土地利用总体规划中的定量化方法研究

■ 张喜旺/刘剑锋/秦 奋

（1.河南大学环境与规划学院，开封 475004；2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475001）

土地利用总体规划中的定量化方法研究

■ 张喜旺1/刘剑锋2/秦 奋1

（1.河南大学环境与规划学院，开封 475004；2.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475001）

在编制土地利用总体规划时大量采用定量化方法是现代土地利用规划学科的趋势，但目前定量化方法还不够成熟，国内使用定量化方法还不多。文章结合国内外使用定量化方法的基本情况和我国规划中存在的问题，介绍了定量和定性相结合方法的基本流程和定量化模型的建立过程，并给出了应用实例，以期为总体规划的实施提供参考。

土地利用； 总体规划； 定量化模型； 模型设计； 结构优化

20世纪70年代以后，国外在编制土地利用规划中引入计算机和数学方法，并利用数学模型完成编制[1]。主要方法有：动态规划模型；ECCO模型；数学模拟法；线性规划法。这些方法均利用现代技术将规划过程量化，建立数学模型，取得了很好的效果。我国到目前为止已经开展了三轮土地利用总体规划。第一轮采用综合平衡法进行用地指标调整，以实现规划期内区域土地资源总供给量和总需求量间的平衡；第二轮规划编制和修订中主要采取指标控制和地类分区结合的模式[2]，结构优化一 般采用传统的定性或部分定量方法[3]。前两轮规划普遍都采用传统的定性方法。然而，我国地域广阔，土地利用总体规划所涉及的内容又多，因此，土地利用总体规划是一项庞大的工程，仅利用定性方法速度慢，效率低，如新疆在第一轮规划中用9年多的时间才完成不到三分之一，照此速度计算需要30年才能完成一轮规划[4]。传统定性方法的可靠性和精确度比用系统优化方法求出的最优方案差很多[3]。因此本文以县级规划为例，运用数学模型，结合GIS等先进技术进行研究，并参考国外经验，以期形成一套定量与定性相结合的土地利用规划方法和工作流程，为今后的土地利用总体规划提供参考。

1 土地利用总体规划简介

土地是人类赖以生存的基础，又是能被人类用来从事物质生产的资源[5]。土地利用是一个不断发展变化的长期历史过程，并形成一定的土地利用结构特征，随着国民经济和社会发展对土地空间的需求，必须对土地利用的发展和结构不断地进行优化[6]。土地利用总体规划就是根据国民经济、社会发展计划和各业发展的用地需求和土地自身的特征，合理、统筹协调土地资源在国民经济各部门之间的配置，也是合理利用土地的基础和总纲，科学管理与宏观调控土地的重要手段[7]。目的是规范一定时段内某个区域内的土地利用的结构、布局和方式，以充分、合理、高效地利用土地资源[8]。土地利用规划方案是未来土地利用的主要依据，其合理程度直接决定了土地利用的科学性[9]。土地利用结构优化是土地利用总体规划的核心内容，它以一定区域土地利用系统的效益为最大目标，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，空间上得到最佳落实。

2 国内外土地利用总体规划中利用定量化方法概况

2.1 目前国外常使用的方法

（1）动态规划模型。模型由GIS和综合规划模型组成，综合规划模型包括作物生长模式、线性规划模型和空间配置决策模型。作物生长模式的作用是设立各种作物生长过程的量化模式，空间配置模型的功能是把规划设计转化为具有可操作性的规划。（2）ECCO模型。此模型是由英国Strathc1de大学和苏格兰资源利用研究所的研究人员提出。通过系统动力学模型模拟不同备选方案的人口变化与承载力之间的动态关系，做出各种方案以备选择。（3）数学模拟。该方法是在评价美国蒙大拿州旱地资源规划时由Capolbo等人提出，利用计算机分析农场的自然环境、作物耕作制度、农场的各种投入产出条件，经过量化，建立数学模型以模拟农业生产过程，最终得到对环境、作物轮作和农场收益等产生影响的规划。（4）线性规划方法。应用线性规划方法和GIS，对土地的空间属性进行优化和变量组合，最终得到最佳土地利用方案。Chuvieco 在西班牙利用该方法进行土地规划实验，取得了很好的效果。

2.2 国内常用定量方法

（1）灰色线性规划。该方法弥补了一般线性规划的不足，不要求目标函数中的效益系数、约束条件中的技术系数，资源量及其他限制量等都被固定下来，而技术系数是可变的灰数，约束值是在发展情况下进行的，因而是一种动态的线性规划[10]。王万茂、但承龙以及耿红分别对海门市和田阳县进行研究都取得了很好的效果。（2）遗传算法。是Holland提出的一种借鉴生物进化论中的遗传变异和自然选择原理，模拟生物在自然界中的进化过程所形成的一种新型优化求解方法。又可分为一般遗传算法、多重群体遗传算法，特别适用于目标函数多、数学表达式非线性，优化变量多，常规方法难以奏效的复杂场合[11]。董品杰、赖红松等都对此方法做过研究与应用。（3）最优线形规划模型。适合于人地复合系统中用地类型结构的优化决策，基本思路是从区域土地利用的综合效益中提炼出一个能体现本区土地资源特点和社会发展要求的单一效益，而将其他效益作为约束条件。贾宏俊、张佳会、黄全富等利用此方法分别对芜湖市和石柱县的土地利用总体规划进行研究，效果明显[12]，[13]。

3 定量与定性方法结合的流程

土地利用总体规划的目的是在有限的土地上合理配置各种用地类型，使土地利用结构达到最优，产出效益最大，或者在一定效益前提下投入成本最小。因此定量模型的建立首先要对现状进行调查，广泛收集自然、社会和经济资料，结合本地特点，选择适当的影响因素作为目标函数变量，然后构建目标函数，再将人力、物力、财力、时间和生态、经济、社会、技术以及土地现状、潜力、需求等多方面的限制作为约束条件，使目标函数达到最大或最小，求出的最优解就是优化的土地利用结构。为使结果更符合实际，还应该结合专家意见等定性方法进一步优化土地利用结构，并与有关部门协调，输出最终结果。（参见图1）

4 应用实例

本文以最优线性规划法为例，选择某县级规划资料作为实例，仅考虑收集材料之后和修正方案之前的情况。目标的选择要因具体地区而定，假设该县需要提高本县的经济水平，则总体规划目标应定为追求经济效益的最大化，并以此作为决策的基本目标函数；同时以社会效益和环境效益、上级下达指标以及本县具体情况作为约束条件。

（1）土地利用类型划分。假设该县划定了11个土地利用类型：x1（耕地）、x2（园地）、x3（林地）、x4（其他农用地）、x5(建制镇)、x6（农村居民点）、x7（独立工矿）、x8(特殊用地)、x9（交通用地）、x10（水利设施用地）、x11（未利用地）。

（2）确定各类用地的效益相对权重系数。应用AHP层次分析法、专家打分法等，确定各用地类型的效益权重，构成效益权重集Wi(1,2,3……10)。x11的用地效益可视为0，故不参与评判。

Wi=（0.1 0 5，0.1 1 2，0.051，0.041，0.201，0.178，0.104，0.048，0.115，0.045）

（3）构建目标函数。

式中K为各类用地效益系数；Wi为各类用地的相对权重系数；xi为各类用地面积（hm2）。

图1 土地利用总体规划定量与定性相结合方法基本流程图

（4）确定效益系数K。选用耕地效益，即每公顷耕地产出效益的发展预测值来确定常数K，然后乘以各类用地相对权重系数求得相应单位面积上的产出效益，即价值向量Vi（i=1,2,3……10）。据预测，到规划期末平均每公顷耕地的产出效益为15416.23元，即

V1=0.1×K =15416.23故K=154162.3，从而求得：

Vi=(154162.30, 17266.18,7862.28, 6320.65, 30986.62,27440.89, 16032.88 ,7399.79,17728.66, 6937.30)

据此，目标函数为：

S(x)=15416.23x1+17266.18x2+7862.28x3+6320.65x4+30986.6 2x5+27440.89x6+ 16032.88x7+73 99.79x8+17728.66x9+6937.30x10+x11

(5)约束条件的确立

根据社会效益、环境效益、上级下达的目标、规划目标和耕地后备资源开发潜力等拟定约束条件：

(6)求得最优解如表1

可以看出利用最优线性规划法具有以下优势：（1）本规划采用经济效益主导性，以实现经济效益最大为目标，充分体现了该县强劲的经济发展势头和全面实现小康的愿望。（2）实现上级下达的指标要求，体现了国家切实保护耕地，严格控制建设用地的政策要求。（3）充分地考虑了该县补充耕地的能力。

表1 土地利用结构优化方案

5 定量化方法应用于土地利用总体规划的思考

5.1 定量化应达到的目标

按照经济效益，目标函数要使有限的土地生产出尽可能多的产品和提供尽可能多的服务。另外，在经济效益相等的情况下，应优先考虑社会效益最大；在经济效益不等的情况下，应以社会效益的显著程度给予权衡；对于没有直接经济效益的纯社会性的资源配置项目，如建设学校等，按照社会效益原则，在项目设立时，应在土地的其他投向可能的范围内进行权衡。另外以上两种效益达到最佳并不能保证对生态环境的充分保护，还须考虑生态效益。因此注重经济、社会效益和生态效益的总和才是土地资源合理配置的充分条件和完整准则。但与以货币的价值尺度来衡量的效益相比，环境效益的评估需要选择合适的方法。在优化土地利用结构时必须全面衡量各种效益并进行利弊的权衡，按综合效益的原则实行资源分配的价值取向，土地资源才可能实现优化配置。

5.2 需要注意的问题

（1）土地利用总体规划涉及自然、社会、经济诸方面，可控性和可操作性都非常复杂和困难，因此要根据具体情况，选择最具代表性的因素作为变量，根据土地利用的目的设立完备的约束条件，优化定量化模型。（2）针对当前中国土地利用总体规划所要解决的主要问题是建设用地扩张与耕地保护的矛盾，在建立模型时应将受保护的耕地面积作为约束条件来限定目标函数，切实地对耕地加以保护。（3）虽然定量化模型能综合吸收各个学科的单项研究成果，具有很大的优势，但在土地利用总体规划中的应用尚不成熟，目前要完全依赖定量化方法是不可取的。（4）规划中也可以采用多个定量化模型做出几套方案加以比较，选出相对合理的方案作为最终结果。（5）今后应加深对定量化方法的研究，脱离人为因素的制约，使其更能具有普遍实用性，得到的结果更符合实际。

6 结论

科学合理的土地利用结构可以产生结构效应，促使系统的功能增强、效率提高。土地利用规划不仅要合理调整土地利用的内部结构，还要协调好与外部环境条件的关系，由于总体规划是以社会经济发展和人口为依据的，并受自然、科技进步、政策等因素影响，而土地利用系统内部则涉及到多种用地类型[14]。因此要建立起科学的、实用的和有实效的土地利用规划，必须考虑很多因素，单凭经验是不够的，需要建立定量模型，利用计算机对规划进行模拟。在规划过程中，要在认真分析各部门、各行业用地现状的基础上，结合经济发展目标，采取科学方法和现代化手段，以保证在当地经济发展过程中各行业用地的协调。定量模型求解时，要在考虑各行各业的用地现状、要求、目标、政策以及对未来预测的基础上，拟订多种约束条件使目标函数达到最大或最小，并求出在目标函数达到极值时的各类用地的规模，即土地利用总体规划中的最优土地利用结构。鉴于目前定量方法还不够成熟，在总体规划中以定量方法为主，规划的最终确定要由定性方法协助，以防规划结果脱离实际。这样对提高土地利用效益，促进土地利用结构优化，保证土地资源配置的可持续发展都具有重要意义。

[1]王红梅.土地利用总体规划的实证研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2000.

[2]朱凤武,彭补拙.中国县域土地利用总体规划的模式研究[J].地理科学,2003,23(3):282-286.

[3]严金明.简论土地利用结构优化与模型设计[J].中国土地科学,2002,16(4):20-25.

[4]于礼.完善土地利用总体规划——以新疆为例[J].中国土地,1998(5):26-27.

[5]肖光强,王清海,张大军,等.新一轮土地利用总体规划耕地需求量预期研究——以吉林省为例[J].中国国土资源经济,2009,22(12):23-25.

[6]董明辉,赵建国.常德市土地利用结构优化研究[J].长江流域资源与环境,1997,6(1):24-28.

[7]董廷旭,陈朝镇.土地利用总体规划编制的基本原理综述[J]. 绵阳师专学报,1998,16(2):66-69.

[8]张刚元.遗传算法及其在土地利用总体规划中的应用[J].重庆师范学院学报,1998,15(4):40-44.

[9]耿红.土地利用总体规划编制的技术方法探讨——以田阳县土地利用总体规划为例[J].城市勘测,2000(3):32-37.

[10]王万茂,但承龙.海门市土地利用结构优化研究[J].国土与自然资源研究,2003(1):44-46.

[11]董品杰,赖红松.基于多目标遗传算法的土地利用空间结构优化配置[J].地理与地理信息科学,2003,19(6):52-55.

[12]贾宏俊.芜湖市土地利用结构变化分析[J].生态经济,2001(12):97-100.

[13]张佳会,黄全富.最优线性规划法在土地利用总体规划中的应用[J].重庆师范学院学报,2001,18(1):36-39.

[14]冯国强.土地利用总体规划的一个SD&LP复合模型[J].广东工业大学学报,1995(12):118-124.

Research on Quantificational Methods in Comprehensive Land Use Planning

ZHANG Xi-wang1,LIU Jian-feng2,QIN Fen1

(1.The College of Environment and Planning of Henan University,Kaifeng 475004,China; 2.Yellow River Conservancy Technical Institute, Kaifeng, Henan 475001,China)

In light of the basic situation of using quantitative methods at home and abroad, as well as the problems in China’s planning, the paper introduces the basic steps of quantitative and qualitative methods, and the created process of quantitative model;and some examples are also given so as to provide reference for the implementation of overall plan.

land use; overall plan; quantitative model; model design; structural optimization

F301.23

C

1672-6995(2010)10-0037-03

2010-06-25

河南省哲学社会科学规划项目—河南农村土地使用权流转的有效机制和法制对策研究（2008BFX002）；河南省社会科学基金（2003FSH006）；河南省科技厅攻关项目（O323013100）

张喜旺（1979—），男，河南省辉县市人，河南大学环境与规划学院副教授，理学博士，主要研究方向为GIS应用与生态环境遥感等。