多目标区间规划的土地利用结构优化研究

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摘要：摘要：将区间规划与多目标规划结合，从社会经济、生态环境方面考虑土地系统中区间动态性因素和多类优先发展目标，对武汉市土地利用结构进行优化分析。结果表明：经济优先方案，在获得较高经济效益的同时，其生态效益低、净碳排放量高，不利于生态建设和绿色

　　摘要：将区间规划与多目标规划结合，从社会经济、生态环境方面考虑土地系统中区间动态性因素和多类优先发展目标，对武汉市土地利用结构进行优化分析。结果表明：经济优先方案，在获得较高经济效益的同时，其生态效益低、净碳排放量高，不利于生态建设和绿色发展;低碳排放方案，其净碳排放量低，但经济效益低，不利于经济发展;生态优先方案，能同时兼顾经济发展和生态建设。总体而言，多目标区间规划对区域土地利用结构进行优化，能考虑社会经济和生态环境中的区间动态性参数，可提供多种不同优先发展目标下的分配方案。

　　关键词：土地利用结构优化;多目标规划;区间规划;低碳排放

　　1 引言

　　土地——财富之母，作为国民经济发展的重要物质条件，任何生产活动都离不开土地要素。土地资源的稀缺性，使得管理者必须考虑如何规划利用有限的土地资源来满足人民日益增长的多样化的生活需求和社会经济的发展要求。土地利用规划的编制工作，是一项十分复杂的社会经济系统工程，这其中涉及到社会、经济、生态、环境等各方面因素。为尽可能地综合全面考虑、处理这些问题，以期为使国民经济各部门之间合理利用土地资源和尽可能实现土地利用综合效益最大化，则在土地利用规划过程中必须借助于系统优化的方法。

　　土地利用结构优化是关于各类土地数量的优化问题，其实质就是目标函数最大化或最小化的问题。当前，学界对土地利用结构优化已进行大量研究。土地利用结构优化模型一般常用线性/非线性规划模型、系统动力学模型、多目标模型以及一些预测模型。李秀霞构建了系统动力学-多目标规划(SD-MOP)整合模型，对吉林省西部土地利用结构进行仿真和优化;许小亮运用一般线性规划模型对六安市2020年土地利用结构进行优化，优化结果表明该区域农村建设用地减少，应推进农村居民点整治，进一步推进农业产业结构调整;胡宗楠采用系统动力学模型对扬州市2025年土地利用结构进行多情景模拟预测;陶莹慧利用模糊线性规划模型，计算了在低碳目标下的佛山市土地利用结构类型，研究结果得到了低碳目标下的土地利用结构优化方案;宁珊利用灰色线性规划模型对玛纳斯河流域的土地结构进行优化，优化结果既能增加该流域的生态服务价值，同时也为区域生态文明建设提供了参考。

　　上述模型可以有效处理土地利用结构优化问题，但还存在不足：①未充分考虑土地利用系统中存在的区间动态性因素。土地利用系统存在大量动态的变化因素，且这些动态因素具有区间动态性，如政府对土地的投资开发额度、土地利用过程中产生的污染物对环境的污染程度等因素;②约束条件设计多以规划政策文件和社会经济发展预测为主，鲜有考虑土地利用过程中及利用后的社会经济、环境和生态等不确定性因素，如粮食安全、污染排放物和湿地面积等约束因素。

　　因此，本文以构建包含土地利用系统中区间动态性因素的多目标区间规划模型为研究切入点，以获取土地利用系统最大经济效益、最大生态效益和最小净碳排放量为研究目标，根据研究区的发展现状和条件，采用多目标区间规划模型对研究区土地利用结构进行数量优化。通过将区间规划模型和多目标规划模型相结合，在能够考虑土地利用系统中不确定性因素的同时，也能达到生态优先，绿色与经济协调发展的目标。综上，以期对促进区域土地利用结构优化提供方法参考和借鉴。

　　2 研究区概况和数据来源

　　2.1 研究区概况

　　武汉市地处湖北省东部，是我国中部中心城市和唯一的特大城市。位于北纬29°58′～31°22′，東经113°41′～115°05′。目前，全市下辖13个区，土地总面积8000多平方千米，2019年常住人口约1121万人，2020年地区生产总值1.56万亿元。土地利用类型，如图1所示。武汉市属于北亚热带季风性气候，年降水量丰富，热量充足。区域内有上百个湖泊，被称为“百湖之市”;湿地面积在全球内陆城市中位居前列，也是我国湿地公园最多的城市。2018年人均公园绿地面积9.61平方米，森林覆盖率达到15.07%。随着社会经济的快速发展，武汉市区域土地利用规划既要满足经济发展对耕地、建设用地等生产性土地的需求，也要保障水域、湿地等生态保护区的安全。

　　2.2 数据来源

　　本文所需的数据：(1)统计数据：包括社会经济、环境等数据，来源于《武汉统计年鉴》《湖北统计年鉴》《武汉市生态环境状况公报》;(2)土地利用数据：2020年土地利用数据来源于GlobeLand30 (http：//www.globeland-30.org/)影像数据的解译;(3)规划数据：来源于武汉市政府文件和武汉市自然资源局规划政策文件。

　　3 研究方法及模型构建

　　3.1 技术路线

　　本文的研究过程主要以武汉市为研究区域，进行土地利用数量结构优化：在充分收集、预测土地利用相关社会经济参数、生态参数、环境参数的基础上，利用多目标区间规划对其不同情境下的2025年的土地利用数量结构进行优化，如图2所示。

　　3.2 研究方法

　　多目标规划：管理者在制定土地利用规划时，往往要考虑多个目标，如经济发展目标、生态保护目标和社会效益目标等。解决土地利用规划中这类问题时，可将其视为多目标规划问题。多目标规划一般由决策变量、目标函数和约束条件三部分组成，其一般式如下：

　　区间规划：Huang (1996)将区间规划引入线性规划模型中，用以解决优化问题中参数变现为离散区间值的不确定问题，其相关定义可参照Huang (1996)，一般表达式为：

　　区间线性规划模型求解方法可参考Huang(1996)。

　　3.3 模型构建

　　土地利用系统中存在大量的不确定性的动态变化因素，如未来经济发展目标值、粮食和水产品需求对应的耕地和水产用地需求为动态变化、建设用地上产生的污染物对环境的影响等因素，一般的线性规划模型很难有效处理这类不确定性动态因素。虽然不能确定这些动态因素的具体值，但可以研究这类因素的变化幅度，即区间值。区间规划模型，可有效模拟测算土地利用规划中不确定性因素的动态变化区间，能为管理者和规划师在决策与政策制定时提供有效支持和参考。

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