Land Use Optimization Configuration based on Multi-Objective Genetic Algorithm and FLUS Model of Agro-pastoral Ecotone in Northwest China

Lu YANG; Yaowen XIE; Leli ZONG; Tian QIU; Jizong JIAO

doi:10.12082/dqxxkx.2020.190531

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Journal of Geo-information Science
Vol. 22, Issue 3, 568 (2020)

Land Use Optimization Configuration based on Multi-Objective Genetic Algorithm and FLUS Model of Agro-pastoral Ecotone in Northwest China

Lu YANG, Yaowen XIE^*, Leli ZONG, Tian QIU, and Jizong JIAO

Author Affiliations

College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

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DOI: 10.12082/dqxxkx.2020.190531 Cite this Article

Lu YANG, Yaowen XIE, Leli ZONG, Tian QIU, Jizong JIAO. Land Use Optimization Configuration based on Multi-Objective Genetic Algorithm and FLUS Model of Agro-pastoral Ecotone in Northwest China[J]. Journal of Geo-information Science, 2020, 22(3): 568 Copy Citation Text

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Fig. 1. Location and administrative division of the study area

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Fig. 2. The technical route of the optimized configuration of the land use in the agro-pastoral ecotone in Northwest China

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Fig. 3. Simulated situation of land use is compared with the real one in the agro-pastoral ecotone in 2015

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Fig. 4. Spatial distribution of land use under different scenarios in the agro-pastoral ecotone in 2025

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	耕地	林地	草地	水域	建设用地	未利用地
经济效益系数B_i	191.36	58.79	42.33	173.11	9369.04	0
生态价值系数C_i	63.39	200.43	66.41	421.69	0	3.85

Table 1. [in Chinese]

情景类型	情景描述	地类转换要求/限制
自然发展	遵循土地利用类型的自然演变规律	不对地类间的转换设置限制
生态保护优先	加强对生态用地的保护,保持生态功能稳定,以生态效益的增长为主要优化目标,生态效益目标与经济效益目标的权重分别为0.8和0.2	禁止林地和水域向其他地类转换;草地和耕地可向生态价值更高的地类转换,以获取更高的生态效益;禁止占用生态用地来开发耕地;大力开发未利用地向生态用地转换
经济发展优先	加强城乡建设,进一步推进该区域城镇化,带动基础设施建设和产业结构优化,以经济效益的增长为主要优化目标,生态效益目标与经济效益目标的权重分别为0.2和0.8	各地类可向经济产出价值更高的地类转换,以获取更高的经济效益;加速建设用地面积的扩张;推进未利用地的开发
生态-经济均衡	加强对土地资源的综合利用程度,在保障生态环境可持续发展和生态建设稳速进行的前提下,促进经济建设快速发展,生态效益目标与经济效益目标的权重分别为0.5和0.5	严格保护林地和水域等生态用地,禁止林地和水域向其他地类转换;大力推进未利用地的开发,向生态用地和经济用地转换

Table 2. The content settings of development scenarios of land use in the agro-pastoral ecotone in Northwest China

约束类型	约束条件/km²	说明
土地总面积约束	$A = \overset{6}{\sum_{i = 1}} x_{i}$	各类土地利用类型的规划面积（x_i）总和应等于研究区的总面积A
耕地保有量约束（x₁）	13 906≥x₁≥13 236	耕地的最小规模不得低于2015年耕地面积现状13 236 km²以及2020年的耕地保有量7780.57 km²（基于对粮食安全和耕地保护政策的考虑）;最大规模以2010—2015年耕地的增长速度来设定
林地规模（x₂）	2739≥x₂≥2332	林地的最小规模以2010—2015年的退化速度来设定;最大规模设置为自然发展情景下的林地需求数据上调10%
水域面积约束（x₄）	883≥x₄≥865	水域的最小规模以2010—2015年的退化速度来设定;由于该区域地处干旱与半旱区,降雨少,水域面积在1990—2015年持续呈负增长,故将水域的最大规模设为2015年水域面积883 km²
建设用地规模控制（x₅）	2677≥x₅≥2113	建设用地的最小规模不低于2020年的建设用地规模的控制量;最大规模设置为自然发展情景下的建设用地需求数据上调10%
未利用地规模控制（x₆）	18 076≥x₆≥16 174	未利用地的最小规模以2010—2015年的开发速度来设定;最大规模不得高于2015年的未利用地面积18 076 km²
草地面积约束（x₃）	51 062≥x₃≥50 050	草地面积的变化不仅受人类活动影响,而且受降雨影响也较大,将其面积变化范围设定为在自然发展情景下草地面积的基础上±1%
生态环境保护约束	x₂≥2496 x₄≥883	仅约束“生态保护优先”及“生态—经济均衡”情景,设定林地、水域等生态用地面积不可再减少
决策量非负约束	x_i≥0,i=1,2,3,4,5,6	在模型中,各约束变量要求为非负值

Table 3. Area constraints of various land use types

类型	2015年面积	2025年
		自然发展			生态保护优先			经济发展优先			生态-经济均衡
		面积	变化面积	变化比例	面积	变化面积	变化比例	面积	变化面积	变化比例	面积	变化面积	变化比例
耕地	13 236	13 509	273	2.06	13 237	1	0.00	13 388	152	1.15	13 311	75	0.57
林地	2496	2490	-6	-0.24	2712	216	8.65	2411	-85	-3.41	2675	179	7.17
草地	50 035	50 556	521	1.04	50 781	746	1.49	50 660	625	1.25	50495	460	0.92
水域	883	876	-7	-0.79	883	0	0.00	878	-5	-0.57	883	0	0.00
建设用地	1567	2433	866	55.26	2325	758	48.37	2675	1108	70.71	2581	1014	64.71
未利用地	18 076	16 429	-1647	-9.11	16 355	-1721	-9.52	16 281	-1795	-9.93	16 348	-1728	-9.56

Table 4. Comparative analysis of land use area, change in area and change in proportion under different scenarios in the agro-pastoral ecotone in Northwest China (km²,%)

	自然发展	生态保护优先	经济发展优先	生态-经济均衡
经济效益/亿元	2781.80	2677.79	3006.23	2917.63
生态效益/亿元	514.55	519.03	512.92	516.86
经济效益变化比例（以生态保护优先情景为基准）/%	3.88	0.00	12.27	8.96
生态效益变化比例（以经济发展优先情景为基准）/%	0.32	1.19	0.00	0.77

Table 5. Comparative analysis of benefits based multi-scenarios

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