鐘鳴，邱炳文，高建陽，龍榮，巫建偉

（1.福州大學 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州350002；2.福建省地質測繪院，福建 福州350011）

土地利用總體規(guī)劃是在一定規(guī)劃區(qū)域內，根據(jù)當?shù)刈匀缓蜕鐣洕鷹l件及國民經濟發(fā)展的要求，協(xié)調土地供給與需求，確定或調整土地利用總體結構和用地布局的宏觀戰(zhàn)略措施［1］，其核心內容就是土地利用空間布局.土地利用總體規(guī)劃是一個多目標、多規(guī)則約束問題，涉及農業(yè)、林業(yè)、交通等多學科多領域要素，規(guī)劃過程中如何有效借助多方面經驗知識，是關系到規(guī)劃結果科學有效性的重要問題.將已有知識和方法的共享與重用，并提供有效的知識利用方法，是提高規(guī)劃效率的重要途徑.當前實現(xiàn)土地利用空間布局的主要方法有元胞自動機、遺傳算法、系統(tǒng)動力學、粒子群算法.元胞自動機可以較好的與情境規(guī)劃結合［2］；遺傳算法能得到一個理論上的最優(yōu)解［3］；系統(tǒng)動力學具有動態(tài)性、仿真模擬性［4］；粒子群算法智能型強、空間耦合性強［5］.但是這些模型、方法的缺陷在于不能將規(guī)劃中專家經驗和知識運用到規(guī)劃中，無法實現(xiàn)領域知識的共享和重用.本體（ontology）是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明［6］，是知識重用、知識共享和建模的重要工具.它的應用為信息與知識的共享、重用提供了嶄新而獨具優(yōu)越性的方法，受到了廣泛的關注［7-8］.本體在土地利用領域應用以數(shù)據(jù)組織方式為主［9-10］，并未以知識庫的方式實現(xiàn)知識的共享與重用.因此，本文將本體知識庫引入土地利用總體規(guī)劃領域，借助本體良好的概念層次結構對土地利用總體規(guī)劃領域的要素及要素間的關系進行準確定義，構建土地利用總體規(guī)劃本體知識庫，設計并實現(xiàn)了基于本體知識庫的土地利用總體規(guī)劃決策支持系統(tǒng).

1 土地利用總體規(guī)劃本體知識庫

1.1 領域本體庫的構建

1.1.1 領域概念獲取 土地利用總體規(guī)劃涉及范圍廣、內容豐富，不同級別、不同區(qū)域的土地利用總體規(guī)劃的側重點和內容深度不同.本研究討論縣級土地利用總體規(guī)劃的一般內容：土地利用現(xiàn)狀分析、土地供需量預測、規(guī)劃目標和任務的確定、土地利用結構優(yōu)化、土地利用布局優(yōu)化和修改.構建的領域本體需涵蓋土地利用、土壤條件、地形地貌、空間關系等方面內容.

根據(jù)上文確定的領域本體的知識涵蓋范圍，參考土地利用總體規(guī)劃相關資料，通過與土地利用總體規(guī)劃領域專家的交流，得到的領域概念術語、層次關系如圖1所示.

1）用于描述土地利用特征，包括類屬特征（土地利用現(xiàn)狀、規(guī)劃用地、土地利用空間用途管制）和形態(tài)特征（周長、面積、形狀特征）方面的概念.

2）用于描述土地利用總體規(guī)劃中地物空間關系方面的術語概念，主要包括距離關系（距公路距離、距城鎮(zhèn)距離、距水系距離）和拓撲關系（相鄰土地利用類型）方面的概念.

3）用于描述土地利用總體規(guī)劃中自然屬性方面的術語概念，主要包括土壤條件（耕層厚度、土壤有機質、土壤酸堿度、表層土壤質地）、地形地貌（高程、坡向、坡度、地貌類型）.

4）用于描述土地利用總體規(guī)劃中社會屬性方面的術語概念，主要包括人口（人口總量、人口增長率）、GDP（第一產業(yè)總值、第二產業(yè)總值、第三產業(yè)總值）、城市化水平.

1.1.2 本體庫實現(xiàn) 在完成土地利用總體規(guī)劃領域本體概念化以后，采用Protégé本體編輯工具對本體進行編輯，生成領域本體模型.建立本體庫，必先對已建立的本體模型進行形式化表示，對所建立的本體模型采用適當?shù)拿枋稣Z言進行描述.本系統(tǒng)選用OWL語言作為本體描述語言.OWL語言是對RDFS進行擴展，在保證更強大的語義表達能力的同時，還保證了描述邏輯的可判定推理［11］.OWL本體由類（classes）、屬性（property）、實例（instance）組成.

在土地利用總體規(guī)劃本體領域中，描述類（land，單元土地）具有對象屬性（has＿landscapes，所處地的地貌類型），其值域為（landscapes，地貌類型），用OWL語言描述為

圖1 部分土地利用總體規(guī)劃領域概念層次結構圖Fig.1 Hierarchical structure diagram of land use planning domain concept

描述土地單元（land）類的實例land＿1所處地的地貌類型為盆地（basin），用OWL語言描述為

領域本體存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，形成本體庫，作為知識庫的基礎.

1.2 規(guī)則庫的構建

傳統(tǒng)的知識庫建模方式有事實、概念與規(guī)則3個層次［12］.在采用本體表示知識的知識庫中，事實層和概念層已通過本體知識模型表示，需利用本體概念和關系進行知識規(guī)則的組織，完成規(guī)則層的構建.

土地利用總體規(guī)劃中存在著大量的結構化與非結構化的約束規(guī)則.按照內容可分為政策法規(guī)約束、土地利用綜合效益約束、土地利用數(shù)量結構約束和土地利用空間格局約束；按照類型可分為屬性規(guī)則和數(shù)量規(guī)則.屬性規(guī)則是指通過土地本身的土壤、地形地質條件等屬性推理，從而得到土地的利用方式；數(shù)量規(guī)則是指土地利用布局中不同地類、不同行政級別和地類與行政區(qū)域面積之間數(shù)量上的約束.

系統(tǒng)采用Jena推理機進行推理，規(guī)則按照Jena語法規(guī)則［13］進行組織，每一條規(guī)則都是由前主體項terms（前提）、hterms（頭部項）、可選規(guī)則名和可選推理方向定義組成.下面以政策法規(guī)約束和土地利用空間格局約束為例介紹Jena語法規(guī)則.

土地利用空間格局約束：如果某土地單元被規(guī)劃成城鄉(xiāng)建設用地，則該地土地單元一定位于可建設用地管制區(qū).用Jena規(guī)則可表示為

政策法規(guī)約束：某行政區(qū)規(guī)劃控制指標中耕地保有量為30 000公頃，則該行政區(qū)耕地總量必須大于30 000公頃，用Jena規(guī)則可表示為

其中：ns為本體庫的命名空間；rdf：type表示為本體中的一個類；has＿chan Type表示farm Land類具有has＿chan Type對象屬性；greater Than為Jena的內建元語，表示前者大于后者；“-〉”符號表示規(guī)則的結論方向.

將以上形式組織的規(guī)則以Jena語法規(guī)則進行組織并存儲到數(shù)據(jù)庫，完成規(guī)則庫的構建.

1.3 本體知識庫推理

Jena是由惠普語義網絡實驗室開發(fā)的一種用來構建語義 Web應用的Java框架.它為RDF，RDFS，OWL和SPARQL等應用提供開發(fā)環(huán)境，而且包含一個基于規(guī)則的推理引擎.本文主要應用Jena框架中的RDF應用編程接口、持久性存儲子系統(tǒng)、Ontology API，以及基于本體的規(guī)則推理等組件完成系統(tǒng)的開發(fā).

系統(tǒng)選用Jena內置的通用推理機，讀取規(guī)則庫中的規(guī)則與推理機綁定，生成推理模型，進行基于本體的規(guī)則推理.圖2為基于本體知識庫的推理過程流程.從圖2可知：首先通過讀取本體庫中的RDF模型，創(chuàng)建本體模型，將規(guī)劃數(shù)據(jù)與本體模型結合，生成土地利用總體規(guī)劃本體實例；其次，讀取規(guī)則庫中的規(guī)則，與本體實例結合綁定到本體推理機，實現(xiàn)推理；最后，通過對推導出的RDF三元組模型進行查詢得到最后的推理結果.

2 決策支持系統(tǒng)及其應用

2.1 系統(tǒng)體系結構

文中的土地利用總體規(guī)劃決策支持系統(tǒng)以ArcEngine開發(fā)組件為基礎，根據(jù)縣級土地利用總體規(guī)劃的決策依據(jù)和業(yè)務需求建立，用于輔助縣級土地利用總體規(guī)劃工作.系統(tǒng)除實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)管理和空間分析等基本的GIS功能之外，還提供多種數(shù)學模型以對土地利用總體規(guī)劃工作提供決策支持.

根據(jù)決策支持系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)采用C／S（客戶／服務器）結構模式，如圖3所示.

圖2 本體知識庫推理過程Fig.2 Reasoning process of knowledge base of ontology

1）數(shù)據(jù)層.土地利用總體規(guī)劃涉及自然環(huán)境、社會經濟等多方面的圖件和屬性資料，存在大量的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，還包括本體知識庫的規(guī)則庫和本體庫.因此，數(shù)據(jù)組織的是否合理對系統(tǒng)的實用性將產生很大的影響［13］.為了能夠方便快捷地對數(shù)據(jù)進行讀取和操作，系統(tǒng)利用Oracle和ArcSDE作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理平臺，將屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)分開存儲，實現(xiàn)對土地利用總體規(guī)劃涉及的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)等的一體化管理，是整個系統(tǒng)的基礎.

2）邏輯層.包括系統(tǒng)模型庫和知識庫.在土地利用總體規(guī)劃中，需要采用一些數(shù)學方法來解決問題，所以要建立數(shù)學模型［14］.本系統(tǒng)構建了土地需求預測模型、土地適宜性評價模型、土地利用結構優(yōu)化模型、土地利用空間布局優(yōu)化模型等數(shù)學模型來支持土地利用總體規(guī)劃.在Java開發(fā)環(huán)境下，利用Arc Engine組件技術實現(xiàn)土地利用總體規(guī)劃決策支持技術的邏輯層，是整個系統(tǒng)的核心.

3）表現(xiàn)層.通過菜單、對話框、編輯工具、視圖等方式實現(xiàn)人機交互的用戶界面.

圖3 系統(tǒng)體系結構Fig.3 System architecture

2.2 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)以福建省常山華僑經濟開發(fā)區(qū)（以下簡稱常山）2006-2020年土地利用總體規(guī)劃為案例對系統(tǒng)性能進行驗證.常山地處福建省漳州市南部云霄、詔安、東山三縣交界處，位于東經117°11′～117°24′，北緯23°50′～23°55′，南距廣東汕頭100 km，北距福建廈門160 km，境內有連接閩粵的324國道、沈海高速公路及2006年投建的廈深高速鐵路，東臨福建東山港5 000 t碼頭26 km，水路暢通.開發(fā)區(qū)三面環(huán)山，境內丘陵起伏，東西側面臨近沿海.

應用系統(tǒng)實現(xiàn)常山土地利用總體規(guī)劃業(yè)務的流程，如圖4所示.

1）土地利用總體規(guī)劃目標制定.通過對常山土地利用現(xiàn)狀進行分析，讓用戶對區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀和土地利用變化趨勢有一定把握；以往年各類土地利用數(shù)量為基礎，應用回歸模型對各地類的需求量進行預測；結合常山經濟條件和土地利用特點，制定了經濟效益和綜合效益兩種目標函數(shù)進行土地利用結構優(yōu)化，確定各類用地規(guī)劃數(shù)量.

2）土地利用布局初步方案生成.土地利用布局初步方案生成有兩種方式：一種通過對土地單元進行適宜性評價，通過地類優(yōu)先、適宜性差值方式生成初步布局方案；另一種是通過本體知識庫系統(tǒng)的推理實現(xiàn)，將規(guī)劃數(shù)據(jù)中與規(guī)則庫中規(guī)則匹配的土地單元進行基于本體知識庫的推理，生成初步布局方案.

3）土地利用布局優(yōu)化.系統(tǒng)對布局方案優(yōu)化，通過模型庫中的土地利用布局優(yōu)化數(shù)學模型與本體知識庫系統(tǒng)結合實現(xiàn).利用土地利用布局優(yōu)化模型對初步布局方案進行運算，同時結合本體知識庫實現(xiàn)政策法規(guī)約束和土地利用數(shù)量結構約束，保證布局方案中合理的土地利用數(shù)量結構.

4）土地利用布局修改.當土地利用布局方案生成后，需要對當前布局方案進行局部調整，如果重新生成布局方案將浪費時間與精力.針對此類情況，系統(tǒng)提供對當前布局進行修改功能.如要劃出一塊面積為33.33 hm2的耕地作為廠房，那么耕地將減少33.33 hm2，建設用地將增加33.33 hm2，需要對耕地進行補充.在本文構建的本體知識庫中，耕地（farmland）類有has＿Source對象屬性，表示可以轉化為耕地的地類.為了對被占用的耕地進行補充，系統(tǒng)通過has＿Source屬性得到荒草地（wildgrass）類能被轉化為耕地，通過has＿Area屬性找到與33.33 hm2最相近的荒草地規(guī)劃為耕地，即實現(xiàn)耕地總量平衡.

圖4 常山土地利用總體規(guī)劃流程圖Fig.4 Flowchart of land ues planning in changshan

2.3 應用結果分析

按照圖4的流程運行系統(tǒng)，可得到兩種不同規(guī)劃目標下的常山2006-2020年土地利用總體規(guī)劃結果，如圖5所示.將得到的規(guī)劃結果與常山土地利用現(xiàn)狀（圖6）進行對比，可以得到兩種布局方案.

圖5 常山2006-2020年土地利用總體規(guī)劃結果Fig.5 Results of land use planning of Changshan from 2006 to 2020

1）通過經濟效益優(yōu)先模型得到的空間布局方案，將絕大部分新增建設用地布局在中心城區(qū)與北部工業(yè)園區(qū)，緊靠交通干線的優(yōu)勢區(qū)域地段，同時也在中心城區(qū)與北部工業(yè)園區(qū)之間的交通沿線布局許多破碎的建設用地.由于單純追求經濟效益，直接導致規(guī)劃后的新增建設用地較大程度地占用了中心城區(qū)周邊的優(yōu)質耕地資源，并且規(guī)劃后形成的土地利用空間布局呈破碎化趨勢.

2）通過綜合效益模型得到的空間布局方案，在考慮經濟效益的同時更多地兼顧到區(qū)域生態(tài)格局的合理性，將新增建設用地布局于緊靠中心城區(qū)與北部工業(yè)園區(qū)的優(yōu)勢區(qū)位，摒棄交通沿線的零星式布局模式，從而一定程度上確保兼顧區(qū)域經濟發(fā)展并且優(yōu)化區(qū)域空間格局的需求.

兩種布局方案中的各類用地的數(shù)量結構都能滿足上級下達的規(guī)劃控制指標要求，并基于不同的規(guī)劃理念采取相應的規(guī)劃策略，在經濟效益模型中充分利用優(yōu)勢區(qū)位，在綜合效益模型中基于區(qū)域整體宏觀構思，優(yōu)化區(qū)域空間格局.模型能較好的體現(xiàn)相應的規(guī)劃理念，實現(xiàn)知識的共享與重用，能在一定程度上為土地利用總體規(guī)劃方案編制提供參考.

圖6 常山土地利用現(xiàn)狀圖Fig.6 Land-use map of Changshan

3 結論

土地利用總體規(guī)劃涉及的行業(yè)廣，交叉部門多，不僅需要對區(qū)域內土地進行充分的整合，還要與交通規(guī)劃、林業(yè)規(guī)劃、旅游規(guī)劃等相關規(guī)劃進行銜接，是一個具有多目標的復雜決策問題.此外，規(guī)劃中存在諸多不確定的因素，給土地利用總體規(guī)劃決策帶來較大的難度，所以專家的經驗和知識成為了確保規(guī)劃中正確決策的重要方面.

將本體知識庫引入土地利用總體規(guī)劃領域，通過遴選土地利用總體規(guī)劃領域的概念與定義構建了土地利用總體規(guī)劃領域本體，并以Jena語法規(guī)則構建了連貫無冗余的土地利用總體規(guī)劃規(guī)則庫，完成土地利用總體規(guī)劃知識庫的構建，實現(xiàn)規(guī)劃領域專業(yè)經驗知識的共享與重用.

將構建的土地利用總體規(guī)劃知識庫集成到土地利用總體規(guī)劃決策支持系統(tǒng)中，并將其應用到常山2006-2020年土地利用總體規(guī)劃實際業(yè)務中.結果表明：基于本體的知識庫系統(tǒng)能有效實現(xiàn)領域知識與方法的共享與重用，為土地利用總體規(guī)劃支持技術開辟了新的思路.

然而，土地利用總體規(guī)劃是一個極其復雜的工作，需要不斷完善規(guī)則庫中的規(guī)則，擴展規(guī)則庫，為土地利用總體規(guī)劃工作提供更多的支持.

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