國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法研究

張衍毓，高秉博，郭旭東，陳美景，任艷敏，李曉嵐

（1.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035；2.國土資源部土地利用重點實驗室，北京 100035；3.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097）

1 加快構(gòu)建國土空間多級綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國家系列重大戰(zhàn)略的實施以及經(jīng)濟(jì)實力的日益增強，各類自然資源開發(fā)利用活動對國土空間的塑造能力日益強大，人類活動對陸地表層系統(tǒng)的擾動日益劇烈，國土空間格局正在發(fā)生劇烈演變。城市群、現(xiàn)代綜合交通運輸體系建設(shè)突飛猛進(jìn)；“一帶一路”、京津冀協(xié)同發(fā)展、長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)引領(lǐng)下，區(qū)域發(fā)展格局日新月異；巨型流域開發(fā)、南水北調(diào)等重大工程實施，互聯(lián)網(wǎng)時代國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移背景下的產(chǎn)業(yè)格局演變、全球氣候變化下的糧食生產(chǎn)格局變化等，均會對國土空間格局產(chǎn)生深刻影響；鄉(xiāng)村振興、精準(zhǔn)扶貧、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)背景下，城鄉(xiāng)要

素流動頻繁，城鄉(xiāng)一體化格局正在形成，也伴隨著大量人口非農(nóng)化造成鄉(xiāng)村空心化、土地撂荒等問題；生態(tài)文明戰(zhàn)略落實，傳統(tǒng)國土空間開發(fā)方式轉(zhuǎn)變，正在塑造新的生態(tài)安全格局?？梢灶A(yù)見，未來國土空間演變將是更為劇烈、深刻的，新時代的國土空間新格局正在加速形成。國家戰(zhàn)略導(dǎo)向下，國土開發(fā)活動會對國土空間格局產(chǎn)生何種影響，國土空間格局演變又會產(chǎn)生怎樣的自然、社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。解決諸如此類科學(xué)問題，亟需對國土空間變化及其生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)影響的關(guān)鍵科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)數(shù)據(jù)開展全要素、多尺度的國土空間動態(tài)監(jiān)測。同時，生態(tài)文明體制改革[1]、自然資源綜合監(jiān)管[2]、建立國家公園體制[3]、生態(tài)紅線劃定、優(yōu)化國土開發(fā)格局等管理實踐也明確要求建立覆蓋全部國土空間的監(jiān)測系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測國土空間變化。

國際上不少國家已在資源、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、水文等相關(guān)領(lǐng)域建立了長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[4-5]，如全球陸地觀測系統(tǒng)（GTOS）、國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)（ILTER）、美國國家生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（NEON）、英國環(huán)境變化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（ECN）、全球通量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（FLUX）、國際生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（GEO.BON）、“未來地球”（Future Earth）計劃，以及地殼動力學(xué)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)（CDDIS）、地球觀測體系數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)（EOSDIS），呈現(xiàn)出連續(xù)觀測、自動智能、綜合研究、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動、學(xué)科交叉等趨勢。國內(nèi)，生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、環(huán)境科學(xué)、海洋學(xué)、氣象學(xué)等學(xué)科已形成相對完善的野外臺站系統(tǒng)，如中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）、土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、全國環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)等，國家野外科學(xué)觀測研究網(wǎng)絡(luò)初具規(guī)模。目前，相關(guān)學(xué)科（行業(yè)）的監(jiān)測主要側(cè)重于對國土空間系統(tǒng)個別要素的監(jiān)測，直接把國土空間系統(tǒng)作為監(jiān)測對象的綜合性網(wǎng)絡(luò)還未建立；已有監(jiān)測的內(nèi)容聚焦在自然要素，對驅(qū)動國土空間系統(tǒng)演變的及時的、配套的社會經(jīng)濟(jì)因子觀測較少；監(jiān)測尺度也相對單一，未充分體現(xiàn)國土空間系統(tǒng)的尺度差異。筆者認(rèn)為，國土空間系統(tǒng)是綜合性、多尺度、動態(tài)化復(fù)雜巨系統(tǒng)，國土空間監(jiān)測需要構(gòu)建多要素、多層級、持續(xù)性的國土空間全面感知體系，強調(diào)自然與社會經(jīng)濟(jì)要素的綜合，以及從大尺度宏觀監(jiān)測到微觀尺度精細(xì)化監(jiān)測的尺度跨越和長時間序列動態(tài)數(shù)據(jù)的獲取?？梢?，現(xiàn)有相關(guān)行業(yè)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)尚不能完全滿足國土空間監(jiān)測的需求。因此，有必要加快推進(jìn)國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究[6-7]與建設(shè)實踐工作。

國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)立足國土空間系統(tǒng)基礎(chǔ)理論[8-11]，基于科學(xué)布點方法構(gòu)建多層級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系[12]，通過一套科學(xué)設(shè)計的國土空間監(jiān)測指標(biāo)，構(gòu)建國土空間常態(tài)化監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，獲取長期、動態(tài)、精細(xì)化、多要素、多尺度國土空間系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高強度國土開發(fā)背景下對國土空間變化及其相關(guān)影響因子的全面感知[13]，通過國土空間大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建與智能化分析，對國土空間格局、功能演變進(jìn)行系統(tǒng)診斷，提出國土空間優(yōu)化調(diào)控機(jī)制與路徑，支撐國土空間優(yōu)化開發(fā)決策。完整的國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和“天—空—地”一體化監(jiān)測技術(shù)支撐下由全國—區(qū)域—縣市—村鎮(zhèn)—地塊不同尺度組成的多層級監(jiān)測體系[12]。目前國土空間數(shù)量變化監(jiān)測已有扎實的工作基礎(chǔ)[14-15]，基于國土空間精細(xì)化分類、數(shù)量質(zhì)量生態(tài)并重、自然與人文并舉的多要素監(jiān)測平臺與技術(shù)體系尚未形成。因此，已有監(jiān)測成果主要體現(xiàn)在土地利用變化數(shù)據(jù)，對國土空間演變的成套的自然、社會經(jīng)濟(jì)因子數(shù)據(jù)獲取不足。為滿足國土空間系統(tǒng)演變機(jī)制研究的需要，及時揭示國土空間演變規(guī)律，加強對國土空間變化的精準(zhǔn)預(yù)判與及時調(diào)控，需要面向典型國土空間系統(tǒng)，建設(shè)精細(xì)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

縣域尺度作為行政管理的基本單元，地域空間完整、穩(wěn)定，在自然資源、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和公共政策等方面具有地域一致性。以縣為基本監(jiān)測單位，構(gòu)建起縣域尺度國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，是對現(xiàn)有土地利用宏觀監(jiān)測體系的有益補充。因此，有必要在現(xiàn)有宏觀監(jiān)測的基礎(chǔ)上，布設(shè)一批縣域尺度的國土空間精細(xì)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建宏觀—中觀—微觀尺度相結(jié)合的立體化的國土空間監(jiān)測體系。全國的縣級行政區(qū)中哪些縣最具國土空間代表性，能以最小成本實現(xiàn)對國土空間信息的全面、精準(zhǔn)獲取，這是國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化需要解決的問題。

2 國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局總體設(shè)計

2.1 基本原理

構(gòu)建國土空間多級綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)旨在持續(xù)跟蹤人與自然交互作用下的國土空間系統(tǒng)演變。通過連續(xù)獲取動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示不同區(qū)域、不同類型國土空間變化的過程、自然人文響應(yīng)、功能演變機(jī)制和國土空間系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控機(jī)理，為自然資源可持續(xù)利用和國土空間格局優(yōu)化提供理論和技術(shù)支撐。主要監(jiān)測內(nèi)容包括對不同尺度國土空間變化及其自然、社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力和效應(yīng)指標(biāo)的綜合監(jiān)測。其綜合性體現(xiàn)在國土空間類型的全面覆蓋，國土空間系統(tǒng)自然、社會經(jīng)濟(jì)多要素的全面涵括，國土空間數(shù)量、質(zhì)量、功能性監(jiān)測指標(biāo)的全面設(shè)計和從宏觀到微觀多尺度的全面貫通。

國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)首先要實現(xiàn)對不同國土空間類型與功能的全覆蓋，還要體現(xiàn)不同國土空間類型與功能所對應(yīng)的自然、社會經(jīng)濟(jì)條件的差異性。因此，在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時選擇以突顯國土空間類型與功能差異的指示性指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)變量，以與其密切相關(guān)的自然、社會經(jīng)濟(jì)因子為輔助變量，開展國土空間分區(qū)，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行空間采樣，形成國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局參考方案?；谝陨戏椒▋?yōu)選的監(jiān)測樣點，理論上能在成本控制條件下最大程度上實現(xiàn)對主要國土空間類型與功能變化及影響其變化的相關(guān)自然、社會經(jīng)濟(jì)因子信息的同步捕捉和動態(tài)獲取，從而達(dá)到國土空間綜合監(jiān)測的目的。

2.2 技術(shù)路線

采用代表性監(jiān)測的思路進(jìn)行國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局的優(yōu)化設(shè)計。首先開展國土空間分區(qū)，基于國土空間（土地）利用及其有較強相關(guān)性的自然條件、社會經(jīng)濟(jì)因子數(shù)據(jù)，采用重復(fù)二分聚類方法進(jìn)行空間分區(qū)，得到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、城鄉(xiāng)建設(shè)空間、生態(tài)保育空間分區(qū)方案；然后基于監(jiān)測樣點對不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間類型、城鄉(xiāng)建設(shè)空間類型、生態(tài)保育空間類型和地理空間的代表性，設(shè)計國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，使用多目標(biāo)優(yōu)化求解算法生成國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)備選方案。

本文以縣級行政區(qū)作為采樣單元，基于該優(yōu)化方法產(chǎn)生的國土空間代表性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能夠通過一套監(jiān)測樣點實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)、城鄉(xiāng)建設(shè)、生態(tài)主要國土空間類型的代表性監(jiān)測，同時能夠確保在地理空間上的相對均勻，體現(xiàn)監(jiān)測樣點在地域空間上的代表性。如圖1所示，特定國土空間的A（農(nóng)業(yè)生產(chǎn)）、B（城鄉(xiāng)建設(shè)）、C（生態(tài)保育）3種分區(qū)方案對應(yīng)同一套監(jiān)測樣點，通過在監(jiān)測樣點進(jìn)行國土空間綜合監(jiān)測，能夠使用3個樣點a、b、c完成A、B、C三種分區(qū)方案的各個分區(qū)類型的代表性監(jiān)測，同時在地理空間上實現(xiàn)均勻覆蓋。該方法選出的每個監(jiān)測樣點均能同時代表A、B、C中的一種國土空間類型，即每個監(jiān)測樣點均能同時獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鄉(xiāng)建設(shè)、生態(tài)保育空間的相關(guān)信息。

圖1 國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計示意圖Fig.1 The optimized design for territorial land monitoring Network

3 國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型

3.1 構(gòu)建空間采樣數(shù)據(jù)集

水、土、氣、生等自然要素以及人口、產(chǎn)業(yè)等相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)要素是國土空間系統(tǒng)的基本組成要素。本文以縣級行政區(qū)為基本單元，用土地利用數(shù)據(jù)表征國土空間特征，收集各縣域國土空間數(shù)據(jù)以及與其密切相關(guān)的自然本底和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建空間采樣數(shù)據(jù)集。

（1）自然本底數(shù)據(jù)。圍繞國土空間系統(tǒng)的水、土、氣、生等主導(dǎo)性自然要素，選取了年平均降水量、干燥度、土壤有機(jī)質(zhì)、≥10℃積溫、年平均氣溫、光溫生產(chǎn)潛力、植被指數(shù)、高程、坡度等數(shù)據(jù)，這些因子反映了國土空間的自然本底信息。數(shù)據(jù)格式為柵格，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的氣象要素空間插值、地形地貌等數(shù)據(jù)。

（2）國土空間（土地利用）數(shù)據(jù)?；?015年末土地變更調(diào)查分縣數(shù)據(jù)，依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T21010-2007），按照主體功能原則，歸并形成三類國土空間：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間主要包括耕地，城鄉(xiāng)建設(shè)空間包括城市、建制鎮(zhèn)、村莊、采礦用地、風(fēng)景名勝及特殊用地，生態(tài)保育空間包括園地、林地、草地、水域（含河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面、冰川與永久積雪）、濕地（含沿海灘涂、內(nèi)陸灘涂、沼澤地）和退化土地（含鹽堿地、沙地、裸地）。為消除行政區(qū)大小帶來的差異，分別用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、城鄉(xiāng)建設(shè)空間和生態(tài)保育空間面積除以行政區(qū)面積，得到墾殖率、城鄉(xiāng)建設(shè)強度、生態(tài)覆蓋度3個指標(biāo)，用作國土空間分區(qū)的目標(biāo)變量。

（3）社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟(jì)信息包括人口、糧食產(chǎn)量、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、固定資產(chǎn)投資等指標(biāo)，主要來源于《中國縣域統(tǒng)計年鑒2016（縣市卷）》、2015年社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒、相關(guān)統(tǒng)計公報等資料，這些指標(biāo)直接或間接地反映了國土空間變化的社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素。

3.2 確定國土空間分區(qū)指標(biāo)與方法

國土空間分區(qū)采用gCLUTO（Graphical ClusteringToolkit）軟件提供的重復(fù)二分聚類方法完成。gCLUTO軟件能夠有效完成高維數(shù)據(jù)的高效聚類，并通過bootstrap抽樣消除參與聚類數(shù)據(jù)本身的不確定性，提高聚類結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性[16-17]。重復(fù)二分聚類方法是一種劃分聚類方法，通過遞歸的二分完成聚類，能夠以較小的計算資源完成高質(zhì)量的聚類結(jié)果[18-19]。在聚類過程中，選擇式（1）所示的余弦函數(shù)作為相似度函數(shù)，選擇式（2）所示的I2函數(shù)作為聚類準(zhǔn)則函數(shù)。將每個縣（區(qū)）作為聚類對象，聚類完成后，將屬于同一類的縣（區(qū)）合并，形成一個空間分區(qū)。

式（1）中，di和dj為包含兩個對象屬性的矢量，dti為di的轉(zhuǎn)置，‖di‖和‖dj‖分別為di和dj的模。

式（2）中，k為聚類個數(shù)，Si是第i個類，di和dj為屬于Si的兩個對象。

選取墾殖率、城鄉(xiāng)建設(shè)強度、生態(tài)覆蓋度3個指標(biāo)來表征國土空間功能類型。將其與自然和社會經(jīng)濟(jì)因子做相關(guān)性分析，確定與國土空間特征密切相關(guān)的自然和社會經(jīng)濟(jì)因素，作為國土空間分區(qū)輔助變量?；谙嚓P(guān)性分析結(jié)果，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間采用墾殖率、戶籍人口、第一產(chǎn)業(yè)增加值、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、糧食總產(chǎn)量、年平均降水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、光溫生產(chǎn)潛力、高程、坡度共10個變量進(jìn)行分區(qū)。城鄉(xiāng)建設(shè)空間采用二級分區(qū)，首先采用城鄉(xiāng)建設(shè)強度、戶籍人口、GDP、第二產(chǎn)業(yè)增加值、公共財政收入、公共財政支出、居民儲蓄存款余額、年末金融機(jī)構(gòu)各項貸款余額、規(guī)模以上工業(yè)總產(chǎn)值、固定資產(chǎn)投資、普通中學(xué)在校學(xué)生數(shù)、小學(xué)在校學(xué)生數(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)床位數(shù)、高程、坡度共15個變量進(jìn)行一級聚類，然后對城鄉(xiāng)建設(shè)強度最大的一類（城市群地區(qū)）按照空間坐標(biāo)進(jìn)行二級聚類分區(qū)。生態(tài)保育空間采用生態(tài)覆蓋度、年平均降雨量、年平均溫度、NDVI、土壤有機(jī)質(zhì)含量、光溫生產(chǎn)潛力、高程、坡度、≥10℃積溫、干燥度共10個變量進(jìn)行分區(qū)。

3.3 確定國土空間分區(qū)數(shù)

空間分層分異特性分析地理探測器被廣泛用于探測各類因變量和結(jié)果變量的相關(guān)性[20]。將分區(qū)結(jié)果作為因變量，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、城鄉(xiāng)建設(shè)空間、生態(tài)保育空間等分別作為結(jié)果變量。理想的分區(qū)方法應(yīng)該能夠使得分區(qū)結(jié)果體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鄉(xiāng)建設(shè)、生態(tài)保育3類空間各自的空間分異性。本文采用地理探測器的空間分區(qū)分異性指數(shù)q值來衡量分區(qū)效果。q值的計算方法為：

式（3）中，n為所有縣（區(qū)）數(shù)目，nh為第h個分區(qū)內(nèi)的縣（區(qū)）數(shù)目，L為分區(qū)數(shù)，δ2h為第h個分區(qū)內(nèi)結(jié)果變量的方差，δ2為整個研究區(qū)域內(nèi)結(jié)果變量的方差。q取值為0—1之間。對于相同分區(qū)數(shù)，q值越大說明分區(qū)效果越好。對于不同分區(qū)數(shù)，q值一般隨著分區(qū)數(shù)的增加而增大，但是由于分區(qū)數(shù)增大（監(jiān)測點增多）會增加監(jiān)測成本，因此通過繪制邊際效益曲線并尋找邊際效益曲線的拐點來確定最佳分區(qū)數(shù)。

3.4 設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

優(yōu)化目標(biāo)主要考慮監(jiān)測樣點對不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間類型、城鄉(xiāng)建設(shè)空間類型、生態(tài)保育空間類型的代表性，以及地理空間分布的均勻性。因此，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)計如式（4）所示：

式（4）中，f1（s）為監(jiān)測樣點對不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間類型的代表性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，f2（s）為監(jiān)測樣點對不同的城鄉(xiāng)建設(shè)空間類型的代表性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，f3（s）為監(jiān)測樣點對不同的生態(tài)保育空間類型的代表性優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，f4（s）為地理空間均勻分布優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，分別定義為式（5）—式（8）：

式（5）中，L為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間分區(qū)數(shù)，τh為位于第h個分區(qū)內(nèi)的監(jiān)測點數(shù)目。當(dāng)每個分區(qū)內(nèi)都有一個監(jiān)測點時，f1（s）取值最小。

式（6）中，L為城鄉(xiāng)建設(shè)空間分區(qū)數(shù)，τh為位于第h個分區(qū)內(nèi)的監(jiān)測點數(shù)目。當(dāng)每個分區(qū)內(nèi)都有一個監(jiān)測點時，f2（s）取值最小。

式（7）中，L為生態(tài)保育空間分區(qū)數(shù)，τh為位于第h個分區(qū)內(nèi)的監(jiān)測點數(shù)目。當(dāng)每個分區(qū)內(nèi)都有一個監(jiān)測點時，f3（s）取值最小。

式（8）中，N為全國監(jiān)測點總數(shù)，ci表示第i個縣（區(qū)），s表示距離ci最近的監(jiān)測點，distance（ci，s）表示ci和s之間的距離。f4（s）即最短距離最?。∕inimization of the Mean of the Shortest Distances，MMSD）準(zhǔn)則，經(jīng)常被用于以地理空間均勻為目的采樣布設(shè)優(yōu)化[21]。

3.5 多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化求解

為了同時優(yōu)化多個目標(biāo)函數(shù)，同步實現(xiàn)對3類分區(qū)的代表性和地理空間的代表性，采用多路空間模擬退火方法（Multi-Path Spatial Simulated Annealing，MP-SSA）進(jìn)行優(yōu)化求解。該方法基于空間模擬退火（Spatial Simulated Annealing，SSA），通過為每個優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置單獨的降溫路徑和終止條件實現(xiàn)對多個目標(biāo)的同步優(yōu)化，解決了SSA只能進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化的問題。優(yōu)化迭代過程中新解是否接受由所有路徑共同決定，實行一票否決制。每個目標(biāo)依據(jù)Metropolis 準(zhǔn)則確定是否接受新解，即用式（9）依次計算每一個目標(biāo)對新解的接受概率：

生成0—1之間的隨機(jī)數(shù)rand，如果rand＜pi，則目標(biāo)fi的判斷結(jié)果為接受，否則目標(biāo)fi的判斷結(jié)果為不接受。完成針對每個目標(biāo)的判斷后，判斷是否存在目標(biāo)fi選擇拒絕s2，如果存在，則拒絕s2；否則選擇接受。

在優(yōu)化過程中，為每個退火路徑設(shè)置了同樣的降溫參數(shù)和終止條件。設(shè)置初始溫度為1，降維速度為0.95，最低溫度為1×10-15。終止條件為連續(xù)拒絕100次。

圖2 不同國土空間分類數(shù)q值曲線Fig.2 The q value change curve with different territorial land zoning numbers

4 國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方案

4.1 國土“三生”空間分區(qū)方案

基于地理探測器q統(tǒng)計方法，確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、城鄉(xiāng)建設(shè)空間、生態(tài)保育空間的最佳分類數(shù)量。三類國土空間各自的分類數(shù)q值曲線如圖2所示。根據(jù)q值曲線變化規(guī)律，確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的分類數(shù)為16類，城鄉(xiāng)建設(shè)空間的分類數(shù)為12類，生態(tài)保育空間的分類數(shù)為18類。其中，城鄉(xiāng)建設(shè)空間的第一類主要是高度城市化地區(qū)，為進(jìn)一步凸顯其內(nèi)部差異，基于空間坐標(biāo)進(jìn)行了二級聚類分區(qū)，細(xì)分成23個亞類，即城鄉(xiāng)建設(shè)空間共計分為34類。其中，23個亞類與城市群的空間分布特征具有很強的空間契合度。國土“三生”空間不同分區(qū)目標(biāo)變量均值如表1所示，其中某些分區(qū)之間的目標(biāo)變量均值相近，但是輔助變量存在較大差異，因此單獨分成了一類。

表1 國土“三生”空間不同分區(qū)的目標(biāo)變量均值表Tab.1 Mean values of target variables regarding different agricultural production, construction and ecology zones

4.2 國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方案

基于上述模型，在精度要求范圍內(nèi)，可形成多套監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局備選方案，理論上來講，這些方案均符合科學(xué)布點要求。這時，需要專家知識介入，根據(jù)國土空間監(jiān)測實踐工作的要求、各地監(jiān)測點布設(shè)的均衡性與可行性等因素，從多套方案中優(yōu)選出監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局參考方案。

圖3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間監(jiān)測點分布圖Fig.3 Agricultural production zones and monitoring samples

圖4 城鄉(xiāng)建設(shè)空間監(jiān)測點分布圖Fig.4 Urban-rural construction zones and monitoring samples

圖5 生態(tài)保育空間監(jiān)測點分布圖Fig.5 Ecological protection zones and monitoring samples

最終，形成了由34個縣域監(jiān)測點形成的國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方案，其中，每個點均代表1種類型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鄉(xiāng)建設(shè)、生態(tài)保育空間（圖3—圖5）。34個點空間分布均勻，基本上每省都有監(jiān)測點（圖6）。通過與農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃、生態(tài)功能區(qū)劃、城鎮(zhèn)化發(fā)展綜合區(qū)劃、主體功能區(qū)劃等已有空間分區(qū)成果進(jìn)行空間比對分析，上述監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局方案能夠?qū)崿F(xiàn)對主要國土空間類型的全面覆蓋，可為國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實踐提供參考依據(jù)。

圖6 國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局方案Fig.6 Land monitoring network optimal distribution

5 國土空間監(jiān)測基地精準(zhǔn)選址

上述國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方案是在考慮有限因素條件下形成的理論方案，可用于全國尺度國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局時對監(jiān)測樣點的數(shù)量、空間位置及輻射區(qū)域進(jìn)行總體控制。實際工作中，要把監(jiān)測樣點建成監(jiān)測基地來開展具體監(jiān)測工作。監(jiān)測基地的精準(zhǔn)選址涉及的因素更為復(fù)雜，當(dāng)?shù)氐幕亟ㄔO(shè)意愿、基礎(chǔ)科研條件、科研體制機(jī)制等往往是基地選址中需要考慮的現(xiàn)實因素，但是受數(shù)據(jù)獲取條件等的影響，在上述模型中難以量化和體現(xiàn)，理論上本模型所采用的指標(biāo)集是不完備集，因此，監(jiān)測基地實際選點過程中，還要在本文提出的方案基礎(chǔ)上，充分考慮多種因素，基于科學(xué)決策程序，對監(jiān)測樣點進(jìn)行適當(dāng)替換、調(diào)整，在維護(hù)選點科學(xué)性的同時，兼顧可行性。

表2 國土空間監(jiān)測樣點與國土空間分區(qū)類型對應(yīng)關(guān)系表Tab.2 Correspondence between land monitoring samples and the types of land zoning

5.1 決策因素

監(jiān)測基地服務(wù)于國土空間監(jiān)管和科學(xué)研究等復(fù)合目標(biāo)[12]。基地選址時要綜合考慮以下因素：（1）選址具有地域代表性，能夠代表所在地域的特點，在自然資源稟賦條件、土地利用方式、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有典型的地域特色，優(yōu)先選擇自然條件有特色、國土空間變化劇烈、人為活動干擾大、土地管理和利用特征顯著的地區(qū)作為監(jiān)測基地；（2）研究主題符合學(xué)科發(fā)展的需求，具有學(xué)科代表性及鮮明的研究特色和明確的近、中、遠(yuǎn)期研究目標(biāo)，便于建設(shè)由監(jiān)測基地—監(jiān)測站點—監(jiān)測樣地形成的多級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系；（3）具有高水平的科技研發(fā)平臺與團(tuán)隊、強有力的保障團(tuán)隊和健全完善的科技制度體系；（4）具有相對完善的科研基礎(chǔ)條件，在相關(guān)研究領(lǐng)域具有扎實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和成果積累，具有必需的儀器設(shè)備、科研設(shè)施和場地，能夠保障數(shù)據(jù)觀測的便捷性和穩(wěn)定性；（5）具有基地建設(shè)的積極性，能夠保障穩(wěn)定的運行經(jīng)費來源；（6）具有科技協(xié)同創(chuàng)新組織能力，能夠吸納所在區(qū)域的科技研發(fā)機(jī)構(gòu)開展協(xié)同攻關(guān)；（7）具有成果示范與轉(zhuǎn)化的便捷條件，便于科技成果轉(zhuǎn)化與推廣，能夠形成較好的科技示范效應(yīng)。

5.2 科學(xué)流程

建議在綜合考量上述因素的基礎(chǔ)上，充分利用專家知識，采用“上下結(jié)合”的決策模式和科學(xué)程序確定縣域監(jiān)測基地選址。充分發(fā)揮專家在選址科學(xué)決策中的作用，由來自國家、區(qū)域、市縣不同層級的土地管理、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、城市等相關(guān)專業(yè)的科研工作者、公共管理決策者、企業(yè)專家組成咨詢委員會，按照國家需求，結(jié)合地方實際，科學(xué)選址。同時，通過考核，對基地選點的科學(xué)性進(jìn)行長期跟蹤評估，優(yōu)化調(diào)整。

6 結(jié)論與討論

構(gòu)建國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)國土空間多級、綜合、動態(tài)監(jiān)測，對于及時掌握國土空間變化規(guī)律，揭示其自然、社會因子影響機(jī)制，研究優(yōu)化調(diào)控機(jī)理，制定國土空間開發(fā)與優(yōu)化調(diào)控政策具有重要意義。本文基于多目標(biāo)優(yōu)化方法，提出了國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化參考方案，可用于國土空間變化數(shù)據(jù)的持續(xù)觀測，還可為土地領(lǐng)域的野外觀測基地布點提供參考,并有望為自然資源綜合監(jiān)管、國土空間監(jiān)管、土地調(diào)查數(shù)據(jù)核查、土地督察、土地政策實施效應(yīng)評估等自然資源管理工作提供支撐。

相關(guān)技術(shù)方法可為下一步重點區(qū)域精細(xì)化國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供參考。在全國不同區(qū)域構(gòu)建起集標(biāo)準(zhǔn)化與差異化為一體的區(qū)域性國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，獲取第一手國土空間系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，對支撐相關(guān)基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提升國土資源科技支撐服務(wù)水平，加快學(xué)科、平臺和隊伍建設(shè)具有重要意義。

及時開展國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建理論、技術(shù)研究與實踐探索，對于推動形成地學(xué)大數(shù)據(jù)，構(gòu)建完善的人地關(guān)系認(rèn)知、診斷與調(diào)控體系是非常必要的。國土空間多級綜合動態(tài)監(jiān)測體系的構(gòu)建依賴于互聯(lián)網(wǎng)思維下多視角探測與分析技術(shù)的集成應(yīng)用。要將遙感技術(shù)的宏觀監(jiān)測優(yōu)勢、地面監(jiān)測的精細(xì)化優(yōu)勢、GIS、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的集成化優(yōu)勢以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的深度挖掘優(yōu)勢等結(jié)合起來，全視角研究、揭示國土空間系統(tǒng)變化的科學(xué)規(guī)律，加強對國土空間系統(tǒng)的全面認(rèn)知、綜合診斷與優(yōu)化調(diào)控，形成國土空間持續(xù)利用科學(xué)決策支撐體系。

參考文獻(xiàn)（References）：

［1］ 生態(tài)文明體制改革總體方案［EB/OL］ . http: //news.xinhuanet.com/politics/2015 - 09/21/c_1116632159.htm，2015 - 09 - 21.

［2］ 自然生態(tài)空間用途管制辦法（試行）［EB/OL］ . http: //www.mlr.gov.cn/zwgk/zytz/201704/t20170424_1499615.htm.

［3］ 建立國家公園體制總體方案［EB/OL］ . http://news.xinhuanet. com/politics/2017-09/26/c_1121727905. htm，2017 - 09 - 26.

［4］ 趙士洞. 美國國家生態(tài)觀測站網(wǎng)絡(luò)（ NEON）—概念、設(shè)計和進(jìn)展［J］ . 地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20（5）：578 - 583.

［5］ 任娟，肖洪浪，李錦秀，等. 美國大尺度綜合環(huán)境觀測站網(wǎng)計劃介紹及其相關(guān)研究［J］ . 地球科學(xué)進(jìn)展，2008，23（3）：327 - 330.

［6］ 國土資源部. 國土資源部中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）［EB/OL］ . http: //www.mlr.gov.cn/tdzt/zxgz/kyzx/xgwj/201004/t20100429_717352.htm.

［7］ 國土資源部. 國土資源“十三五”科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃［EB/OL］ . http: //www.mlr.gov.cn/zwgk/zytz/201609/t20160914_1417105.htm.

［8］ P. H. Verburg, N. Crossman, E. C. Ellis, et al. Land system science and sustainable development of the earth system: A global land project perspective［J］ . Anthropocene，2015，（12）：29 - 41.

［9］ P. H. Verburg, K. H. Erb, O. Mertz, et al. Land System Science: between global challenges and local realities［J］ .Current Opinion in Environmental Sustainability，2013，（5）：433 - 437.

［10］ 馮廣京. 關(guān)于土地科學(xué)學(xué)科視角下“土地（系統(tǒng)）”定義的討論［J］ . 中國土地科學(xué)，2015，29（12）：1 - 10.

［11］ 馮廣京. 土地科學(xué)學(xué)科獨立性及學(xué)科體系研究框架［M］ .北京：中國社會科學(xué)出版社，2015：39 - 99.

［12］ 張衍毓，郭旭東，陳美景. 土地系統(tǒng)多級綜合觀測研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)框架［J］ . 中國土地科學(xué)，2016，30（7）：4 - 13.

［13］ 張衍毓，陳美景. 國土空間系統(tǒng)認(rèn)知與規(guī)劃改革構(gòu)想［J］ .中國土地科學(xué)，2016，30（2）：11 - 21.

［14］ 中華人民共和國國土資源部，國務(wù)院第二次全國土地調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室. 第二次全國土地調(diào)查成果分析［M］ .北京：地質(zhì)出版社，2017.

［15］ 劉紀(jì)遠(yuǎn)，匡文慧，張增祥，等. 20世紀(jì)80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局［J］ . 地理學(xué)報，2014，69（1）：3 - 14.

［16］ Matt Rasmussen, George Karypis. gCLUTO: An interactive clustering, visualization, and analysis system［R］ . Technical Report TR-04-021, University of Minnesota，2004.

［17］ Zhao Y., Karypis G. Clustering in the life sciences［A］ . M.Brownstein, A. Khodursky, D. Conniffe. Functional Genomics:Methods and Protocols［M］ . New Jersey: Humana Press.

［18］ Zhao Y., Karypis G. Criterion functions for document clustering: Experiments and analysis［J］ . Machine Learning，2004，55：311 - 331.

［19］ Desikan K., Grace G. H. Optimal Clustering Scheme for Repeated Bisection Partitional Algorithm［J］ . International Journal of Engineering Research and Applications，2013，3（5）：1492 - 1495.

［20］ Wang J., Li X., George C., et al. Geographical Detectors-Based Health Risk Assessment and its Application in the Neural Tube Defects Study of the Heshun Region, China［J］ .International Journal of Geographical Information Science，2010，24（1）：107 - 127.

［21］ Van Groenigen J. W., Siderius W., Stein A. Constrained optimisation of soil sampling for minimisation of the kriging variance［J］ . Geoderma，1999，87（3 - 4）：239 - 259.