“多規(guī)合一”視域下國土空間規(guī)劃方法探討

文/王豐、張駿杰 江蘇金寧達房地產(chǎn)評估規(guī)劃測繪咨詢有限公司 江蘇南京 210036

張駿杰 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 100083

國土空間是由水域、陸地及領(lǐng)空等組成的地域空間，其包含了土地、人口、產(chǎn)業(yè)、礦產(chǎn)資源等要素[1]。我國國土空間面積遼闊，但是適宜生存和發(fā)展的空間有限，人類對于空間的開發(fā)直接造成了土地供給與需求的不平衡，這些制約使得合理利用與規(guī)劃空間成為必要，國土空間規(guī)劃作為合理布局國土空間和開發(fā)利用的規(guī)劃[2]應(yīng)運而生。我國將過去與土地利用空間相關(guān)的規(guī)劃進行融合并形成為一套國土空間規(guī)劃體系，即“多規(guī)合一”。目前針對“多規(guī)合一”的國土空間規(guī)劃研究多數(shù)停留在理論層面，缺乏有效的解決方案。因此，探討如何運用科學(xué)有效的方法實現(xiàn)“多規(guī)合一”對推進我國國土空間規(guī)劃編制和管理具有重要的研究意義。

1、空間規(guī)劃進展及方法研究現(xiàn)狀

1.1 存在問題與進展

改革開放以來，我國經(jīng)濟的快速且持續(xù)增長，工業(yè)化及城鎮(zhèn)化的快速推進使得我國國土空間發(fā)生重大變化[3]。雖然這種變化推動了我國社會經(jīng)濟的進步，但同時也帶來不少需要重視的問題，例如生態(tài)環(huán)境惡化與工業(yè)化發(fā)展的矛盾、耕地資源減少過快、城鄉(xiāng)發(fā)展不協(xié)調(diào)、開發(fā)強度過大等，因此必須統(tǒng)籌謀劃未來空間規(guī)劃的戰(zhàn)略格局，促進社會與國土空間協(xié)調(diào)發(fā)展，形成科學(xué)有效的規(guī)劃方法。

我國主流的規(guī)劃主要有城鄉(xiāng)總體規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃、主體功能區(qū)劃等，各類規(guī)劃從部門利益出發(fā)，實行自己的一套規(guī)劃體系和分類標(biāo)準(zhǔn)，致使多個規(guī)劃重復(fù)實施、口徑不一，造成了社會資源的浪費。同時出現(xiàn)規(guī)劃不協(xié)調(diào)，形成多種重復(fù)沖突的區(qū)域，在缺乏主管部門牽頭協(xié)調(diào)的情況下，往往造成部門職能交叉難以有效推進的僵局。為此，習(xí)近平總書記在十八大會議及中央城鎮(zhèn)化工作會議上提出，要大力推進生態(tài)文明建設(shè)，編制統(tǒng)一的空間規(guī)劃。隨后，十三屆人大一次會議表決通過了關(guān)于國務(wù)院機構(gòu)改革方案的決定，批準(zhǔn)成立自然資源部：國土資源部整合國土資源部的職責(zé)，國家發(fā)展和改革委員會的組織編制主體功能區(qū)規(guī)劃職責(zé)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的城鄉(xiāng)規(guī)劃管理職責(zé)，水利部的水資源調(diào)查和確權(quán)登記管理職責(zé)，農(nóng)業(yè)部的草原資源調(diào)查和確權(quán)登記管理職責(zé)，國家林業(yè)局的森林、濕地等資源調(diào)查和確權(quán)登記管理職責(zé)，國家海洋局的職責(zé)，國家測繪地理信息局的職責(zé)，為建立“多規(guī)合一”的國土空間規(guī)劃體系確立了制度基礎(chǔ)。2019年1月初，全國人大公開征求《土地管理法》修正案草案征求意見稿，為“多規(guī)合一”預(yù)留空間，明確規(guī)劃改革完善的方向是多規(guī)統(tǒng)一合并為國土空間規(guī)劃。

1.2 方法研究現(xiàn)狀

“多規(guī)合一”視域下的國土空間規(guī)劃，核心為規(guī)劃方案的合一[4]，其本質(zhì)在于對國土空間資源的多種用途或多重功能的一種優(yōu)化配置，目前國內(nèi)外學(xué)者在國土空間資源優(yōu)化配置上的研究經(jīng)歷了從理論探索、數(shù)學(xué)方法構(gòu)建、結(jié)合GIS的空間布局優(yōu)化到人工智能算法領(lǐng)域探索的過程，主要研究國土空間演化的過程、格局及驅(qū)動因素，模擬國土空間的變化從而尋找國土空間演變的時空規(guī)律和區(qū)域分異特征，通過定性分析和定量研究相結(jié)合的方法，不斷探索影響空間發(fā)展的驅(qū)動因子，從而為下一步研究提供思路。

在國內(nèi)，針對我國國土空間規(guī)劃的研究側(cè)重點主要集中在“三生空間”協(xié)調(diào)發(fā)展、資源集約節(jié)約利用、生態(tài)環(huán)境保護、多重空間沖突優(yōu)化等，而從“多規(guī)合一”角度出發(fā)的空間規(guī)劃研究主要為多重空間的沖突優(yōu)化。多重空間的沖突問題有多種，包括單一規(guī)劃但由于土地多用途、多功能的屬性所導(dǎo)致的沖突，或者多種規(guī)劃的組合導(dǎo)致重疊等，不同學(xué)者根據(jù)自己的研究目的改進前人方法進行研究，追溯其研究方法的本源，不外乎線性規(guī)劃、CLUE-S模型、系統(tǒng)動力學(xué)等方法，本文根據(jù)這些方法的作用機理，按照其所解決問題的維度進行分類歸納。

2、現(xiàn)階段優(yōu)化配置方法

2.1 基于數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法

基于數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法起步較早，在完善理論后學(xué)者就開始引入數(shù)學(xué)領(lǐng)域的模型來進行定量計算，該方法主要從空間資源的數(shù)據(jù)著手，通過不同的影響因子或參數(shù)來組合構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，計算出最符合研究目的的分類方式。

2.1.1 線性規(guī)劃法

線性規(guī)劃法是一種確定的靜態(tài)模型，常用于求解多變量問題。該方法由目標(biāo)函數(shù)、決策變量和約束條件構(gòu)成，目標(biāo)函數(shù)即一元線性函數(shù)，決策變量為多個自變量，在國土空間中表現(xiàn)為土地的用途或利用方式，約束條件由線性代數(shù)式（等式或不等式）表示，該方法的標(biāo)準(zhǔn)形式如下[5]：

式中MaxZ為目標(biāo)函數(shù)公式，式（2）為約束條件，式（3）為決策變量的非負限制。

該方法依據(jù)調(diào)查所得的資料和社會發(fā)展需求，從社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益中選取一種作為規(guī)劃的目標(biāo)，其次劃分土地的用途或利用類型并確定各變量權(quán)重（通常采用專家打分法、AHP層次分析法或綜合平衡法），將剩余的效益作為約束條件并利用計算機技術(shù)解得最終結(jié)果，相比于傳統(tǒng)的人為調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)的方法，線性規(guī)劃法更具有科學(xué)性和可操作性。

實際上，國土空間是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，各變量之間并非簡單的線性關(guān)系就能描述清楚，變量的設(shè)定及參數(shù)設(shè)置均存在較多主觀因素，在目前階段的研究中該方法已經(jīng)顯得過時，不過該方法奠定了優(yōu)化配置方法的基礎(chǔ)，在這個基礎(chǔ)上又改進得出灰色線性規(guī)劃模型及多目標(biāo)規(guī)劃模型等方法。

2.1.2 灰色線性規(guī)劃模型

針對線性規(guī)劃法過于單一的缺陷，學(xué)者引入灰色變量使其具有動態(tài)模擬的特征，將部分變量的數(shù)值采用區(qū)間段的方式來設(shè)置，這樣可以使得模型結(jié)果不再單一，給研究提供了多種可能。相比于傳統(tǒng)的線性規(guī)劃法，該模型提供了多種規(guī)劃結(jié)果，更適用于空間資源的數(shù)量配置，但仍停留在線性關(guān)系層面。

2.1.3 多目標(biāo)規(guī)劃模型

針對以上兩種方法的不足，國外學(xué)者在前人方法中引入非劣解的思想，使得方程組不再是單一的線性函數(shù)，它可以根據(jù)研究人員的目的來設(shè)定多種目標(biāo)函數(shù)，并得出能平衡多種函數(shù)的解集。尤其是在國土空間規(guī)劃領(lǐng)域，通常要滿足不同規(guī)劃部門的規(guī)劃體系或目的，達到社會、生態(tài)和經(jīng)濟效益的相對最大化。通過對不同目標(biāo)函數(shù)權(quán)重的賦值，輔助計算機進行效益判斷，最終得出的解集供研究者挑選。該方法較好的解決了傳統(tǒng)線性方法的靜態(tài)問題，但是仍然停留在數(shù)量結(jié)構(gòu)層面，需要具體落到空間圖層中才能真正實現(xiàn)國土空間規(guī)劃。

2.1.4 系統(tǒng)動力學(xué)模型

系統(tǒng)動力學(xué)模型是一種建立在控制論、系統(tǒng)論和信息論基礎(chǔ)上的模型，該模型從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，通過對各空間之間及其與周圍環(huán)境間的正負反饋關(guān)系進行分析，從而模擬資源優(yōu)化配置的過程，適合解決長時間段的動態(tài)優(yōu)化問題（圖1）。該模型很好的跳出人為控制以求達到機器智能化，但是在模擬空間之間反饋關(guān)系時過于宏觀，難以研究空間單元之間的聯(lián)系及相互作用，同時系統(tǒng)動力學(xué)模型對于許多因素的確定存在較多定性，如何將其定量化是一個待解決的難題。

圖1 系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)圖[6]Fig.1 Structure diagram of system dynamics

2.2 基于空間布局調(diào)整的方法

傳統(tǒng)意義上的空間資源優(yōu)化配置僅僅在數(shù)量上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，隨著社會、經(jīng)濟及生態(tài)發(fā)展對國土空間規(guī)劃的要求逐步提高，國土空間規(guī)劃的重點轉(zhuǎn)向了空間布局調(diào)整，只有能落地的規(guī)劃才能更好地與實際相結(jié)合。利用GIS強大的空間信息處理功能解決傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以解決的問題，能更好地輔助研究人員進行可視化研究。

2.2.1 CLUE-S模型

CLUE-S模型主要用于研究土地利用與變化，該模型通過對土地利用變化與其所在區(qū)域的社會、經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境等因素之間的關(guān)系進行量化，運用系統(tǒng)論的方法處理不同土地利用類型之間的競爭關(guān)系，從而實現(xiàn)良好的空間模擬效果[7]。由于CLUE-S模型的友好性，其能與多種模型進行耦合優(yōu)化，兼容度較高，且自下而上從空間單元出發(fā)進行整個國土空間的優(yōu)化配置，達到良好的規(guī)劃效果（圖2）。目前該方法存在一定缺陷：過于考慮微觀單元，若某一環(huán)節(jié)設(shè)置有偏差，則得出的結(jié)果可能不理想，需要結(jié)合其他較宏觀的模型來進行改進。

圖2 CLUE-S結(jié)構(gòu)圖[8]Fig.2 Structure diagram of CLUE-S

2.2.2 多智能體系統(tǒng)

多智能體系統(tǒng)是由兩個及兩個以上主體所構(gòu)成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬了人的交互模式，不僅考慮主體自身的規(guī)則，同時需要對其他主體做出一定的回應(yīng)。該模型能很好地模擬不同情景下國土空間資源的演變過程，但是研究仍然停留在定性方面，僅考慮完全市場化背景，對于模擬尺度的大小、精度檢驗均存在空白，有待進一步探索。

圖3 多智能體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[9]Fig.3 Structure diagram of multi-agent system

2.2.3 元胞自動機

元胞自動機適用于時間空間均離散的研究，該模型沒有固定的函數(shù)或者方程組，而是由一系列規(guī)則所組成，因此元胞自動機實質(zhì)是一種模型框架[10]。轉(zhuǎn)換規(guī)則是其中最重要的部分，但是對于規(guī)則的定義具有很大的主觀經(jīng)驗，其尺度確定及效應(yīng)研究不足，目前大多數(shù)采用單一的規(guī)則格網(wǎng)進行國土空間單元劃分，缺乏社會經(jīng)濟屬性。

2.3 引入智能算法的方式

算法作為一種解決問題的邏輯方法，用于求解人類所不能直接計算的模型[11]。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能時代的來臨，越來越多的學(xué)者開始研究智能算法在國土空間規(guī)劃中的應(yīng)用。

由于僅做空間資源數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化或僅結(jié)合GIS進行空間布局優(yōu)化的方法對于影響變量的考慮均存在不足，學(xué)者們嘗試將其與其他學(xué)科的方法結(jié)合，如生物智能中的遺傳算法[12]、微粒群算法[13]、模擬退火算法[14]等，通過對智能算法適應(yīng)性的改造，提高算法求解效率，減少錯誤解的可能，目前已成國土空間規(guī)劃方法研究的主流方式。

3、多規(guī)合一視域下空間規(guī)劃方法

通過以上對現(xiàn)有適用于國土空間規(guī)劃方法的梳理，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)者針對國土空間資源優(yōu)化配置的方法研究從數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化著手，起初僅調(diào)整數(shù)據(jù)達到結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，在方法不斷的改進同時，結(jié)合GIS實現(xiàn)空間可視化，考慮到模型復(fù)雜程度的增加，又引入智能算法輔助解決方程并提供更多的解，同時為了彌補單一方法的缺陷，將多種方法進行組合來解決問題。綜上，未來基于“多規(guī)合一”視域下的國土空間規(guī)劃方法主要發(fā)展方向有以下幾個方面。

3.1 多目標(biāo)化

國土空間規(guī)劃是在人口和生產(chǎn)力科學(xué)布局下合理配置國土空間資源，對各類國土空間開發(fā)利用和保護修復(fù)做出有序分工，而在“多規(guī)合一”基礎(chǔ)上的國土空間規(guī)劃更多的需要考慮到不同規(guī)劃之間的協(xié)調(diào)和融合。在做該研究時不能僅考慮一種優(yōu)化目標(biāo)，需考慮到生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間布局協(xié)調(diào)且綜合利益最大化，促進城鄉(xiāng)融合，同時兼顧宏觀與微觀層面的發(fā)展，因此未來的國土空間規(guī)劃方法是一種基于多目標(biāo)發(fā)展的模型，目標(biāo)函數(shù)之間互相博弈與協(xié)調(diào)。

3.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

國土空間規(guī)劃的實施需要與實際相結(jié)合，真正落到地塊單元上實現(xiàn)“一張藍圖管到底”，隨著遙感技術(shù)的成熟和數(shù)據(jù)采集精度的提高，研究底圖的數(shù)據(jù)量已成幾何倍數(shù)增長，GIS等軟件中傳統(tǒng)的工具已經(jīng)難以實現(xiàn)復(fù)雜模型的求解和快速出圖，未來國土空間規(guī)劃的方法需引入能實現(xiàn)自我學(xué)習(xí)的人工智能算法等，結(jié)合編程軟件實現(xiàn)復(fù)雜模型的求解和巨量數(shù)據(jù)的處理，最后再在GIS、CAD軟件中實現(xiàn)規(guī)劃的可視化。

3.3 方法耦合

現(xiàn)階段無論何種方法均有其局限性，未來在進行國土空間規(guī)劃時需進行不同方法間耦合的嘗試，由于用于國土空間資源優(yōu)化配置的方法較多，因此可產(chǎn)生的耦合包括模型與模型的耦合、算法與模型的耦合[15]或者是多個模型的耦合等，如何選取合適有效且高效的方法是未來需要研究的方向，筆者認為可篩選合適的解釋變量進行方法有效性評價，以此選取出最優(yōu)的方法組合。

結(jié)語：

“多規(guī)合一”視域下的空間規(guī)劃，應(yīng)當(dāng)能為未來的國土空間發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，現(xiàn)階段如何將土地利用規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃、主體功能區(qū)規(guī)劃等空間規(guī)劃融合為統(tǒng)一的國土空間規(guī)劃缺乏有效的解決方案。而“多規(guī)合一”的本質(zhì)在于國土空間資源的優(yōu)化配置，本文通過梳理現(xiàn)階段已有研究方法，總結(jié)各方法適用性，分析得出未來的研究需以大數(shù)據(jù)為技術(shù)支撐，通過多種方法耦合的方式實現(xiàn)多個目標(biāo)利益最大化的國土空間規(guī)劃。除了自上而下將不同規(guī)劃疊加并利用不同數(shù)學(xué)模型和算法來優(yōu)化空間的方法外，筆者認為，通過自下而上的方式融合不同規(guī)劃的特征，重新定義各地類的組成要素或識別方式，從而構(gòu)建新型國土空間規(guī)劃方法和體系也是未來可以探索的方法之一。