（农业经济管理专业论文）基于神经网络模型辨识的土地可持续利用战略研究.pdf

基于神经网络模型辨识的土地可持续利用战略研究 摘要 战略是决策成败的关键，土地可持续战略研究是制定土地利用总体规 划的重要组成部分和当前的研究热点。研究目的：建立一种基于神经网络 系统辨识的土地可持续利用战略调控模型，确定区域土地可持续利用战略 目标、战略模式和战略方案，为提高土地利用总体规划的科学性和可操作 性提供科学决策依据。研究方法：以系统科学思想为指导，采用机理建模 与辨识建模相结合的方法。研究结果：( 1 ) 对土地可持续利用系统进行了 系统分析，明确定义了土地可持续利用的内涵，界定了系统的边界，分析 了系统构成、要素及其系统特征；( 2 ) 建立了一种适用于土地可持续利用 系统的运动机理非完全确知的神经网络辨识模型；( 3 ) 设计了辨识模型与 m a t l a b 相结合的系统仿真软件；( 4 ) 对钦州市土地可持续利用战略进行 了实证分析，摸清了全市土地资源利用状况，及优势、劣势和潜力；( 5 ) 建立了该市土地可持续利用战略辨识与调控模型，通过各种战略模式的仿 真实验辨识出系统结构和参数，分别确定了四种不同战略：全面小康型， 资源限制型，发展需求型，集约循环型，提出了对策建议。为钦州市制定 土地利用总体规划和管理决策提供了科学依据。结论：研究结果表明神经 网络系统辨识模型与m a t l a b 仿真软件相结合是一种新的技术方法，可作 为制定土地可持续利用战略和进行调控仿真研究的有效工具。 关键词：土地管理；土地可持续利用战略；神经网络；系统辨识；仿真 t h es t r a t e g ys t u d yo fl a n ds u s t a i n a b l e u s eb a s e d0 nn e u r a ln e t w o r k m o d e li d e n t i f i c a t i o n a b s t r a c t s t r a t e g yi sak e y t ot h es u c c e s sa n df a i l u r eo f d e c i s i o n s ，t h es t r a t e g ys t u d y a b o u ts u s t a i n a b l el a n du t i l i z a t i o ni sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to fm a k i n gt h e o v e r a l lp l a n n i n go fl a n du s e ，a n di sa l s oah o tf o c u sp r e s e n t t h ep u r p o s eo f t h ep a p e ri st os e tu pak i n do ft h es t r a t e g yc o n t r o l l i n gm o d e lo fs u s t a i n a b l e l a n du s e ，w h i c hi sb a s e do nn e u r a ln e t w o r ka n ds y s t e mi d e n t i f i c a t i o n a n dt o c o n f i r mr e g i o n a ll a n ds u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o ns t r a t e g i co b j e c t i v e ，s t r a t e g i cm o d e a n ds t r a t e g i cs c h e m e ，a n dp r o v i d eas c i e n t i f i ca n df e a s i b l eb a s i sf o rm a k i n g t h eo v e r a l lp l a no f l a n du t i l i z a t i o n r e s e a r c ha p p r o a c h ：w i t ht h ed i r e c t i o no fs y s t e ms c i e n c e ，t h em e t h o d c o m b i n e dw i t hm e c h a n i s mm o d e l i n ga n ds y s t e mi d e n t i f i c a t i o ni sa d o p t e dt o c o n s t r u c tt h em o d e l r e s e a r c hr e s u l t s ：( 1 ) h a v i n gc a r r i e do nas y s t e ma n a l y s i s o ns u s t a i n a b l el a n du s e ，a n dd e f i n e dt h ei n t e n s i o na n ds y s t e m a t i cb o r d e ro f s u s t a i n a b l el a n du s ec l e a r l y , a n da n a l y z e dt h es t r u c t u r e ，c o m p o n e n t sa n d c h a r a c t e r so fs y s t e m ( 2 ) h a v i n gs e tu pan e u r a ln e t w o r kb a s e do ns y s t e m i d e n t i f i c a t i o nm o d e lw h o s em e c h a n i s mi su n c e r t a i n ( 3 ) h a v i n gd e s i g n e da s i m u l a t i o ns o f tw i t hm a t l a ba n dm o d e li d e n t i f i c a t i o n ( 4 ) h a v i n ga n a l y z e d i l t h es i t u a t i o no fl a n du s ei nq i n g z h o u ，a n df o u n dt h es t r e n g t h ，w e a k n e s sa n d o p p o r t u n i t i e s ( 5 ) t h r o u g ht h es i m u l a t i o no fa l l k i n d so fs t r a t e g i cm o d e s ， h a v i n gc o n f i r m e das u i t a b l es c h e m ef o rl a n du s ei nq i n g z h o u ，a n do f f e r e da s c i e n t i f i cb a s i sf o r m a k i n gt h eo v e r a l l l a n du t i l i z a t i o na n dm a n a g e m e n t d e c i s i o n s t h o u g hs t u d y , w ec o n c l u d e ：t h em e t h o dc o m b i n e dw i t hn e u r a ln e t w o r k ， s y s t e mi d e n t i f i c a t i o na n dm a t l a bi san e we f f e c t i v et o o lf o rm a k i n gt h e s t r a t e g yo fs u s t a i n a b l el a n du s ea n ds t r a t e g yc o n t r o l l i n g k e yw o r d s ：l a n dm a n a g e m e n t ；s t r a t e g yo fs u s t a i n a b l el a n du s e ；n e u r a l n e t w o r k ；s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ；s y s t e ms i m u l a t i o n i i i 广西大掌硕士学位论文基于神经网络模型辩讽的土地可持续利用战略研究 1 1 研究的背景和目的意义 第一章绪论 长期以来，人类以自我为中心单纯地追求经济增长和财富增加的传统发展方式， 这给人类自身进一步的发展带来了巨大的灾难。环境遭到污染、资源濒竭、生态不断 恶化以及人1 3 爆炸等。人口、资源、环境和发展之间的尖锐矛盾日趋激化。严重的环 境、资源问题伴随着大量研究事实，促使各国政治家和广大民众对传统发展观的审视， 以及对新的发展方式的思索和呼唤。可持续发展思想正是在这样的社会背景下提出 的。1 9 8 7 年世界环境与发展委员会( w c e d ) 向联合国提交的我们共同的未来【l ，2 j ， 报告在系统分析讨论了人类面临的一系列重大经济、社会和环境问题之后，提出了为 克服危机、保障安全和实现未来必须实施可持续发展的战略主张，并首次给出了可持 续发展概念的明确定义，即“可持续发展是既能满足当代人的需求，又不对后代人满 足其自身需求的能力构成危害的发展。”随后于1 9 9 2 年在巴西召开的以可持续发展 为议题的世界范围的环境与发展大会，通过了关于环境与发展的里约热内卢宣言， 制定了2 l 世纪议程【3 】，阐述了有关可持续发展思想在4 0 个领域的问题，从此， 可持续发展思想和概念被世界各国广泛接受，成为新形势下发展的共同战略。 随着现代工业的快速发展、城市化的推进，以及世界人口剧增，人类对土地资源 的需求大幅度增加，土地供应十分短缺，在人均资源占有量不断降低的情况下，人类 为了生存与发展，一方面大肆开发土地资源，另一方面又滥用技术任意支配和利用土 地，造成了地力消耗过度，后备资源迅速减少，土地生态环境急剧恶化，造成了土地 系统难以逆转的毁坏，人地矛盾极为紧张，形成了全球性土地危机并威胁着人类自身 赖以生存的地球。 我国的土地利用形势更不容乐观。人口众多，土地资源稀缺，是我国的基本国情。 据国土资源部最新公布的调查数字显示，我国人均耕地面积为1 4 亩，仅为世界人均 水平的4 0 ，在“十五”期间，全国年均净减少耕地就达1 8 4 8 万亩。而且全国有6 0 0 多个县( 市) 人均耕地面积低于联合国粮农组织确定的人均耕地警戒线0 8 亩以下。 而中国目前的情况，人口每年约增加8 0 0 一i 0 0 0 万，人地矛盾非常尖锐。在未利用 土地资源中，可开垦为耕地的仅6 6 6 7 万公顷，制约因素多，开发利用难度大。加之， 我国目前正处在城市化加速阶段，非农用地急剧膨胀。同时，由于长期对土地资源的 掠夺式经营，致使水土流失和沙化面积在不断扩大，土地浪费和土地污染严重。这不 仅影响到土地资源本身的充分、合理与有效开发，限制了当前国民经济的健康发展与 人民生活水平的提高，而且由于破坏了人类的“资源支撑系统”，从而在一定程度上 威胁到后代人的生存与发展。 广西大掌硕士掌位论文基于神经网络模型辩识的土地可持续利用战略研究 现实情况表明，土地资源已经不同程度上成为我国乃至整个世界各国的社会经济 可持续发展的刚性约束。土地问题特别是耕地问题在中国资源保护和合理利用中最为 突出。因此，如何针对各地区人口与社会、经济发展的实际和土地资源的基本特征及 当前土地利用的现状与问题等，开辟适应国情、区情的土地资源可持续利用道路，实 施土地资源可持续利用战略。这迫切需要我们在理论与方法上进行系统与深入的研 究。 战略问题是决策成败的关键，土地可持续利用战略研究是土地利用总体规划的重 要组成部分及当前的研究热点。可持续发展理论为土地资源保护提供了理论的指导， 要求在着眼长远与统揽全局的战略高度，合理利用土地，根据当前土地利用中存在的 问题和国民经济发展的需要制定实施一个科学可行的土地资源可持续利用战略，使土 地得以可持续利用，进而实现整个区域社会经济的可持续发展，为此，开展区域土地 利用战略的神经网络系统辨识方法建模与战略调控仿真研究不仅十分必要，而且通过 战略调控模式仿真研究，为新时期下土地利用总体规划的修编、制定未来的土地利用 方案提供依据，对提高规划的科学性和可操作性，对完善和发展土地利用规划学的理 论与技术方法都有重要理论学术意义和实用价值。 1 2 国内外相关研究综述 1 2 1 国外土地可持续利用研究进展 2 0 世纪9 0 年代，国际上一些土壤学家和土地评价专家将可持续发展的思想引伸 到土地利用中，提出了可持续土地利用管理( s u s t a i n a b l el a n dm a n a g e m e n t ) 的概念。 1 9 9 0 年在新德里召开的“国际土地可持续利用系统研讨会”中，正式确定了土地可持 续利用的思想。会议主要讨论了不同地区的可持续土地利用系统的现状和问题，并建 议建立全球可持续士地利用系统研究网络。其后，在泰国举行了“发展中国家可持续 土地利用评价国际研讨会”，1 9 9 3 年在加拿大召开了“2 1 世纪可持续土地管理国际研 讨会”。这些会议的最大成果是提出了可持续土地管理的五大原则：保持和提高土地 生产力( p r o d u c t i v i r ) 、减少生产风险( s e c u r i t y ) 、保护土地资源潜力和防止土壤、水 质的退化( p r o t e c t i o n ) 、具有经济活力( v i a b i l i t y ) 和社会可以接受( a c c e p t a b i l i t y ) 。 在这些会议的基础上，f a o 颁布了可持续土地利用评价纲要( f e s l m ) 【4 】等指 令性文件，提出了以上述五项原则为可持续土地利用管理的基本框架和评价标准，并 初步建立了土地可持续利用评价在自然、经济和社会等方面的评价指标。至此，以 f e s l m 为纲领的土地可持续利用管理研究在世界各国蓬勃展开。 虽然开展土地资源可持续利用研究历时多年，但迄今为止，对土地资源可持续利 用尚无统一的、明确的定义。美国学者y o n g ( 1 9 8 9 ) 从土地科学角度出发将之定义“为 获得最高的收获量、并保护土壤赖以生产的资源，从而维持其永久的生产力”的土地 广西大掌硕士掌位论，： 墓于神蛏网舜h 鼻型辩讽的- t - 地可持续利用战_ 夸研究 利用；h a r t 和s a n d s 从系统科学角度出发，将土地资源可持续利用定义为“利用自然 和社会经济资源，生产当前社会经济环境价值超过商品性投入的产品的同时，能维持 将来的土地生产力及自然资源环境”。至今，国际上普遍接受的是联合国粮农组织1 9 9 3 年拟定的持续土地管理评价大纲中对持续土地管理所下的定义【5 j ，即“持续土地 管理是将技术、政策和能够使社会经济原则与环境考虑融为一体的行为结合起来，以 便同时实现保持或提高生产与服务、降低生产风险、保护自然资源潜力及防止土壤退 化、经济上可行和社会可接受”。 近年来，国外在土地可持续利用评价方面的研究非常活跃，各国专家、学者积极 探讨适宜本国的土地资源可持续利用评价的指标体系和方法。颇具影响力的有：1 9 9 4 年，杜曼斯基( j d u m a n s k i ) 调查了加拿大影响农业土地利用的因素，以f e s l m 为依据，评价了该国萨斯喀彻温省的农业土地利用的可持续性【6 。7 】。世界银行( p i e d 等，1 9 9 5 ) 倡导和推行土地质量指标( l q i ) ，该指标是建立在压力一状态一反应框架 下的对土地“健康”的总体评价。波曼( b o u m a n ，1 9 9 9 ) 等通过经济因素和自然因素 两者的结合，综合分析土地利用可持续性。国际上有关土地资源可持续利用评价的研 究成果集中体现在1 9 9 7 年在荷兰恩斯赫德召开的“可持续土地利用管理和信息系统 国际学术会议”上。一些与会学者提出“选择指标应遵循三个原则，即数据的现成性、 灵敏性和可量化性”，并认为土地资源可持续利用评价指标有三类：“环境和技术指标， 经济指标，社会指标”。大多数专家认为评价一个土地利用系统是否可持续，必须全 面分析土地利用在自然资源、生态环境、社会经济、习惯与法制等各个方面的效应， 但对于具体的评价指标和评价方法还处于探索阶段。 土地利用土地覆被变化的可持续性是实现全球可持续发展的基础和关键性因 素。因此，国际地圈一生物圈计划( i g b p ) 和全球环境变化中的人文领域计划( i h d p ) 于1 9 9 5 年联合提出开展土地利用土地覆被变化( l a n du s e l a n dc o v e rc h a n g e ， l u c c ) 研刭引，主要内容包括土地利用土地覆被的类型分析和变化过程研究，探 讨人类对土地利用土地覆被变化的反应，不同时间和空间尺度上土地利用变化土 地覆被的动力机制并建立相应的变化模型，开展了有关土地表层、生物过程及动力机 制方面的数据库建设，其最终目标是为全球、国家及区域的土地资源可持续利用和可 持续发展提供决策依据。 在土地可持续利用量化模型研究方面，以下三项研究最有影响力【9 】：( 1 ) 澳大 利亚采用多目标决策分析的方法，从各种资源对人口限制角度出发，讨论了该国的土 地承载力。( 2 ) 联合国粮农组织对发展中国家土地潜在人口支持能力的研究：这项研 究提供了确定农业土地生产潜力的新途径，即农业生态区域法( a e z ) 。它将气候生 产潜力和土壤生产潜力相结合，来反映土地用于农业生产的实际潜力；并考虑了对土 地的投入水平和社会经济条件，对人口、资源和发展之间的关系进行了定量评价。( 3 ) e c c o 模型研究：它是由英国科学家斯莱瑟教授提出的被称为“可持续发展的全新定 量分析方法”，它应用了系统动力学的系统分析和建模方法，综合考虑人口、资源、 广西大攀硕士掌位论文 基于神经网崩h 兵型牛识的土地可持茸；利用战- 各研究 环境与发展之间的关系，可以模拟不同发展战略下，人口变化与资源承载力之间的动 态变化，由此建立一整套资源开发利用目标和政策，使之既能满足经济发展的需要， 又不破坏生态环境，从而使一个国家或地区保持持续稳定的发展。 在技术应用方面，2 0 世纪7 0 年代遥感技术( r s ) 、2 0 世纪8 0 年代地理信息系统 ( g i s ) 、2 0 世纪9 0 年代的全球定位系统( g p s ) 为土地资源可持续利用的研究注入 了强大的动力，并成为未来土地利用总体规划技术的重要发展方向与趋势之一。目前， 美、加等国投入了大量人力、物力着手开发多样化和多目标的土地信息系统，这必将 使土地资源可持续利用的半定量、定量化和模式化研究更加完善。 1 2 2 国内土地可持续利用研究进展 国内可持续土地利用管理的研究是起源于土地资源及利用现状的调查、评价、土 地承载力的研究，特别是土地承载力的研究，奠定了可持续土地利用管理的理论基础。 2 0 世纪9 0 年代后，国内许多学者从各自不同的出发点和研究方法寻求区域土地资源 可持续利用的基本理论、评价方法、模式和实现途径。 在土地资源可持续利用的基础理论体系和评价方面，其颇具影响力的有：张风荣 ( 1 9 9 6 ) 在持续土地利用管理的理论与实践【lo j 一书中，全面介绍了f e s l m ， 对持续土地利用管理在自然资源、社会、经济和生态环境各个领域的内在地位作用进 行了系统分析，并应用( ( f e s l m ) 的原理对我国几个典型地区进行了分析评价。1 9 9 7 年中国土地学会以“耕地保护和可持续发展”为主题，发表了一系列土地资源可持续 利用研究的成果，主要包括土地可持续利用的概念及内涵、耕地保护与可持续发展、 我国土地资源可持续利用的对策等。谢俊奇( 1 9 9 9 ) 吸收和发展了国内外有关研究成 果，在其博士论文可持续性土地利用系统的指标、评价和规划实践系列研究 1 l 】 中，提出了可持续性土地利用系统的指标体系，包括目标指标、诊断指标和结果指标， 初步研究了1 1 种土地利用方式的可持续性土地利用系统的指标体系和指标值。唐华 俊( 2 0 0 0 ) 等出版了中国土地资源可持续利用研究的理论与实践，这是我国迄今 为止，无论理论体系还是研究方法都较为科学和完善的有关土地资源可持续利用的专 著。 在土地利用系统研究方面，我国还有许多学者从多学科、多视角出发，探讨了建 立持续土地利用系统的途径与方法。在河北省曲周试验区盐渍化综合治理和农业农村 综合发展的长期攻关研究的基础上，辛德惠等提出“土地利用工程生态设计”的方法。 宋兆鸿教授主编的土地利用系统工程【l2 】将系统工程的理论和方法应用到土地利用 领域。 由于人多地少，土地生产潜力与人口承载潜力研究至今仍是我国土地科学的重要 研究领域。1 9 8 6 年全国农业区划委员会部署了“中国资源系统生产能力及人口承载量 研究”项目，通过几年的努力，该项目摸索总结并创立了适合我国国情的“区域资源 广西大掌硕士掌位论文| i 于神经网蛸模型辩识的土地可持续利用战略研究 系统生产力方法”，并以1 9 9 5 年、2 0 0 0 年、2 0 2 5 年为时间尺度，对中国不同生态区 的土地资源承载力进行系统的研究，认为中国土地资源的最大人口承载量为1 6 6 亿 人f ”】。汇集前期研究成果，1 9 9 6 年，由f a o 资助，国家土地管理局组织，中国土地 规划设计研究院和北京农业大学等单位承担的“中国土地的人口承载潜力研究”项目 终于完成。上述两个项目的实施，全面引进f a o 的a e z 方法，并在实践应用中进 行了修正。1 9 9 7 年唐华俊、叶立明等出版了土地生产潜力方法论比较研究【l ”，这 是国内第一部系统介绍土地生产潜力研究方法的专著。该书系统整理和详细介绍了当 前国内外土地生产潜力的研究方法，客观评价了各种方法的优缺点，列出了各种方法 的程序源，并列举了黄淮地区3 8 个县的研究实例。在国家“九五”科技攻关项目一 “农业资源高效利用与管理”中，“中国农业资源综合生产能力与人口承载能力”研 究就是其中的重要内容之一。 通过对文献的查阅，可以看出尽管中国在土地资源可持续利用研究方面做了大量 工作，并取得了一系列研究成果。但是，从整体研究情况来看，在以下几方面还有待 进一步发展和完善。 ( 1 ) 在土地资源可持续利用的基础理论方面，目前中国有关研究主要是从研究者 各自的专业出发进行的，很少有对有关结果进行综合集成，从土地可持续利用系统出 发对其结构、功能、运行规律及机制、演变模式等进行研究： ( 2 ) 具有可操作性的土地可持续利用指标体系尚待建立； ( 3 ) 在土地资源可持续利用的调控及模型方面，在系统运行的哪个环节设置控制 器( 即实施控制的地点) 。设置什么样的控制器( 即调控措施) ，采取什么样的控制方 式等，均有待进一步研究和探讨【l5 】； ( 4 ) 真正规范、可操作性强的土地可持续利用与管理的规划理论及体系等，仍有 待于在实践中不断总结和完善； ( 5 ) 土地资源可持续利用管理信息系统建立并不完善。 1 3 本文研究的目标、内容、方法和技术路线 1 3 1 研究目标和内容 本文是从上述的第一和第三个方面来进行区域的土地可持续利用战略研究。即土 地可持续利用的基础理论方面和土地可持续利用系统的模型和调控研究方面。 以往对区域土地可持续利用战略研究多以定性分析为主，定量分析明显不足，难 以提供有力的决策依据。而在定量研究方面，主要采用系统动力学方法。这是一种以 反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段，通常用以研究复杂的社会经济系统 的定量方法。在建立系统仿真模型时一般需要使用特定的语言d y n a m o ，这种语言 非常复杂，并且对数据的需求量和精度要求较高，在现实中很难甚至无法获得，这使 广西大掌硬士掌位键- 文| 0 于神经用捌卜| 舞型，牛识觑乳土地可持崮蜊用战- 争司卜究 得在很多情况下建模非常困难，且模型的调试过程复杂，对系统分析人员的素质要求 和经验分析能力很高，因此在现实中很难有效地实现，况且在这方面的研究已趋于成 熟和饱和。因而迫切需要去探索一种新的方法来对社会经济系统进行战略仿真及决策 分析。 目前，作为信息、控制与系统科学的新兴交叉学科系统辨识，被广泛运用到自 然和社会科学的各个研究领域。并在线性系统的建模理论与方法上形成了一套成熟的 方法，如最小二乘法辨识方法、最大似然辨识方法、梯度法辨识等，然而这些算法却 难以用于非线性不确定系统的建模。系统辨识对非线性系统的辨识也多局限于一些特 殊的非线性系统，而神经网络的飞速发展，给系统辨识在非线性系统的辨识注入了新 的活力，神经网络通过简单非线性处理单元的复合映射可获得复杂的非线性处理能 力，这种描述非线性函数的能力，也就是对非线性系统的建模能力，正适合于解决非 线性系统建模与控制器综合中的局限性问题。与其他辨识方法相比，神经网络系统辨 识可以不依赖模型函数，即无须了解被测系统的输入和输出之间存在何种数学关系， 不要求建立系统的辨识格式，神经网络方法对系统的辨识是非算法式的，由神经网络 本身实现。是通过在网络外部拟合系统的输入输出数据，而在网络内部归纳隐含在输 入输出数据中的系统特性来完成的。神经网络所具有的诸多优点使得对非线性系统的 建模与仿真研究不失为一种新的方法。 因此，针对土地可持续利用这一非线性复杂系统，本文将神经网络系统辨识与 m a t l a b 仿真软件相结合的方法构建土地可持续利用战略调控模型，并以广西区钦州 市进行战略调控仿真实证研究，探讨适合钦州市土地可持续利用的科学可行的战略目 标、战略模式和战略对策建议，为钦州市的土地利用总体规划方案的编制提供依据。 为达到以上目标，本研究的主要内容是： ( 1 ) 对土地可持续利用系统进行系统分析，明确定义土地可持续利用的内涵，界定 系统的边界，深入分析系统构成及其要素和系统特点； ( 2 ) 建立一种适用于土地可持续利用系统的神经网络辨识模型； ( 3 ) 设计辨识模型与m a t l a b 相结合的系统仿真软件； ( 4 ) 对钦州市土地可持续利用战略进行实证分析，分析土地资源利用状况，挖掘其 优势、劣势和潜力： ( 5 ) 构建钦州市土地可持续利用战略调控模型，设计若干战略调控模式，进行战略 调控仿真研究。确定该市的战略目标、战略模式、战略方案，提出战略对策建议。 1 3 2 研究方法与技术路线 本文以系统科学思想和可持续发展观为指导，采用土地管理学、生态经济学、神 经网络、系统辨识、灰色系统理论、计算机科学、系统仿真等多种学科交叉结合，从 定性到定量综合集成的方法，对土地持续利用此类复杂非线性动态系统，运用神经网 6 广西大掌硕士掌位论文| ；于神经网络模型辩识的土地可持续利用战略研究 络系统辨识的方法构建土地可持续利用神经网络辨识模型，进行战略调控研究。本文 研究的技术路线如图卜l ： e 磊磊翮 l 旦些堕星塑l 至 呻 理念 技术 应用 图1 1 土地可持续利用战略研究的技术路线 成果 面蓦固；户扁 墓于神，叠网络模型辩识的土地可持茸 利用战略研究 第二章土地可持续利用系统分析 2 1 土地和土地利用 人类对土地的认识和理解是由浅到深、从简单到复杂的，先后经历了土地即土壤 一平面土地观一立体土地观一土地综合体一土地系统几个阶段。过去通常将土地和土 壤视为一体，理解较简单狭窄。“土壤( 即土地) 是地球陆地上能够生长植物的疏松 表层( 前苏联土壤学家w i l l j a m s1 8 6 3 1 9 3 9 ) ；而后又认为土地是指整个地球表面( 包 括陆地和海洋) ，它只有“面积”这一种计量单位；随着人类杜会的发展和科学技术 进步，土地概念由地球表面扩大至地球表层，由平面扩展至立体，前苏联和我国多数 学者主张地球表层以对流层的顶层为上界，下至岩石圈的上部。7 0 年代初澳大利亚学 者克里斯钦( c h r e s t 妇) 提出了土地综合体观点，并认为“土地是地表上的一个立体 垂直剖面，从空中环境到地下的物质层，并包括动植物群体以及过去和现在与土地相 联系的人类活动”。这观点后来被反映到了f a o1 9 7 6 年出版的土地评价纲要 1 6 1 中，即“土地包括影响土地用途潜力的自然环境，如气候、地貌、土壤、水文、和植 被，还包括过去和现在的人类活动成果”。由此可见，这时人类己把土地视为一个由 各项自然要素并综合了人类劳动成果的自然一经济综合体。此后国内外学者进一步发 展了土地的概念，提出了土地系统观，即土地系统是由耕地、林地、牧地、水域、园 地等子系统组成的大系统，每个子系统都是由植物、动物、微生物等生物成分和光照、 土壤、空气、温度等非生物成分共同组成的，借助于物质与能能量流动转换而形成的 不可分割的有机整体。一些经济学家将产权或制度因素加入土地内涵中，使其内涵更 加丰富。 土地利用是一个人文概念，意指土地资源的开发、使用、整治、与保护等，包括 人们从事农林牧业或其他生产目的对土地资源的利用方式、利用强度及改造措施，并 主要反映在土地利用类型及土地利用的经济与生态效益等方面【l8 1 。土地是自然界长期 演化的产物，具有更新的渐进性和相对的稳定性，对于人类的干预具有有限的承受能 力或自我恢复能力。在土地利用活动中，占用和耗费定量的劳动不仅要生产出一定 量的符合社会需要的产品，同时人类为了生存和发展必须从土地生态系统中取走粮 食、蔬菜、肉、蛋、奶等农产品，并输入化肥、农药、种苗、生话垃圾和某些污染物 等。在这种“取”和“还”的过程中，土地生态环境会受到影响并发生变化。一旦人 类对土地利用的强度超过土地生态环境的自我恢复能力，土地就可能发生退化。土地 自我恢复能力的有限性与人类土地利用活动之间的矛盾，从客观上要求人类合理的利 用土地。为了满足人类社会生存和发展的需要，同时，为了保证人类社会的不断繁衍 和发展，土地利用必须走可持续利用道路。 广西大掌碘士掌位论文墓于神经网培模型辩识的土地可封r 续利用战_ 夸研究 2 。2 土地可持续利用的内涵 对土地资源可持续利用内涵的分析是对其进行系统分析的前提。土地资源可持续 利用是在可持续思想和理论指导下，适应可持续发展战略要求而产生的新的土地利用 形式，是一种科学的资源开发思想。f a o 认为，土地可持续利用是本着社会、经济要 求和环境要求相统一的宗旨，同时实现保持和提高土地的生产或服务功能( 生产性) 、 降低生产的风险水平( 安全性) 、保护自然资源潜力和防止土壤与水质退化( 保护性) 、 经济上可行性和社会可接受性。根据f a o 对土地可持续利用的定义，我们认为“土 地可持续利用”主要有以下两种涵义：从生态学意义上说，以保护土地的自然属性为 基础，保持特定地区的所有土地均处于可用状态，土地的开发利用与资源、环境的承 载能力相协调，并长期保持其生产力和生态稳定性，防止竭泽而渔的短期行为，即生 态持续；从社会一经济学意义上说，是保持特定地块之特定用途，满足人们日益增长 的需求满足，比如食物安全和收入来源，发挥土地的养育功能，并综合考虑区域内、 区域间及代内、代际利益的公平性，并与社会进步相适应，即经济持续、社会持续。 三者之间相互关联而不可分割，构成一个有机整体。生态持续是基础，经济持续是条 件，社会持续是目的。 由此在土地可持续利用的内涵中可以找到蕴涵其中的两层关系，即人地关系和由 于土地而产生的人人关系。人地关系是从生态持续的角度而言的，也就是人们在利用 资源的同时必须注重保护资源。并将人看作自然界的一部分而产生的一种新的土地伦 理观，即土地是人类的伙伴；人人关系即土地当前所有者同周围其他人和当代人同未 来人之问的关系。是从社会持续的角度而言的，所有者不能因为拥有土地而不顾周围 他人利益，随意处置、利用土地；当代人也不能只顾当前利益而实行掠夺式的利用方 式，造成土地资源破坏，影响未来人们的利用。 3 土地可持续利用系统分析 土地利用过程是地球表层不同尺度区域空间内诸多自然、经济、社会要素相互作 用、协同耦合的过程【i “。土地可持续利用是建立在这一过程之上的复杂开放系统，与 传统的土地利用系统相比，土地资源可持续利用系统突出了土地利用的可持续性，更 加重视生态、社会和经济效益的协同，并强调了在土地开发利用方案实施前的论证和 规划、开发利用过程中的评价和监测、调控等。从这个角度出发，我们对土地利用系 统的分析和研究，应摆脱传统的、狭义的土地利用的观念，应充分反映土地资源可持 续利用的先进思想和系统科学的整体观，因此本文就从以往研究中对土地利用系统的 分析上升为从土地可持续利用系统的角度进行系统分析。 广西大掌硬士掌位键- 支| 0 于神经网爿 棋重2 辩识的土地可特续利用战- 分研究 系统分析一般是指有步骤地收集系统信息，通过建立与系统结构、功能有关的模 型，然后对信息进行整理、加工、综合，从而能解释与研究有关的现象，对系统的行 为和发展做出评价和预测，并对系统做出适当调控的一种方法“。因此，土地可持续 利用系统分析就是将土地利用看成一个整体，以土地利用中出现的问题为导向，重点 考虑土地可持续利用系统的结构和动态过程。重视对土地资源可持续利用系统和外部 的联系和子系统间的内部联系的研究，从系统结构出发分析系统与环境之间的以及系 统内部子系统之间的相互作用。它的实质是在土地利用目标与土地现状、土地利用规 划与土地开发利用之间建立一种中介环节，以帮助决策者进行有效的控制与管理，使 之按预期目标运转，并以此实现土地可持续利用。因此，本文进行土地可持续利用系 统分析主要从以下几个方面进行：界定系统边界，分析系统构成，进行系统要素分析， 深入挖掘土地可持续利用系统的特征。为土地可持续利用战略调控仿真研究提供理论 基础。 2 3 1 土地资源可持续利用系统边界界定 为了明确研究对象，在实际的系统研究中突出针对性、目的性和科学性，确定系 统和环境的界线和关系是十分重要的。 土地可持续利用系统的边界是模糊的。很难准确地划分，目前尚未有明确的定义。 经查阅文献，综合分析得出，目前比较普遍的共识是：土地可持续利用是一个复杂的 自然一经济一社会复合系统。一定单元的土地包括了一定气候、地貌、岩石、土壤、 植被、水文、基础地质等自然要素。这些要素共同构成了一个自然生态系统。面对于 这一土地单元，人们通过多种投入活动而使其产生一定的社会经济效果，由此又构成 一个社会经济系统。系统相互作用、相互交织、相互渗透从而构成了一个有一定结构 和功能的统一整体，即土地生态社会经济巨系统【2 0 j 。在这一巨系统中，土地资源环境 组成了其子系统一土地生态系统的实体，它为人类提供了各种物质产品和生态效益， 为社会经济子系统提供了物质基础；社会经济子系统表现为劳动者、劳动工具、科学 技术、经济管理以及人与人的社会关系等多种要素的有机组合，人类通过社会经济子 系统作用于土地资源环境，从而获得人类必需的物质财富，可见两者的相互作用造就 了整个巨系统的存在，并推动了整个巨系统的运行。 系统和坏境的关系是辩证的，随着研究对象和系统外延的变化，系统和环境的角 色是可以变化和转换的【2 l 】。社会经济因素( 如人类的土地开发活动、对土地生态系统 的资源投入等) 最初是作为土地自然生态系统的运行环境而起作用的，当它们与系统发 生相互交织、相互渗透后，从环境因素转化为系统的构成要素，然而在更大的一个系 统层面上，如区域的可持续利用系统或全球的可持续利用系统，土地资源可持续利用 可持续系统又归属于资源利用系统，与区域生态环境、社会经济系统各属不同范畴。 但这并不意味着在土地资源可持续利用系统中排除了生态环境和社会经济要素，而正 1 0 广西大攀碗士掌位论文基于神经网络模型辩识的土地可持绷；利用战略研究 是由于土地资源固有的生态属性和社会经济属性，使可持续利用利用系统内部包含土 地利用的生态环境子系统和土地利用的社会、经济子系统成为必然。也正是这种必然， 使土地资源可持续利用系统与外部更大的自然资源生态环境、社会经济条件产生了密 切的联系。 系统边界的划分一般是根据研究的目的要求，从结构、功能或时间上来进行划分， 本文对土地可持续利用系统的划分是从两个角度进行划分：一是从时间角度，以其规 划基期年至规划目标年界定该系统的边界，划分了该系统的三个战略阶段：近期、中 期、远期；二是根据神经网络系统辨识模型构建和仿真系统的特点，划分了四个系统： 输入参数系统、输出系统、内部调控系统、监测反馈系统。从而确定了研究的范围及 界定了土地可持续利用战略工作需要回答和解决的问题。 2 3 2 土地可持续利用系统构成及要素分析 土地可持续利用系统的构成是十分复杂的，它包括土地利用本身以及与人类社会 有关的各种基本要素、关系和行为。根据土地可持续利用内涵所体现的社会持续性、 经济持续性、生态持续性等特征和以上的系统界定，本文将其细分为以土地利用子系 统为中心，包括自然环境系统、社会经济三个子系统，是一典型的资源一环境一经济 一社会复合系统，在这一系统中，该系统本身与外部资源、生态、经济和社会环境之 间以及系统内部之间，不断进行物质、能量和信息的相互交换和传递。其结构如图2 - 1 ， 自然环境系统土地资源利用系统! ：社会经济系统 ，、 田71 气候人 农用生物总量水平 、 、 社会经 气候不斗 查里塑竺 = 二 、 ， l 济目标j 确性定 罡 人( 控制) l 管理 三团 j 地形队 能力劳力资本劳力 、j - f 资金 社会町接 黎基愁 知识 受性、经 ，、 7 市场 、 7 济可行性 4 而磊礤 、。_ _ _ 。- 。_ _ _ _ _ 。- 一 成 t 池|f i 植被 | 篡茎不l 一酬 目 宦j q 圭釜嚣 资金f 图2 - 1 土地利用可持续利用系统构成【2 2 】 系统的组成要素之间相互作用、相互制约、呈现复杂的时空过程。土地可持续利 广西大掌硕士尊啦论文| l 于神经网络模魁串识的土地可持续利用战- 等研究 用系统组成要素主要包括自然要素、经济要素和社会要素口”。 ( 1 ) 自然要素 自然资源环境系统是土地可持续利用系统得以生存和发展的基础，各种自然要素 ( 如气候要素、土壤要素、水资源要素、立地条件和生物资源要素) 的不同组合状况 决定了土地利用状态，从而决定了土地利用的可能性和使用价值，影响土地利用的适 应性。不同适宜性的土地具有不同的持续性，即使相同适宜性的土地在持续性上也会 有所不同。不同自然环境要素的组合形成不同的土地利用格局影响土地利用类型( 单 一型、复合型、混合性) 及其环境状况的差异。 ( 2 ) 经济要素 土地可持续利用过程也是一个经济行为过程。从经济学的观点出发，土地产出一 定要大于投入。在市场经济条件下，还要考虑比较经济利益、边际效益合经济区位等 因素的影响。例如，城市化和工业化的发展必然导致土地利用结构的变化，促进土地 向更高经济利益利用方向发展。这是一个总的趋势。影响土地可持续利用的经济因素 主要有土地所有制、土地价格体系、经济发展水平、经营管理水平、交通运输条件、 商业网点、城镇体系等众多内容。 经济的发展对土地可持续利用的影响是一把“双刃剑”，一方面，社会经济的发 展直接导致建设用地规模的扩大和土地需求的增长，土地资源数量的有限性和需求的 无限性是导致土地利用不可持续的直接原因；另方面，经济的发展增强了人类改造 土地的物质基础和资金来源，为提高土地利用的集约化程度提供了可能。 大量土地退化的实际案例表明，简单追求经济效益而忽视生态效益的土地利用方 式是不可持续的。土地的不可持续利用的表征状态和经济效益的效益不是同期的，具 有后效性。对经济的发展具有巨大的隐含危机。因此，在实施土地可持续利用的过程 中，要要综合考虑土地利用的生态效益和社会可接受性，并考虑时间延伸特征的土地 可持续性，在经济因素分析中需要充分认识适度的经济增长及其对土地资源生态环境 的后效性影响。 ( 3 ) 社会要素 人口、社会习惯、国家政策、管理体制、文化教育以及土地的所有权、使用权、 转让权等社会因素对土地利用可持续性目标的实现也具有重要意义，其中关键因素有 人口数量与质量、土地政策、公众干预、政府协调等。人口数量的增加对土地利用可 持续性的影响因人地关系的矛盾紧张程度而异，在人地关系缓和的地域或时段，人口 增加有利于提高土地利用程度。而在人地矛盾紧张的地段或时段，人口增加成为实现 土地可持续利用可持续性最大的障碍：人口素质的提高对加强对土地可持续利用战略 思想的理解和普及技术创新起到积极作用。 土地政策通过限制和引导人们的土地利用，使土地利用主体从长远的观点、全局 的角度合理利用土地。我国土地利用管理中的众多问题，与土地法制不健全、体制不 顺和缺乏有效的运行机制有直接的关系。我国现实行的耕地总量动态平衡和土地用途 广西犬掌司e 士掌位沦文基于神经网结确i 型辩讽的土地可持续利用战略研究 管制的管理政策。已取得明显效果。 ， 公众干预主要表现在根据风俗习惯、教育程度、国家政策等选择适宜的土地利用 方式。市场竞争的结果往往不能起到保护土地资源的作用。公众干预通过对生态或社 会适宜性的土地利用方式的税收减免、资金补偿或技术支持的方式，使土地利用可持 续的综合目标得以实现。 由于土地利用中不同主体的利益角度不同，产生了不同利益集团的矛盾，实际土 地利用者和土地利用可持续的目标之间往往存在差别，政府的作用就是通过行政手段 协调土地利用可持续目标和不同利益集团之间的矛盾。因此，政府的作用不仅是市场 失灵下的积极干预，而且是不同利益集团、土地利用目标的协调者。 2 3 3 土地可持续利用系统的特点 土地可持续利用系统是一个由资源、环境、社会、经济、人口等子系统组成的复 杂大系统。在该系统中，通过合理配置各种资源，在系统的组织和管理过程中不断提 高系统的有序程度，使大系统最优化、和谐化，促进社会、经济、生态系统的协调发 展【矧。经系统分析得出，土地可持续利用系统具有以下特点： ( 1 ) 整体性 土地可持续利用系统是一个自然、经济、社会要素等相互作用的有机整体，系统 所表现出的整体功能并非各个子系统的简单之和，必须从整个大系统的角度，将人口、 资源、环境与社会经济发展等诸方面视为一