基于GLP模型的城市土地利用结构优化决策

2018-12-11田桐羽玉梅苏虹

湖北农业科学 2018年18期

田桐羽　玉梅　苏虹

摘要：以呼和浩特市市区为研究区域，利用2009—2015年研究区域土地利用变更数据和相关社会经济统计年鉴数据，以影响城市土地利用结构优化的主要因子为优化决策要素，分别运用灰色模型GM（1，1）预测法和灰色线性规划法（Grey linear programming，GLP）进行各因子预测值区间和相关影响因子约束方程不等式的估算、构建，并分别根据预测区间的上下限值，设计出两个关于2020年研究区域土地利用结构优化配置方案并进行对比和择优。结果表明，以区间下限值为准的优化方案相比，取上限值的优化方案在整体用地产出效益和单一类型用地的规模组合等方面均要优于取下限值的土地利用结构优化方案以及现状土地利用结构。

关键词：土地利用；城市用地；灰色线性规划；呼和浩特市

中图分类号：F301.2 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）18-0115-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.18.029 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Optimization of Urban Land Use Structure Based on GLP Model

——A Case Study of Hohhot

TIAN Tong-yu，YU Mei，SU Hong

（Geographical College，Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010022，China）

Abstract： Taking the municipal districts of Hohhot city as the study area， combined with the land use change data and social economic statistical data about the study area from 2009 to 2015， took some main factors for influence the structure optimization of city land use as the factors of optimal decision， respectively using GM（1，1） and GLP to estimate and construct the intervals of predictive value of the factors and inequality constraint equations， and respectively according to the interval prediction value of the limit to design two configuration optimization schemes of land use of the study area in 2020 and compared and optimized for it. The results show that compared to the optimization scheme of the interval of lower value， optimization scheme of the upper limit value in the efficiency of the whole land output and single type of land scale and combination was better than the optimization scheme of lower limit and current structure of land use structure.

Key words： land use； urban land； GLP； Hohhot

隨着中国经济快速发展和资源需求激增，人类加快了对区域土地利用的频度，使得对土地利用结构因时因地制宜的优化调控已成为实现区域或城市可持续发展的关键性途径之一。土地利用是指人类依据土地资源实体所附带的多种自然或经济属性功能，通过开展相应的多部门经济活动对其加以开发、改造和保护的长期动态过程[1]，土地资源的优化配置问题已发展成一个多目标的不确定性决策问题。目前，对于不确定性条件下城市土地利用结构优化的研究多见于生态视角的市域范围农用地资源的优化配置，如刘彦随[2]运用空间分区、结构优化、微观设计等系列模型建立乐清市土地利用结构优化模型，以实现微观农业生产要素与用地自然属性的匹配和提高用地效率；但承龙[3]在提出代际公平原则的可持续土地利用规划的基础上构建经济、生态和社会三大效益最大化的南京市土地利用多目标线性规划模型；段应元等[4]运用灰色线性规划法对民勤绿洲的土地利用结构进行优化分析，设计出基于土地资源优化面积和水资源承载力最小的线性优化模型，而以经济效益为视角对于经济活动集中、用地结构变更相对凸显的市辖区范围内的具体类型建设用地资源的优化配置分析较少。

本研究以经济效益最大化为目标并采用Excel工具和MATLAB优化工具对影响呼和浩特市市区内各类具体类型农用地和建设用地以及未利用地资源优化配置的因子进行GM（1，1）模型的预测值的估算与灰色线性优化模型的设计，从而得出相应因子约束条件的灰区间，并以灰区间上下限为基准得出两种方案并从中择优。研究结果对于有效解决呼和浩特市城市土地利用特别是建设用地布局对同期城市经济建设对土地利用规划需求的预见性有所欠缺的问题具有一定的参考价值，从而使不同类型土地资源于时空层面上均能得到最佳的布局。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法x

1.2 数据来源

本研究采用的数据包括城市土地利用变更和社会经济建设等发展领域统计资料，其中城市土地利用变更状况数据主要采自于2009—2015年呼和浩特市土地利用变更调查数据和《中国城市建设统计年鉴》，社会经济建设方面的数据主要来自相应年份的《内蒙古统计年鉴》和《呼和浩特经济统计年鉴》。

2 城市用地结构实证分析

2.1 研究区域土地利用结构变更状况

以土地利用顶层结构中所包含的农用地、建设用地和未利用地等三大类用地作为定性划分依据和定量评价角度，结合呼和浩特市辖区范围内2009年、2010年和2015年的相关用地类型结构变化的统计数据，对三大类用地总体结构和各大类用地囊括的单一用地类型的变化特征、趋势进行分析和评价。

从三大类用地比重变更及其相互牵制关系来看，土地利用布局的变化与部门经济活动存在着较为明显的对应关系，区域经济产业部门结构的调整必然会引起用地类型构成比重的变化[9]。因此，在用地总面积一定的前提下，研究区域新兴产业经济的部门细化和规模扩张必然会使农用地的比重自2009年以来逐年减少而建设用地的比重不断增加。虽然目前农用地的比重仍远高于建设用地，如圖1所示，截至2015年底占到总面积的86.46%。另外，随着建设用地面积扩张的同时，未利用地特别是沙地、裸地等其他土地的数量也在明显增多，至2015年底已占到1.32%的比重，说明该区域城市建设用地集约利用的程度欠缺，“摊大饼”式的建设用地扩张现象仍然存在，造成部分土地资源原有功能逐步退化。

如图2所示，从农用地和建设用地的单一用地类型的变化特征和发展趋势来看，农用地的各种类型用地比重中耕地、林地和草地均占有较大的比重，截至2015年底分别占有32.01%、27.74%和20.40%的比例，同时自2009—2015年间出现了较大的削减幅度，特别是耕地面积比重的减少幅度在这7年间达到了6.38%；而林地和草地虽分别占20%以上的较大比重但削减幅度相对较小，其中草地比重的缩减幅度稍大于林地且可达到2.19%。水域和园地的面积比重小且削减幅度也较小，基本上可维持在相对稳定的变化水平上。若不计人为控制措施的干预，预测在未来耕地和草地面积将会加快削减。与各类农用地变化幅度总体差异程度相比，各具体类型建设用地所占比重的变化幅度和趋势间存在相对较大的差异。至2015年底，居住用地和商服用地的比重可占到土地利用总面积和建设用地总面积的6.74%、55.20%，用地比重的年均变化幅度也较大，分别可达到11.21%和15.03%。交通运输用地与前两者相比，其在建设用地总体结构中所占的比重适中而面积增长幅度最快，年均增幅可达22.46%。而工业用地的面积所占比重小，增长速度也相对缓慢且近年来呈现削减趋势，可以认为由新型工业生产技术的引进与传播而产生大量工业用地逐步转型的现象。因此，建设用地规模总体上呈现明显的扩张态势，必须在满足经济发展对建设用地的合理需求的同时加强建设用地的集约利用和各功能分区的集中布局，以此加强对耕地和草地基本数量的保障。

2.2 用地结构优化决策变量设置

按照变量独立性、典型性和数据可靠性等变量设置的基本原则[10]，依据《土地利用现状分类标准》（GB-T21010-2015）和《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB50137-2011）中的用地分类规范，本研究中以xj（j=1，2，…，n）为土地利用类型决策变量，共设置有11个变量：x1（耕地）、x2（园地）、x3（林地）、x4（草地）、x5（水域）、x6（居住用地）、x7（商服用地）、x8（工业用地）、x9（交通运输用地）、x10（绿地与广场用地）、x11（未利用地）。

2.3 灰色线性规划模型的构建

2.3.1 GM（1，1）预测分析围绕《呼和浩特市土地利用总体规划（2006-2020）》中提出的土地资源供需矛盾突出、市辖区耕地后备资源不足等问题与经济行业间用地矛盾突出的挑战[11]，对研究区域人口总量、粮食作物单产、地区生产总值、农用地面积及其产出效益、工业用地和除工业用地外的其他类型建设用地的面积及其单位面积产出效益等与用地结构优化有明显约束作用的因素进行灰色模型预测，具体结果如表1所示。

对于模型的模拟精确度检验，一般情况下认为历史同期的原始数据与预测数据间的平均相对误差不超过2%，即可认为模型的可靠性较高。除了工业用地单位面积产值的预测模型模拟精度稍低外，各主要约束因子的预测模型的可行性均较高，满足线性规划约束方程约束值的设置要求。

2.3.2 线性规划约束条件分析本研究的约束目标年设定为2020年，结合GM（1，1）预测值和《呼和浩特市土地利用总体规划（2006—2020年）》中的各类用地规划指标值，围绕用地总量、单一用地面积、人口总量、粮食需求等要素，共设立9组约束方程式。

1）用地总量约束。自2010年以来，呼和浩特市辖区的总面积一直维持在2 054 km2，因此其中各类用地面积之和应不大于研究区域的总面积，即：

1 822≤x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8+x9+x10+x11≤2 054

式中，设定用地总量约束表达式的用地总量 ∑xj（j=1，2，…，11）灰区间为1 822～2 054 km2，其下限为2015年已利用土地面积现状值，上限为研究区域土地总面积。

2）经济产业产值约束。鉴于对土地利用结构进行优化决策时需要结合不同类型用地所承载的相应产业活动的经济效益，其中农用地对应的产业主要为第一产业，工业用地对应第二产业中工业部门，除工业用地外其他建设用地承载着是第三产业的部门经济活动。因此，三大类用地的数量约束条件式如下式所示：

3）耕地保有量约束。据《呼和浩特市土地利用总体规划（2006—2020年）》中提出的截至2020年市区耕地保有量应不低于574.29 km2的指标值[11]，可将耕地保有量约束方程设为：

x1≥574.29

4）农用地面积约束。呼和浩特市市区2015年农用地总面积的现状值和2020年的预测值分别为1 627.41、1 659.38 km2，同时考虑到社会经济发展对农业基本资源的需求和宏观经济计划的要求，2020年农用地面积应不低于现状值，农用地面积约束的灰区间为1 627.41～1 659.38 km2，即：

1 627.41≤x1+x2+x3+x4+x5≤1 659.38

5）建设用地面积约束。据《呼和浩特市土地利用总体规划（2006—2020年）》中显示市区2020年建设用地面积预期性指标≤416.89 km2[11]，而2020年建设用地总面积预测值为446.45 km2，大于規划指标值。为保障城市农用地的后备数量和维护城市生态环境，对建设用地总体规模予以适当调控，使之适应规划建设要求，则建设用地面积上下限约束值应分别以规划值和现状值为准，即：

229.91≤x6+x7+x8+x9+x10≤416.89

6）未利用地面积约束。包括其他土地在内的未利用地随着土地利用开发规模的增大和土地治理技术的发展而将呈现逐渐减少的趋势，因此2020年未利用地的约束面积应小于现状值，即：

x11≤24.90

式中，f（x）表示地区生产总值，dj表示经济利益系数，单位为万元/km2，xj为各类用地面积，单位为km2。

目标函数中各类用地自变量xj（j=1，2，…，11）对应的用地产出利益系数权重uj（j=1，2，…，11）可以通过计算2015年单一用地现状产值占土地利用现状总产值的比重来确定，即：

uj=（0.001 07，0.004 01，0.000 13，0.013 39，0.000 09，

0.124 38，0.612 00，0.089 38，0.147 23，0.008 10，0）

对于经济利益系数dj（j=1，2，…，11）的值的确定，可利用表1所列出的工业用地单位面积产值的预测值即工业用地的利益系数d8=318 774与对应的工业用地利系数益权重进行比值计算，可得土地利用利益系数总和d=3 566 503，再与单一用地的利益系数权重相乘即可得对应用地的利益系数。因此，所求的以经济利益最大化为主的目标函数具体形式可表示如下：

maxf（x）=3 816x1+14 302x2+464x3+47 755x4+321x5+443 602x6+2 182 700x7+318 774x8+525 810x9+28 889x10

3 城市用地结构优化决策

根据前述灰色线性规划内容中的用地总量、单一用地总量、年末人口总量等约束要素的灰区间上下限值，分别相关约束因素的取下限值和上限值，形成以下限值为准的方案一和以上限值为准的方案二，如表2所示。从用地结构总体产出效益上来看，方案一所能取得的最大经济产出效益为265 641 706.8万元，而方案二的最大经济效益可达到345 110 613.5万元，方案二在经济效益目标方面优于方案一；从用地布局组合适宜性方面来看，方案一中用地总面积为1 923.00 km2，农用地中耕地、林地和草地的比重较大且均在20%以上，而园地面积的比重过小且仅占0.62%；建设用地中居住用地和商服用地所占比重较大且分别达到4.91%和3.96%，而工业用地的比重较小，这对于作为研究区域现阶段主导产业的工业的生产效益和整体用地产出效益的提高可能会产生不利影响。而在方案二中用地总面积为2 044.56 km2，高于方案一中的用地总面积且已接近于空间饱和状态，这并不有利于区域的经济、社会建设可持续发展。该方案中农用地和建设用地的面积分别比方案一高出30.47 km2和114.93 km2，为兼顾生态环境效益和经济效益发展提供了充足的用地支撑。同时，建设用地中的居住用地、交通运输用地和商服用地等的占比与方案一相比均有1%左右的增加值，其对区域基础建设、经济产业转型升级将会产生显著的推动作用。

综上所述，虽然方案二在土地利用规划总面积上近于饱和，使得区域城市建设进一步扩张受阻，但其对于实现区域经济效益、社会效益和环境效益协调统一的可能性要远高于方案一，确定方案二作为土地利用结构优化决策方案。

针对研究区域2015年土地利用结构中各类用地占比和2020年土地利用结构优化决策的用地占比状况进行整体用地结构可行性和单一类型用地变化幅度等可以分析得出，从现状土地利用结构和优化土地利用结构的可行性来看，与2015年各类用地构成状况相比，2020年优化后的土地利用结构中建设用地比重明显增加，即部分农用地和未利用地转化为建设用地，为区域多种产业部门的布局和产业结构的转型完善提供了诸多用地空间支持，使土地利用结构整体均质性和合理性得到很大程度上的提升；从单一类型用地变化幅度上看，优化后的土地利用结构中用地占比增加幅度最大的是商服用地，较2015年增长71.13%，其次为居住用地、工业用地和交通运输用地。而用地占比减少幅度最大的为未利用地，较优化前减少63.92%，其次为农用地中的园地和水域。另外，不同于优化后用地结构中各类农用地的比重普遍下降的发展趋势，优化后的草地面积占比有所上升，加之建设用地中绿地与广场用地也较优化前增加了一定的比重，这对于兼顾经济效益、社会效益、生态效益和实现区域综合协调发展大有裨益。

3 结论

1）从呼和浩特市市区2009—2015年土地利用结构发展情况和变化趋势来看，虽然截至2015年农用地比重在整体结构中仍占到86.46%的比重并远高于建设用地的占比，但自2009年以来农用地总体占比呈现出逐年削减的变化趋势，年均减幅0.6%，而建设用地占比规模呈波动增加的趋势并且年均增幅可达到12.2%，且农用地中占比缩减幅度相对较大的依次为园地、耕地和草地，而建设用地中比重增幅相对较大的是交通运输用地、商服用地和居住用地。上述变化趋势对于增加城市土地利用经济效益、促进经济部门体系的完善发展有着一定程度上的积极作用。

2）针对呼和浩特市市区2020年土地利用结构优化配置方案的构造与选择而言，本研究着眼于动态系统优化的观点与方法，采用灰色线性规划法对研究区域土地利用结构优化进行方案设计和对比选择，即分别取灰区间的两侧端点值可设计两个有着不同产出效益的用地优化方案，其中取上限值的方案二在用地整体经济效益和用地功能组合方面均优于取下限值的方案一，因此最终以方案二作为土地利用结构优化决策方案。

3）对2020年优化土地利用结构与2015年现状土地利用结构就其对三大效益协调发展的促进作用进行对比分析可以发现，优化后的土地利用结构比现状土地利用结构在用地规模的均匀性更显著，同时优化后的用地结构中各类建设用地的比重均有增长，特别是交通运输用地和商服用地的比重增幅较大，年均增幅分别达到22.5%和15.0%，从而使用地规模和结构变化更契合于现代化城市经济建设的需求。

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