（土地资源管理专业论文）基于遗传神经网络的陕西省土地利用结构模型研究.pdf

摘要 土地是人类赖以生存、社会赖以发展的物质基础。随着人口不断增长，城市化和 工业化进程加快，土地资源数量有限性及经济供给的稀缺性，与土地社会需求的增长 性之间呈不协调发展态势，人地矛盾日益突出。土地资源己成为制约经济增长、人民 生活水平改善的“瓶颈 。土地利用结构是指各类用地所占的比例，是土地资源在各 产业间的配置与利用状况及各类用地比例关系的反映。土地利用的结构决定土地利用 系统的功能，合理的土地利用结构能够保持土地利用系统的良性循环，促进社会经济 的可持续发展。区域土地合理利用战略的制定和实施，需要人们从不同角度和层次分 析土地利用结构的特征，发现土地利用过程中存在的问题，分析土地利用结构变化的 影响因素，为土地资源在国民经济各部门的合理配置，实现土地资源利用的综合效率 最大化提供依据。该研究就是从此目的出发，在分析陕西省土地利用现状结构的基础 上，对土地利用结构的变化进行动态模拟和预测。 本文在土地利用结构变化理论研究的基础上，以陕西省土地利用结构为研究对 象，对陕西省土地利用现状结构以及土地利用结构变化的社会经济因素分析，为预测 提供基础数据，通过建立b p 神经网络和遗传神经网络的土地利用结构模型，对未来 土地利用结构进行预测。本文针对土地利用结构变化的复杂特征与b p 人工神经网络 在预测应用上的缺陷，利用遗传算法来优化b p 人工神经网络模型，形成了遗传算法 与b p 网络结合的遗传神经网络模型，通过运用m a t l a b 软件编制神经网络和遗传神经 网络程序，实现模型的建立。通过进行实证研究，证明遗传神经网络利用遗传算法进 行全局搜索，处理速度快，不易陷入局部极小点等优势，遗传神经网络用于土地利用 结构的预测是可行和有效的，有着非常良好的前景。 关键词：神经网络遗传算法土地利用结构陕西 a b s t r a c t l a n di st h em a t e r i a lf o u n d a t i o no fh u m a nb e i n g sl i v i n ga n ds o c i a ld e v e l o p m e n t w i t h t h ed e v e l o p m e n to fp o p u l a t i o na n dt h ef a s t - p a c e du r b a n i z a t i o na n di n d u s t r i a l i z a t i o n ，t h e r e c o m e st h eu n b a l a n c e dd e v e l o p m e n tb e t w e e nt h er e s o u r c e sa n ds u p p l yl i m i t a t i o no ft h el a n d a n dt h ei n c r e a s eo ft h es o c i a ld e m a n df o rl a n d t h ec o n f l i c tb e t w e e nh u m a n b e i n g sa n dt h e l a n db e c o m e sm o r ea n dm o r ef u r i o u s t h el a n dr e s o u r c e sh a v ea l r e a d yb e c o m et h e b o t t l e n e c ko ft h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to fh u m a nb e i n g s l i v i n g s t a n d a r d t h es t r u c t u r eo fu t i l i z a t i o no ft h el a n dr e f e r st ot h ep r o p o r t i o no fe a c hk i n d so f l a n du t i l i z a t i o na m o n gt h ew h o l e ，i st h er e f l e c t i o no fa l l o c a t i o no fl a n dr e s o u r c e si n d i f f e r e n ti n d u s t r i e sa n dt h er e f l e c t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r o p o r t i o n so fe a c h k i n d so fl a n du t i l i z a t i o na m o n gt h ew h o l e t h es t r u c t u r eo fg r o u n dr e s o u r c e su t i l i z a t i o n d e c i d e st h ef u n c t i o no ft h eg r o u n du t i l i z a t i o ns y s t e m r e a s o n a b l es t r u c t u r eo fg r o u n d u t i l i z a t i o nc a nk e e pt h ef i n ec i r c u l a t i o no fg r o u n du t i l i z a t i o ns y s t e m ，a n dp r o m o t et h e c o n s i s t e n t d e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y t oe s t a b l i s ha n di m p l e m e n t t h e r e a s o n a b l eu t i l i z a t i o ns t r a t e g yo far e g i o n ，p e o p l en e e dt oa n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s t r u c t u r eo fl a n du t i l i z a t i o nf r o md i f f e r e n tl e v e la n da s p e c t s ，t of m dt h ep r o b l e m si nt h e p r o c e s so fl a n du t i l i z a t i o nt oa n a l y z et h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec h a n g e si nt h e s t r u c t u r eo fl a n du t i l i z a t i o n ，t oh e l pt h er e a s o n a b l ea l l o c a t i o no fl a n dr e s o u r c e si nd i f f e r e n t d e p a r t m e n t si nn a t i o n a le c o n o m y , a n dt op r o v i d et h ee v i d e n c ef o rt h em a x i m u mo ft h e i n t e g r a t e de f f i c i e n c yo ft h el a n dr e s o u r c e su t i l i z a t i o n f o rt h i sp u r p o s e ，b a s e do nt h e c u r r e n ts t r u c t u r eo fl a n dr e s o u r c e su t i l i z a t i o ni ns h a n x ip r o v i n c e ，t h i sr e s e a r c hp a t t e r na n d f o r e c a s td y n a m i c a l l yt h ec h a n g e st h a tm i g h th a p p e ni nt h el a n dr e s o u r c e su t i l i z a t i o n s t r u c t u r e b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nc h a n g e so fl a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r e ，b yu s i n gt h e l a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es o c i a la n de c o n o m i c r e a s o n sf o rt h ec u r r e n tl a n dr e s o u r c e su t i l i z a t i o na n dt h ec h a n g e so fl a n du t i l i z a t i o n s t r u c t u r ei n s h a n g x ip r o v i n c et op r o v i d et h eb a s i cd a t af o rf o r e c a s t , a n dt h r o u g h e s t a b l i s h i n gt h es t r u c t u r a lm o d e l so fb p n e u r a ln e t a n dg e n e t i ca l g o r i t h mn e u r a ln e tf o r l a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r et of o r e c a s tt h ef u t u r el a n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r e i na l l u s i o nt ot h e c o m p l i c a t e dc h a n g e so fg r o u n du t i l i z a t i o ns t r u c t u r ea n dt h ed i s f i g u r e m e n to fb pn e u r a l n e ti na p p l i c a t i o ni nf o r e c a s t ，b yu s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h em o d e lo fb p n e u r a ln e t ，t h i sp a p e rf o r m st h em o d e lo fg e n e t i ca l g o r i t h mn e u r a ln e tw h i c hi sa c o m b i n a t i o no fm o d e lo fg e n e t i ca l g o r i t h mn e u r a ln e to fg e n e t i ca l g o r i t h ma n db p n e u r a ln e tb ym a t l a b t h r o u g he m p i r i c a lr e s e a r c h ，t h i sp a p e rs u g g e s t st h a tu s i n gg e n e t i c a l g o r i t h mt os e a r c hg l o b a l l yi nt h eg e n e t i ca l g o r i t h mn e u r a ln e t ，c a nm a k et h ep r o c e s s f a s t e ra n dn o te a s i e rt of a l li n t ol o c a lm i n i m u m t h u s ，u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mn e u r a ln e t i nt h ef o r e c a s t i n go fl a n du s es t r u c t u r ei sp r a c t i c a la n de f f e c t i v ea n dh a sag r e a tf o r e g r o u n d k e yw o r d ：n e u r a l n e tg e n e t i ca l g o r i t h mt h es t r u c t u r eo fl a n du s es h a n x i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 娥督 匀1 摊 j 论文知识产权权属声明 乡岔年r 月p 9 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 做储躲 兹基辨厂月谚日 导师签名： 黟露广u i 沸，月枷 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章前言弟一旱日u 苗 1 1 1 土地利用结构研究的背景 土地历来是人类赖以生存和发展的重要物质基础。马克思曾说过：“土地是一切 生产和一切存在的源泉”【1 】，“是人类不能出让的生存条件和再生产条件 1 2 1 。威廉配 第也曾说过：“劳动是财富之父，土地是财富之母 【3 1 。 土地利用结构就是指国民经济各部门、各产业占用不同类型土地的数量比例和在 一定地域空间上的集合。土地利用结构是社会经济发展和生态环境保护在空间上的投 影，是社会经济发展程度、阶段和水平的空间反映。土地利用结构的优化配置是以一 定的土地利用系统效益为最大目标，在满足一定的条件下将一定数量的土地分配到各 用地部门，使土地在时间上得到合理安排，在空间上得到最佳落实。这里的系统效益 一般包括社会、经济、生态效益，优化的土地利用结构应该是通过一定的方法使未来 土地利用的三效益都获得最佳的利用结构。它是土地资源优化配置的根本内容，是土 地利用总体规划的核，i 二j 5 1 。 伴随着生产的发展，特别是城镇化、工业化的兴起，人口数量的增加和人类活动 范围的扩大，土地资源的经济供给稀缺性与其社会需求增长性之间的不协调发展，以 及由于不合理的土地利用方式引起生态环境恶化等问题日益暴露出来，人地矛盾的不 断加剧，土地的重要性与稀缺性的不协调性，这一历来是土地利用研究的永恒主题， 严重制约着整个社会经济的持续与协调发展，这在客观上要求人们合理经济的使用土 地。土地的基本属性决定了土地问题是事关国家经济发展、社会安定和政治稳定的重 大问题。 我国土地总面积9 6 0 万平方公里，居世界第三位，人均土地占有量却只有世界人 均占有量的1 3 。人口多，耕地少，人均土地资源严重不足，人地矛盾十分突出，是 我国土地资源所面临的主要问题。当今我国正处于工业化、城市化和经济发展高速增 长时期，合理处置“吃饭、建设、保护环境 三大问题，借助于土地利用结构优化和 调整，对有限的土地资源在部门间、产业间进行合理分配和布局，实现土地利用效率 最大化，具有重大意义。尤其是在当前可持续发展战略的主题下，如何在国民经济各 产业、各部门间合理分配有限的土地资源，促进土地资源利用集约化与可持续发展， 第一章前言 已成为土地科学特别是土地利用学迫切需要解决的课题。另外由于土地利用的区域性 特征也千差万别，土地利用必须要考虑区域的发展特点，于是便产生了在一定区域土 地资源利用的核心问题一土地利用结构优化问题。 本文正是基于上述背景之下进行选题的。我国是一个人多地少的国家，在土地利 用中必须认真贯彻“十分珍惜和合理利用每寸土地，切实保护耕地 的基本国策。走 土地集约利用道路，提高土地集聚效益，优化土地利用结构是我国土地利用的根本出 路。 1 。1 。2 土地利用结构研究的意义 土地利用结构和国民经济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。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结构存在一定的关系，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【6 】。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。 新时期条件下，更是要求我们在实行“耕地总量平衡的原则下重新审视我们土 地利用的思路，制定科学的土地利用结构优化的方案，扭转当前土地利用的混乱局势， 使土地资源的配置既要保证我国1 3 多亿人口的口粮问题，又要适应经济的快速发展 和城镇化、现代化水平不断提高的客观要求，适应社会经济可持续发展的战略方针。 【7 】通过对土地利用结构的研究，可以了解一个地区用地分配与需求是否相吻合，与土 地的适宜性是否相适应。通过对区域土地利用结构的分析，可以有效地揭示土地利用 变化的机制与驱动力，找出合理利用土地的途径，从而为合理的土地利用结构及最佳 空间布局提供依据，实现土地资源的可持续发展。 综上所述，土地面积的有限性和土地需求的无限性之间的矛盾是需要借助于合理 地组织土地利用来解决的，而如何在国民经济各产业、各部门间分配有限的土地资源； 2 长安大学硕士学位论文 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。【8 】【9 】土地利用结构的调整与优化涉及到经济、技术、社会和生态等诸多方 面，错综复杂。要把这些问题综合起来加以解决，使各种因素组合在一起并能达到一 个最优的水平，可以借助数学方法、系统模型，通过模型拟合，定量分析土地利用结 构，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。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究进展1 n 幻 国外科学地研究土地利用大约始于1 9 世纪初期。1 8 2 6 年，德国农业经济学家杜 能在其名著孤立国中，提出了城郊土地利用同心圆模式，按级差地租分圈层确定 经营集约化、专业化布局，具有划时代意义。其后，韦伯又提出工厂用地选址理论。 1 8 6 5 年，美国人马什出版了著名的人与自然，科学地总结了土地利用及其对环境 的影响。总之，1 9 世纪初期至2 0 世纪初，国外土地利用研究尚处于理论探索阶段。 美国于1 9 2 2 年，由索尔( c a r l s a u e r ) 领导的美国密执安州土地经济调查，开创了 小区域土地利用综合考察的先例。1 9 3 3 年在田纳西河流域整体规划中，采用此法进 行土地利用调查获得成功。英国于1 9 3 0 年成立了不列颠土地利用调查所，在斯坦普 ( l d s t a m p ) 主持下，从1 9 3 1 1 9 3 9 年开展了全国土地利用调查，将全国土地共分九类， 并于1 9 4 8 年出版了土地利用图。由于英国土地利用调查的成功，引起了各国地理界 的普遍重视。1 9 4 9 年在西班牙里斯本召开的第1 6 届国际地理大会上决定：在国际地 理联合会( i g u ) t 设立世界土地利用调查专业委员会，以推进世界各国土地利用调查 与制图工作。随后，欧洲各国都先后进行了土地利用调查，共同编制了1 ：2 5 0 万全欧 土地利用图。 2 0 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，包括土宜法和综 合平衡法等，它是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【1 0 1 。但随着社会生产力的发展，土地 3 第一章前言 利用结构与布局趋向复杂化。为了查明区域土地利用现状特点、问题及开发利用方向， 世界范围内的土地利用调查、分类、评价、区划、规划等一系列工作先后开展起来。 到了2 0 世纪下半叶，尤其是进入7 0 年代以来，随着人口、资源、环境和发展( p r e d ) 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，土地利用结构研究在土地利用规划中得到重视。此时，土地利用研究的 一个显著特点是开始运用遥感、计算机技术手段和数学方法来解决地域性或某一领域 土地利用的一些具体问题，主要包括土地利用变化的分析与监测、遥感技术支持的土 地利用调查与分类研究、土地利用的空间格局与模式和土地利用规划与制图等。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争地矛盾的原因，由此得出解 决的策略【1 3 】；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 1 4 ic 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【l 引。 1 9 7 2 年联合国粮农组织( f a o ) 在荷兰瓦格宁根召开了一次国际性的土地学专家 会议，在此基础上提出了土地适宜分类系统，并于1 9 7 6 年正式公布了土地评价纲 要作为各类土地适宜性评价的提纲式指南，被认为是世界上土地评价研究广泛开展 并趋向成熟的重要标志( f a o ，1 9 7 6 ) 。在此基础上，m c h a r g 曾建立了基于适宜性评 价的土地资源优化配置模型，该方法的核心是构建区域土地生态适宜性图件，为合理 分配土地资源提供信息依据。w o o d 等人根据f a o 评价体系建立了l e c s 系统，用 于农业土地利用配置管理。d a v i d 分析了土地评价理论框架体系，指出进行土地评价 并进而建立合理的土地利用规划方案是解决土地利用问题的一部分措施。 在1 9 7 6 年的土地评价纲要基础上，f a o 与( 奥地利国际应用系统分析学 会) i i a s a 联合建立了农业生态分区优化法。2 0 世纪8 0 年代，两个机构又联合拓 展了该方法的功能模块，建立了土地利用数量结构优化决策支持工具，该工具核心技 术为线性优化技术。最初，决策工具只分析基于单目标函数的土地利用情景，譬如在 特定物质环境、社会经济条件约束下，寻求单位面积农产品产量最大化或农业生产成 本最小化。然而，只基于具体单目标函数的土地利用情景分析不能完全反应决策者的 偏好解，资源规划问题本身就含有多目标的本质，涉及社会、经济、生态环境等方面 内容，多目标优化方法在解决土地利用优化问题上具有更现实意义。为此，f a o 与 4 长安大学硕士学位论文 i i a s a 机构在原有优化方法的基础上耦合多目标决策分析技术，应用于肯尼亚的土地 利用规划研究中。在分析多种土地利用情景时，同时考虑多个目标例如粮食与牲畜生 产收入的最大最大化区域农业生产的自立性，生产成本最低，水土流失等环境破坏最低 等，获得了成功。 2 0 世纪8 0 年代可持续发展思想的提出，推动着人类转变传统发展模式和生活 方式，使土地资源的可持续利用与管理也成为世界各国共同关注的目标。要实现土地 资源可持续利用，土地决策者面临两大挑战：扭转现有耕地资源的退化趋势；阻止新 开发土地资源的退化。如何解决两大问题，2 1 世纪议程第1 0 章中强调：“综合的土 地资源规划管理措施是合理配置土地利用，提高土地利用可持续性的关键因素。 近年 来，在土地利用与环境变化、土地利用规划模式、持续土地评价等方面开展了比较深 入的研究。土地利用结构的优化作为区域可持续发展的重要途径和手段受到广泛的重 视。 1 2 2 国内研究进展 1 9 4 9 年以前，我国土地实行私有制。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。城市土地在国土面积中所占的比重很小，分别由政府官僚、封建地主、民族 工商业者、个体劳动者、城市居民和外国人所有，土地交易活跃。新中国成立后，随 着城市土地国有化，其使用亦从有偿逐步转变为无偿，土地市场机制也随之消失，取 而代之的是政府的计划机制和直接的数量控制机制。从1 9 7 9 年开始，随着改革开放 的深入，我国城市土地资源配置逐步由政府机制向市场转变。1 9 9 0 年6 月，国务院 发布的中华人民共和国城镇国有土地使用权出让和转让暂行条例，1 9 9 2 年邓小平 同志的南方谈话和中国共产党十四大确立建立社会主义市场经济体制以后，我国土地 市场的培育、发展进程大大加快，土地利用结构受市场因素影响越来越大。 进入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f 1 0 1 。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 5 第一章前言 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【l q ； 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4 个方面：a 、中 国土地学会第四次会员代表大会举行了“市场经济条件下的土地资源优化配置 学术 讨论会，并出版了论文集一土地市场与土地资源优化配置，收集了有关论文7 0 篇；b 、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；c 、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；d 、l 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( u s ) 的开发潜力与应用受到普遍重 视【1 刀。 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 箜 t s l 口o 1 3 本文的研究思路、内容和方法 1 3 1 研究思路 6 长安大学硕士学位论文 提出问题 l研究背景卜- 研： 知识学习 。碱卜习 j1 相关理论学习： 实证研究 lo _ _ ， 土地利用结构 土地利用结构 预测 现状分析 。 变化分析 i 结论 图1 1 论文技术路线图 1 。3 。2 研究内容 ( 1 ) 本文拟对陕西省2 0 0 6 年土地利用现状结构进行系统分析，研究内容主要包括 土地利用数量结构、土地利用空间结构分析，寻找出陕西省土地利用结构和分布的特 点。 ( 2 ) 对陕西省近几年土地利用结构变化情况进行纵向沿时间发展和横向各类型结 构对比分析，探索土地利用结构变化的特征和规律，分析影响土地利用结构变化的社 会经济因素。 ( 3 ) 在土地利用现状结构分析、土地利用结构变化研究的基础上，对土地利用结 构优化模型进行研究，在对土地利用结构优化系统的理论与方法进行定性与定量相结 合的深入分析后，运用神经网络及将遗传算法和神经网络结合的遗传神经网络方法对 未来陕西省土地利用结构进行模型的建立。并比较各模型的拟合精度，揭示各方法的 优劣及适用条件。 1 3 3 研究方法 ( 1 ) 规范分析方法 7 第一章前言 以景观生态学等理论为依据，对土地利用结构进行分析。 ( 2 ) 数学方法 运用线性规划这一数学方法建立土地利用结构优化模型。线性规划是一种优化资 源配置的有效方法，经常运用在运筹学关于最优解的计算当中，它是一种确定的静态 模型。它要求目标函数中效益系数、约束条件中的技术系数及其他限制量都固定下来。 ( 3 ) 系统控制分析方法 土地利用结构模型建立时，运用神经网络的对任意非线性映射的任意逼近能力， 建立模型，预测土地利用结构。神经网络建模不受非线性模型的限制，它依据被控系 统的输入输出数据对，通过学习得到一个描述系统输入输出关系的非线性映射。给定 一个输入即可得到一个输出，而不需要知道输入和输出之间存在怎样的数学关系。 遗传算法是以生物进化过程为背景，模拟生物进化的步骤，将繁殖、杂交、变异、 竞争和选择等概念引入到算法中，通过维持一维可行解，并通过对可行解的一维组合， 改进可行解在多维空间内的移动轨迹或趋向，最终走向最优解。它克服了传统优化方 法容易陷入局部极值的缺点，是一种全局优化算法。遗传算法和b p 算法的结合，实 现了优势互补。 ( 4 ) 比较分析方法 采神经网络和遗传神经网络分别预测陕西省未来年土地利用结构，并对两种方法 及其预测结果进行了比较研究。 8 长安大学硕士学位论文 2 1 系统理论 第二章土地利用结构的基本理论m h 州 按照现代系统研究开创者贝塔朗菲的定义，系统( s y s t e m ) 是“相互作用的多元素 的复合体，亦可以表述为：如果一个对象集合中至少有两个可以区分的对象，所有 对象按照可以辨认的特有方式相互联系在一起，就称该集合为一个系统( 许国志， 2 0 0 0 ) 。土地利用系统是一个多层次结构复合体。合理的土地利用结构，可以产生结 构效应，促使土地利用系统功能效率的提高。结构决定功能，这是系统理论得出的普 遍结论。不同尺度( 广义、狭义) 的土地系统结构与其相应层次的系统功能相对应。土 地利用优化调整正是这一原理的具体体现。土地利用学研究土地利用的基本原理与规 律，在于揭示土地利用系统内部结构与系统内在机制和联系( 刘彦随，1 9 9 9 ) 。 系统性原理反映了在系统的发展与演化过程中，要素间相关以及要素影响系统、 系统制约要素的内在作用关系。主要表现在三个方面：在土地利用系统中，任一个 系统要素e i ( i = l ，2 ，3 n ) 的变化是从e l 到e i 的所有要素的函数，也就是说，系统 内部各要素之间是互为因果的，即某一要素的变化必然导致其它要素及整个系统的变 化，而不同的要素配置决定不同的功能；系统中某一要素的微小变化，其作用在整 个系统中将被放大，即从功能上这一要素的变化会导致其它要素及整个系统的显著变 化；系统各要素在数量上的对比关系，就是结构，结构决定功能，合理的土地利用 结构可以产生结构效应，从而使土地利用系统功能增强和效率提高。系统性原理要求 在进行区域土地资源优化配置的时候，各地区、各产业以及各个利益主体必须协调， 注重区域整体功能的增强和效率的提高：系统性原理还告诉我们，土地配置状态的改 变，可能使一部分人得利，而使另一些人受损，要使每个人都受益往往是难以办到的， 只要一部分收益大于另一部分受损，或长期受益大于短期受损，只要社会总福利仍然 在改变，那么这种改变就是合理的。 土地利用系统是指为人类活动所利用的土地表层及其以上和以下的所有要素相 互联系、相互制约而构成的具有特定功能的有机结合体。它是一个自然系统和人工系 统相结合的复杂系统，它具有层次性、开放性、整体性及动态性等特点。其涉及的相 互关联因素复杂多变，决定了土地利用系统复杂多变、难以准确把握的特性，而运用 系统理论与方法，用系统的观点去看待土地利用问题，可以对土地利用及其过程进行 9 第二章土地利用结构的基本理论 抽象和概括，并以定量和数学模型的方法表达出来，从而为人们认识、判断和决策土 地利用及其变化过程提供了强有力的理论方法依据。 2 2 人地关系理论 土地是人类社会生存与发展的基础。土地是万物( 也包括人类) 的生存基地和生育 的源泉，各种生产力的根本。可以认为，自从人类社会出现于地球上并有了国家之后， 人地关系就存在了。人地关系一词，始见于1 7 世纪西方人文地理学对土地利用问题 的研究，后来成为传统地学、经济学和土地科学的研究主题( 刘书楷，1 9 9 8 ) 。从地 理学角度，人地关系可以理解为人和地理环境之间相互关系总和。在人地关系层次中， 土地利用是首要的，也是核心的问题。因此，土地综合体和土地利用处于基础层次， 其它层次的人地关系均是在此基础层次上的延伸和拓展，是揭示人地关系属性、特征、 机制、演化、地域分异及其人地矛盾冲突的主题，通过对其特征指标的定量分析，可 以反映出一个地区的人地关系是否和谐。人与地立体网络关系的形成、维持与发展， 是人文过程和自然过程交互作用的结果，人类活动不断推进着土地利用的深化和人类 自身的发展。依据人与地的关系的紧密程度和社会属性与自然属性的相对强弱，可将 不同的土地利用系统大致分成四种类型：一是较少受人类活动直接影响的原生自然生 态系统；二是以自然生产力的单向利用为主，人们投入很少、影响相对较弱的系统， 如天然草场生态系统；三是土地自然生产力和人类活动投入的技术经济力共同作用的 土地利用系统，如灌溉农业系统；四是社会、经济、人口高度密集的城市系统( 王爱 民等，1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 。 土地利用结构与变化是人地关系地域系统的平面投影，随着人类对人地关系的重 新认识，强调人类与自然环境的协调发展，这种强调人地协调的可持续发展观念已对 土地利用产生重要影响。主要表现在以下两个方面，一是在土地评价方面，从单纯的 经济效益评价转向综合地评价土地利用的社会、经济、生态效益；二是在土地利用的 公平性方面，不仅考虑区域间的利益公平，提出利益补偿机制，而且把这种公平的思 想进一步扩展到代际之间，当代人土地利用不应损害后代人的利益( 樊杰等，2 0 0 2 ， 2 0 0 3 ) 。 2 3 景观生态理论 景观是指由地貌过程和各种干扰作用形成的，具有特定结构、功能和动态特征的 1 0 长安大学硕士学位论文 一种宏观系统，是具有高度空间异质性的区域。景观格局及其变化是自然和人为的多 种因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反映。景观嵌块的类型、形状、 大小、数量和空间组合既是各种干扰因素相互作用的结果，又影响着该区域的生态过 程和边缘效应。因此，对某区域景观空间格局的研究，是揭示该区域生态状况及空间 变异特征的有效手段。 景观生态学起源于土地研究，即始于t r 0 1 1 ( 1 9 3 9 ，1 9 6 8 ) 利用航空像片对东非土地 利用的研究。时至今日，现代景观生态学的应用也主要以土地利用为主。景观生态学 研究物质、能量和有机体在异质性景观中的循环与交换，注重土地利用如何影响物质 流和能量流，注重结构和过程的相互关系分析，与空间土地利用规划关系密切，是土 地利用规划和管理的理论基础。( - - 十一世纪议程就明确承认了景观生态学在达到 土地资源利用规划和管理的综合途径中的作用，指出，“政府必须采取有利于使 用景观生态规划( l a n i e p ) 以综合环境要素如空气、水、土地及其他自然资源的综合 的规划和管理系统 ( 彭建，2 0 0 4 ) 。 土地与景观生态学研究对象在空间实体上具有相似性。因此，景观生态学中的空 间格局分析方法尤其适合土地利用研究，即可进行景观要素和生态客体( 生物物质总 量、植物、动物等) 空间模式研究。主要有以下两个方面：( 1 ) 各类景观斑块在景观中 的数量分配，即景观的数量结构，包括各类型斑块的个数、面积、周长以及由它们所 构成的景观整体数量特征，如：多样性、优势度、丰富度等；( 2 ) 构成景观的各个类 型斑块的空间形态和分布特征，即景观的空间格局，如：分维数等。( 傅伯杰，1 9 9 1 ； 彭建，2 0 0 4 ) 2 4 区位理论 区位是社会经济等人类活动在空间上分布的位置，它包括自然地理区位、经济地 理区位和交通地理区位。区位理论又可分为：农业区位论、工业区位论和市场区位论 等。具体内容是，按各种土地利用特点来选择相应区位，保证资源得到合理利用，获 得最大经济效益。因为一般说来，任何土地，除本身的资源条件外，总是与其周围某 种其它经济因素，如距城市远近、附近工业布局状况、交通便利程度、环境条件好坏 等因素有关，这就要求组织土地利用时必须遵循区位规律。区位规律是指在特定或在 某几个同类地点进行一种经济活动，比在其它地方进行同类经济活动，能够取得更大 的效益。区位理论可以确定不同地段的土地用途，可以通过政策和规划指导各种用地 第二章土地利用结构的基本理论 的区位选择。可以调整土地利用的结构。 从区位理论的角度而言，用地定位的合理性，就是所选择的区位对于其它区位来 说，其比较利益最大，综合效益最好。这就要求组织土地利用时，必须遵循区位规律， 巧妙利用各种区位优势，对各种用地和各种建设项目进行布局，达到合理利用土地的 目的。区位理论也是研究特定区域内人类经济活动与社会、自然等内在关系及其空间 分布规律的理论。土地的位置具有固定性，但在其上面从事活动的不同，使之表现出 不同的利用类型，从而使得每个土地利用单元之间不仅有距离和方位的特征，还具有 一定的空间地域分布规律。而这些区位特征、空间地域分布规律又都与各种自然地理 要素和社会经济技术条件的影响有密切的关系。因此，可以把土地作为区位论研究的 对象，分析研究土地利用类型单元的空间分布特点及其形成机理，从而找出区域土地 合理利用的途径。因此，区位理论也为分析和研究区域土地利用结构提供了科学依据。 2 5 可持续发展思想 可持续发展是指：持续发展是既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的 能力构成危害的发展。土地可持续利用则是实现土地生产力的持续增长和稳定性，保 证土地利用潜力和防止土地退化，并具有良好的经济效益和社会效益，即达到生态合 理性和社会可接受性。从生态方面来看，土地持续利用是无退化的开发；从社会经济 观点来看，则意味着可开发利用土地为人类提供基本需求，遵循各代人之间的平等性， 确保对后代人的足够供给。 长期以来，一方面由于土地利用系统本身生态脆弱，另一方面由于人类的种种不 正当经济行为，我国的土地利用已经产生了一系列生态环境问题，如：水土流失、土 地荒漠化、土地盐碱化、土地污染、土地贫瘩化、土地损毁等。因此探讨我国土地的 可持续利用显得尤为迫切。 土地可持续利用的思想，是1 9 9 0 年2 月在新德里由印度农业研究会、美国农业 部和美国r o d a l e 研究中心共同组织的首次国际土地持续利用系统研讨会( i n t e r n a t i o n a l w o r k s h o p s u s t a i n a b l el a n d u s es y s t e m ) 上正式确认的。1 9 9 1 年9 月在泰国清莱举行了 “发展中国家持续土地管理评价研讨会。1 9 9 3 年6 月在加拿大l e t h b r i d g e 大学举 行了“2 1 世纪持续土地管理”的国际学术讨论会。这两次会议的主要结果是提出了 可持续土地管理的明确概念、五大基本原则和评价纲要。由于不同学者对土地这一个 自然经济绽合体的认识角度的差异和对土地属性及其功能的侧重不同，对土地可持续 长安大学硕士学位论文 利用的理解也有所不同。f a o ( 1 9 9 3 ) 提出的土地可持续利用概念最为全面，认为土地 可持续利用是指将技术、政策和旨在同时关心社会经济原理与环境的活动结合在一 起，即同时考虑保持和提高生产力( 生产性) 、降低生产风险( 安全性) 、保护自然资源 和潜力及防止土壤与水质的退化( 保持性) ，经济可行性和社会接受性。可见，土地持 续利用就是协调人类当代与后代之间在经济、社会与环境方面的需求，同时维持与加 强土地资源质量。 土地与经济和社会发展之间的关系十分密切，土地资源的数量多寡、质量优劣及 开发利用效果如何，直接影响一个地区经济和社会的发展。因此，合理开发利用土地 资源，不断提高土地生产力，使土地资源为人类持续