简论土地利用结构优化与模型设计

中国土地科学678+/9/+:;68

第*3卷第-期

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&探讨创新’

简论土地利用结构优化与模型设计

严金明

（中国人民大学土地管理系，北京*

&摘要’

土地利用结构优化是土地利用总体规划的核心内容，如何按自然规律和经济规律来建立合理的土地利用

结构是土地利用总体规划的关键所在。作者首先分析了土地利用结构和国民经济结构的关系，论述了通过土地利用结构优化可以提高区域土地利用系统的结构效益和功能，接着阐述了土地利用结构优化的内涵和土地利用结构优化的经济效益、社会效益、生态效益及综合效益目标，然后对土地利用结构优化的一般模型进行了设计，最后就土地利用结构优化模型的实际应用问题进行了辨证剖析。

&关键词’&收稿日期’

土地利用结构优化；土地利用规划；模型设计

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&文献标识码’

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&文章编号’

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&中图分类号’

*引言

土地是人类生产和生活不可缺少的物质基础，作

优化配置，在时间上的合理安排，如何按自然规律和经济规律来建立合理的土地利用结构是土地利用总体规划的关键所在。!

土地利用结构优化的内涵

土地利用结构优化是以一定区域土地利用系统的效益为最大目标，在一定的满足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，在空间上得到最佳落实。时间、空间、用途、数量和效益是土地利用结构优化的五要素，时间要素表明土地利用结构优化具有动态性，空间要素表明其具有地域性，用途要素表明其具有目的性，数量要素表明其具有定量性，效益要素则表明其具有系统整体最优性。

区域系统中土地利用总体规划的编制需要探讨土地利用结构在空间和时间上的合理配置，这是一项十分复杂的社会经济系统工程。在社会主义市场经济条件下，如何按客观规律的要求来建立合理的土地利用结构，是土地利用总体规划的核心内容，这其中包含社会的、生态的、技术的和经济的问题，千头万绪，错综复杂。要把这些问题加以综合处理，使各种因素组成一个达到最优水平的完整体系，使各部门各单位的用地数量和比例结合成统一协调的结构，必须求助于系统优化的方法。规划过程中的系统优化方法是以数学模型为主要手段的定量分析过程。目前，在各地开展的*,,4年5!

结构优化一般采用传统的定性或部分定量的方法。当

为国民经济部门最重要的生产要素之一，由于人们对其利用目的和利用方式的不同会产生不同的土地利用结构。土地利用结构和国民经济结构（生产结构或产业结构）有着密切的关系：国民经济结构是土地利用结构在经济上的直接或间接的反映，而土地利用结构是国民经济结构在土地上的直接或间接的具体落实。

一定的国民经济结构特别是居于支配地位的生产结构必须直接通过相应的土地利用结构得到反映，因此，可从土地利用结构来研究生产结构，生产结构的调整，就是土地利用关系和结构的调整。从经济学上看，由于生产结构的变动，引起经济效益的变化，由此产生结构效益。从土地利用的角度看，结构效益指的是在不增加投入的基础上，由于土地利用结构的调整，引起生产结构的变化，从而产生经济效益。任何时点的区域土地利用结构都是客观存在的，关键在于结构的合理与否以及合理程度。根据系统论的观点，结构和功能是相互依存、相互制约的统一体，有什么样的结构就有什么样的功能，即结构决定功能，功能是结构状态的外部表现。

通过对土地利用结构的优化和调控，可以提高区

（土地生产力）域土地利用系统的结构效益和功能，满足人们日益增长的物质和文化生活的需要。土地利用总体规划的核心内容就是土地利用结构在空间上的!

然，用传统的定性方案拟定法，只要从生产的生态—技术—经济—社会综合效益出发，全面考虑其中的各种因素，也是可以拟定出可行的结构调整方案，但毕竟只是可行方案，其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。应用系统优化方法对土地利用结构进行系统分析与系统综合，有以下几点好（

（’）能在生态经济论证优的土地利用结构调整方案；

的基础上，对土地利用结构调整方案实施的可行性及（(）能综合吸收各个学生态经济效果预先做出估计；

科的单项研究成果，特别是国土规划、城市规划、资源综合考察和农业区划的成果，能综合考虑各有关方面（)）能采用计算机高的意见，能综合处理各种信息；

（*）速、大容量地处理大量数据；能对一定时空条件下某些技术因素变动与土地利用结构变动的关系以及土地利用结构变动与土地的经济效率和生态效率变动的关系进行模拟研究。’

土地利用结构优化的目标表述

表述+：以有限的投入产生最大的系统效益。表述,：取得最大的系统效益尽可能最少的投入。

按表述+，要求在一定的约束条件下，通过各种土地类型的合理组合，以追求产出的效益最大化。这里的资源投入量和规划目标的限制是约束条件，因而它对应着一个求最大的最优规划问题。按表述,，为了既定效益目标，如何合理组织土地利用结构，使总的成本最小，效益值是约束条件，资源总成本最小是目标函数，因而它对应着一个最小化的最优规划问题。一般而言，对于完成一个既定的优化配置问题，使用,种表述，而对于总体上如何合理配置问题，一般取+种表述。

根据上面的分析，在有限的投入条件约束下，要取得尽可能大的效益，实现土地系统结构优化的目标，模型设计应该追求以下的目标。’%

经济效益目标

不管关于效益目标函数的表述如何复杂，土地利用结构优化主要标准就是要使有限的土地尽可能生产较多的产品和提供较多的服务。这个经济效益的概念，讲的是生产过程的效益，是指有限的投入生产出尽可能多的符合需要的产品及提供人民需要的各种服务。就目前的认识水平来说，反映一国或地区在一

年内创造的最终产品和服务价值的指标———国民生产总值-./01、国内生产总值-.201和净产值，仍不失为可接受的综合性指标。因此，按照经济效益原则，要求国民生产总值或国内生产总值或净产值尽可能大的增长。’%!

社会效益目标

土地资源分配符合上述经济效益的原则，并不能代表土地资源的合理配置问题的全部内容。优化配置土地资源，还必须考虑土地产出的产品和服务与社会需求如何最好的适应问题，不仅要求最有效地进行生产，同时也要求社会最有效地分配生产和服务，实现最有效的消费，不解决分配和消费过程中的效益问题，生产中的效益或经济效益就不能最终实现。

土地利用结构优化问题考虑社会效益的标准，除了分配与消费方面的因素外，还有社会文化、社会保障和社会稳定等方面的效益。这里的意义是：第一，对于所有的土地配置项目，必须考虑这些项目各个方面的社会效果，在经济效益相等的情况下，应优先考虑社会效益大的项目；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。第二，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、文化场所、社会保障事业及其他的公共事业，按照社会效益的原则，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，这种权衡在土地规划时必须在时空上真正体现。’%’

生态效益目标

土地利用结构优化的合理性包括对生态环境改善的自然要求。具有高效益的最大产出和公平的分配并不能保证对生态环境的充分保护，因而不是土地资源合理配置的充分条件。土地资源利用要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，是土地资源合理配置的一组完整的准则。

生态环境可以作为一种资源，这种资源的所有者是人类全体。任何在地球上的人类工程，任何一种土地利用方式都必然地与人类的生态环境相交流。一个建设项目对生态环境的破坏，实际上是生态作为一种资源向项目的投入。许多污染性大的用地项目，在不计其他生态投入的成本时，可能计算出较高的土地利用效果，但考虑生态投入以后，就要大打折扣了。生态环境作为人类共有的资源，比较难像其他的经济资源一样用货币的价值尺度来衡量这种资源的投入或损失。在生态环境的定量化并建立生态环境资源与经济

!

资源共同的度量标准方面，存在着许多尚未克服的困难。这种困难也影响了土地利用结构优化对生态环境效益指标所作的准确的评价。&$’

综合效益目标

如前所述，根据土地利用结构优化的目标，其效

益可以分为三大类：经济效益、社会效益及生态效益。这些效益在一个具体的配置项目上可能相互依存，彼此正相关。例如，在条件适宜的荒坡上投入人力、物力资源发展蚕桑生产，它具有十分好的经济效益。同时，种桑绿化了荒坡，养蚕的蚕桑又肥地种桑，

图(

土地利用结构优化模型设计流程图

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桑树长得好，减少了水土流失，美化了环境，还解决了农民的就业问题，社会效益和生态效益都非常高。但有的土地利用项目的各项效益可能互相排斥。例如，发展有污染工业不可避免地造成环境的污染。因此，对一个具体的土地资源的优化方案，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。’

土地利用结构优化模型设计

土地利用结构优化模型设计是一项系统工程，必须运用系统工程的理论和方法，借助计算机来完成，尽管模型设计比较复杂，但其程序可简明地归纳成一个流程图(图)*。’%)

土地系统的界定

要进行土地利用结构的优化，首先就必须明确是哪个区域系统的土地利用结构。为此就要确定系统的边界及控制的等级。土地系统大小不一，大到整个地球，小到一块农田。土地系统既可以是一个经济区域范围，也可以是一个行政区域的范围。究竟怎样界定系统，就要看要解决的什么问题，提出的什么目标，在分析对比、全面考察的基础上来选择系统。比如目前编制的全国、省、市、县、乡五级土地利用总体规划就是以行政区域为范畴。’%!

土地利用分析

在土地利用现状调查和广泛收集自然、社会经济资料的基础上，对土地利用现状与空间分布进行分析，找出土地利用的优势和存在的问题，指出未来土地利用方向和途径。同时，对土地利用的适宜性和潜力进行分析，在对后备土地资源的开发规模和增产潜力研究基础上，进行各部门用地远景需求预测，具体内容包括用地项目、占地规模、项目布局和预测依据。’%

结构优化的数学模型设计

这是整个结构优化的最主要阶段。把影响土地利用系统有关因素用一定的参量表示出来，区分可控量(数值有待确定*和不可控量(数值已定*。把可控量当作未知变量，按问题给定的相互关系列出数学方程式或不等式或其他数学表达式，这就是土地利用系统的规划模型。

土地利用规划系统的数学模型有很多种类，但有其共同点即由目标函数和约束条件两部分组成，规划意味着寻求在给定的约束条件下达到最佳目标的途径。用待定变量的函数表示土地利用规划系统的功能

目标(即效益目标*称为目标函数。设!)，…，!!，!+为

待定变量(系统的土地利用类型*，目标函数可表示为：

(-*…，

目标函数反映系统的功能目标与结构、特性之间相互依存和制约的关系。目标函数的极大值或极小值代表系统功能的最优值。

结构优化存在的人力、物力、财力、时间和生态、经济、社会、技术以及土地现状、潜力、需求等多方面不可避免的限制，数量上表现为对待定变量作如下形式的约束条件：

…，#)(!)，!!，!+*%(,，&*$)

…，#%(!)，!!，!+*%(,，&*$%

……

(2*

…，#&(!)，!!，!+*%(,，&*$.

!/是指构成系统土地利用结构的类型，应取非负值，称为非负性条件：

(1*!/&$0/,)0!0…0+

(-*、(2*、(1*三式一起构成土地利用规划系统的结构优化模型。其中，非负性条件也作为约束条件的一部分。

若用向量

…，’,(!)，3!，!+*

(,($)0$!0…04.*5

分别表示待定变量和约束条件，则土地利用规划系统的数学模型为

目标函数.63(./+*

非负条件’&$

由此可见，规划系统的土地利用结构优化是关于在一定的约束条件下求目标函数最大值或最小值的理论和方法。凡是能够用目标函数和约束条件表达的系统问题，都是规划的优化问题，都可以用上述形式的数学模型来描述。具体的规划问题，由于内容不同，系统要素之间的联系方式的不同，目标函数与约束条件有不同的性质和形式，因此可以运用不同的规划方法来解决，如线性规划、灰色线性规划、模糊线性规划、非线性规划、动态规划、参数规划和目标规划等。

根据实际情况，建立了模型后，要编制计算机程序或运用相应软件进行调试计算。在计算后，要对结果进行灵敏度分析和最优化分析，以判断是否适用，是否需要进行修改或重新计算。

!

根据不同的发展战略，可以得出若干方案。对这

当成本与效益均不相等时，采用效益对成本超过额为最大的方案。如图-所示，用横轴表示不同的方案，用纵轴表示成本和效益，分别画出成本曲线和效在.点以下，益曲线。图中两条曲线相交于.、+两点，成本均高于效益，仅有.、效益+点以上，+两点之间，

高于成本，即效益与成本之差为正值。故寻求其差额正值为最大值，即选择决策变量为%$处的方案。

利用复利计算方法，

效益(#)和成本(

即它们的现值比0#&

当然，方案选择的标准和要求不只是“效益—成本”方面，生产可行、经济合理、技术先进、生态平衡也是方案选择时要考虑的重要方面。

系统运行及完善

优选的方案必须在实际中运行，为此要制定实施计划，立足当前，着眼长远，综合设计，分步落实。由于规划系统动态性的特点，每隔一段时间(一般-年21年)必须利用系统反馈的信息，修正补充，逐步完善。1

土地利用结构优化模型应用的辨证思维

规划手段中大量采用模型优化方法是现代土地利用规划学科的趋势之一，其原因是规划工作者力求借助数学模型———这一严密的逻辑方法，能最有效地保证土地利用结构优化思维的逻辑过程，从而增强规划方案的科学性。但是，在优化方法的运用中必须注意：定性的内容在何种程度上能被定量，定量是否具有可靠的逻辑环境。

土地利用规划的优化模型把复杂的现实世界给以抽象和必要的简化，业已开始在规划编制中发挥作用。把它作为一种分析工具，能够揭示区域土地利用系统的复杂关系。基于土地利用系统本身经济、社会、科技相互影响的不稳定性，人的判断最后必须发挥决策作用，这也就是人们所研究的模型的结果只能作为辅助决策供决策者择优的原因。规划人员应当就各种重要关系，明确的说明什么是知道的什么是不知道

些方案需要从技术、经济、生态等方面进行可行性研究，选出一个最适合该土地系统的土地利用结构的方案。若干个方案从某种意义上讲都是可行的，但选择的方案不但可行而且最佳。从理论上讲，如果避开其他因素，只考虑经济效益，可以采取以下几种方法选优。

当方案的效益(系统功能)水平相同时，选成本最低的方案，如图!所示，两个方案的成本效益曲线交于!点，表明两个方案的成本相同，效益相同。当两个方案的效益均为

当成本水平相同时，采用效益水平最大的方案。如图!，方案’、方案!的!两方案的成本均为,’时，效益高于方案’，即方案!优于方案’。当两个方案的成本均为,-时，方案’的效益高于方案!，即方案’优于方案!。

的。把模型作用突出到不适当的地步，或者对模型的结果不予理睬都是不足取的。

土地利用规划优化建模要突出实用性。在规划允许的范围内，尽可能地简化。这主要取决于建模人员对模型欲解决问题的实质有深刻的理解，然后才能围绕如何有效地描述和求解这些问题进行建模。一定要防止先验的或者是单纯追求理论上严谨、

形式上完美

!

比较借鉴严金明Y简论土地利用结构优化与模型设计

的模型脱离实际地强加于现实问题。用先验的优化模型套问题是不会给规划工作提供多少帮助的，只有根据实际情况列出模型，才是解决问题的的惟一方法。经验说明，模型越简单、越容易则实际规划人员理解的越好。

土地利用规划的优化建模要有数据支持。对于一个复杂的大系统，所需的数据量是非常庞大的，根据国内外从事土地利用规划工作者的经验，数据的收集、鉴别、分析和整理，往往占总人力时间的一半或是!#’以上。可以这样说，土地利用结构优化与其说建模，不如说是在获取主要资料上花去了绝大多数的时间和人力。模型的设计应根据所能收集使用的数据的质量来决定，不应超越数据提供的可能性。

土地利用规划优化模型要反映出土地利用系统的不确定性。复杂大系统往往包含了许多不太把握的数据和对未来情况的推测。如果要使模型的计算结果具有实际参考价值，对关键参数和重要政策变量借助模型进行敏感性分析和风险分析是必不可少的。我们不能肯定未来到底是什么样子，但我们可以设想事物未来可能变化的趋势和范围，在此基础上可以构成各种设想方案。在各种不同的设想方案计算结果中，如能找到基本保持稳定的某些重要事物，我们就有充分理由据此作出决策。而且，通过分析选出若干个较为满意的备选方案，可以使决策机关有灵活选择的余

地。土地利用结构优化涉及多种学科和专业知识，只有从事理论和实践的各种专业人员相互协作，才可能使建模和数据得到较好的统一。

定量的模型要与定性的分析结合起来。大量的实践证明，在土地利用结构优化的研究中，仅仅有模型还不行。它表现在模型的建模要有定性的理论作为依据，模型中的政策变量也要来源于实际的客观政策，再者，模型的试算也要用定性的分析为蓝本。结果的选择则要求使定性分析和定量分析辩证地结合起来，适时地引入人的经验和判断，以防计算的结果脱离实际。

(参考文献)

(*)(!)(’)(-)(

严金明%中国土地利用规划的理论、方法与战略(+)%北京：经济管理出版社，!$$*%

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