基于RAGA-PPC模型的土地整治綜合效益評價
——以甘肅省慶陽市15個土地整治項目為例

程文仕, 喬蕻強, 劉 志, 黃 鑫

(甘肅農業大學 資源與環境學院, 甘肅 蘭州 730070)

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基于RAGA-PPC模型的土地整治綜合效益評價
——以甘肅省慶陽市15個土地整治項目為例

程文仕, 喬蕻強, 劉 志, 黃 鑫

(甘肅農業大學 資源與環境學院, 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 對甘肅省慶陽市2012—2013年實施完成的15個土地整治項目進行綜合效益評價，以期為慶陽市土地整治項目的實施與管理提供參考。 [方法] 采用投影尋蹤方法(PP)構建評價指標體系，借助實數編碼加速遺傳算法的投影尋蹤分類模型(RAGA-PPC模型)，從社會、經濟、生態3個方面選取12個評價指標對項目實施的綜合效益進行評價。 [結果] 15個土地整治項目中寧縣和正寧縣的兩個項目的綜合效益為優，西峰區項目為良，合水縣等的11個項目為中，華池縣城壕鄉項目最差。 [結論] 研究區土地整治項目實施效益整體較好，但是還需要在制定和優化土地整治工程建設內容和管理時更加合理、平衡。

土地整治; 實數編碼加速遺傳算法; 投影尋蹤分類模型; 綜合效益; 甘肅省慶陽市

文獻參數： 程文仕, 喬蕻強, 劉志, 等.基于RAGA-PPC模型的土地整治綜合效益評價[J].水土保持通報，2016,36(4)：257-261.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.045

土地整治是提高土地利用率、增加耕地面積、提高耕地質量、改善農村生產生活條件、強化節約集約用地和提升土地產能的重要途徑。據中國國土資源年鑒，僅2003—2011年全國土地整治總規模達到7.70×106hm2，到2011年以后，年投資額超過1 000億元[1]。《全國土地整治規劃(2011—2015年)》明確了“十二五”期間和今后土地整治的任務，對旱澇保收高標準基本農田建設、農村土地綜合整治提出了更高的要求，投資力度和建設規模將繼續上升。因此，土地整治效益評價對堅守耕地紅線、確保糧食安全、積極穩妥推進城鎮化發展，建設“美麗中國”、“生態中國”、“和諧中國”的宏偉目標具有重大的理論和現實意義。

土地整治綜合效益評價是從區域社會、經濟、生態綜合效益角度對土地整治項目實施效果的鑒定，有利于提升土地整治項目的管理水平，推動土地整治項目的高效實施。因此，土地整治逐漸成為近年國內學者研究的焦點和熱點。一些學者[2-4]從不同的角度，構建了經濟效應、社會效應、生態效應三維一體的土地整治效應評估指標體系，分別對濕地、農用地、煤礦區、低山丘陵土地整治區土地利用變化引發的生態系統服務價值損益進行分析，并從生態重建與景觀修復層面提出了相應的策略。針對土地整治效益評價方法，學者們采用的比較多的方法是模糊綜合評價及其在此基礎上進行的改進方法[5]，除此之外還有能值分析[6]、熵權可拓物元模型[7]、云模型[8]、數據包絡分析法[9]、人工神經網絡[10]、灰色關聯投影法[11]等方法。然而這些方法對綜合效益評價的指標選取都存在一定的局限性，對投入的大量人力、物力、財力能否發揮應有的作用不能很好地量化，而RAGA-PPC模型具有能夠克服高維數據的“維數禍根”，排除與數據結構和特征無關的變量干擾等特點。本研究以采用RAGA-PPC模型為創新點，對研究區域土地整治項目的經濟、社會、生態環境效應進行科學、準確地分析。RAGA-PPC模型其本質是優化指標從而找出能反映高維數據特征和結構的投影，在低維子空間進行數據分析從而達到分析研究高維數據的目的[12]。如張欣莉等[13]對水質評價、付強等[14]對水稻灌溉制度優化、趙小勇等[15]對生態農業建設的綜合評價等研究均應用了該模型,都取得了積極顯著的結果。因此，本研究基于RAGA-PPC模型，采用投影尋蹤方法(PP)構建評價指標體系，對甘肅省慶陽市2012—2013年實施完成的15個土地整治項目進行綜合效益評價，以期為慶陽市土地整治項目的實施與管理提供參考。

1　研究區概況及數據來源

1.1研究區概況

慶陽市地理位置位于35°15′—37°10′N，106°20′—108°45′E，東接陜甘兩省的子午嶺，西倚寧夏六盤山，北與寧夏回族自治區交界，南被陜甘分界線所圍，總土地面積2.70×104km2，轄1區7縣，總人口約256萬人。地勢北高南低，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區，山、川、塬兼有，溝、峁、梁相間，海拔介于885～2 089 m之間。屬干旱半干旱氣候，年均氣溫9 ℃，年日照時數2 250～2 600 h，無霜期140～180 d，多年平均降水量330～660 mm，降水集中期變化不大，主要集中在7月中、下旬。慶陽市地下水埋藏較深，地表水多分布在地勢較低的山谷中，水資源時空分布失衡；土壤主要為黃綿土，但因地勢地貌不同，塬面、臺地地形平坦，土壤相對肥沃；坡地起伏較大，土壤養分含量低；區內水土流失嚴重，生態環境脆弱，農業生產以種植業為主。農村經濟發展緩慢，國家級貧困縣占六席，域內坡地和拋荒地較多，耕地面積逐年萎縮，因此，加強耕地保護，進行土地整治迫在眉睫，2012—2013年實施完成的15個項目土地整治項目基本情況詳見表1。

表1　慶陽市15個項目土地整治項目基本概況

1.2數據來源與處理

數據資料主要包括土地整治項目實施前后的項目區土地利用變化、社會經濟發展和生態狀況。其中：農地單產增長率、農民人均年純收入增長率、人均耕地面積增長率的測算數據來源于各項目區2011—2013年農業統計年報和統計年鑒；新增耕地率、田塊規整變動率、整治后路網密度、綠色植被覆蓋率增加值、整治后生物豐度指數、林草覆蓋率增加值、土地墾殖率等土地利用資料是依據2013年底的慶陽市各區縣衛星影像圖和項目實施前的實測地形圖進行實地調查的基礎上，深入分析測算而來；靜態投資回收期、土地經濟密度資料根據項目投資額和實際項目實施后的經濟效果測算得到所需要的數值。

1.3研究方法

1.3.1實數編碼加速遺傳算法(RAGA)遺傳算法(GA)通過模擬生物的自然選擇和群體遺傳機制，把一組隨機生成的可行解作為父代群體，把適應度函數(目標函數或它的變形函數)作為父代個體適應環境能力的度量，經選擇、雜交生成子代個體，后者再經變異，優勝劣汰，如此反復進行迭代，使個體的適應能力不斷提高，且優秀個體不斷向最優點逼近[16]。加速遺傳算法(RAGA)采用實數編碼，它克服了傳統遺傳算法的二進制編碼的缺點，極大增強了算法的尋優性能。

1.3.2投影尋蹤分類模型(PPC)投影尋蹤分類模型(PPC模型)是利用投影特征值對樣本進行合理分類從而進行綜合評價的，其本質為降維技術[17]。其建模過程為[18]:

(1) 歸一化處理評價指標。根據最大值、最小值和特征值，對指標進行歸一化處理。

(2) 構造投影指標函數Q(a)。把n維數據{x(i,j)|j=1,2,…,n}綜合成以{a(j)|j=1,2,…,n}為投影方向的一維投影值z(i),其中a為單位長度向量:

(1)

根據投影尋蹤思想，其投影值z(i)的分布特征為：局部盡量密集，整體盡量分散，于是投影指標函數可表達為:

(2)

式中：E(z)——序列投影值{z(i)|i=1,2,…m}的平均值；R——局部密度的窗口半徑，它要求窗口內的投影點平均個數不能太少，以避免滑動平均偏差太大，又不能使它隨著m的增大而增加太高，一般取值0.1 Sz；r(i,j)——樣本之間的距離，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；μ(t)——單位階躍函數，當t≥0時，μ(t)=1，反之為0。

(3) 優化投影指標函數。當各指標值的樣本集一定時，投影指數函數Q(a)只受投影方向a的影響，因此可以通過投影指標函數的最大值來求解最佳投影方向，即最大值目標函數：

(3)

約束條件： max:Q(a)=SzDz

(4)

這是一個以{a(j)|j=1,2…,n}為優化變量的復雜非線性優化問題，用傳統的優化方法處理較難。因此，應用基于實數編碼的加速遺傳算法(RAGA)來解決其高維全局尋優問題。

(4) 分類(優先次序排列)。把由步驟(3)求得的最佳投影方向a代入公式(3)求得各樣本的投影值z(i)。將z(i)與z(j)進行比較，若z(i)越大，則樣本越優，反之樣本越差。如果二者越接近，則兩樣本可分為同一類。將z(i)值從大到小排列，則可將樣本從優到劣進行排序。

2　結果與分析

2.1評價指標體系構建

根據國內外研究現狀和慶陽市及其各區縣的實際情況，評價指標的選取應能良好地反映研究區域的土地整治效益，按照可持續發展評價指標體系建立的原則：科學性、整體性、易得性、簡明性、動態性，參照國內外學者研究成果[19-20]，根據當地統計數據情況進行指標篩選，確定能夠反映土地整治綜合效益的3個Ⅱ級指標，12個Ⅲ級指標(表2)。

2.2土地整治綜合效益評價

按照評價指標體系中各指標值的計算公式計算出慶陽市2012—2013年實施完成的15個土地整治項目的指標值。將各指標值作為樣本數據進行歸一化處理，按次序代入公式(2)—(4)，得到投影指標函數，并對投影指標函數進行優化。在Matlab環境下進行語言編程，選父代初始種群規模N=400，變異方向所需隨機數M=10，變異概率pm=0.2，交叉概率pc=0.8，迭代次數50，加速次數Ci=20，得到投影指標函數各指標值的最佳投影方向a(表3)。

表2　研究區土地整治綜合效益評價指標

注：表中除A4單位為年外，其他數據單位均為百分比；生物豐度指數是衡量被評價區域內生物多樣性的豐富程度，主要用于生態環境質量評價； 各土地利用類型權重參數來源為《生態環境狀況評價技術規范(HJ192-2015)》。

表3　各指標值最佳投影方向

從表3可知，所有評價指標與土地整治綜合效益成正相關關系，說明選取的12個指標在土地整治綜合效益評價中均發揮著重要的作用。最佳投影方向a的絕對值越大，影響越大，對土地整治綜合效益的影響越大，12個指標中新增耕地率對評價結果的影響程度最大，其余指標重要性程度依次為人均耕地面積增長率、靜態投資回收期、土地經濟密度、綠色植被覆蓋率增加值、田塊規整變動變化率、林草覆蓋率增加值、整治后路網密度、土地墾殖率、農民人均年純收入增長率、農地單產增長率、整治后生物豐度指數。在此基礎上對經濟效益、社會效益、生態效益3大指標的最佳投影方向值進行計算，其結果分別為1.058 6，1.223 7和0.703 7，說明研究區域土地整治都高度注重經濟效益和社會效益，對生態效益的重視程度偏低。

將最佳投影方向a代入公式(1)得到研究區域土地整治項目綜合效益的投影值Zi(表4)。根據RAGA-PPC模型的測算結果(表4)的最佳投影方向a的投影值Zi的大小，可以看出15個土地整治項目綜合效益的相對優劣程度。總體來說，最佳投影方向a的投影值Zi值整體不高，且主要集中在1～1.5之間。

表4　究區域土地整治項目綜合效益a方向的投影值Zi

2.3結果分析

根據優(≥2)、良(≥1.5，<2)、中(≥1，<1.5)、差(<1)4個等級的確定原則，把15個土地整治項目按照投影值Zi的大小分為不同的實施效果等級：QY08(2.240 8)，QY14(2.081 9)土地整治項目綜合效益為優，QY11(1.571 4)土地整治項目綜合效益為良，QY01(1.224 1)，QY02(1.080 9)，QY03(1.086 5)，QY04(1.327 2)，QY06(1.022 5)，QY07(1.049 5)，QY09(1.077 9)，QY10(1.098 1)，QY12(1.086 5)，QY13(1.067 3)和QY15(1.062 5)土地整治綜合效益為中，QY05(0.773 1)土地整治綜合效益為差。

QY08和QY14項目實施前項目區田塊分布較均勻，有部分廢棄宅基地可進行復墾，生態環境較為脆弱。整治中除修建梯田、強化基礎設施建設外，注重干旱半干旱地區蓄水保塬工程、農田防護和生態環境整治，整治后增加了有效耕地面積，促進了農民增產增收，改善了區域的生態環境，取得了顯著的經濟效果，更為地區經濟、社會和生態的協調可持續發展提供了堅強的保障，其效益明顯高于其他項目，說明評價結果QY08和QY14土地整治綜合效益為優，與實際情況相符合。QY05項目實施前，項目區地塊零散、坡度較大，土地整治中重點修建梯田，強化基礎設施，忽略了蓄水保塬、農田防護和生態環境保持工程，實施后除取得了較好的經濟效益外，生態環境質量和農民的生活質量并沒有明顯的改善，遠遠不如其他項目實施后的社會、生態效果，更談不上示范帶動效應。而QY11項目處于董志塬(慶陽市政府所在地)的邊緣地帶，實施條件整體較好，實施后更好地發揮了資源優勢，總體效益良好；其余11個項目在社會、經濟和生態效益三方面出現了不平衡，注重經濟效益，而忽略了生態效益，給區域造成了極大的生態壓力。綜合以上分析，RAGA-PPC模型評價結果符合實際，準確可靠。

3　討論與結論

3.1討 論

土地整治發展戰略研究、土地整治工程技術創新以及信息化技術是土地整治研究的重點。通過對慶陽市土地整治項目實地調研，發現土地整治項目實施效果整體較好，但生態效益較差，最佳投影方向值小于1。研究土地整治綜合效益評價對區域和諧發展具有十分重要的作用，其研究結果與實地調研結果一致，充分反映了當地的土地整治項目存在的不足和改進之處。

近年來，關于土地整治綜合效益問題越來越受到社會各界的關注。研究多集中于從單純的技術改進提升到“技術研發和標準制定”協調發展的新高度，進一步研發數量—質量—生態型的土地整治新技術、加快技術標準的研究和完善土地整治工程監督管理體系；缺乏對土地整治綜合效益監測機制。本研究借助RAGA-PPC模型建立土地整治綜合效益評價體系，對效益評價具有一定的創新意義，對土地整治效益監測和績效考核機制的形成具有一定的借鑒意義。

投影尋蹤分類模型通過數值直觀的反映了土地整治綜合效益評價中指標值對評價結果的影響程度。本研究中所選擇的15個土地整治項目位于慶陽市不同區域，分異明顯，實施的內容也不盡相同。從評價的過程和結果可以看出：RAGA-PPC模型不僅避免了人為主觀因素的影響，保證評價結果的客觀性，更重要的是它為不同空間尺度的土地整治綜合效益比較評價提供了科學的方法，也為土地整治項目選擇、區域土地整治規劃方案比選、土地整治項目實施后期評價等環節提出了下一步的研究方向。

3.2結 論

(1) 由投影方向a可知，土地整治綜合效益評價所有指標與土地整治綜合效益成正相關，在土地整治綜合效益評價中均發揮著重要的作用。新增耕地率對評價結果的影響程度最大，其次依次為人均耕地面積增長率，靜態投資回收期，土地經濟密度，綠色植被覆蓋率增加值，田塊規整變動變化率，林草覆蓋率增加值，整治后路網密度，土地墾殖率，農民人均年純收入增長率，農地單產增長率，整治后生物豐度指數。政府根據其影響指標可適當地進行工程建設內容的調整。

(2) 15個土地整治項目中QY08，QY14兩個項目的綜合效益為優，QY11項目為良，QY01等11個項目為中，QY05最差，評估結果符合實際。但是研究區域都太注重經濟效益和社會效益，而忽視了生態效益，三效益值差異較大，不能給農戶帶來綜合效益最大化，更不能為生態脆弱區的生態環境恢復提供正能量。因此，今后的土地整治中應該更加重視生態效益，達到三效益相平衡，實現土地整治綜合效益最大化。

(3) 由于目前土地整治綜合效益評價存在著評價指標體系的不統一、相關制度不完善、效益監測網絡不成型等問題，極大制約了土地整治綜合效益的發展。因此，要改變目前這種狀況，應逐步建立有效的效益評價體系，完善區域土地評價制度，協調好三效益的關系和注意三效益相統一的原則。

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Assessment of Comprehensive Benefits from Land Remediation Based on RAGA-PPC Model-A Case Study of 15 Projects in Qingyang City of Gansu Province

CHENG Wenshi, QIAO Hongqiang, LIU Zhi, HUANG Xin

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] The comprehensive benefits from land reclamation in Qingyang City of Gansu Province were evaluated to promote the implementation of land reclamation and to improve land management. [Method] A evaluation system was established by the projection-pursuit classification model of real coding accelerating genetic algorithm(RAGA-PPC), in which twelve evaluation indices, including the aspects of social, economic and ecological, was used to evaluate the comprehensive benefits from 15 projects of land remediation in Qingyang City from 2012 to 2013. [Results] In 15 land reclamation projects, projects of Ningxian County project and Zhengning County project were assessed having the best comprehensive benefits, Xifeng District having good benefits, Heshui County and other 10 projects having intermediate benefits, the lowest was Chenshao Township of Huachi County project. [Conclusion] The overall benefits from land renovation project were thought better, but the construction entries of land renovation project and the management need to be conducted more reasonably and jointly.

land consolidation; real coding accelerating genetic algorithm; projection pursuit classification model; comprehensive benefits; Qingyang City of Gansu Province

2015-09-02

2015-10-18

甘肅省教育科學“十二五”規劃課題“以復合型應用人才培養為目標的實踐教學改革研究：以甘肅農業大學土地資源管理專業為例”(GS[2013]GHB0849)； 國家自然科學基金地區項目(41161066/D010702)

程文仕(1976—),男(漢族),陜西省漢中市人,博士研究生,副教授，主要從事土地評價、土地利用與規劃方面的教學和研究。E-mail:tgchwsh@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0257-05

F301.24