系统动力学方法在土地利用规划中的应用..docx

1、土地利用规划模型课程论文题目：系统动力学方法在土地利用规划中的应用二O一三年十二月1引言22系统动力学的原理与方法32. 1系统动力学形成与发展的历史33. 2系统动力学方法特点与原理44. 2.1系统动力学方法特点45. 2.2系统动力学方法的建模原理43系统动力学在土地利用规划中的应用73. 1系统动力学的建模过程73. 2土地利用规划系统动力学模拟73. 2.1土地利用系统总体分析83. 2.2系统内部相关关系分析96. 2.3系统动态仿真模型的建立94结语10参考文献11系统动力学方法在土地利用规划中的应用摘要:系统动力学方法的形成与发展在20世纪70年代推动了可持续发展理论在世界范围

2、内的兴起系统动力学是自然科学的理论（如系统论、控制论、信息论等）与经济学的综合、交叉学科，它将信息反馈概念应用于社会经济系统。针对当前土地利用总体规划中存在的分析方法单一，土地利用规划与社会经济发展脱节以及规划缺乏动态性等一些问题，提出利用系统动力学理论与计算机技术结合的方法，通过建立土地利用规划系统动力学模型，对规划进行定量化和动态化的研究和模拟，探索土地利用规划与经济社会协调发展的较佳途径，并为土地利用总体规划方案优化提供比较具体和科学的依据。关键词:系统动力学；土地利用规划；模型；垦利县；应用1引言随着社会主义市场经济体制的确立，中国经济已经进入高速发展的时期，经济增长方式正逐步由粗放型

3、向集约型转变。经济的发展带动各种建设的迅猛发展，而土地利用规划就更显得尤为重要，它成为政府强化宏观管理职能，对各种资源要素进行宏观引导和限制的重要手段。土地利用规划是一门综合性的学科，它涉及到多学科、多领域的研究，现代土地问题的多元化和复杂化要求土地规划利用新的科学技术手段和方法，以适应现代建设和学科发展的要求。利用系统动力学与计算机技术结合的方法对土地利用总体规划进行定量化和动态化的研究和模拟，并对土地利用总体规划方案进行优化，是一个探索土地利用规划新方法的有益尝试。2系统动力学的原理与方法2.1 系统动力学形成与发展的历史系统动力学(SyStemdynanics)属于20世纪经济数学的一个

4、分支，在20世纪50年代中期由美国麻省理工学院福雷斯特教授(FOrreste;JW.)首创。系统动力学的形成与发展在20世纪70年代推动了可持续发展理论在世界范围内的兴起。系统动力学极力从系统内部的微观结构入手，在把握系统内部结构、参数及总体功能的前提下，分析并把握系统的特性与行为。系统动力学模型本质上是带时滞的一阶微分方程组，但是这种方法在利用计算机建模时借助于系统流图(stockandflowdiagram),其中流位变量(IeVelstrock)流率变量(rate/flow)、辅助变量(auxiliary)等都具有明确的物理(或经济)意义，可以说是一种面向实际的结构型的建模方法，其主要特

5、点是能方便地处理非线性和时变现象，能作长期的、动态的、战略性的仿真分析与研究。系统动力学在20世纪50年代后期主要被用于企业管理，解决诸如原材料供应、生产、库存、销售、市场等一系列问题。因此，当时系统动力学被称为工业动力学。20世纪60年代系统动力学应用范围日益扩大，特别是用来研究更复杂的宏观问题，如研究城市的兴衰，这是一个涉及自然资源、地理位置、交通条件、人口迁移、环境容量、投资与贸易等相互关联的复杂的系统问题,另外,还出现了许多用系统动力学研究人、自然资源、生态环境、经济、社会相互关系的模型，如“捕食者与被捕者”关系模型、“吸毒与犯罪”关系模型等。常用的系统动力学模型有世界模型，用于研究全

6、球性的发展战略;国家模型，用以研究国家政治、经济、军事、对外关系等;城市模型，研究城市发展战略;区域模型，研究特定地理区域的发展战略;工业模型，研究工业企业发展战略等。止匕外，还有生长型模型，包括研究疾病发生、发展及防治策略的医疗动力学模型;研究作物、园艺、家禽饲养、虫害防治和生态保护的系统动力学模型。2.2 系统动力学方法特点与原理2.2.1 系统动力学方法特点系统动力学（SD）是一门基于系统论、控制论、信息论和计算机仿真技术的新兴学科。它解决问题的独特一环就是建立数学的规范模型，从系统内部的微观结构入手进行建模，来分析研究系统结构、功能和行为的内在关系及其解决间题的对策。系统动力学用于研究

7、与规划复杂社会经济系统的未来行为和相应的长期战略决策有其独特的优点。这种模型从本质上看是带时间滞后的一阶差微分方程，由于建模时借助于“流图，其中“积累、流率和其它辅助变量都具有明显的物理意义，因此可以说是一种布告同实际的建模方法。它与其它模型方法相比，具有下列特点：（1）适用于处理长期性和周期性的问题。如自然界的生态平衡、人的生命周期和社会问题中的经济危机等都呈现周期性规律并需通过较长的历史阶段来观察，已有不少系统动力学模型对其机制作出了较为科学的解释。（2）适用于对数据不足的问题进行研究。建模中常常遇到数据不足或某些数据难于量化的问题，系统动力学藉各要素间的因果关系及有限的数据及一定的结构仍

8、可进行推算分析。（3）适用于处理精度要求不高的复杂的社会经济问题。上述总是常因描述方程是高阶非线性动态的，应用一般数学方法很难求解。系统动力学则借助于计算机及仿真技术仍能获得主要信息。（4）强调有条件预测。本方法强调产生结果的条件，“如果则”的形式,对预测未来提供了新的手段。2.2.2 系统动力学方法的建模原理系统动力学把世界上一切系统的运动假想成流体的运动，使用因果关系图和系统流图来表示系统的结构。简单说来，系统结构是指系统要素是如何关联的。这个要素可以是系统变量，也可以是反馈回路或子系统。图1给出了鼠群模型的因果关系图。因果关系图能清晰地表达系统内部的非线性的因果关系。因果关系图以反馈回路

9、为其组成要素，反馈回路为一系列原因和结果的闭合路径。反馈回路的多少是系统复杂程度的标志。两个系统变量从因果关系看可以是正关系、负关系、无关系或复杂关系。所谓正关系是指一个量的增加会引起相关联的另一个量增加，反之则称为负关系，复杂关系指两个变量之间的因果关系时正时负。正负关系在因果关系图中分别用带“+”、“一”号的箭头表示。当这种关系从某一变量出发经过一个闭合回路的传递，最后导致该变量本身的增加，这样的回路称为正反馈回路，反之则称为负反馈回路。图1鼠群模型的因果关系图图2给出了鼠群模型的系统流图。系统流图由三类元素组成:流位变量、流率变量和信息。系统流图是系统动力学建模的基础。与因果关系图不同的

10、是，系统流图中区分了流位、流率变量，在矩形框中的变量是流位，流位是随时间而变化的积累量，是物质、能量与信息的储存环节。在蝴蝶结下方的是流率，没有矩形框的是辅助变量或常数，云状的图示表示的是系统的边界。系统流图可以清楚地表示系统中的反馈关系，其中各个变量之间的关系用公式来定义。运行模型时必须给出流位变量的初始值。事实上，流位和流率之间的关系是一阶微分方程。在复杂系统中，随着系统阶数的提高，方程的阶数和数量都会增加，因此，计算机仿真模型的优点在于使用仿真的方法代替传统的解析方法来求解方程。如公式1所示，系统流图中的每一流位都需要一个微分方程，流入或流出的物质、能量和信息等都需要明确的算术表达式，这

11、些表达式形成的等号右面的部分，一个系统动力学模型就是一系列非线性微分方程组。(O=f(p)(1)ax其中X是流位向量，P是一组参数，f是非线性的向量函数。该公式是含时滞的方程，因为其中向量X及其他参数是其前一时刻值的函数。系统动力学根据控制论理论，对系统的动态描述着重于流量的变化，并运用了反馈的概念。系统动力学建模的过程如下:确定系统边界、定义变量、绘制因果关系图、构建系统流图、编辑公式并运行、模型检验和校准、仿真和分析。3系统动力学在土地利用规划中的应用3.1系统动力学的建模过程土地利用总体规划是一项更杂的系统工程，它是耍在土地一社会一经济系统中，根据社会经济发展的需要，统筹安排各业用地，合

12、理利用土地资源，提高土地的社会、经济和生态效益。系统动力学的分析步骤：问密的识别；确定系统边界，即系统分析涉及的对象和范困：建立因果关系图和流图：写出系统动力学方程：进行仿真试验和计算等Censim软件）；比较与评价、政策分析寻找最优的系统行为。问题的识别确定系统边界因果关系图政策分析-仿真史现-系统流图系统动力学的唾模过在3.2土地利用规划系统动力学模拟本文仍采用系统动力学原理方法，对黄河三角洲以农业为主的山东省垦利县进行了土地利用规划的仿真模拟研究.土地利用效益的高低受自然、经济、社会及人为等因素的影响，是诸因素相互作用的结果.因此以系统观点模拟上地利用系统的结构及其演变，是十地利用研究的

13、重要方法。3.2.1 土地利用系统总体分析土地利用系统总体分析，地利用系统的核心是系统内各业用地面积的相互消长，即土地利用结构的变化.不同的土地利用结构表现为系统不同的功能与效益.垦利县土地利用系统内部构成如下图所示.影响系统土地利用结构的因素主要有以下几个方面：（1） 土地利用构成要素，气候条件、地形地貌、土壤条件、水文状况等土地构成要素对农业用地的数量、质量及分布产生较大的影响，是形成该县土地利用格局的基础.其中关键性的因素是蒸降比、土壤盐分含量、地下水埋藏深度及矿化度等.1.1.1 人口的多少直接影响人均占有各类土地资源的数量.人口的增加将导致对农产品（粮、棉、油等）需求量的增加，从而要

14、求农田面积的增加，同时也要求城镇、农村居民点、交通等建设用地面积的扩展.（3）居民生活水平为保障较高的居民生活水平，使人均粮、棉、油，人均居住面积等指标处于较高水平，则必须增加有关农地、城镇居民点等建设用地面积，有必要调整土地利用结构.（4）工业发展水平工业的发展要求工矿等建设用地扩大，这必然会占用其它用地的面积，也会引起土地利用结构的改变.垦利县的工矿用地既占用耕地，也占用滩涂地和未利用土地.（5）国家政策因素等的影响土地利用过程是一种人为的过程，因此土地利用结构在一定程度上依不同的土地政策而作相应的调整.如农地与非农地的协调、农业用地占农林牧的比重、作物布局等等，都会引起土地利用结构的改变

15、垦利县地处黄河三角洲，土地开发利用活动较为频繁，在一定的土地开发资金的支持下未利用地可转为耕地，旱地可转为水田，牧草地可转为旱地，从而引起农地内部以及农地与未利用土地间结构的改变.土地开发投资力度越大，土地利用结构的变化也越大.晟利县土地利用系统农业用地非农业用地未利用土地水水早菜浇地田地地地园迹地苗Ilfil疏林地地未成林造林地林Il灌木林I用材林牧草地天人改然工良草草草地地地滩沟河水坑苇水工涂渠流库塘地建交通用地铁公农民村用路路道机路场居民点工矿用地农村居民点城镇盐田其它盐碱地荒草地图1垦利县土地利用系统内部构成1.1.2 系统内部相关关系分析在土地利用系统内部，各业用地之间相互转换、相

16、互制约，形成一个统一的整体.垦利县的土地利用系统内各业用地相互关系归结如下.(1)农地一非农地关系，主要表现为非农地占用农地，包括城镇、农村居民点、工矿、交通用地占用耕地等.(2)农地内各地类关系，主要表现为耕地转为园地;沟渠等水利用地占用了耕地;牧草地被开发为耕地和林地等.(3)农地一未利用地关系，主要表现为未利用土地开发为耕地和耕地退化为未利用地;沟渠、水库等对未利用土地的占用;牧草地退化为未利用土地等。(4)非农地一未利用土地关系，主要表现为交通用地占用未利用土地;盐田等工矿用地占用未利用土地等.(5)人口一农地、非农地关系，人口的增加引起对农产品及居住用地需求的增加，从而要求耕地面积、

17、城镇和农村居民点用地面积扩大.1.1.3 系统动态仿真模型的建立在系统总体分析及内部相关关系分析基础上，进一步深化，做出了垦利县土地利用系统的系统流图.根据系统流图以DYNAMO仿真语言完成了垦利县土地利用系统模型的运行及调试；对SD模型首先在微机中进行编辑、编译和修改，使之编译通过并能正确地模拟运行;其次合理给定变量初值、常数值及有关函数值，对模型进行必要的调试，使模拟结果符合实际情况.表1.垦利县土地利用系统动力学仿真模拟结果(km2)第一方案第二方案第三方案第四方案20002010202020502000201020202050200020102020205020002010202020

18、50耕地44080416303890029960438904258041530387704380043100425304019043600436504329034290林地7898808983218991789880968306884278988093829487577898809082758607园地537.6587.7597.6560727.8815.4832.7837818.5924944.99501019116411931200牧草地19640211702269027170196402016020310198201964019360187701612019640180401613094

19、63交通用地3005300531754197300530053230458030053005332552473005300534756297居民点工矿10300117101357020010103001211014260214501030012940157302533010300143701885040570水域776908007082130878007769080970844109535077690814808554098600776908254087800104700未利用地6096064540681307888060960630706464067950609606190062380624

20、2060960599605850052480总面积224100230800237500257600224100230800237500257600224100230800237500257600224100230800237500257600通过综合考虑分析，第一方案显然不能满足土地利用的需求，限制了土地生产力的发挥;而第四方案则目标过高，不切实际，现阶段难以达到，也不利于该区的生态平衡;第二方案较为保守，未能充分发挥土地资源潜力;第三方案则是较为适宜的发展目标，使各类土地资源得以较好的协调，经济及生态效益均好.通过系统动力学原理、方法和模型对垦利县土地利用系统的模拟，得到了较好的模拟结果，并

21、由此确定了适宜的土地利用发展方案.说明运用系统动力学方法进行土地利用系统的仿真模拟是适宜的、可行的.4结语长期以来，土地利用规划基本上是一种静态的规划。但实际上，由于土地利用要受到自然因素、社会经济因素和政策法规因素等诸多因素的影响，且在不同时期内，这些因素本身及其对土地利用的影响是不断变化的，从而将导致规划目标和规划方案也要不断地变化。因此，随着社会的发展和土地利用方式与结构的多样化，土地利用规划的规划思想应发生根本性的变化:从传统单向、静态的规划向动态、持续的规划(也可称滚动式规划)进步，就是在规划过程中，既要使规划在一定阶段上相对稳定，又要使规划适应动态发展的需要，不要把目标定在一个终点

22、上，规划方案总是要处在不断的修改和补充之中。通过系统动力学原理、方法和模型对垦利县土地利用系统的模拟，得到了较好的模拟结果，并由此确定了适宜的土地利用发展方案.说明运用系统动力学方法进行土地利用系统的仿真模拟是适宜的、可行的；在土地利用总体规划的制定与实施过程中，由于某些政策性和客观因素的变化，经常会使土地利用总体规划作局部调整，同时，土地利用决策的制定也需要对其土地利用的结果有所了解，而这些问题仅靠一般的分析或实际的验证是难以达到或不可能达到的.系统动力学仿真模拟方法则为此提供了良好的实验手段，从而使我们有可能迅速了解不同土地利用规划、决策的预期结果，在很大程度上避免了土地利用规划、决策中的

23、主观性和盲目性.由此，系统动力学模拟在目前不失为一种制定、验证与修改土地利用总体规划的良好方法。参考文献LIJ赵小敏.吴次芳.工人潮.土地利用规划的系统动力学仿真.浙江农业大学学报.1996,22(2):143-1482赵庚星.尚建业.刘建军.垦利县农田自然环境.存在问题及其合理利用研究.农业环境与发展.1997,14(1):11-123工其藩.复杂人系统综合动态分析与模型体系.管理科学学报.1999,2(2):15-194陈传康.牛文元.人地系统优化原理及其区域发展模式研究.地球科学信息.1988(6):41-435廖克.关于人地系统及其调控的研究.见:中国科学院复杂性研究编委会编.复杂性研

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