土地用途分区的知识体系及其应用

基于知识的土地用途分区的研究和应用已在众多文献中有了深入的探讨，但大多集中在领域经验知识方面，如经济效益、聚集知识的研究。就目前收集的资料文献显示，尚没有使用空间数据挖掘的方法来获取相关知识，而且就土地用途分区研究的角度讲，也主要集中在智能算法的研究上，如禁忌搜索算法(刘洋，2008)、微粒群算法(王坤，2009)，还没有从数据挖掘的角度对土地用途分区进行系统分析与研究。

土地用途分区所涉及的知识主要包括一般性知识(常识)、领域知识、特定问题知识和空间关联知识。其中领域知识主要有土地科学领域知识和生态学领域知识，生态学领域知识如景观格局的“大集中，小分散”，可持续发展等，土地科学领域知识主要是有关土地利用现状分析、土地适宜性评价方面，以及土地利用优化配置方面的比较成熟的经验、知识和模型，如土地利用的多宜性原则、土地利用类型之间的转化的一般规律。根据这些知识的来源进行了分类，其基本结构体系如图2-5所示。

图2-5　土地用途分区的知识体系

1.效益知识

土地利用效益是土地用途分区的综合反映，土地用途分区的优化程度越高，土地利用效益越好。土地利用规划是一个复杂的系统，牵涉影响的因素众多，强调综合效益，即协调好土地的经济、社会和生态效益，但是由于对社会效益、生态效益研究的缺乏和不成熟，缺乏实用的生态和社会方面的可度量指标，因此传统的综合效益常以经济效益来替代，而社会效益、生态效益则作为约束条件存在。在土地利用规划过程中要调整土地利用结构，土地利用结构就是对土地利用效益的分解(图2-6)，土地利用结构数量上的优化在很大程度上考虑了经济、社会和生态效益。因此，在进行分区的时候的土地利用结构就是土地利用效益的表示，可以使用土地规划中的数量结构来作为效益知识的指标。

土地作为稀缺资源，土地规划的目标之一就是力争各部门土地利用需求与供给在数量上和空间上达到平衡。土地资源的供给量受制于土地的自然经济属性，所以在进行土地用途分区之前必须明确土地资源的现状，挖掘存量土地利用潜力，开发整理复垦可利用地，明确土地总供给量；根据各部门国民经济发展计划和人口总量计算土地需求量，从而构建各类土地面积约束。但是在现实生活中，各部门为了追求自身利益最大化，总想占有更多的土地资源，在此思想倾向下需求量的预测结果往往偏离科学性，导致一个区域内需求的土地总面积大于区域土地资源供给量。因此，必须贯彻以供给制约和引导需求的原则，以保证土地资源的持续利用和集约利用。但从总体上看，各个部门的土地需求结构仍是反映一个区域内土地需求趋势的依据，通过一定的上下限数量弹性分析，仍可作为模型的在用地需求量上的约束。

图2-6　土地利用效益知识分析

在此，以耕地数量约束为例，以C1表示耕地现状数量，C′1表示规划数量，一般都受耕地保有量约束，可有如下约束：

式中，λ1表示配置耕地的最小值；S表示配置耕地的最大值，参考耕地供求预测结果，耕地供给量预测结果可以用如下公式表示：

式中，S是耕地总需求量；S1是现有耕地面积；S2是土地开发增加耕地面积；S3是土地整理增加的耕地面积；S4是土地复垦增加耕地面积；S5是建设占用耕地面积；S6是生态退耕面积；S7是农业结构调整面积；S8是灾害毁弃面积，根据耕地占补平衡分析，得出规划年耕地保有量。

其他各类用地的数量约束也可按照上述方法求得，即设定模型中的各用地变量的上下限，这样在确保模型运行结果合理性的情况下，使得模型能非常好地符合规划的要求，在规划许可的弹性范围内，做到规划刚性与弹性的有效结合，同时又能提高运算模型的运行效率。因此，在预测各类用地需求量时，对需求量都应给出一个区间范围，特别是需求下限值，而这是相对比较容易确定的，比如林地，一般都有一个森林覆盖率基本要求，可以作为其下限。而对于建设用地，则有建设用地控制性指标，可以作为其不可突破的上限。

2.聚集知识

通常一种形状相对紧凑的用地分布方式(如呈正方形或圆形状)比狭长的用地区在管理上要方便、利用效率上要高些。在景观生态学中有很多描述斑块形状的指标，这里可以简单地利用周长与面积平方根的比值来描述土地利用簇的形状，称为形状指数δ。用如下公式来具体计算某一土地利用簇的形状指数：

式中，δkc表示类型为k的土地利用簇c的紧凑程度；Ykc、Akc分别表示类型为k、土地利用簇c的周长和面积。式中对面积取平方根，这样就使得形状指数与尺度无关。在以矢量形式表达土地利用空间时，该指标的最小值为π，即土地利用呈圆形分布时。

在土地用途分区中，通常不会关注单一簇对象，更多的是关注其整体格局和效益，这样就可以引入类型簇的形状指数δk，即土地利用类型k的形状指数δk，用如下公式计算：

式中，Akc≥Sk，Sk为规定的每个用途簇的最小值，即关于簇的最小规模的限定，以避免过于零散的对象单元参与计算。

土地利用配置所形成的空间形态相对紧凑，即相同类型的用地尽可能集中连片，则有利于获得更大的效益。因此，表达土地利用紧凑程度的形状指数值δk趋小。简单的表达公式如下：

在不同尺度下，土地用途分区具有不同的特征。根据《中华人民共和国国土资源部县级土地利用规划规程》(TD/T1024-2010)可以约定土地用途分区的最小上图面积(表2-1)。

表2-1　土地用途分区最小上图面积规定

续表

3.空间关联知识

划定土地用途区是基于一定的土地利用现状来进行的，脱离土地利用现状来进行土地用途分区是不现实的。土地利用现状是划定土地用途区的基本依据之一。因此，划定土地用途分区必须要考虑土地利用的规律。通过对过去土地利用规律的探测来研究土地利用的转换规则，是一种非常自然的想法。然而，要想获取土地利用规律是非常困难的问题，且由于土地利用本身就是一个复杂的地理过程，导致其结果带有很大的不确定性。既有研究中的土地利用规律很大程度上是根据人们的经验来进行规定的，这些经验有的是基于不合理利用土地资源得出的，有的是个人经验，因此这些规律有的时候受到人们的经验的限制，未必能够表现出土地用途的自然属性。(www.xing528.com)

土地利用规律很大程度上是指土地利用的空间关联知识，因此在进行土地用途分区的过程中，还需要借助一定的智能算法来实现自动的获得土地用途分区的空间关联知识，这是一个系统而复杂的获取过程，现有的研究很少涉及，因此关于空间关联知识的获取，将在第3章进行重点研究。

4.土地用途转换约束知识

土地用途的转换约束知识主要用来表示土地从一种类型向另外一种类型变化所需具备的条件以及相应性可能性或概率，或者转换所要付出的代价、成本等。土地用途的变更、转换受众多因素的影响，因此分析规划区域内的土地用途转换约束知识，对实施土地用途分区具有重要意义。本研究主要从土地的适宜性以及土地的历史演变角度来探讨用地的转换规则提取。

(1)基于适宜性的用途转换知识

土地适宜评价是明确土地适宜性的基础工作，是为合理利用土地资源、调整土地利用结构和布局服务，即土地用途的转换在多数情况下需要遵循土地的适宜性特点。通常情况下，由于农业生产要求有较好的立地条件，加之宜农土地资源十分有限，因此需要做到良田必须留给农业，在规则中鼓励水肥条件好、适宜农作物生长的土地作为耕地划定。基于土地适宜性的土地利用转换规则在区域土地适宜性评价的基础上，相对较容易确定。

这里可以按以下规定：现状用地类型记为LandUT，分区类型记为LandUZ，土地多宜性评价结果：宜耕、宜园、宜林、宜牧等级分别记为D1、D2、D3、D4。在对农业用地的优先规划布局时，采用的部分规则如下：

规则1.1：if LandUT＝111 and(D1＝1 or D1＝2)and S＞S1 then LandUZ＝JN

规则1.2：if LandUT＝111 and(D1＝3 or D1＝4)then LandUZ＝NULL

规则1.3：if LandUT＝12 and(D2＝1 or D2＝2)then LandUZ＝YN

……

NULL表示用途有待进一步明确，需要进一步考虑效益知识、空间关系和集聚知识等。以上规则也体现了保持合理土地利用现状，改变不合理用地的思想，符合规划的基本原则。

通过土地用途转换规则的分析，既是对土地用途分区进行了限制，同时也是鼓励土地用途分区朝着有利方向进行。为了在模型中应用规则，因此必须采取一定的方法，使得这些规则能够以量化指标值的形式被反映出来。

根据土地利用类型过渡期分类来进行划分，由于部分建设用地的不可逆性，未利用地的单向转化性，即假定其他用地类型不可能转化为未利用地。本书简单地用Pcf表示从当前的用地类型c转换到用地类型f的可能性指数，或称转换系数，它为0～1的常数，取值0表示不可转换(如通常情况下，其他用地不可转换成未利用地)，取值1表示最佳转换方式。因此，可用表2-2形式来表示用地类型的转换规则。

表2-2　土地用途分区的用地类型转换规则

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这里，Pcf值受土地自身的适宜性、土地的领域特征等影响，根据研究区实际设置，可以在规划区取相同的值，也可以根据用地条件等划分不同的用地区，从而设定不同的Pcf值。例如在耕地资源相对匮乏的地区，耕地保护显得尤为重要，其他类型转化为耕地是鼓励的，因此相应地应设置一个较大值；而耕地转化为其他用地类型则要求尽量避免而设置一个接近于0的值。同样地，由于节约和集约用地的要求，对未利用地的开发利用一般是鼓励的，因此相应地应设置一个较大的值；其他的诸如林地保护、草场保护等具体区域实际情况，也可在具体各项转换值确定时加以考虑，以满足区域土地利用的实际需求。若条件允许，可以针对每一个单元测算其转换为用途k或者保持用途k的可能性指数pijk。

(2)基于土地演变的用途转换约束知识

近年来，很多学者通过对土地演变的探测来研究土地利用的转换，比如：Richards等提出一种基于GA的方法从给定的土地利用时空模式中提取出用于CA模型总的规则；Adamatskii讨论了提取规则的复杂性，并给出了一个用于计算转换表的并行算法。但是这些研究表明，要想获取土地利用变化的规则是非常困难的问题。此外，这种方法存在一种风险，即如果过去存在的不合理利用土地的现象，那么从中提取的转换规则应用于土地用途分区中，其结果是不可信的。但这种规则，可以作为制定转换规则时的一种参考或对照，使得所定义的规则能够促使用地向着更合理的方向发展。

由于现状用地性质影响，使得某些用地单元的用途不能发生改变，如城镇建设用地一般情况下不可能转换为其他用地。因此，在研究的模型中，考虑到土地利用的历史演变规律，对于现有的城市和建制镇等建设用地，直接划定到“城镇村建设用地区(CC)”。如果不对这些用地单元作特殊处理，将无法保证把这些单元合理地划定到某一用途区。因此，在应用智能算法前需要对初始数据作一定的预处理。同样地，对于有林地、疏林地和未成林地等林业用地图斑，应划到林业用地区(保证图斑的面积达到上图面积，并不进行图斑合并)。基于土地演变知识的现状分类转换如表2-3所示。

采用的部分规则如下：

规则2.4：if LandUT＝211 or LandUT＝212 then LandUZ＝CC

规则2.5：if LandUT＝131 or LandUT＝132 or LandUT＝133 then LandUZ＝LD

……

表2-3　基于土地演变知识的现状分类转换

5.其他约束知识

从区域土地利用生态安全的角度出发，一般要求土地利用能保持和促进区域生态网络系统结构的相对稳定性，应对那些具有关键生态价值或生态作用的地段给以特别的重视，如各类自然保护区、水源保护地、地质公园、重要的防护林等。从而需要对这些区域的用地类型进行相应的限制，一般不变化其现有的用地状况，要求在这些区域只能安排生态服务功能较高的林地、草地等利用类型，而禁止或减少建设用地的布局。军事用地等特殊用地也需要特别重视，在一定的区域范围内不能随便改变用途，有特殊要求的要根据有关原则进行布局。

任周桥(2007)、王坤(2009)对其他一些常识性知识已经做了相关的研究，不再详细介绍。