多尺度土地資源配置研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，城市化已經(jīng)成為一個不可逆轉(zhuǎn)的社會發(fā)展趨勢。在此過程中人們對土地利用空間和土地產(chǎn)品的需求也在不斷增長，人地矛盾的日益激化引發(fā)了很多社會、經(jīng)濟和環(huán)境問題，并有可能造成生物棲息地消失或破碎化、生物多樣性降低以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的減弱。如何應(yīng)對這些生態(tài)環(huán)境問題，并將其納入到政策、規(guī)劃和項目的決策過程中已成為研究的熱點。本研究以三種尺度：渝北區(qū)(縣域尺度)、龍興鎮(zhèn)(鎮(zhèn)域尺度)、河堰等三個行政村(村域尺度)為例，綜合考慮不同尺

2、度上影響土地資源配置的因素，采用不同的方法對多尺度土地資源的優(yōu)化配置進行研究，本研究完善了城鄉(xiāng)統(tǒng)籌背景下的土地利用優(yōu)化配置體系，為實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。
　　 1.縣域尺度的土地資源配置研究
　　 本研究以重慶市渝北區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為功能分區(qū)的基本區(qū)域單元，以渝北區(qū)自然生態(tài)、社會經(jīng)濟發(fā)展以及土地資源現(xiàn)狀和特點為基礎(chǔ)，建立統(tǒng)籌發(fā)展的土地利用主體功能分區(qū)。首先根據(jù)一定的原則構(gòu)建指標(biāo)體系，土地利用指標(biāo)是以重慶市渝北區(qū)

3、1989、2000和2004年3個時段的TM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，根據(jù)3個年份對應(yīng)期間的土地利用現(xiàn)狀圖、相關(guān)統(tǒng)計資料，結(jié)合研究區(qū)實際情況，采用遙感圖像處理軟件ERDAS8.4、地理信息系統(tǒng)軟件ARCGIS9.2，通過非監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法，對3個時段的衛(wèi)星遙感影像進行土地利用解譯得到，而社會經(jīng)濟指標(biāo)的數(shù)據(jù)源自2008年《重慶市統(tǒng)計年鑒》、2008年《渝北年鑒》以及2008年《重慶市國土資源統(tǒng)計年鑒》；然后采用主成分分析法對

4、指標(biāo)進行處理及篩選；最后使用聚類分析方法對渝北區(qū)進行主體功能分區(qū)。
　　 (1)主成分分析方法能夠科學(xué)合理地提煉出分區(qū)指標(biāo)。本研究從經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和環(huán)境保護三個方面選出了15個初選指標(biāo)，運用主成分分析法進行降維處理，以期用較少的幾個綜合指標(biāo)來代替原來的變量指標(biāo)，于是從15個初選指標(biāo)中遴選出財政收入、糧食單產(chǎn)、林地面積等9個指標(biāo)組成縣域主體功能分區(qū)的綜合指標(biāo)評價體系，這9個指標(biāo)不僅能夠反映土地利用原始信息的代表性和準(zhǔn)確性，而且

5、有效地減輕了工作量，提高了分區(qū)精度。
　　 (2)對比快速聚類法和分層聚類法的分區(qū)結(jié)果以及單因子ANOVA分析和判別分析的驗證，使分區(qū)更加合理。在9個遴選指標(biāo)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了19×19的模糊相似矩陣，根據(jù)不同準(zhǔn)則分別進行快速聚類和分層聚類，對比發(fā)現(xiàn)只有木耳鎮(zhèn)的劃分結(jié)果存在分歧。單尾ANOVA分析表中只有“農(nóng)民人均純收入”指標(biāo)的顯著性不佳，而判別分析中交叉驗證樣本的分類正確率為88.9％，說明分類的結(jié)果比較理想?；谝陨戏治?，考慮到

6、功能區(qū)單元位置的連續(xù)性并參考渝北區(qū)自然環(huán)境條件，將渝北區(qū)劃分了四個主體功能區(qū)，北部新區(qū)、雙鳳橋街道與回興街道為優(yōu)先開發(fā)區(qū)；龍溪街道、龍山街道、龍塔街道與雙龍湖街道為重點開發(fā)區(qū)；興隆鎮(zhèn)、古路鎮(zhèn)、大灣鎮(zhèn)、龍興鎮(zhèn)、玉峰山鎮(zhèn)和統(tǒng)景鎮(zhèn)為限制開發(fā)區(qū)；硌磧鎮(zhèn)、石船鎮(zhèn)、木耳鎮(zhèn)、大盛鎮(zhèn)、茨竹鎮(zhèn)和悅來街道為禁止開發(fā)區(qū)。
　　 2.鎮(zhèn)域尺度的土地資源配置
　　 在滿足界限約束和空間連續(xù)性約束的條件下，以重慶市渝北區(qū)龍興鎮(zhèn)為例探索量化分區(qū)方案。

7、首先針對土地利用分區(qū)問題建立數(shù)學(xué)模型，然后編寫C++程序在ArcGIS平臺上實現(xiàn)模擬退火算法對優(yōu)化模型的求解，利用虛擬場景的分區(qū)結(jié)果評價模型的生態(tài)效應(yīng)，而在現(xiàn)實場景中運用游憩價值法和GeoDA的空間自相關(guān)分析功能分析龍興鎮(zhèn)的區(qū)域發(fā)展特點，并在此基礎(chǔ)上進行土地利用優(yōu)化分區(qū)。
　　 (1)虛擬場景的測試證明了土地利用優(yōu)化分區(qū)模型的生態(tài)保護效應(yīng)是十分明顯的，尤其是對生物多樣性的保護。Fragstats的計算結(jié)果顯示出：取消連接性的限制

8、時，則呈現(xiàn)最多的斑塊數(shù)55和最小的連接度指數(shù)6.12，因此，取消連接性的限制條件后的結(jié)果表明連接性限制對分區(qū)結(jié)果的景觀破碎度和異質(zhì)性都具有相當(dāng)?shù)挠绊懥Γ籄I值代表了區(qū)域之間的聚集度，越強烈的聚集度區(qū)域之間進行的物種或者基因的交流越有可能發(fā)生，土地兼容性均為1時得到了極端的AI值93.12，而土地兼容性均為-1時出現(xiàn)了許多破碎的斑塊，使得邊緣總長度(TE)達到最大值1003，說明非對稱的土地兼容性系數(shù)設(shè)置具有重要生態(tài)意義；在優(yōu)化模型中使用

9、了歐氏平方距離因而得到與土地適宜性相吻合的3個清晰的核心區(qū)。
　　 (2)在區(qū)域發(fā)展特點的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合基礎(chǔ)圖庫建立土地適宜性數(shù)據(jù)庫，可以實現(xiàn)既適應(yīng)區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展又符合自然生態(tài)保護要求的合理分區(qū)。游憩價值分析得出龍興鎮(zhèn)自然環(huán)境的經(jīng)濟價值為5696.72萬元，肯定了古鎮(zhèn)旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿?；全局Moran's I指數(shù)0.5138和局部自相關(guān)分析圖反映出龍興鎮(zhèn)的經(jīng)濟發(fā)展已表現(xiàn)出較強的空間分異格局，說明受“魚嘴組團”的影響龍興鎮(zhèn)非農(nóng)

10、產(chǎn)業(yè)已產(chǎn)生集聚效應(yīng)。利用Access數(shù)據(jù)庫軟件包編制柵格屬性數(shù)據(jù)，導(dǎo)入ArcGIS后形成一對多和多對多的數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實現(xiàn)將土地適宜性量化地引入分區(qū)模型，量化分區(qū)結(jié)果與龍興鎮(zhèn)鎮(zhèn)域分區(qū)規(guī)劃相比我們發(fā)現(xiàn)：定量模型的分區(qū)體現(xiàn)了相似的土地利用形式擁有更好的聚集效應(yīng)，而相斥的土地利用形式則呈現(xiàn)遠離的態(tài)勢，因而生態(tài)核心區(qū)十分明顯。
　　 3.村域尺度的土地資源配置
　　 村域尺度的研究以龍興鎮(zhèn)河堰村、粉壁村及石溪村為例，運用

11、三種不同的多目標(biāo)線性規(guī)劃方法構(gòu)建土地利用情景決策系統(tǒng)，探索村級土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置。
　　 (1)不同的目標(biāo)優(yōu)先等級對帕累托最優(yōu)解有顯著影響。在渝北區(qū)龍興鎮(zhèn)的研究中，要獲得較高的毛利潤，則必須付出較高的生產(chǎn)成本和較多的農(nóng)業(yè)化學(xué)品用量；如果既要實現(xiàn)毛利潤和工時需求最大化，又要滿足生產(chǎn)成本和農(nóng)業(yè)化學(xué)品用量最小化，那么所得的帕累托最優(yōu)解中高產(chǎn)量水果和蔬菜作物以及針葉樹和水杉的種植面積必然會增加，在此基礎(chǔ)上所有目標(biāo)完成度才能超過40％

12、從而實現(xiàn)均衡狀態(tài)；如果生態(tài)目標(biāo)的優(yōu)先級設(shè)置越高，則林地面積增加的越多；如果在實現(xiàn)工時需求最大化和農(nóng)業(yè)用地面積最大化的同時，滿足毛利潤最大化這個經(jīng)濟目標(biāo)，則水果和蔬菜的用地面積會相應(yīng)的有所增加。
　　 (2)目標(biāo)優(yōu)先級設(shè)置應(yīng)該有客觀標(biāo)準(zhǔn)。在運用土地利用情景決策模型時，應(yīng)滿足以下幾個標(biāo)準(zhǔn)：a.研究區(qū)必須接近城市，如城鄉(xiāng)結(jié)合部；b.要有較為明顯的旅游特征或潛質(zhì)；c.研究區(qū)是以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的區(qū)域；d.研究區(qū)有較多樣的農(nóng)業(yè)活動。當(dāng)研究區(qū)有

13、較為明顯的旅游特征或潛質(zhì)的時候，則適宜將環(huán)境目標(biāo)作為優(yōu)先考慮，從而促進林業(yè)物種的增加和其他非密集性的土地利用形式。而對于以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的區(qū)域，則應(yīng)該優(yōu)先考慮經(jīng)濟目標(biāo)，這樣可以同時解決局部的社會問題，因為受惠的直接群體就是當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民。至于多種農(nóng)業(yè)活動的區(qū)域，潛在的利益沖突就可能存在，因此優(yōu)先考慮社會問題是必然的。
　　 4.多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)
　　 土地利用優(yōu)化是一個繁復(fù)的運作體系，涉及到多個尺度下不同的因素，因此不同

14、尺度研究體系的融合問題成為土地利用優(yōu)化研究的熱點和難點。本研究結(jié)合MAS技術(shù)提出基于利益相關(guān)者agent的多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)框架。
　　 (1)縣域尺度下的研究單元是以行政區(qū)劃圖為基礎(chǔ)的各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，鎮(zhèn)域尺度下是利用土地利用現(xiàn)狀圖與行政區(qū)劃圖相疊加后利用柵格劃分獲得的，而村域尺度下則是以農(nóng)戶行為作為土地利用結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素，因此分析單元為農(nóng)戶，這些研究單元是多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。由于研究的主要目的是為了探索土地利用的優(yōu)

15、化配置格局，因此在不同的尺度下選擇了不同的土地優(yōu)化配置的方法：縣域尺度下考慮的是土地利用功能的引導(dǎo)性，所以選取了模糊數(shù)學(xué)方法進行主體功能分區(qū)；鎮(zhèn)域尺度既要有一定的政策指導(dǎo)性，還必須擁有一定的實際操作性，因而基于模擬退火算法建立了土地利用優(yōu)化分區(qū)模型，以優(yōu)化算法求解定量模型的形式進行土地利用分區(qū)；而村域尺度需要更強的可操作性，以便指導(dǎo)農(nóng)戶行為，因此結(jié)合了三種多目標(biāo)線性規(guī)劃方法創(chuàng)建了土地利用情景決策系統(tǒng)，運用目標(biāo)優(yōu)先級的差異性體現(xiàn)決策者偏好

16、對土地利用配置結(jié)果的影響，從而輔助決策者制定土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。
　　 (2)多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)是Agent個體之間交互的框架，由Agent個體、Agent組及Agent域三級組織構(gòu)成。在本研究中，Agent個體就是政府、農(nóng)戶、科研工作者等，他們共同組成了利益相關(guān)者Agent組，而本系統(tǒng)最核心的部分就是三個Agent域—理論概念域、實證分析域以及模型方法域。Agent個體之上有“組”和“域”兩級管理協(xié)作機構(gòu)，可以

17、有效減少系統(tǒng)的內(nèi)部沖突，協(xié)調(diào)問題求解，具有更強的問題求解能力，提高交流的效率。而“組”和“域”是開放、動態(tài)的概念，其中的成員數(shù)目是動態(tài)變化的，成員可以動態(tài)地加入或退出。這個動態(tài)演化的過程可視為Agent隨環(huán)境及目標(biāo)需求的不斷變化，連續(xù)進行協(xié)作關(guān)系的適應(yīng)性調(diào)整過程。在這樣的系統(tǒng)中探尋土地利用優(yōu)化方案，可以有效的調(diào)動利益相關(guān)者，使各尺度的土地利用優(yōu)化方案都是經(jīng)過利益相關(guān)者反復(fù)交流的結(jié)果，從制定的過程上一改往日“由上而下”的規(guī)劃體系，實現(xiàn)了真

18、正意義上的參與式規(guī)劃。
　　 綜上所述，本文系統(tǒng)研究不同尺度下的土地資源優(yōu)化配置，不再局限于單一尺度或者采用某一數(shù)學(xué)方法得出優(yōu)化配置方案的傳統(tǒng)研究思維，構(gòu)建了適合多尺度研究的土地資源優(yōu)化配置體系框架，為城鄉(xiāng)統(tǒng)籌背景下的土地利用研究提供了新的思路和方法，彌補國內(nèi)在土地利用研究的不足。但是由于某些尺度的研究只能在假設(shè)成立的條件下進行，所以還需要不斷完善。此外三個尺度研究的耦合還需要具體的技術(shù)手段來加以實現(xiàn)，因此未來應(yīng)繼續(xù)加大時間段上