基于GIS的土地利用結構優化配置研究進展

張薇　甘德清　王曉紅

摘要 土地利用結構優化是土地利用總體規劃的核心內容，是實現土地資源可持續利用的重要手段。而GIS以其強大的數據管理和空間分析功能，在土地利用結構優化研究領域得到廣泛應用。該研究從GIS與數學模型結合、GIS與智能算法結合以及GIS在土地利用輔助決策3個方面入手，總結了GIS在土地利用結構優化研究中的應用，闡述了不同優化方法的優缺點，分析了未來一定時期內GIS應用于土地利用優化研究的發展趨勢。

關鍵詞 GIS；土地利用結構；優化模型；空間格局

中圖分類號 S28 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-04089-03

Abstract Optimization allocation of landuse structure was the core content of landuse planning and that was the important way to realize the sustainable utilization for land resources. Given the powerful data management and spatial analysis function， GIS was used widely in the field of landuse structure optimization research. In this paper the author summarized the application of GIS in land use structure optimization study， expounded the advantages and disadvantages of different optimization methods and analyzed the development trend of the future period of application of GIS in optimization of land use.

Key words GIS； landuse structure； Optimization model； Spatial pattern

地理信息系統（GIS）屬于空間信息系統的范疇，是一種以采集、存儲、處理、查詢、分析和評價全球或區域與空間地理分布有關數據的空間信息系統[1]，其對數據的分析功能可直接服務于管理和決策系統。20世紀80年代，GIS以其獨特的空間分析能力、快速的空間定位搜索和復雜的查詢功能、強大的圖形處理和表達能力、空間模擬和空間決策支持等優勢，被迅速廣泛應用到各個領域。在土地利用結構優化配置研究中，GIS更是以其獨特的空間可視化、空間導向和空間思維功能[2]，推動了土地利用結構優化從單一的數量優化到空間結構優化的發展。將各土地利用類型、數量在地域空間上進行合理的落位，實現了真正意義上的土地利用結構優化配置。

筆者從土地利用結構優化的模型和方法入手，主要探討了GIS在土地利用結構優化研究中的3種應用方式，即GIS與數學模型相結合的優化方法、GIS與智能算法相結合的優化方法和基于GIS的土地利用優化配置輔助決策系統。并分析了各種優化方法的優點和不足，為今后的土地利用結構優化研究提供理論指導和技術支持，也對GIS技術如何更好地服務于土地利用作了展望。

1 土地利用結構優化配置研究進展

土地利用結構優化配置是為了達到一定的生態、經濟最優目標，依據土地資源的自身特性，對區域內土地資源的利用類型在數量上科學安排，同時合理調整其空間布局的過程。土地利用結構優化作為土地利用中的核心內容之一，是提高土地利用效率，實現土地資源可持續發展的重要途徑[3]。世界范圍內最早的土地利用結構優化可追溯到各國制定土地制度時期，早期的土地利用結構優化只停留在對土地定性分析階段。由于單純的定性分析沒有量化數據支撐，缺乏說服力，學者開始嘗試建立各種數學分析模型，如線性規劃模型[4]、多目標規劃模型[5]等進行定量計算，實現了土地利用結構的數量優化。之后的一段時期內，數量優化一直是土地利用優化研究的熱點，但是它無法實現對土地利用的空間配置優化。20世紀80年代以來，由于地理信息系統（GIS）日益成熟和大量應用，為解決這一問題提供了重要的技術手段，實現了土地利用的空間配置優化[6]。隨著GIS技術的不斷發展，土地利用結構優化將朝著系統化、機理化、精確化、實用化方向發展。

2 基于GIS的土地利用結構優化研究

2.1 GIS與數學模型相結合的優化方法

目前，研究土地利用優化配置的主要方法是模型法，數學模型對于科學配置土地利用結構數量起到非常重要的作用。隨著地理信息技術（GIS）的不斷發展，將GIS與數學模型相結合研究土地利用結構優化成為熱點。

2.1.1 GIS與線性規劃模型結合。線性規劃模型是土地利用結構優化中最為常見的一種方法，張佳會等通過最優線性規化方法對土地利用結構進行優化得出此方法適用于土地利用總體規劃[7]。由于土地利用系統的復雜性與多變性，單一的線性規劃模型存在目標單一，缺乏空間性等問題，將GIS與線性規劃模型相結合應用于土地利用結構優化研究中，借助GIS的空間分析功能，彌補了線性規劃模型的不足。Chuvieco 應用GIS作為線性規劃分析工具，在對土地適宜性進行分析的基礎上，對空間屬性進行優化和變量組合，并在西班牙進行了土地利用結構優化配置的實驗[8]。周素紅等人應用GIS與線性規劃模型相結合的方法對廣州市文沖村進行“城中村”改造分析，以GIS為數據平臺，構建在滿足城市土地利用規劃要求基礎上獲取最大效益的線性規劃模型，并以此為依據，制訂“城中村”改造建設方案[9]。

GIS與線性規劃模型相結合雖然廣泛應用于土地利用結構優化研究中，但由于線性規劃模型本身無法考慮所有的限制條件和優化目標的缺點，使這種方法存在一定的局限性。鑒于此，有學者提出將GIS與多目標規劃模型相結合，應用于土地利用研究中。

2.1.2 GIS與多目標規劃模型結合。

多目標規劃模型的最大優勢在于具有多目標、多方案性，可以充分放映土地利用結構的可能性，為決策者提供最佳方案，將GIS與多目標模型相結合可以實現土地利用結構優化配置過程的自動化。申寶以四川省樂山市犍為縣為例，運用多目標規劃模型與GIS手段相結合的方法，對犍為縣土地利用結構的數量分配和空間現狀布局進行具體分析[10]。Wang Xinhao等將GIS與多目標規劃模型相結合建立了GIS/IFMOP綜合模型，以中國洱海流域為例進行了在流域尺度上土地資源的優化配置的研究[11]。張紅瑞等人基于四川雙流縣土地資源開發利用的特征和土地利用結構調整的不確定性、復雜性等特點，采用GIS與多目標規劃模型對雙流縣進行土地利用結構調整[12]。該模型在GIS環境中，將用多目標線性規劃方法計算出來的各種土地利用類型的數量配置到合理的空間位置，有利于規劃者充分應用信息技術實現土地資源的管理。

在土地利用結構優化研究中，將GIS與數學模型相結合彌補了數學模型空間優化能力的不足，實現了土地資源數量上和空間上的合理配置，使土地資源管理和決策更加科學有效。然而，土地利用結構不是一成不變的，隨著時間的推移在不斷發生變化，GIS與數學模型相結合的研究方法無法動態模擬土地利用結構隨時間的變化。智能算法是專門研究復雜系統結構、功能與動態行為之間關系的一種特殊算法，與數學模型相比對數據的依賴性較小、操作靈活、可塑性強，在模擬大型非線性動態多重反饋系統中具有很大的優勢，將GIS與智能算法相結合使動態模擬土地利用結構成為可能。

2.2 GIS與智能算法相結合的優化方法

智能優化算法是通過模擬某一自然現象或過程而建立起來的優化方法，具有適于高度并行、自組織、自學習與自適應等特征，為解決復雜問題提供了一種新途徑[13]。將GIS與智能算法相結合在一定程度上解決了以往土地資源優化配置模型的非動態、結構單一等缺點。

2.2.1 GIS與元胞自動機（CA）結合。

元胞自動機（CA）在地理學中的應用最早可追溯到20世紀60年代，Hagerstrand在他的空間擴散模型研究中首先采用了類似于元胞自動機的思想[14]。20世紀末，Clarke等提出將CA與GIS結合，GIS強大的數據預處理、空間分析和可視化功能可以與CA形成良好的互補[15]。周成虎等在Batty & Xie的DUEM模型的基礎上，構建了面向對象的2個CA模型耦合的GcoCAUrban模型，該模型可以引入GIS空間數據庫、遙感土地分類等實際數據來模擬和預測具體城市的發展演化[16]。張顯峰等在總結前人研究的基礎上，從滿足GIS時空分析建模需要的角度出發，提出CA擴展至少應包括的4個方面，建立了城市土地利用演化過程模擬預測LESP模型，并對包頭市城市擴展進行了有效模擬[17]。將GIS與CA結合，通過分析多年的數據，實現對土地利用結構變化動態模擬，科學推斷未來土地利用結構優化方案。

2.2.2 GIS與遺傳算法（GA）結合。

遺傳算法這一全局優化搜索算法，憑借其通用性、并行性和穩健性，以及能在搜索空間高度復雜的問題上取得比其他算法更好效果的特點[18]，在城市規劃中得到了廣泛應用。將遺傳算法與GIS相結合，成為近幾年土地利用結構優化研究的熱點。袁滿設計了土地利用規劃多智能體決策框架，將多智能體在空間決策行為與遺傳進化算子相結合，構建基于多智能體遺傳算法的土地利用優化配置模型，并選取武漢市蔡甸區開展了實例應用研究[19]。黃海以經濟效益和生態效益為目標函數建立土地利用結構優化模型，采用遺傳算法進行模型求解，并以重慶市合川區為例詳細介紹了具體應用過程[20]。遺傳算法的內在并行機制、全局優化以及其初始搜索無需導數信息的特點，應用到區域土地利用結構優化配置中，明顯提高了區域土地利用經濟、社會和生態效益，促進了區域土地資源的可持續利用。

智能優化算法可以很好地模擬空間的復雜性，與GIS相結合可以產生強大的地理空間模擬能力，在一定程度上解決了數學優化模型的非動態、結構單一等缺點。不少學者還嘗試將其他智能算法，如人工神經網絡、微粒群算法與GIS結合對土地利用系統進行模擬研究。由于每種智能算法或多或少都有其不足之處，因此，在GIS的基礎上將各種優化算法相結合，是未來研究的發展趨勢。

2.3 基于GIS的土地利用優化配置輔助決策系統

土地利用優化配置輔助決策系統是根據土地利用結構的空間特征和相關性，采用地理信息系統（GIS）技術，運用空間數據庫存貯、管理和操作各類與土地利用有關的信息和數據。根據GIS空間分析的類型和工能，設計各種土地利用結構空間分析軟件，在這些分析軟件的協調下，自動完成土地利用結構的分析及圖件等的輸出，從而實現對土地資源利用進行科學決策和管理的計算機應用系統。黃杏等多年潛心研究地理信息系統（GIS）支持的區域土地利用決策原理和方法，為土地利用優化配置輔助決策系統的建立奠定了基礎[21]。隨后，王春玲設計了基于GIS的防護林空間配置調整輔助決策系統框架[22]，袁成軍等以貴州省黔西縣為例，研究了基于GIS的土地利用總體規劃實施評價決策支持系統[23]。這些方法是對數據庫、專家庫、方法庫和模型庫的集成，實現數據的自動采集、儲存與分析，為區域土地利用結構的優化決策提供系統支持。

3 結論與展望

GIS與數學模型結合，使土地利用的空間結構優化成為可能。將GIS與智能算法相結合，實現了土地利用結構優化研究從單向、靜態模型向動態、持續規劃模型的發展。對基于GIS的土地利用優化配置輔助決策系統的深入研究，將有利于實現對土地利用結構進行科學決策和自動化管理。然而，縱觀現有的土地利用優化方法，雖然GIS被廣泛應用，但絕大多數都是將模型與GIS松散耦合在一起，實際上GIS與模型要素仍然是獨立的，并不是真正意義上的緊密耦合，這對于實現土地利用優化配置的自動化過程是一種障礙。另外，土地利用結構優化的方法很多，但各有優缺點，在GIS的基礎上綜合運用多種優化方法，實現土地利用的數量和空間優化、動態模擬、效益優化以及土地資源的可持續利用，將成為未來土地利用結構優化研究的重點。

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