程文仕, 喬蕻強, 劉 志, 黃 鑫

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

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基于RAGA-PPC模型的土地整治綜合效益評價
——以甘肅省慶陽市15個土地整治項目為例

程文仕, 喬蕻強, 劉 志, 黃 鑫

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 對甘肅省慶陽市2012—2013年實施完成的15個土地整治項目進(jìn)行綜合效益評價，以期為慶陽市土地整治項目的實施與管理提供參考。 [方法] 采用投影尋蹤方法(PP)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，借助實數(shù)編碼加速遺傳算法的投影尋蹤分類模型(RAGA-PPC模型)，從社會、經(jīng)濟、生態(tài)3個方面選取12個評價指標(biāo)對項目實施的綜合效益進(jìn)行評價。 [結(jié)果] 15個土地整治項目中寧縣和正寧縣的兩個項目的綜合效益為優(yōu)，西峰區(qū)項目為良，合水縣等的11個項目為中，華池縣城壕鄉(xiāng)項目最差。 [結(jié)論] 研究區(qū)土地整治項目實施效益整體較好，但是還需要在制定和優(yōu)化土地整治工程建設(shè)內(nèi)容和管理時更加合理、平衡。

土地整治; 實數(shù)編碼加速遺傳算法; 投影尋蹤分類模型; 綜合效益; 甘肅省慶陽市

文獻(xiàn)參數(shù)： 程文仕, 喬蕻強, 劉志, 等.基于RAGA-PPC模型的土地整治綜合效益評價[J].水土保持通報，2016,36(4)：257-261.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.045

土地整治是提高土地利用率、增加耕地面積、提高耕地質(zhì)量、改善農(nóng)村生產(chǎn)生活條件、強化節(jié)約集約用地和提升土地產(chǎn)能的重要途徑。據(jù)中國國土資源年鑒，僅2003—2011年全國土地整治總規(guī)模達(dá)到7.70×106hm2，到2011年以后，年投資額超過1 000億元[1]?！度珖恋卣我?guī)劃(2011—2015年)》明確了“十二五”期間和今后土地整治的任務(wù)，對旱澇保收高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)、農(nóng)村土地綜合整治提出了更高的要求，投資力度和建設(shè)規(guī)模將繼續(xù)上升。因此，土地整治效益評價對堅守耕地紅線、確保糧食安全、積極穩(wěn)妥推進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展，建設(shè)“美麗中國”、“生態(tài)中國”、“和諧中國”的宏偉目標(biāo)具有重大的理論和現(xiàn)實意義。

土地整治綜合效益評價是從區(qū)域社會、經(jīng)濟、生態(tài)綜合效益角度對土地整治項目實施效果的鑒定，有利于提升土地整治項目的管理水平，推動土地整治項目的高效實施。因此，土地整治逐漸成為近年國內(nèi)學(xué)者研究的焦點和熱點。一些學(xué)者[2-4]從不同的角度，構(gòu)建了經(jīng)濟效應(yīng)、社會效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)三維一體的土地整治效應(yīng)評估指標(biāo)體系，分別對濕地、農(nóng)用地、煤礦區(qū)、低山丘陵土地整治區(qū)土地利用變化引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值損益進(jìn)行分析，并從生態(tài)重建與景觀修復(fù)層面提出了相應(yīng)的策略。針對土地整治效益評價方法，學(xué)者們采用的比較多的方法是模糊綜合評價及其在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)方法[5]，除此之外還有能值分析[6]、熵權(quán)可拓物元模型[7]、云模型[8]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]、灰色關(guān)聯(lián)投影法[11]等方法。然而這些方法對綜合效益評價的指標(biāo)選取都存在一定的局限性，對投入的大量人力、物力、財力能否發(fā)揮應(yīng)有的作用不能很好地量化，而RAGA-PPC模型具有能夠克服高維數(shù)據(jù)的“維數(shù)禍根”，排除與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和特征無關(guān)的變量干擾等特點。本研究以采用RAGA-PPC模型為創(chuàng)新點，對研究區(qū)域土地整治項目的經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確地分析。RAGA-PPC模型其本質(zhì)是優(yōu)化指標(biāo)從而找出能反映高維數(shù)據(jù)特征和結(jié)構(gòu)的投影，在低維子空間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析從而達(dá)到分析研究高維數(shù)據(jù)的目的[12]。如張欣莉等[13]對水質(zhì)評價、付強等[14]對水稻灌溉制度優(yōu)化、趙小勇等[15]對生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的綜合評價等研究均應(yīng)用了該模型,都取得了積極顯著的結(jié)果。因此，本研究基于RAGA-PPC模型，采用投影尋蹤方法(PP)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，對甘肅省慶陽市2012—2013年實施完成的15個土地整治項目進(jìn)行綜合效益評價，以期為慶陽市土地整治項目的實施與管理提供參考。

1　研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

慶陽市地理位置位于35°15′—37°10′N，106°20′—108°45′E，東接陜甘兩省的子午嶺，西倚寧夏六盤山，北與寧夏回族自治區(qū)交界，南被陜甘分界線所圍，總土地面積2.70×104km2，轄1區(qū)7縣，總?cè)丝诩s256萬人。地勢北高南低，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)，山、川、塬兼有，溝、峁、梁相間，海拔介于885～2 089 m之間。屬干旱半干旱氣候，年均氣溫9 ℃，年日照時數(shù)2 250～2 600 h，無霜期140～180 d，多年平均降水量330～660 mm，降水集中期變化不大，主要集中在7月中、下旬。慶陽市地下水埋藏較深，地表水多分布在地勢較低的山谷中，水資源時空分布失衡；土壤主要為黃綿土，但因地勢地貌不同，塬面、臺地地形平坦，土壤相對肥沃；坡地起伏較大，土壤養(yǎng)分含量低；區(qū)內(nèi)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植業(yè)為主。農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展緩慢，國家級貧困縣占六席，域內(nèi)坡地和拋荒地較多，耕地面積逐年萎縮，因此，加強耕地保護(hù)，進(jìn)行土地整治迫在眉睫，2012—2013年實施完成的15個項目土地整治項目基本情況詳見表1。

表1　慶陽市15個項目土地整治項目基本概況

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)資料主要包括土地整治項目實施前后的項目區(qū)土地利用變化、社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)狀況。其中：農(nóng)地單產(chǎn)增長率、農(nóng)民人均年純收入增長率、人均耕地面積增長率的測算數(shù)據(jù)來源于各項目區(qū)2011—2013年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年報和統(tǒng)計年鑒；新增耕地率、田塊規(guī)整變動率、整治后路網(wǎng)密度、綠色植被覆蓋率增加值、整治后生物豐度指數(shù)、林草覆蓋率增加值、土地墾殖率等土地利用資料是依據(jù)2013年底的慶陽市各區(qū)縣衛(wèi)星影像圖和項目實施前的實測地形圖進(jìn)行實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，深入分析測算而來；靜態(tài)投資回收期、土地經(jīng)濟密度資料根據(jù)項目投資額和實際項目實施后的經(jīng)濟效果測算得到所需要的數(shù)值。

1.3研究方法

1.3.1實數(shù)編碼加速遺傳算法(RAGA)遺傳算法(GA)通過模擬生物的自然選擇和群體遺傳機制，把一組隨機生成的可行解作為父代群體，把適應(yīng)度函數(shù)(目標(biāo)函數(shù)或它的變形函數(shù))作為父代個體適應(yīng)環(huán)境能力的度量，經(jīng)選擇、雜交生成子代個體，后者再經(jīng)變異，優(yōu)勝劣汰，如此反復(fù)進(jìn)行迭代，使個體的適應(yīng)能力不斷提高，且優(yōu)秀個體不斷向最優(yōu)點逼近[16]。加速遺傳算法(RAGA)采用實數(shù)編碼，它克服了傳統(tǒng)遺傳算法的二進(jìn)制編碼的缺點，極大增強了算法的尋優(yōu)性能。

1.3.2投影尋蹤分類模型(PPC)投影尋蹤分類模型(PPC模型)是利用投影特征值對樣本進(jìn)行合理分類從而進(jìn)行綜合評價的，其本質(zhì)為降維技術(shù)[17]。其建模過程為[18]:

(1) 歸一化處理評價指標(biāo)。根據(jù)最大值、最小值和特征值，對指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

(2) 構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)。把n維數(shù)據(jù){x(i,j)|j=1,2,…,n}綜合成以{a(j)|j=1,2,…,n}為投影方向的一維投影值z(i),其中a為單位長度向量:

(1)

根據(jù)投影尋蹤思想，其投影值z(i)的分布特征為：局部盡量密集，整體盡量分散，于是投影指標(biāo)函數(shù)可表達(dá)為:

(2)

式中：E(z)——序列投影值{z(i)|i=1,2,…m}的平均值；R——局部密度的窗口半徑，它要求窗口內(nèi)的投影點平均個數(shù)不能太少，以避免滑動平均偏差太大，又不能使它隨著m的增大而增加太高，一般取值0.1 Sz；r(i,j)——樣本之間的距離，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；μ(t)——單位階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時，μ(t)=1，反之為0。

(3) 優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。當(dāng)各指標(biāo)值的樣本集一定時，投影指數(shù)函數(shù)Q(a)只受投影方向a的影響，因此可以通過投影指標(biāo)函數(shù)的最大值來求解最佳投影方向，即最大值目標(biāo)函數(shù)：

(3)

約束條件： max:Q(a)=SzDz

(4)

這是一個以{a(j)|j=1,2…,n}為優(yōu)化變量的復(fù)雜非線性優(yōu)化問題，用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法處理較難。因此，應(yīng)用基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法(RAGA)來解決其高維全局尋優(yōu)問題。

(4) 分類(優(yōu)先次序排列)。把由步驟(3)求得的最佳投影方向a代入公式(3)求得各樣本的投影值z(i)。將z(i)與z(j)進(jìn)行比較，若z(i)越大，則樣本越優(yōu)，反之樣本越差。如果二者越接近，則兩樣本可分為同一類。將z(i)值從大到小排列，則可將樣本從優(yōu)到劣進(jìn)行排序。

2　結(jié)果與分析

2.1評價指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和慶陽市及其各區(qū)縣的實際情況，評價指標(biāo)的選取應(yīng)能良好地反映研究區(qū)域的土地整治效益，按照可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系建立的原則：科學(xué)性、整體性、易得性、簡明性、動態(tài)性，參照國內(nèi)外學(xué)者研究成果[19-20]，根據(jù)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計數(shù)據(jù)情況進(jìn)行指標(biāo)篩選，確定能夠反映土地整治綜合效益的3個Ⅱ級指標(biāo)，12個Ⅲ級指標(biāo)(表2)。

2.2土地整治綜合效益評價

按照評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)值的計算公式計算出慶陽市2012—2013年實施完成的15個土地整治項目的指標(biāo)值。將各指標(biāo)值作為樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，按次序代入公式(2)—(4)，得到投影指標(biāo)函數(shù)，并對投影指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在Matlab環(huán)境下進(jìn)行語言編程，選父代初始種群規(guī)模N=400，變異方向所需隨機數(shù)M=10，變異概率pm=0.2，交叉概率pc=0.8，迭代次數(shù)50，加速次數(shù)Ci=20，得到投影指標(biāo)函數(shù)各指標(biāo)值的最佳投影方向a(表3)。

表2　研究區(qū)土地整治綜合效益評價指標(biāo)

注：表中除A4單位為年外，其他數(shù)據(jù)單位均為百分比；生物豐度指數(shù)是衡量被評價區(qū)域內(nèi)生物多樣性的豐富程度，主要用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價； 各土地利用類型權(quán)重參數(shù)來源為《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(HJ192-2015)》。

表3　各指標(biāo)值最佳投影方向

從表3可知，所有評價指標(biāo)與土地整治綜合效益成正相關(guān)關(guān)系，說明選取的12個指標(biāo)在土地整治綜合效益評價中均發(fā)揮著重要的作用。最佳投影方向a的絕對值越大，影響越大，對土地整治綜合效益的影響越大，12個指標(biāo)中新增耕地率對評價結(jié)果的影響程度最大，其余指標(biāo)重要性程度依次為人均耕地面積增長率、靜態(tài)投資回收期、土地經(jīng)濟密度、綠色植被覆蓋率增加值、田塊規(guī)整變動變化率、林草覆蓋率增加值、整治后路網(wǎng)密度、土地墾殖率、農(nóng)民人均年純收入增長率、農(nóng)地單產(chǎn)增長率、整治后生物豐度指數(shù)。在此基礎(chǔ)上對經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益3大指標(biāo)的最佳投影方向值進(jìn)行計算，其結(jié)果分別為1.058 6，1.223 7和0.703 7，說明研究區(qū)域土地整治都高度注重經(jīng)濟效益和社會效益，對生態(tài)效益的重視程度偏低。

將最佳投影方向a代入公式(1)得到研究區(qū)域土地整治項目綜合效益的投影值Zi(表4)。根據(jù)RAGA-PPC模型的測算結(jié)果(表4)的最佳投影方向a的投影值Zi的大小，可以看出15個土地整治項目綜合效益的相對優(yōu)劣程度?？傮w來說，最佳投影方向a的投影值Zi值整體不高，且主要集中在1～1.5之間。

表4　究區(qū)域土地整治項目綜合效益a方向的投影值Zi

2.3結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)(≥2)、良(≥1.5，<2)、中(≥1，<1.5)、差(<1)4個等級的確定原則，把15個土地整治項目按照投影值Zi的大小分為不同的實施效果等級：QY08(2.240 8)，QY14(2.081 9)土地整治項目綜合效益為優(yōu)，QY11(1.571 4)土地整治項目綜合效益為良，QY01(1.224 1)，QY02(1.080 9)，QY03(1.086 5)，QY04(1.327 2)，QY06(1.022 5)，QY07(1.049 5)，QY09(1.077 9)，QY10(1.098 1)，QY12(1.086 5)，QY13(1.067 3)和QY15(1.062 5)土地整治綜合效益為中，QY05(0.773 1)土地整治綜合效益為差。

QY08和QY14項目實施前項目區(qū)田塊分布較均勻，有部分廢棄宅基地可進(jìn)行復(fù)墾，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。整治中除修建梯田、強化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)外，注重干旱半干旱地區(qū)蓄水保塬工程、農(nóng)田防護(hù)和生態(tài)環(huán)境整治，整治后增加了有效耕地面積，促進(jìn)了農(nóng)民增產(chǎn)增收，改善了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，取得了顯著的經(jīng)濟效果，更為地區(qū)經(jīng)濟、社會和生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供了堅強的保障，其效益明顯高于其他項目，說明評價結(jié)果QY08和QY14土地整治綜合效益為優(yōu)，與實際情況相符合。QY05項目實施前，項目區(qū)地塊零散、坡度較大，土地整治中重點修建梯田，強化基礎(chǔ)設(shè)施，忽略了蓄水保塬、農(nóng)田防護(hù)和生態(tài)環(huán)境保持工程，實施后除取得了較好的經(jīng)濟效益外，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)民的生活質(zhì)量并沒有明顯的改善，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他項目實施后的社會、生態(tài)效果，更談不上示范帶動效應(yīng)。而QY11項目處于董志塬(慶陽市政府所在地)的邊緣地帶，實施條件整體較好，實施后更好地發(fā)揮了資源優(yōu)勢，總體效益良好；其余11個項目在社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益三方面出現(xiàn)了不平衡，注重經(jīng)濟效益，而忽略了生態(tài)效益，給區(qū)域造成了極大的生態(tài)壓力。綜合以上分析，RAGA-PPC模型評價結(jié)果符合實際，準(zhǔn)確可靠。

3　討論與結(jié)論

3.1討 論

土地整治發(fā)展戰(zhàn)略研究、土地整治工程技術(shù)創(chuàng)新以及信息化技術(shù)是土地整治研究的重點。通過對慶陽市土地整治項目實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)土地整治項目實施效果整體較好，但生態(tài)效益較差，最佳投影方向值小于1。研究土地整治綜合效益評價對區(qū)域和諧發(fā)展具有十分重要的作用，其研究結(jié)果與實地調(diào)研結(jié)果一致，充分反映了當(dāng)?shù)氐耐恋卣雾椖看嬖诘牟蛔愫透倪M(jìn)之處。

近年來，關(guān)于土地整治綜合效益問題越來越受到社會各界的關(guān)注。研究多集中于從單純的技術(shù)改進(jìn)提升到“技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定”協(xié)調(diào)發(fā)展的新高度，進(jìn)一步研發(fā)數(shù)量—質(zhì)量—生態(tài)型的土地整治新技術(shù)、加快技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和完善土地整治工程監(jiān)督管理體系；缺乏對土地整治綜合效益監(jiān)測機制。本研究借助RAGA-PPC模型建立土地整治綜合效益評價體系，對效益評價具有一定的創(chuàng)新意義，對土地整治效益監(jiān)測和績效考核機制的形成具有一定的借鑒意義。

投影尋蹤分類模型通過數(shù)值直觀的反映了土地整治綜合效益評價中指標(biāo)值對評價結(jié)果的影響程度。本研究中所選擇的15個土地整治項目位于慶陽市不同區(qū)域，分異明顯，實施的內(nèi)容也不盡相同。從評價的過程和結(jié)果可以看出：RAGA-PPC模型不僅避免了人為主觀因素的影響，保證評價結(jié)果的客觀性，更重要的是它為不同空間尺度的土地整治綜合效益比較評價提供了科學(xué)的方法，也為土地整治項目選擇、區(qū)域土地整治規(guī)劃方案比選、土地整治項目實施后期評價等環(huán)節(jié)提出了下一步的研究方向。

3.2結(jié) 論

(1) 由投影方向a可知，土地整治綜合效益評價所有指標(biāo)與土地整治綜合效益成正相關(guān)，在土地整治綜合效益評價中均發(fā)揮著重要的作用。新增耕地率對評價結(jié)果的影響程度最大，其次依次為人均耕地面積增長率，靜態(tài)投資回收期，土地經(jīng)濟密度，綠色植被覆蓋率增加值，田塊規(guī)整變動變化率，林草覆蓋率增加值，整治后路網(wǎng)密度，土地墾殖率，農(nóng)民人均年純收入增長率，農(nóng)地單產(chǎn)增長率，整治后生物豐度指數(shù)。政府根據(jù)其影響指標(biāo)可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行工程建設(shè)內(nèi)容的調(diào)整。

(2) 15個土地整治項目中QY08，QY14兩個項目的綜合效益為優(yōu)，QY11項目為良，QY01等11個項目為中，QY05最差，評估結(jié)果符合實際。但是研究區(qū)域都太注重經(jīng)濟效益和社會效益，而忽視了生態(tài)效益，三效益值差異較大，不能給農(nóng)戶帶來綜合效益最大化，更不能為生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供正能量。因此，今后的土地整治中應(yīng)該更加重視生態(tài)效益，達(dá)到三效益相平衡，實現(xiàn)土地整治綜合效益最大化。

(3) 由于目前土地整治綜合效益評價存在著評價指標(biāo)體系的不統(tǒng)一、相關(guān)制度不完善、效益監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不成型等問題，極大制約了土地整治綜合效益的發(fā)展。因此，要改變目前這種狀況，應(yīng)逐步建立有效的效益評價體系，完善區(qū)域土地評價制度，協(xié)調(diào)好三效益的關(guān)系和注意三效益相統(tǒng)一的原則。

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Assessment of Comprehensive Benefits from Land Remediation Based on RAGA-PPC Model-A Case Study of 15 Projects in Qingyang City of Gansu Province

CHENG Wenshi, QIAO Hongqiang, LIU Zhi, HUANG Xin

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] The comprehensive benefits from land reclamation in Qingyang City of Gansu Province were evaluated to promote the implementation of land reclamation and to improve land management. [Method] A evaluation system was established by the projection-pursuit classification model of real coding accelerating genetic algorithm(RAGA-PPC), in which twelve evaluation indices, including the aspects of social, economic and ecological, was used to evaluate the comprehensive benefits from 15 projects of land remediation in Qingyang City from 2012 to 2013. [Results] In 15 land reclamation projects, projects of Ningxian County project and Zhengning County project were assessed having the best comprehensive benefits, Xifeng District having good benefits, Heshui County and other 10 projects having intermediate benefits, the lowest was Chenshao Township of Huachi County project. [Conclusion] The overall benefits from land renovation project were thought better, but the construction entries of land renovation project and the management need to be conducted more reasonably and jointly.

land consolidation; real coding accelerating genetic algorithm; projection pursuit classification model; comprehensive benefits; Qingyang City of Gansu Province

2015-09-02

2015-10-18

甘肅省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“以復(fù)合型應(yīng)用人才培養(yǎng)為目標(biāo)的實踐教學(xué)改革研究：以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)土地資源管理專業(yè)為例”(GS[2013]GHB0849)； 國家自然科學(xué)基金地區(qū)項目(41161066/D010702)

程文仕(1976—),男(漢族),陜西省漢中市人,博士研究生,副教授，主要從事土地評價、土地利用與規(guī)劃方面的教學(xué)和研究。E-mail:tgchwsh@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0257-05

F301.24