地球信息科学学报 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (8): 1026-1035.doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.01026
收稿日期:
2017-03-15
修回日期:
2017-06-01
出版日期:
2017-08-20
发布日期:
2017-08-20
通讯作者:
梅志雄
E-mail:lujunhui_gis@foxmail.com;zhixiongmei76@126.com
作者简介:
作者简介:陆军辉(1992-),男,湖南岳阳人,硕士生,主要从事土地利用模拟与优化、人工智能等研究。E-mail:
基金资助:
LU Junhui(), MEI Zhixiong*(
), ZHAO Shufang, XIAO Yanyun
Received:
2017-03-15
Revised:
2017-06-01
Online:
2017-08-20
Published:
2017-08-20
Contact:
MEI Zhixiong
E-mail:lujunhui_gis@foxmail.com;zhixiongmei76@126.com
摘要:
土地利用优化配置是促进土地可持续发展的重要举措,然而现有研究缺乏有效求解土地利用优化配置模型的新型混合式智能优化算法。本文结合蚁群算法和混沌模型,形成混沌蚁群优化(Chaos Ant Colony Optimization,CACO)算法,并以广州市增城区为研究区,对土地利用现状进行优化配置;然后在数量结构、目标函数值、空间布局等方面将优化结果与土地现状及标准蚁群算法优化结果进行对比分析。结果表明:① CACO算法能在满足多种约束条件下,有效解决多目标土地利用优化配置问题;② 与标准蚁群算法相比,CACO算法能增加土地利用的经济效益7.18亿元、生态效益0.33亿元、社会效益1.13%,同时降低地类转换成本1.15%;③ CACO算法能使土地利用现状空间分布多样性和均匀性的下降控制在1.30%以内,同时缩减地块数量8.86%,并使平均斑块大小增加9.77%,从而提升土地集约利用水平,更合理地配置各现状地类的空间分布,为研究区土地利用的科学规划与决策提供支持。
陆军辉, 梅志雄, 赵书芳, 肖艳云. 土地利用配置的混沌蚁群优化算法研究[J]. 地球信息科学学报, 2017, 19(8): 1026-1035.DOI:10.3724/SP.J.1047.2017.01026
LU Junhui,MEI Zhixiong,ZHAO Shufang,XIAO Yanyun. Land Use Optimization Allocation Based on Chaos Ant Colony Algorithm[J]. Journal of Geo-information Science, 2017, 19(8): 1026-1035.DOI:10.3724/SP.J.1047.2017.01026
表1
2005-2014年增城区耕地经济效益系数"
年份 | 年末耕地面积/hm2 | 增加值/亿元 | 经济效益系数/(万元/hm2) |
---|---|---|---|
2005 | 37 112 | 172 407 | 4.646 |
2006 | 27 188 | 193 504 | 7.117 |
2007 | 27 082 | 203 177 | 7.502 |
2008 | 27 014 | 223 454 | 8.272 |
2009 | 27 120 | 240 506 | 8.868 |
2010 | 27 114 | 270 515 | 9.977 |
2011 | 27 060 | 278 903 | 10.307 |
2012 | 27 042 | 309 373 | 11.440 |
2013 | 27 020 | 345 337 | 12.781 |
2014 | 26 570 | 372 281 | 14.011 |
2020 | - | - | 24.160 |
表3
增城区土地利用数量结构优化结果"
统计类型 | 耕地 | 园地 | 林地 | 草地 | 水域 | 城镇 | 农村 | 交通 | 其他 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
优化下限 | 像元数/个 | 112 219 | 83 809 | 245 735 | 0 | 32 989 | 59 225 | 0 | 24 600 | 0 |
优化上限 | 像元数/个 | 646 671 | 646 671 | 646 671 | 26 190 | 32 989 | 96 756 | 14 664 | 24 600 | 15 938 |
地类现状 | 像元数/个 | 112 219 | 83 829 | 229 329 | 26 211 | 32 989 | 59 225 | 62 331 | 24 600 | 15 938 |
占比/% | 17.35 | 12.96 | 35.46 | 4.05 | 5.10 | 9.16 | 9.64 | 3.80 | 2.48 | |
斑块密度 | 0.106 | 0.236 | 0.027 | 0.548 | 0.244 | 0.069 | 0.580 | 0.606 | 0.788 | |
形状指数 | 5.59 | 3.20 | 20.76 | 2.12 | 4.34 | 8.96 | 1.81 | 3.03 | 1.71 | |
ACO | 像元数/个 | 112 505 | 74 405 | 260 600 | 21 006 | 32 989 | 94 993 | 14 879 | 24 600 | 10 694 |
占比/% | 17.40 | 11.51 | 40.30 | 3.25 | 5.10 | 14.69 | 2.30 | 3.80 | 1.65 | |
斑块密度 | 0.105 | 0.237 | 0.026 | 0.534 | 0.244 | 0.068 | 0.597 | 0.606 | 0.788 | |
形状指数 | 5.81 | 3.21 | 21.16 | 2.11 | 4.34 | 9.09 | 1.78 | 3.03 | 1.71 | |
CACO | 像元数/个 | 113 808 | 73 175 | 263 057 | 20 057 | 32 989 | 97 510 | 10789 | 24 600 | 10 686 |
占比/% | 17.60 | 11.32 | 40.68 | 3.10 | 5.10 | 15.08 | 1.67 | 3.80 | 1.65 | |
斑块密度 | 0.096 | 0.210 | 0.023 | 0.500 | 0.244 | 0.062 | 0.565 | 0.606 | 0.788 | |
形状指数 | 5.54 | 3.18 | 20.75 | 2.06 | 4.34 | 8.90 | 1.72 | 3.03 | 1.70 |
[1] |
刘彦随,邓旭升,甘红.我国城市土地利用态势及优化对策[J].土木建筑与环境工程,2005,27(3):1-4.
doi: 10.3969/j.issn.1674-4764.2005.03.001 |
[ Liu Y S, Deng X S, Gan H.The state and optimization countermeasures of urban land-use in China[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2005,27(3):1-4. ]
doi: 10.3969/j.issn.1674-4764.2005.03.001 |
|
孙晓宇,苏奋振,吕婷婷,等.珠江口西岸土地利用景观格局变化及驱动力分析[J].地球信息科学学报,2009,11(4):436-441. | |
[ Sun X Y, Su F Z, Lv T T, et al.Analysis on landscape spatial pattern changes of land use and its driving forces in coastal zone of western pearl river estuary[J]. Journal of Geo-Information Science, 2009,11(4):436-441. ] | |
[3] |
罗鼎,许月卿,邵晓梅,等.土地利用空间优化配置研究进展与展望[J].地理科学进展,2009,28(5):791-797.
doi: 10.11820/dlkxjz.2009.05.018 |
[ Luo D, Xu Y Q, Shao X M, et al.Advances and prospects of spatial optimal allocation of land use[J]. Progress in Geography, 2009,28(5):791-797. ]
doi: 10.11820/dlkxjz.2009.05.018 |
|
[4] | 谢正峰,董玉祥.我国城市土地优化配置研究演进与展望[J].经济地理,2011,31(8):1364-1369. |
[ Xie Z F, Dong Y X.Evolution and prospect of China’s research on the urban land optimal allocation[J]. economic geography, 2011,31(8):1364-1369. ] | |
[5] |
刘耀林,赵翔,刘殿锋.土地利用优化配置人工免疫并行决策支持系统[J].武汉大学学报·信息科学版,2014,39(2):166-171.
doi: 10.13203/j.whugis20120269 |
[ Liu Y L, Zhao X, Liu D F.A parallel decision support system for land-use allocation optimization based on artificial immune system[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014,39(2):166-171. ]
doi: 10.13203/j.whugis20120269 |
|
[6] |
刘彦随. 山地土地类型的结构分析与优化利用——以陕西秦岭山地为例[J].地理学报,2001,56(4):426-436.
doi: 10.11821/xb200104006 |
[ Liu Y S.Structural analysis and optimal use of land types in mountainous regions[J]. Acta Geographica Sinica, 2001,56(4):426-436. ]
doi: 10.11821/xb200104006 |
|
[7] |
谢鹏飞,赵筱青,张龙飞.土地利用空间优化配置研究进展[J].山东农业科学,2015,47(3):138-143.
doi: 10.14083/j.issn.1001-4942.2015.03.036 |
[ Xie P F, Zhao X Q, Zhang L F.Research progress of spatial optimization allocation of land use[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2015,47(3):138-143. ]
doi: 10.14083/j.issn.1001-4942.2015.03.036 |
|
[8] |
Emilio Chuvieco.Integration of linear programming and GIS for land-use modeling[J]. Geographical Information Systems, 1993,7(1):71-83.
doi: 10.1080/02693799308901940 |
[9] | 张红旗,李家永,牛栋.典型红壤丘陵区土地利用空间优化配置[J].地理学报,2003,58(5):668-676. |
[ Zhang H Q, Li J Y, Niu D.Study on spatial optimization allocation of land use in the typical red soil hilly region in South China[J]. Acta Geographica Sinica, 2003,58(5):668-676. ] | |
[10] |
赵涛,郑新奇,邓祥征.市土地利用优化配置分析应用——以济南市为例[J].地球信息科学学报,2004,6(2):53-57.
doi: 10.3969/j.issn.1560-8999.2004.02.013 |
[ Zhao T, Zheng X Q, Deng X Z.Study of urban land optimal allocation: A case study of Jinan. Geo-Information Science, 2004,6(2):53-57. ]
doi: 10.3969/j.issn.1560-8999.2004.02.013 |
|
[11] | 王新生,姜友华.模拟退火算法用于产生城市土地空间布局方案[J].地理研究,2004,23(6):727-735. |
[ Wang X S, Jiang Y S.Simulation annealing for generation the optimal urban land-use plans[J]. Geographical Research, 2004,23(6):727-735. ] | |
[12] |
Baskent E Z, Jordan G A.Forest landscape management modeling using simulated annealing[J]. Forest Ecology & Management, 2002,165(1):29-45.
doi: 10.1016/S0378-1127(01)00654-5 |
[13] | 黎夏,叶嘉安.遗传算法和GIS结合进行空间优化决策[J].地理学报,2004,59(5):745-753. |
[ Li X, Ye, J A.Optimal spatial search using genetic algorithms and GIS[J]. Acta Geographica Sinica, 2004,59(5):745-753. ] | |
[14] |
董品杰,赖红松.基于多目标遗传算法的土地利用空间结构优化配置[J].地理与地理信息科学,2003,19(6):52-55.
doi: 10.3969/j.issn.1672-0504.2003.06.013 |
[ Dong P J, Lai H S.A method of optimization allocation for land use spatial structure based on multi-objective genetic algorithm[J]. Geography and Geo-Information Science, 2003,19(6):52-55. ]
doi: 10.3969/j.issn.1672-0504.2003.06.013 |
|
[15] | 高小永. 基于多目标蚁群算法的土地利用优化配置[D].武汉:武汉大学,2010. |
[ Gao X Y.Optimizing land use allocation based on multi-objective ant colony algorithm[D]. Wuhan: Wuhan University, 2010. ] | |
[16] | 董张玉. 基于GIS/RS与多目标蚁群算法的三江平原沼泽湿地空间格局优化[D].合肥:中国科学院大学,2014. [ Dong Z Y. Wetland spatial optimization based on multi-objective ant colony algorithm and GIS/RS in the Sanjiang Plain[J]. Hefei: University of Chinese Academy of Sciences, 2014. ] |
[17] | 刘朝松. 基于多目标粒子群算法的土地利用优化配置[D].长沙:中南大学,2014. |
[ Liu C S.Land use optimized allocation based on multi-objective particle swarm optimization[D]. Changsha: Central South University, 2014. ] | |
[18] | 刘殿锋,刘耀林,刘艳芳,等.多目标微粒群算法用于土地利用空间优化配置[J].武汉大学学报·信息科学版, 2013,38(6):751-755. |
[ Liu D F, Liu Y L, Liu Y F, et al.A rural land use spatial allocation model based on multi-objective particle swarm optimization algorithm[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2013,38(6):751-755. ] | |
[19] | 徐昔保. 基于GIS与元胞自动机的城市土地利用动态演化模拟与优化研[D].兰州:兰州大学,2007. |
[ Xu X B.Urban use dynamic evolution simulation and optimization based on GIS and cellular automata: A case study of Lanzhou[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2007. ] | |
[20] |
张鸿辉,曾永年,谭荣,等.多智能体区域土地利用优化配置模型及其应用[J].地理学报, 2011,66(7):972-984.
doi: 10.11821/xb201107010 |
[ Zhang H H, Zeng Y N, Tan R, et al. A model for regional land use optimization allocation based on muti-agent system and its application[J]. Acta Geographica Sinica, 2011,66(7):972-984. ]
doi: 10.11821/xb201107010 |
|
[21] | 张鸿辉,曾永年,刘慧敏.多目标土地利用空间优化配置模型及其应用[J].中南大学学报(自然科学版),2011,42(4):1056-1065. |
[ Zhang H J, Zeng Y N, Liu H M.Multi-objective spatial optimization model for land use allocation and its application[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011,42(4):1056-1065. ] | |
[22] | 袁满,刘耀林.基于多智能体遗传算法的土地利用优化配置[J].农业工程学报 2014,30(1):191-199. |
[ Yuan M, Liu Y L.Land use optimization allocation based on multi-agent genetic algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014,30(1):191-199. ] | |
[23] | Dorigo M, Maniezzo V, Colorni A.Positive Feedback as a Search Strategy[J]. 1999. |
[24] |
Li X, Lao C, Liu X, et al.Coupling urban cellular automata with ant colony optimization for zoning protected natural areas under a changing landscape[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2011,25(4):575-593.
doi: 10.1080/13658816.2010.481262 |
[25] |
Li X, He J, Liu X.Ant intelligence for solving optimal path-covering problems with multi-objectives[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2009,23(7):839-857.
doi: 10.1080/13658810802570309 |
[26] | 高尚. 蚁群算法理论、应用及其与其它算法的混合[D].南京:南京理工大学,2005. |
[ Gao S.Theory and applications of ant colony algorithm and hybridizing other algorithms[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2005. ] | |
[27] |
高尚. 解旅行商问题的混沌蚁群算法[J].系统工程理论与实践,2005,25(9):100-104.
doi: 10.3321/j.issn:1000-6788.2005.09.017 |
[ Gao S.Solving traveling salesman problem by chaos ant colony optimization algorithm[J]. Systems Engineering-Theory & Practice, 2005, 25(9):100-104. ]
doi: 10.3321/j.issn:1000-6788.2005.09.017 |
|
[28] |
Gong J, Liu Y, Chen W.Optimal land use allocation of urban fringe in Guangzhou[J]. Journal of Geographical Sciences, 2012, 22(1):179-191.
doi: 10.1007/s11442-012-0920-7 |
[29] |
Nh. A, Ma. B S M. An autologistic model for the spatial distribution of wildlife[J]. Journal of Applied Ecology, 1996, 33(33):339-347.
doi: 10.2307/2404755 |
[30] | 易伟,王佳文,潘红兵,等.基于蚁群混沌遗传算法的片上网络映射[J]. 电子学报, 2011,39(8):1832-1836. |
[ Yi W, Wang J W, Pan H B, et al.Ant colony chaos genetic algorithm for mapping task graphs to a network on chip[J]. Acta Electronica Sinica, 2011,39(8):1832-1836. ] | |
[31] |
Dorigo M, Maniezzo V, Colorni A.Ant system: Optimization by a colony of cooperating agents[J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics Part B Cybernetics A Publication of the IEEE Systems Man & Cybernetics Society, 1996,26(1):29-41.
doi: 10.1109/3477.484436 pmid: 18263004 |
[32] |
叶志伟,郑肇葆.蚁群算法中参数α、β、ρ设置的研究——以TSP问题为例[J]. 武汉大学学报·信息科学版,2004, 29(7):597-601.
doi: 10.3321/j.issn:1671-8860.2004.07.008 |
[ Ye Z W, Zheng Z B.Configuration of Parameters α,β,ρ in ant algorithm[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2004,29(7):597-601. ]
doi: 10.3321/j.issn:1671-8860.2004.07.008 |
[1] | 王志华, 杨晓梅, 周成虎. 面向遥感大数据的地学知识图谱构想[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(1): 16-28. |
[2] | 张世伟, 魏璐瑶, 金星星, 陆玉麒. 基于FLUS-UGB的县域土地利用模拟及城镇开发边界划定研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(9): 1848-1859. |
[3] | 赵鹏军, 曹毓书. 基于多源地理大数据与机器学习的地铁乘客出行目的识别方法[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(9): 1753-1765. |
[4] | 龚围, 李丽, 柳钦火, 辛晓洲, 彭志晴, 邬明权, 牛铮, 田海峰. “一带一路”区域水电站工程生态环境影响遥感监测[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(7): 1424-1436. |
[5] | 连丽聪, 万智巍, 鞠民, 贾玉连, 洪祎君, 蒋梅鑫, 曾峰海. 民国中期湖南洞庭湖区耕地空间格局重建[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(5): 989-996. |
[6] | 刘纪远, 张增祥, 张树文, 颜长珍, 吴世新, 李仁东, 匡文慧, 史文娇, 黄麟, 宁佳, 董金玮. 中国土地利用变化遥感研究的回顾与展望——基于陈述彭学术思想的引领[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 680-687. |
[7] | 董金玮, 吴文斌, 黄健熙, 尤南山, 何盈利, 闫慧敏. 农业土地利用遥感信息提取的研究进展与展望[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 772-783. |
[8] | 赵鹏军, 万婕. 城市交通与土地利用一体化模型的核心算法进展及技术创新[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 792-804. |
[9] | 赵林峰, 刘小平, 刘鹏华, 陈广照, 何家律. 基于地理分区与FLUS模型的城市扩张模拟与预警[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 517-530. |
[10] | 张经度, 梅志雄, 吕佳慧, 陈进钊. 纳入空间自相关的FLUS模型在土地利用变化多情景模拟中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 531-542. |
[11] | 单渌铱, 王海军, 张彬, 潘鹏. 顾及土地生态安全的环鄱阳湖城市群土地利用情景模拟[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 543-556. |
[12] | 杨露, 颉耀文, 宗乐丽, 邱天, 焦继宗. 基于多目标遗传算法和FLUS模型的西北农牧交错带土地利用优化配置[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 568-579. |
[13] | 柯新利, 肖邦勇, 郑伟伟, 马艳春, 李红艳. 城镇-农业-生态空间划定的多情景模拟[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 580-591. |
[14] | 王家丰, 王蓉, 冯永玖, 雷振坤, 高忱, 陈书睿, 金雁敏, 翟淑婷. 顾及轨道交通影响的浙中城市群土地利用多情景模拟与分析[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 605-615. |
[15] | 聂拼, 梁明, 李玉洁, 游欣妍, 孙晓娟. 基于最邻近时空距离的土地变化过程时空模式分析[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 628-637. |
|