p l a n a t i o na b o u tt h eb a s i c t h e o r i e sa n dt e c h n i c a lm e a l l qo fl a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n , i tp r o v i d et h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no fl a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r eo fl i u z h o uc i t y ( 2 ) t h e e x t e r n a le n v i r o n m e n to fl i u z h o uc i t y sl a n du t i l i z a t i o ni sa n a l y z e df r o mt h ea s p e c t s i n c l u d i n gg e o l o g i c a ll o c a t i o n , n a t u r a lc o n d i t i o na n de c o n o m i cc o n d i t i o n , i na d d i t i o n , i t m a k e st h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no nl a n du t i l i z a t i o ns t a t u so fl i u z h o uc i t y f r o mt h ea s p e c t sw h i c hi n v o l v i n gq u a n t i t ys t r u c t u r e 、s p a t i a ls 缸u d 胍a sw e l l 鹤c o m p o s i t e s t r u c t u r eo fl a n du t i l i z a t i o nt y p e b yt h i sw a y , i tp r o v i d e st h er e a l i s t i cf o u n d a t i o nf o rl a n d u t i l i z a t i o ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ed a t a so fl i u z h o uc i t yo v e rt h e y e a r s ，t h ea n tc o l o n ya l g o r i t h m sm o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e l ss e l f - s t u d y c a p a c i t ya n dt h ea b i l i t yf o rd e a l i n gw i t ht h en o n l i n e a rp r o b l e m ，t h ea r t i c l eo p t i m i z e st h e l a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r eo fl i u z h o uc i t y f u r t h e r m o r e ，b ya p p l y i n gt h em a t l a b ，t h e o p t i m a lp l a no fl i z h o uc i t y sl a n du t i l i z a t i o ns 觚c t 瑚七o p t i m i z a t i o ni sb r o u g h tf o r t h ， m e a n w h i l e ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r dt h es a f e g u a r dm e a s u r e sf o re f f e c t i v ea c c o m p l i s h m e n t i i 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的土地利用结构优化研究一以柳州市为例 o ft h i sp l a n t h ep r a c t i c eh a ss h o w nt h a ti ti sf e a s i b l et oa p p l yt h ea n t c o l o n ya l g o r i t h m s i nr e g i o n a ll a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n dc o n d u c tt h eq u a n t i t a t i v ea n d q u a l i t a t i v eo p t i m i z a t i o ne v a l u a t i o n ，a n dt h i so p t i m a lm e t h o dc a no f f e rt h er e f e r e n c ef o rt h e a d j u s t m e n to fl a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r ea n de s t a b l i s h m e n to fg e n e r a ll a n du t i l i z a t i o n p l a n n i n go fl i u z h o uc i t yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i o no fl a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r e , a n tc o l o n ya l g o r i t h m s ， o p t i m i z a t i o nm o d e l ，l i u z h o uc i t y i i i 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的土地利用结构优化研究一以柳州市为例 图表目录 图1 1技术路线图8 图4 1蚂蚁路径寻优示意图2 l 图4 _ 2 简单蚂蚁系统的算法流程图。2 3 图5 12 0 0 5 年柳州市国内生产总值结构图。3 2 图5 - 2 柳州市历年经济发展趋势图3 2 图5 - 3 柳州市1 9 9 6 - 2 0 0 5 年农用地数量变化图3 3 图5 4 柳州市1 9 9 6 - 2 0 0 5 年农用地内部结构变化图3 3 图5 5 柳州市1 9 9 6 - 2 0 0 5 年建设用地数量图3 4 图5 - 6 柳州市1 9 9 6 - 2 0 0 5 年建设用地内部结构变化图3 5 图5 71 9 9 6 2 0 0 5 年柳州市未利用地数量图3 6 图5 8 柳州市农用地地区分布图3 6 图5 - 9 柳州市各县建设用地分布图3 7 图5 1 0 柳州市各县未利用地分布图3 8 表5 12 0 0 5 年柳州市人口统计表。3 l 表5 - 2 柳州市农用地面积统计表( 2 0 0 5 年) 3 4 表5 32 0 0 5 年柳州市建设用地面积统计表3 5 表5 _ 42 0 0 5 年柳州市未利用地面积统计表。3 6 表5 5 柳州市土地利用动态变化分析表3 8 表5 6 柳州市各县2 0 0 5 年农用地结构表3 9 表5 7 柳州市2 0 0 5 年建设用地结构表4 0 表5 8 柳州市土地利用结构现状与优化比较4 4 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 历 如需保密，解密时间年 月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意 研究生签名：衔陵时间：公年月日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文本人同意华中农业大学可以用歹f n 3 - 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书 学位论文作者签名：障隍 导师签名：一 蚴期：岬年月加 蚴期：汕1 年b 月i b 日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的七地利用结构优化研究以柳州市为例 1 绪论 1 1 土地利用结构优化的国内外研究现状 1 1 1 国外研究进展 二十世纪上半叶，土地利用规划只是传统的建设性或蓝图规划，土地利用结构 优化研究没有得到重视。其研究的方法大多采用定性的经验规划方法，即根据专业 人员和领导的实践经验与主观愿望来确定发展方向和农林牧副渔用地的配置比例。 在英美等发达国家，是将一定范围内的土地划分成不同使用分区，并以使用分区图 来界定分区的范围及区位。 到了2 0 世纪下半叶，尤其是进入上世纪7 0 年代以来，随着人口、资源、环境 和发展问题的日益出现，土地利用规划逐渐发展到以控制土地利用变化和可持续发 展为目的的公共决策，土地利用结构优化研究在土地利用规划得到重视。其主要研 究领域包括：城市化、农业的发展与土地利用结构优化配置的机理研究：湿地、 废弃地及居住地等特殊地段的土地配置研究；农作物、林业、水产养殖、交通运 输等用地的优化配置研究；土地使用政策及其对土地利用结构优化配置的作用研 究等。由此可见，国外土地利用优化配置具有范围广泛、注重深度探讨、技术手段 先进等特点。但是，从总体上来看，对区域土地利用的整体性、层次性以及土地利 用优化配置动因机制研究，尚显不足。 优化设计从马克斯威尔理论( x w e l l1 9 8 0 ) 和米歇尔( m i c h e l l1 9 0 5 ) 框架出现 起已有百年，从史密特( s c h m i t ) 用数学规划来解决结构优化设计起算，亦有4 0 年 的历史。二十世纪七十年代以后，地理信息系统( 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 ， g i s ) 技术、遥感信息系统、计算机、数学方法等先后应用于土地利用优化配置的研 究。如x i n g 等应用g i s 和多目标规划来预测土地利用中引起的争地矛盾的原因， 由此得出解决的策略；s h a r i f i 等探讨了把土地利用动态规划系统用于作为农场土 地配置的决策支持系统，这个模型是由具有决策模型的g i s 和综合规划模型组成， 综合规划模型又包括作物生长模式、线性规划模型和使规划设计转为可操作规划的 空间配置决策模式；c h u v i e c o 应用线性规划作为g i s 分析工具，对空间属性进行 优化和变量组合，并在西班牙进行土地规划试验。 1 1 2 国内研究进展 2 0 世纪中叶以前，我国土地利用规划的内容与英美等国家不同，其任务主要包 括土地区划以及进一步的田块划分、林带配置、居民点安排、道路布局等。主要采 i 绪论 用定性分析的方法，包括土宜法和综合平衡法，很少用系统分析的方法。 上世纪8 0 年代，尤其是进入上世纪9 0 年代以来，土地利用规划的内容己经具 体包括了以可持续发展为导向的土地资源分配与再分配，各类用地结构的合理调整 和优化布局等内容，土地利用结构优化成为了土地利用规划的核心内容。土地利用 及其优化配置研究方面呈现出如下的发展态势：基础理论研究进一步加强，土地 类型与土地评价、土地利用规划、土地利用系统工程，以及城镇土地定级与估价研 究等方面的专著不断问世；研究领域更加广泛深入，已由原来比较狭窄的农业土 地利用研究转入更为广泛、实践性更强的农林复合与牧业用地、城镇用地、农村住 宅用地、旅游用地等土地利用研究领域；土地利用优化配置研究受到重视，并日 显活跃。具体表现在如下几个方面：伴随着城市土地有偿使用制度深化改革，关 于城市土地配置的市场化途径、目标模式和区位配置原理等方面的研究取得了一系 列成果；无论在理论上，还是在指导城市土地配置决策实践上都有着重要的意义； 为适应区域可持续发展目标要求，以土地可持续利用为准则的土地配置系统分析 及土地利用配置模式、可持续土地利用模型的研究蓬勃开展；g i s 支持区域土地利 用调查、土地利用优化决策的研究广泛开展，并取得了显著成效，土地利用信息系 统的开发潜力与应用受到普遍重视。 近年来在我国土地利用规划方法己开始由定性向定性与定量相结合，由静态规 划向动态规划，并逐步向规划的模型化和信息化方向发展，各种线性和非线性规划 及多目标规划的方法开始应用于土地利用规划中。规划手段中大量采用模型优化方 法是现代土地利用规划科学的趋势之一，其原因是规划工作者力求借助数学模型一 一这一严密的逻辑方法，能最有效地保证土地利用结构优化思维的逻辑过程，从而 增强规划方案的科学性。具体的规划问题，由于内容不同，系统各要素之间的联系 方式不同，目标函数与约束条件也有不同的性质和形式，因此，可以用不同的规划 方法来解决，如线性规划、灰色线性规划、模糊线性规划、非线性规划、动态规划、 参数规划和目标规划等。 1 1 3 国内外研究方法综述 近年来，土地利用规划方法已开始由定性向定性与定量相结合，由静态规划向 动态规划，并逐步向规划的模型化和信息化方向发展，各种线性和非线性规划及多 目标规划的方法开始应用于土地利用规划中。规划手段中大量采用模型优化方法是 现代土地利用规划科学的趋势之一。目前，国内外科学工作者在土地利用结构优化 中常采用的方法主要有以下几种： 1 1 3 1 定性分析 定性分析是传统采用的方法，该法通过分析土地资源的基本特征、土地利用现 状特点及存在的主要问题，从而提出土地利用结构优化的调整方案。整个土地利用 2 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的土地利用结构优化研究以柳州市为例 结构规划的过程只是依靠人们的认识或专家的知识来判断出所采取的土地利用结构 方案，只是人为布置措施。例如：张兆福和贺贞文等对7 1 l 中丘陵区土地资源的利用 研究，认真分析了土地利用现状存在的些问题，从定性的角度提出了土地资源可 持续利用的一些措施。陈莹、饶继发对南昌市新建县土地利用结构的研究，分析了 土地利用结构的变化和土地利用影响因素，提出了优化土地利用结构的对策。定性 分析的优点是计算简便、省时、快捷，但是由于受人为主观因素的影响，其可靠性 和精确性比用系统优化方法求出的最优方案差很多。 1 1 3 2 多级参数平衡法 段建南在土地评价的基础上，应用系统分析方法，将建立农业生产用地结构模 式的各级参数分为六级，通过逐级计算，多次平衡调整，直到建立合理的农业生产 用地配置段模式：建南、唐耀先等应用多级参数平衡法在辽宁省喀左县后坟村进行 了农业用地规划，认为是一种行之有效的土地利用规划方法，但近年来，该方法的 应用较少。 1 1 3 3 线性规划法 土地利用规划中常规采用的数学方法是应用线性规划方法对土地利用结构进行 优化调整，可避免土地利用的盲目性。线性规划是一种优化资源配置的有效方法， 是一种确定的静态模型，该法弥补了以往仅为土地利用结构优化，人为的布置措施 的不足。陈国良等运用线性规划方法研究了宁夏固原县黄土丘陵区农林牧合理生态 经济结构模式：汤孟平等建立线性规划模型对河南省西峡县的土地利用结构进行优 化调整；吴次芳等运用线性规划模型，以s p s s 和l i n g o 软件为计算手段，对哈 尔滨市城乡结合部土地利用结构成因及优化对策进行了研究。 1 1 3 4 灰色预测与灰色线性规划法 土地利用系统是一个复合系统，涉及到社会、经济、生态等方面的问题，关系 错综复杂。灰色线性规划是一种动态的线性规划，它弥补了一般线性规划的不足。 这种方法不仅可以知道既定条件下的最优结构，还可以知道最优结构的发展变化情 况。运用灰预测和灰色线性规划进行土地利用结构优化配置，使线性规划中存在的 问题得到了很大程度的解决。如耿红等在田阳县土地利用总体规划的研究、康慕谊 等对陕西关中地区土地资源的优化配置都应用了灰色线性规划对土地利用结构优化 进行了研究，并弥补了一般线性规划的不足。 1 1 3 5 层次分析法 土地利用结构优化是一个定性和定量相结合的过程。虽然研究方法已有传统的 定性研究向定量研究过渡，但大量的实践证明，在土地利用结构优化的研究中，仅 仅有模型还不行，定量的模型还要与定性的分析结合起来，适时地引入人的经验和 判断，以防计算的结果脱离实际。这就要求我们找到一种能同时结合定性和定量为 3 l 绪论 一体的方法。目前把定性与定量结合起来应用较好的方法是层次分析法( a n a l y t i c a l h i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 。 土地利用结构优化方案的决策方法层次分析法( a h p ) 是将和决策有关的元素分 解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。该 方法是二十世纪八十年代由美国运筹学专家匹兹堡大学教授s a a t yt l 提出的，经过 多年的发展现已成为一种较为成熟的方法，并已广泛应用于复杂系统的分析与决策。 层次分析法的优点是定性与定量相结合，具有高度的逻辑性、系统性、简洁性和实 用性，是针对系统中多层次、多目标规划决策问题的有效决策方法。土地利用结构 优化过程中，在方案择优决策时可运用层次分析法确定出最优的土地利用配置方案。 如但承龙等对江苏省启东市土地利用结构优化的研究中对层次分析法的应用。 1 1 3 6 基于神经网络的土地利用结构优化法 土地利用规划问题是一个多目标的规划问题，规划的方案既追求经济、社会方 面的效益，又追求生态方面的效益，其效益指标多且某些难以量化，其中不确定因 素及模糊的因素很多，而有些因素之间又具有高度的非线性的复杂关系，因而难以 建立其定量的数学模型。作为一个前沿科学的神经网络，由于人工神经网络的自适 应性、非线性、学习功能及容错性强等特点，特别适合于处理各种复杂的、不确定 的、非线性的问题。采用基于神经网络的优化系统可以很容易实现多目标非线性的 土地利用方案的组合优化问题，可以跟踪方案实施的状况，随时检验土地利用实施 的效果。1 9 9 7 年宋嗣迪等运用基于神经网络的土地利用规划方案优化方法对武鸣县 土地利用规划方案的优化，取得了比较满意的结果。 1 1 3 7 其它方法 近年来，很多学者提出了许多新方法新思想来求得土地利用结构的优化。宇振 荣等应用系统思想和生物学原理，提出了以土地- 一食物一人口这一耦合运行发 展过程研究为中心，以建立合理的土地利用系统为目标的农区土地配置模型框架； 张光宇等应用可拓扑学的理论与方法，为土地资源的优化配置和合理利用提供了一 种新的科学方法，而且应用模糊数学的理论和方法，对系统结构模型进行了改进， 提出了系统模糊结构模型，为实现土地资源优化配置提供了依据；刘艳芳等2 0 0 2 年 首次将生态绿当量的概念引入土地利用结构的生态优化，并提出不同地区生态标准 不同的思想；2 0 0 2 年，陈秋计等用遗传算法优化复垦土地利用结构，此方法适用于 较复杂的非线性问题。 1 2 蚁群算法的国内外研究现状 从蚂蚁群体寻找最短路径觅食行为中受到启发，意大利学者d o r i g o 等人1 9 9 1 年提出了一种模拟自然界蚁群行为的模拟进化算法蚁群优化算法，简称蚁群算 4 华中农业火学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的土地利用结构优化研究以柳州市为例 法。这种算法具有分布式计算、信息正反馈和启发式搜索的特征，本质上是进化算 法中的一种新型启发式优化算法。 蚁群算法虽然是从研究求解旅行商问题( t s p ) 提出的，但它在求解多种组合优 化问题中获得了广泛的应用，如调度问题、二次分配、网络路由等。它不仅适用于 离散系统的优化，而且也用于连续系统的优化。 1 2 1 在静态组合优化中的研究 旅行商问题( t s p ) 是蚁群优化算法首先研究的第一个经典的组合优化问题。研究 表明，应用蚁群优化算法求解t s p 问题优于其它多种优化方法。d o r i g o 和m a n i e z z o 等学者将蚂蚁算法引入到二次分配问题( q a p ) 问题中，并根据研究结果对蚂蚁算 法进行了相应的改进。c o l o m i 和d o d g o 等人将蚂蚁算法应用在车间任务调度问题 ( j s p ) 上，并取得了较满意的结果。c o s t a 和h e r t z 等人首先在图着色问题( g c p ) 中 采用了使用两条信息素轨迹的蚂蚁算法。b u l l n h c i m e r 等人将蚂蚁算法扩展到车辆路 线问题( 心) 上，找出最佳行车路线在满足某些约束条件小使得运输成本最小， 研究结果同其他算法相比较优。g a m b a r d e l l a 和d o r i g o 在有序排列问题( s o p ) 中使 用了扩展的蚂蚁算法，结果非常理想。此外，不同形式的蚁群算法在混流装配线问 题、最短的公共父序列问题( s c s ) 等静态组合优化问题中进行了研究，结果较好。 1 2 2 在动态组合优化中的研究 动态问题是指，在问题中有些量的函数，这些量的值由隐含系统动态设置， 问题在运行时间内是动态变化的，优化算法必须适应不断变化的环境。 s c h o o n d e r w o e r d 等人首先分别在有线和无线网络路由这一领域应用蚂蚁系统 ( a s ) 算法并取得了不错的结果。w h i t e 等人在用于单对单点和单对多点的有向连 接网络的路由中应用了蚁群优化算法研究。b o n a b c a u 等人在网络路由的研究中通过 引入一个动态规则机制来改善蚁群优化算法在动态组合优化中的性能。d ic a r o 和 d o r i g o 将蚁群算法用于高速有向连接网络系统中研究，以达到公平分配效果最好的 路由。张素兵，刘泽民等人进行了基于蚂蚁算法的q o s 路由调度方法，以及分段、 分级的q o s 路由调度方法研究。顾军华应用蚂蚁算法研究解决包含带宽、延时抖动 和最小花费等约束条件在内的q o s 组播路由问题，优化研究效果较好。 1 2 3 在求解连续空间优化中的研究 随着蚁群优化算法在求解离散优化问题( 即组合优化问题) 中已经得到越来越多 的研究与应用，蚁群优化算法也被众多学者改进而逐渐引入和扩展到了求解连续空 间的优化问题中。生产实际中的大部分工程优化问题都属于连续优化问题，即函数 5 i 绪论 优化的范围，所以最近用于连续优化问题的蚁群算法成为了广大研究人员研究的重 点。 b i l c h e v 等人曾在使用遗传算法解决工程设计中连续空间的优化问题时，配合使 用蚁群算法对遗传算法所得到的初步结果进行精确化，取得了较好的效果。 陈岐，沈洁等人提出用蚁群算法求解连续空间优化问题的一种方法，该方法将 连续的解空间划分成若干子域，在蚁群优化算法的每一次迭代中，首先根据信息素 的量求出解所在的子域，然后在该子域内己有的解中确定解的具体值，实验仿真结 果较好。 杨勇，宋晓峰等人借鉴蚁群算法的进化思想，提出了一种求解连续空间优化问 题的蚁群算法。这种方法本质上是一种随机搜索算法，通过信息交替按照某种随机 性的概率选择机制，并经过局部搜索和全局搜索两个过程，最终找到最优解。该算 法主要包括全局搜索、局部搜索和信息素强度更新规则。在全局搜索过程中，利用 信息素强度和启发式函数确定蚂蚁的移动方向。在局部搜索过程中，嵌入了确定性 搜索，以改善寻优性能，加快收敛速度。通过实例的求解表明了该算法的有效性。 汪镭，吴启迪将蚁群算法引入连续空间的函数寻优问题求解，通过将传统蚁群 算法中的“信息素留存”过程拓展为连续空间中的“信息素量分布函数”，并定义了相应 的求解算法。对多极值函数和非线性连续函数的寻优实例仿真取得了良好的结果， 显示了蚁群算法在连续空间优化问题中的宽广的应用前景。 孙学勤，刘丽等人针对随机优化算法收敛困难及搜索时间较长的问题，提出了 一种求解连续空间优化问题的蚁群算法，为蚁群算法在连续空间中的应用提供了一 个可行的方案，并将该算法应用于多变量函数优化问题以及热工控制系统控制器参 数优化问题，仿真结果表明，该算法具有良好的全局优化性能，能加快收敛速率， 解决了随机优化算法收敛困难的问题，并提高寻优精度。 1 3 本课题的研究目的与意义 1 3 1 研究目的 将蚁群优化算法应用于区域土地资源规划问题，研究提出基于蚁群算法计算的 区域土地资源规划模型，以规划模型为基础，制定科学合理的区域土地资源规划方 案，合理安排区域内土地资源利用结构，优化土地资源开发利用方案，力争用最少 的人力、物力和财力，在最短的时间内获得最大的社会、经济和生态效益，最终实 现研究区域内的经济效益、社会效益和生态环境效益三者的协调和统一。 6 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的土地利用结构优化研究以柳州市为例 1 3 2 研究意义 1 3 2 1 优化土地利用结构有利于区域内土地利用系统发挥最优的功能 土地作为国民经济部门最重要的生产要素之一，由于人们对其利用目的和利用 方式的不同会产生不同的土地利用结构。土地利用结构和国民经济结构生产结构或 产业结构有着密切的关系：国民经济结构是土地利用结构在经济上的直接或间接的 反映，而土地利用结构是国民经济结构在土地上的直接或间接的具体落实。一定的 国民经济结构特别是居于支配地位的生产结构必须直接通过相应的土地利用结构得 到反映，因此，可从土地利用结构来研究生产结构，生产结构的调整，就是土地利 用关系和结构的调整。从经济学上看，由于生产结构的变动，引起经济效益的变化， 由此产生结构效益。从土地利用的角度看，结构效益指的是在不增加投入的基础上， 由于土地利用结构的调整，引起生产结构的变化，从而产生经济效益。任何时点的 区域土地利用结构都是客观存在的，关键在于结构的合理与否以及合理程度。根据 系统论的观点，系统功能的发挥和系统内部存在一定的关系，两者是相互依存、相 互制约的统一体，结构决定功能的发挥，而功能的发挥反过来也会影响结构的变化， 即结构决定功能，功能是结构状态的外部表现。因此，要使一个地区或区域内的土 地利用系统发挥最优的功能，就必须对土地利用结构做出适当的调整。 1 3 2 2 优化土地利用结构有利于促进土地资源利用的集约化与可持续发展 进入2 1 世纪以来，土地资源供给的稀缺性与其社会需求的增长性之间呈失衡的 发展势态，导致土地资源的非农化倾向及其用途间竞争的矛盾不断加剧，与此同时， 由于土地资源的不合理利用造成土地污染和退化的问题也日益严重。面对经济全球 化的大背景，在可持续发展的战略主题下，人类面临着如何合理利用土地资源的变 革和挑战。如何在国民经济各产业、各部门间分配有限的土地资源如何协调不同区 域、不同时空下的土地供给与需求量如何寻求既符合区域特点，又能在土地利用效 率最大化的约束下达到最佳或最满意的土地利用决策方案，促进土地资源利用的集 约化与可持续发展，成为现代土地科学特别是土地利用科学迫切需要研究的课题。 优化土地利用结构是在保证土地利用效率最大化的约束下，解决土地供需平衡和合 理分配国民经济各部门之间的土地资源的有效途径。因此，对土地利用结构优化进 行研究具有重要的意义。 1 4 研究的内容和技术路线 本文的研究内容和技术路线主要包括： 第一章：阐述了土地利用结构优化的目的与意义、国内外土地利用结构优化的 研究进展，以及土地利用结构优化的相关方法，在此基础上，提出了本文的研究思 路和内容。 7 l 绪论 第二章：简要介绍了土地利用结构优化的概述理论基础。 第三章：将蚁群优化算法应用在区域土地资源规划的模型计算中，研究提出该 模型的一般形式和基本结构，并对该模型的目标函数和各种约束条件进行具体化描 述。 第四章：分析蚁群优化算法的由来及其基本思想，蚁群优化算法的蚂蚁系统和 蚁群系统的工作思路、算法寻优的流程和优化实现的步骤。研究提出将蚁群优化算 法应用于区域土地资源规划模型计算时，优化计算的工作思路、求解的实现步骤和 算法计算的流程。 第五章：介绍了研究区域柳州市的概况和土地利用现状，从土地利用类型 的数量结构、空间结构和组合结构三个方面，对柳州市土地利用现状进行了定量分 析和评价，指出了柳州市土地利用结构目前存在的问题，为土地利用结构优化提供 了现实基础；建立蚁群择优模型，以柳州为例对所建立的模型进行实际运用，找出 了适合柳州市土地利用结构优化的最优方案。 第六章：总结与展望。 土地利用结构优化的概述 及理论基础 土地利用结构优化的数学模型 土地利用结构优化概述 土地利用结构优化的理论基础 土地利用结构优化的技术方法 土地利用结构优化的模型构建 图1 1 技术路线图 f i g 1 - 1t e c h n o l o g yg u i d e l i n eo ft h i sp a p e r 1 5 论文可能的创新 基于蚁群算法计算的区域土地利用结构优化模型及算法的适应性较强，适合求 解该领域的许多形式的问题，对区域土地资源规划的优化方法是一个很好的补充。 华中农业大学2 0 0 9 届硕士学位论文：基于蚁群算法的土地利用结构优化研究以柳州市为例 将蚁群优化算法应用到区域土地利用结构优化模型的计算中，是一种全新的尝试和 应用，通过该模型解决土地资源结构优化的实际问题，推广了蚁群优化算法在区域 土地资源规划领域的实际应用与研究，有利于区域土地资源规划研究领域的发展， 故该研究工作具有较大的理论和实用价值。 通过对柳州市土地利用结构优化问题进行实例分析研究，结合蚁群算法比较好 的选择机制正反馈机制，构建了模型的算法结构和优化实现步骤，在模型算法 的搜索过程中引入局部信息素更新规则和状态转移规则，利用很多个个体蚂蚁可以 进行相互之间的协作运用群体合作的能力，从而更好地完成寻优任务，找出了研究 区内土地利用结构合理、有效的优化方案。 9 2 土地利用结构优化的概述及理论皋础 2 土地利用结构优化的概述及理论基础 2 1 土地利用结构优化概述 2 1 1 优化目标 本文对土地利用结构优化的研究是针对当前土地资源经济供给的稀缺性及利用 过程的不合理性而提出的。故土地利用系统优化的目标，是在时空上分配有限土地 资源于不同的用途，并在微观层次与其他经济资源人力、资金、技术达到合理组合， 以使这些资源在生产出更多的社会所需产品和提供更多服务的同时，又不导致生态 环境质量下降。 在一定的经济技术条件下，土地利用结构优化的目标可以有两种描述：使有 限的土地资源产生最大的效益为取得预定的效益尽可能少利用土地资源。 按描述，要求在一定的约束条件下，通过各种土地类型的合理组合，以追求 产出效益的最大化。这里的资源投入量和规划目标的限制是约束条件，因而它对应 着一个求最大的最优规划问题。按描述，为了既定效益目标，如何合理组织土地 利用结构，使总的成本最小，效益值是约束条件，资源总成本最小是目标函数，因 而它对应着一个最小化的最优规划问题。一般而言，对于完成一个既定的优化配置 问题，使用描述；对于总体上如何配置问题，使用描述。 区域土地利用系统是一个多重利益交织、多重目标取向的综合体，不同阶层、 不同利益集团对各自利益的寻求很强烈。现实情况下，既表现为国家、集体和个人 间的分配，又表现为资源在代表不同利益集团的产业部门间的配置。区域土地利用 结构优化应建在对区域不同阶层社会利益的正确分析基础上，通过控制机制影响并 体现其利益取向。 区域土地利用结构优化的目标有：经济效益目标、社会效益目标、生态效益目 标和综合效益目标。 2 1 1 1 经济效益目标 不管效益目标函数如何复杂，土地利用结构优化主要标准就是使有限土地尽可 能生产出较多的产品和提供较多的服务。这个经济效益的概念，讲的是生产过程的 效益，是指有限的投入生产出尽可能多的符合需要的产品及提供人们需要的各种服 务。就目前的认识水平来说，反映一国或地区在一年内创造的产品和服务价值的指 标有国民生产总值、国内生产总值和净产值。按照经济效益原则，要求国民生产总