多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)建

尹珂　肖軼

摘要：基于multi-agent system建立了土地利用研究體系，多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)將multi-agent技術(shù)與GIS技術(shù)、數(shù)學(xué)模型方法結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)智能獲取土地利用優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：土地規(guī)劃；多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)；multi-agent System

中圖分類號(hào)： F301.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）01-0379-04

收稿日期：2013-06-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41201597）；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究項(xiàng)目（編號(hào)：cstc2013jcyjA0583）。

作者簡介：尹珂（1981—），男，重慶人，博士，從事土地利用與生態(tài)過程研究。E-mail： knomi@qq.com。19世紀(jì)80年代末，學(xué)者們圍繞可持續(xù)性、可持續(xù)發(fā)展的概念開始展開辯論，與此同時(shí)，土地利用可持續(xù)性開始受到人們關(guān)注。土地利用規(guī)劃是對(duì)一定區(qū)域內(nèi)未來土地利用超前性的計(jì)劃、安排，是依據(jù)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地自然歷史特性在時(shí)空上進(jìn)行土地資源分配的綜合措施。尋求符合區(qū)域特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)土地利用效率最大化的土地利用決策方案是土地利用規(guī)劃的主要內(nèi)容，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)是在保證其效率最大化的前提下解決土地供需平衡的有效途徑[1]。土地利用的實(shí)質(zhì)是土地自然生態(tài)子系統(tǒng)、土地社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)以人口子系統(tǒng)為紐帶耦合形成了土地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[2]，土地利用結(jié)構(gòu)是該系統(tǒng)的核心，只有用地結(jié)構(gòu)合理，才能保持土地利用系統(tǒng)良性循環(huán)，利用較少的消耗或投入取得較高的效益[3-4]。因此，必須用系統(tǒng)觀念來指導(dǎo)土地利用、制定科學(xué)合理的土地利用方案、實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在一定區(qū)域內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益最優(yōu)，依據(jù)土地資源的自身特性、土地適宜性評(píng)價(jià)，合理安排區(qū)域內(nèi)各種土地利用類型，以提高土地利用效率，維持土地生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)平衡，實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用[5]。近年來，很多學(xué)者在土地利用與環(huán)境變化、土地利用規(guī)劃模式、可持續(xù)土地評(píng)價(jià)等方面開展了比較深入的研究，已取得了不少成果，這些研究主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：研究內(nèi)容上多側(cè)重于土地利用結(jié)構(gòu)的監(jiān)測、分析、模擬[6]；空間尺度上多側(cè)重于全球大區(qū)域或國家尺度的研究[7-9]；研究方法上趨向于構(gòu)建大量模型深入研究土地利用結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)力、影響因子[10-12]；對(duì)土地利用系統(tǒng)要素、結(jié)構(gòu)的分析大多停留在定性描述上，或采用建模方法并結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)單一土地利用系統(tǒng)進(jìn)行模擬、分析[13]，對(duì)區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析的研究并不多見。由于土地的固定性、自然性，區(qū)域的自然、社會(huì)條件存在差異，決定了土地屬性、土地利用方式存在區(qū)位差異，表現(xiàn)為土地質(zhì)量、土地利用方式、土地利用特點(diǎn)、土地利用方向不同[14]，然而這些屬性在一定范圍內(nèi)又具有相對(duì)一致性。土地利用分區(qū)是在綜合研究土地綜合體的各種組成要素基礎(chǔ)上，考慮土地利用現(xiàn)狀特點(diǎn)及其歷史，以最大限度發(fā)揮土地生產(chǎn)潛力及改善土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)各部門用地結(jié)構(gòu)、形式等在空間上進(jìn)行分區(qū)[15]。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同區(qū)域的特點(diǎn)，確定土地利用方向，有效利用土地資源，處理好整體與局部的關(guān)系，發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。土地利用規(guī)劃是為協(xié)調(diào)人地矛盾而改變并控制土地利用方向，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、布局，提高土地產(chǎn)出率，依據(jù)社會(huì)發(fā)展要求和當(dāng)?shù)刈匀?、社?huì)、經(jīng)濟(jì)條件，在時(shí)空上合理分配組織一定區(qū)域內(nèi)未來土地利用的綜合技術(shù)措施。系統(tǒng)控制是土地利用規(guī)劃的本質(zhì)，人地矛盾協(xié)調(diào)是系統(tǒng)控制的目標(biāo)，控制、平衡、優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的手段[16]。本研究擬構(gòu)建一個(gè)多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)，旨在為制定土地政策提供依據(jù)。

1多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)在政策制定過程中的定位

構(gòu)建多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)并掌握其可能發(fā)揮的作用需要仔細(xì)分析土地資源利用政策的制定過程。有學(xué)者提出一種高度模式化的土地利用規(guī)劃制定過程，如圖1所示，利益因素是制定重點(diǎn)，這樣可以避免政策的主觀性。政策制定過程的不同階段需要不同類型的信息，這些信息來源于不同的土地利用分析、建模方法。有學(xué)者認(rèn)為，相對(duì)于政策的社會(huì)接受性、經(jīng)濟(jì)可行性，應(yīng)該優(yōu)先考慮土地資源系統(tǒng)擁有的潛力、缺陷。持這種觀點(diǎn)的學(xué)者認(rèn)為，如果在土地利用政策制定的最初階段就強(qiáng)調(diào)政策杠桿的作用，容易使決策者忽略土地資源系統(tǒng)本身的自然屬性。也有學(xué)者認(rèn)為，應(yīng)該在土地利用政策制定的最初階段就充分考慮政策的指向性。多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建遵循前一種觀點(diǎn)，也就是說只有確定行政目標(biāo)以及技術(shù)上可行的方案以后，才考慮具體政策及其實(shí)施。多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)目標(biāo)是應(yīng)用定量的系統(tǒng)分析方法，探索土地利用模式。具體來說，可以分為以下幾個(gè)目標(biāo)：（1）確認(rèn)城鄉(xiāng)發(fā)展與土地資源利用目標(biāo)間的潛在沖突；（2）探尋最能滿足城鄉(xiāng)發(fā)展目標(biāo)（即技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境無害）的土地利用模式；（3）采用利益因素替代利益群體，從而將影響土地利用系統(tǒng)的各利益群體融入定量模型中，創(chuàng)建更加透明的決策過程。

2多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建

多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)是在村、鎮(zhèn)、區(qū)（縣）3個(gè)尺度下使用不同的技術(shù)方法探索土地利用模式，然后以此為基礎(chǔ)加

入各尺度下不同的利益群體，評(píng)價(jià)并討論方案，以建立整個(gè)區(qū)域的土地利用體系。多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)組成部分：（1）土地利用數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的收集與處理；（2）根據(jù)政策目標(biāo)與開發(fā)計(jì)劃在各尺度下進(jìn)行土地利用優(yōu)化配置；（3）運(yùn)用multi-agent system（MAS）實(shí)現(xiàn)利益相關(guān)者的參與。由于不同尺度下土地利用優(yōu)化配置是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，所以應(yīng)該與各利益相關(guān)者進(jìn)行交流，介紹擬采用的優(yōu)化方法以及相關(guān)案例，然后共同對(duì)方案進(jìn)行協(xié)商討論。因此，多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的研究步驟如下：（1）掌握研究區(qū)各種可行的土地利用形式以及各種自然的、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的限制條件，探索土地利用優(yōu)化方法；（2）理清影響研究區(qū)發(fā)展的利益群體，找出具有代表性的相關(guān)利益因素；（3）構(gòu)建多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)。endprint

2.1利益相關(guān)者的參與形式

圖2演示了不同利益相關(guān)群體在各個(gè)階段的參與情況。第一步，研究人員與各尺度利益相關(guān)者（包括農(nóng)戶）進(jìn)行協(xié)商討論，以便定義要解決的土地利用問題并了解當(dāng)前土地利用特點(diǎn)；第二步，確定不同尺度土地利用目標(biāo)并量化其過程，討論哪些利益相關(guān)因素適宜代表利益相關(guān)者加入模型中，然后研究人員與利益相關(guān)者審查模型、數(shù)據(jù)，探討相關(guān)利益因素的選取是否合理，從而改進(jìn)模型、填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白，制定土地利用方案；第三步，討論多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的能力、局限性以及需要改進(jìn)的步驟。

2.2多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)框架

多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)是將優(yōu)化模型放入系統(tǒng)分析框架，以建立土地利用優(yōu)化運(yùn)作體系。由于該體系涉及3種尺度，因而在研究過程中不可避免地存在尺度效應(yīng)。因此，多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)反復(fù)性（圖3），即不斷協(xié)商各尺度土地利用方案，使土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的尺度推演得以順利完成。 MAS是一種十分適用于參與性分析的系統(tǒng)。MAS中 Agent 有自己的標(biāo)準(zhǔn)、行為規(guī)則，它可能是社會(huì)群體，也可能是一種制度，甚至可能是一種主張。為了實(shí)現(xiàn)前述尺度推演過程，本研究提出基于利益相關(guān)者Agent的多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)框架。

2.2.1MAS中利益相關(guān)者Agent分析基于MAS構(gòu)建多尺度土地利用系統(tǒng)，利益相關(guān)者的識(shí)別、選擇是設(shè)定Agent標(biāo)準(zhǔn)、行為準(zhǔn)則的關(guān)鍵。構(gòu)建多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)需要利益相關(guān)者的參與，該過程很大程度上受研究區(qū)域本身社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)屬性的限制，不同區(qū)域研究過程中的參與因素有所不同，所構(gòu)建的系統(tǒng)也有所差異。對(duì)于這些相關(guān)利益因素可以從以下3個(gè)方面來加以分析：（1）不管是上述開發(fā)步驟中的哪一步，相關(guān)利益因素的“徹底性”都至關(guān)重要。所謂“徹底”即相關(guān)利益因素及時(shí)并且持續(xù)地參與整個(gè)過程。決定其參與性質(zhì)時(shí)必須明確分離決策因素、土地利用因素、執(zhí)行因素，所選擇的因素必須有適當(dāng)介紹、解釋，比如某一利益因素是數(shù)據(jù)

提供源，或者是技術(shù)工具的執(zhí)行關(guān)鍵等。（2）必須提升反饋效率，在利益相關(guān)者與研究者之間形成相互依存關(guān)系，這是參與式研究的必要條件，更是產(chǎn)生創(chuàng)新的基礎(chǔ)。原因包括如下幾點(diǎn)：可以對(duì)復(fù)雜新穎的研究概念、研究方法加深理解；可以提高相關(guān)利益因素的反饋速度；可以增強(qiáng)相關(guān)利益因素在整個(gè)過程中的參與持續(xù)性。（3）多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)的目的是探索、開發(fā)土地資源利用戰(zhàn)略，相關(guān)利益因素反映較短時(shí)間內(nèi)的情況。

2.2.2基于MAS的多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)在前述分析基礎(chǔ)上構(gòu)建基于MAS的多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)（圖4）。MAS的組織結(jié)構(gòu)是Agent個(gè)體之間互動(dòng)框架，由Agent個(gè)體、Agent組及Agent域3級(jí)組織構(gòu)成。Agent組是MAS的基本組成單位，是由多個(gè)相對(duì)簡單的Agent個(gè)體組成的、關(guān)系較為密切的一種多Agent結(jié)構(gòu)類型[17]。本研究中，Agent個(gè)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。Agent域一般是將地理上緊密相鄰的一個(gè)或多個(gè) Agent 組劃分為1個(gè)集團(tuán)，稱為1個(gè)域。將Agent組進(jìn)入并產(chǎn)生交流的區(qū)域稱為Agent域。多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)最核心的部分是圖中的三角形區(qū)域，該區(qū)域有3個(gè)主要組成部分：理論概念域、實(shí)證分析域、模型方法域。在實(shí)證分析域中利益相關(guān)者通過訪問交流的形式進(jìn)入，收集并分析數(shù)據(jù)、意見（半結(jié)構(gòu)式訪談、GIS空間疊加分析等），而模型方法域則以利益相關(guān)因素的形式進(jìn)入，進(jìn)行計(jì)算模擬（聚類分析法、模擬退火算法、多目標(biāo)線性規(guī)劃法等）。為了使實(shí)證分析域、模型方法域有明確的目標(biāo)、指導(dǎo)思想，筆者引入了理論概念域。在理論概念域中各利益相關(guān)者對(duì)土地利用目標(biāo)進(jìn)行分析（條件價(jià)值評(píng)估法、空間自相關(guān)分析等）。模型方法域靠實(shí)證分析域進(jìn)行計(jì)算、校準(zhǔn)，反過來實(shí)證分析域也可以驗(yàn)證模型方法域的結(jié)果，理論概念域則指導(dǎo)數(shù)據(jù)收集、模型構(gòu)建，實(shí)證分析域、模型方法域也反過來影響理論概念域。Agent個(gè)體之上有“組” “域”2級(jí)管理協(xié)作機(jī)構(gòu)，可以有效減少系統(tǒng)的內(nèi)部沖突，具有更強(qiáng)的問題求解能力，提高交流效率?！敖M” “域”是開放、動(dòng)

態(tài)的概念，其中的成員數(shù)目是動(dòng)態(tài)變化的，成員可以動(dòng)態(tài)地加入或退出。這個(gè)動(dòng)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(jìn)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，可以有效調(diào)動(dòng)利益相關(guān)者，確保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，制定過程上一改往日“由上而下”的規(guī)劃體系，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的參與式規(guī)劃。Agent組是1個(gè)數(shù)據(jù)庫，可以采用人們易于操作的圖形用戶界面進(jìn)行管理，然后利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)研究目的?？梢钥闯龌贛ulti-Agent的土地利用研究體系遠(yuǎn)比其他體系復(fù)雜，將Multi-Agent技術(shù)與GIS技術(shù)、數(shù)學(xué)模型方法結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)智能化獲取土地利用優(yōu)化方案。

3結(jié)論與討論

3.1多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)在政策制定中的潛在作用

多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)是針對(duì)土地利用分析、政策制定的某一特定方面，即揭示戰(zhàn)略性土地資源利用沖突以及各種替代性土地資源利用方案的可行性。從概念上講，要決策者考慮得更長遠(yuǎn)似乎很困難，但是通過多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)可以提供戰(zhàn)略思維。由于這些問題都具有不可預(yù)見性，所以在多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)中的模型函數(shù)以及替代性土地利用方案中都應(yīng)有所體現(xiàn)。在多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)中加入了環(huán)境目標(biāo)。對(duì)于土地規(guī)劃的工作者來說，既要揭示土地本身的規(guī)律，還必須指出存在的不確定因素。此外，還要對(duì)方案的靈活性、限制性進(jìn)行探討，比如方案的成本。土地利用優(yōu)化過程中使用量化的模型方法增強(qiáng)了土地利用優(yōu)化系統(tǒng)尺度結(jié)合的能力，所以決策者可以通過系統(tǒng)的預(yù)測能力評(píng)估可能的或可行的土地利用變化，這將提高系統(tǒng)的政策設(shè)計(jì)能力，從而評(píng)價(jià)政策在既定目標(biāo)下的有效性。

3.2多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)中相關(guān)利益因素的信息反饋endprint

在以模型為基礎(chǔ)的土地利用研究中，利用可量化相關(guān)因素配以利益相關(guān)者的互動(dòng)目前較為少見，需要改進(jìn)的地方還很多。利益相關(guān)者與研究者的互動(dòng)改變了舊的模式，在研究者與利益相關(guān)群體之間建立并保持一種相互依存的可持續(xù)發(fā)展關(guān)系。研究者應(yīng)當(dāng)深入了解實(shí)際規(guī)劃過程，清楚所需要的信息，從而知道哪些是關(guān)鍵的參與者。優(yōu)先確定利益相關(guān)者在整個(gè)規(guī)劃過程中的確切作用，然后選擇適當(dāng)?shù)娜藚⑴c其中。只有在各利益相關(guān)者對(duì)問題有足夠的共同認(rèn)識(shí)并且需要解決方案的前提下，多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)才能執(zhí)行成功。一旦該系統(tǒng)可以成功開發(fā)出簡單且明確的操作界面，就能夠成為揭示土地利用的潛在沖突、展現(xiàn)土地資源的戰(zhàn)略使用方案以及促進(jìn)不同利益群體間交流的強(qiáng)大工具。

3.3研究展望

多尺度土地利用優(yōu)化系統(tǒng)利用量化方法洞察土地利用的優(yōu)勢與局限，而系統(tǒng)本身的預(yù)測性使其不僅能夠探索新的或正在出現(xiàn)的土地資源利用問題，還可以獲取沖突目標(biāo)之間的妥協(xié)方案。利益相關(guān)者與研究者之間的交流能產(chǎn)生大量信息并回饋到模型中，修正初步結(jié)果。將計(jì)算機(jī)智能模擬應(yīng)用到社會(huì)科學(xué)問題研究中有利于理論模型的實(shí)際應(yīng)用。

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