基于CA-Markov模型的國(guó)土空間結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化研究
——以沁源縣為例

任玉鵬

（山西華業(yè)土地礦產(chǎn)資源咨詢有限公司，山西 太原030001）

1 區(qū)域概況分析

沁源縣地處太岳山東麓，是開發(fā)與保護(hù)并重的典型縣，作為一個(gè)煤炭資源型縣區(qū)，工礦企業(yè)集聚，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)，用地需求相對(duì)較為突出；同時(shí)，又以綠色立縣，森林覆蓋率超過56.7%，居山西省之首，有“油松之鄉(xiāng)”“中國(guó)天然氧吧”等稱號(hào)；開發(fā)與保護(hù)的矛盾是關(guān)系沁源縣發(fā)展的首要問題。在轉(zhuǎn)型發(fā)展的大背景下，各類產(chǎn)業(yè)發(fā)展深受當(dāng)前國(guó)土空間結(jié)構(gòu)與布局不合理的影響。隨著國(guó)土空間規(guī)劃的不斷深入推進(jìn)，各類用地結(jié)構(gòu)矛盾日益突出，國(guó)土空間結(jié)構(gòu)與布局優(yōu)化勢(shì)在必行。

2018年末，全縣總?cè)丝?6.38萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口7.54萬(wàn)人，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入32507元，農(nóng)村居民人均純收入13714元。全年地區(qū)生產(chǎn)總值136.3億元，固定資產(chǎn)投資50.1億元。

2 國(guó)土空間演變特征

2.1 國(guó)土空間識(shí)別

國(guó)土空間識(shí)別是開展國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變特征分析的重要基礎(chǔ)，也是進(jìn)行結(jié)構(gòu)與布局優(yōu)化的主要依據(jù)[1]，本研究從“城鎮(zhèn)—農(nóng)業(yè)—生態(tài)”三類空間角度進(jìn)行劃分識(shí)別：將耕地、園地、溝渠、設(shè)施農(nóng)用地和田坎識(shí)別為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間，村莊和農(nóng)村道路識(shí)別為農(nóng)村生活空間，建制鎮(zhèn)、采礦用地、風(fēng)景名勝及特殊用地、公路用地和鐵路用地識(shí)別為城鎮(zhèn)發(fā)展空間，林地、草地、沙地和裸地識(shí)別為生態(tài)陸地空間，河流水面、水庫(kù)水面、坑塘水面、內(nèi)陸灘涂和水工建筑用地識(shí)別為生態(tài)水域空間。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和農(nóng)村生活空間共同構(gòu)成農(nóng)業(yè)空間，生態(tài)陸地空間和生態(tài)水域空間一起組成生態(tài)空間，城鎮(zhèn)發(fā)展空間構(gòu)成城鎮(zhèn)空間。

2.2 國(guó)土空間結(jié)構(gòu)演變分析

2.2.1 國(guó)土空間面積變化

通過提取各類型國(guó)土空間用地面積，發(fā)現(xiàn)沁源縣國(guó)土空間結(jié)構(gòu)在2010年、2014年與2018年3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)總體呈現(xiàn)“二升二降一波動(dòng)”的趨勢(shì)。其中，城鎮(zhèn)發(fā)展空間表現(xiàn)為前4年增長(zhǎng)顯著，后4年增長(zhǎng)幅度放緩的趨勢(shì)，2010—2014年期間，面積增長(zhǎng)64.93 hm2，2014—2018年期間增長(zhǎng)21.18 hm2；農(nóng)村生活空間增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于城鎮(zhèn)發(fā)展空間，2010—2014年期間，農(nóng)村生活空間面積增長(zhǎng)85.51 hm2，2014—2018年期間增長(zhǎng)39.89 hm2；生態(tài)陸地空間和生態(tài)水域空間用地面積持續(xù)下降；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間呈現(xiàn)先升后降的變化情況。

2.2.2 國(guó)土空間轉(zhuǎn)移矩陣

為了深入分析沁源縣國(guó)土空間結(jié)構(gòu)和布局變化的內(nèi)在機(jī)理，并全面體現(xiàn)沁源縣國(guó)土空間演變的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究利用ArcGIS軟件將2010—2014年、2014—2018年、2010—2018年3個(gè)時(shí)間段各類型國(guó)土空間的轉(zhuǎn)移情況生成轉(zhuǎn)移矩陣，為利用CA-Markov模型進(jìn)行國(guó)土空間格局模擬奠定數(shù)據(jù)演變分析基礎(chǔ)。

3 國(guó)土空間格局模擬

3.1 CA-Markov模型

傳統(tǒng)的Markov模型在土地利用變化趨勢(shì)研究方面應(yīng)用較為普遍，但是只局限于時(shí)間上的變化，難以預(yù)測(cè)空間布局上的變化[2]。傳統(tǒng)的CA模型在空間運(yùn)算及預(yù)測(cè)方面表現(xiàn)突出，卻傾向于元胞局部相互作用，轉(zhuǎn)換規(guī)則難以明確。CA-Markov模型集成了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在土地利用現(xiàn)狀圖中，將每1個(gè)柵格當(dāng)成1個(gè)元胞，空間分類為元胞的狀態(tài)，利用空間分類轉(zhuǎn)移概率矩陣和轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行測(cè)算，確定每個(gè)元胞的轉(zhuǎn)移概率，從而模擬國(guó)土空間轉(zhuǎn)移變化，達(dá)到從時(shí)間和空間角度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)國(guó)土空間格局的效果[3]。

Markov模型進(jìn)行國(guó)土空間利用狀態(tài)預(yù)測(cè)的公式為：

式（1）中：A（t+1）、A（t）分別為t+1、t時(shí)刻空間分類情況；Pij為概率轉(zhuǎn)移矩陣。

CA模型運(yùn)算公式為：

式（2）中：B為元胞狀態(tài)；t+1、t為某個(gè)時(shí)間；X為元胞鄰域；Y為元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

3.2 約束條件和影響因素

約束條件表現(xiàn)為二值圖，體現(xiàn)的是“是”與“否”，綜合考慮沁源縣約束實(shí)際情況，本研究選取基本農(nóng)田、生態(tài)保護(hù)紅線、水域以及現(xiàn)狀建設(shè)用地作為沁源縣國(guó)土空間發(fā)展的限制區(qū)域，即約束條件。

各類型國(guó)土空間的時(shí)空分布受到眾多因素的影響，本研究選取人口密度、地形、距交通干線距離、距重點(diǎn)城鎮(zhèn)距離、距水系距離等6個(gè)因素。

3.3 適宜性圖集

在IDRISI軟件的MCE模塊下，本研究綜合利用加權(quán)線性合并法和布爾交叉法制作沁源縣國(guó)土空間適宜性圖集，如圖1～5所示。

圖1 城鎮(zhèn)發(fā)展空間適宜性圖像

圖2 農(nóng)村生活空間適宜性圖像

圖3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間適宜性圖像

圖4 生態(tài)水域空間適宜性圖像

圖5 生態(tài)陸地空間適宜性圖像

3.4 國(guó)土空間格局模擬

3.4.1 2018年國(guó)土空間格局模擬及檢驗(yàn)

在IDRISI軟件的CA-Markov模塊下，本研究以沁源縣2014年國(guó)土空間分布圖為基礎(chǔ)圖像，并代入2010—2014年的國(guó)土空間轉(zhuǎn)移矩陣，模擬得到2018年國(guó)土空間格局，然后利用IDRISI軟件CROSS TAB模塊進(jìn)行模擬精度檢驗(yàn)，得到Kappa系數(shù)為85.96%，表明模擬效果較好，該模型模擬沁源縣國(guó)土空間格局具有較高的可行性。

3.4.2 2035年國(guó)土空間格局模擬

以沁源縣2018年國(guó)土空間格局分布圖為基礎(chǔ)，將沁源縣2010—2018年這個(gè)時(shí)間段的國(guó)土空間轉(zhuǎn)移矩陣代入CA-Markov模型，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為17，對(duì)研究區(qū)2035年國(guó)土空間格局進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到2035年國(guó)土空間格局模擬圖，如圖6所示。

圖6 2035年國(guó)土空間模擬圖

3.4.3 模擬結(jié)果與現(xiàn)狀對(duì)比

利用IDRISI軟件，將2018年現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和2035年模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)比對(duì)，將其結(jié)果導(dǎo)入ArcGis軟件，得到空間轉(zhuǎn)移情況，城鎮(zhèn)發(fā)展空間大幅增加，由2018年的1197.99 hm2，增加至5508.00 hm2，增比359.77%，主要轉(zhuǎn)入部分為生態(tài)陸地空間；農(nóng)村生活空間小幅增加；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間增加12874.95 hm2，增比48.22%，主要來源為生態(tài)陸地空間；生態(tài)陸地空間大幅減少，減少面積為21302.19 hm2，減少面積占比9.62%，可見生態(tài)陸地空間為沁源縣未來國(guó)土空間規(guī)劃期間可利用土地的主要來源。

國(guó)土空間規(guī)劃期間，沁源縣依托優(yōu)越的生態(tài)優(yōu)勢(shì)以及豐富的各類資源儲(chǔ)量，以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人口集聚效應(yīng)將更加顯著，城鎮(zhèn)發(fā)展空間需求量突出，但是城鎮(zhèn)空間的向外持續(xù)擴(kuò)張蔓延，將破壞空間發(fā)展的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，對(duì)縣域優(yōu)越的生態(tài)本底條件構(gòu)成挑戰(zhàn)。因此，在考慮沁源縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，要堅(jiān)持“綠色立縣”的理念，注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

4 國(guó)土空間結(jié)構(gòu)與布局優(yōu)化

本研究以綜合效益最大化為目標(biāo)，綜合考慮沁源縣生態(tài)、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益，增加城鎮(zhèn)發(fā)展空間以及農(nóng)村生活空間為約束條件和影響因素，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整約束條件和影響因素的權(quán)重，得到空間約束下的適宜性圖集，優(yōu)化2035年空間布局，實(shí)現(xiàn)空間資源的優(yōu)化配置。

4.1 約束條件和影響因素

4.1.1 城鎮(zhèn)開發(fā)邊界

城鎮(zhèn)開發(fā)邊界通過對(duì)城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模進(jìn)行剛性約束，限制城鎮(zhèn)空間無(wú)序擴(kuò)張，增加城鎮(zhèn)空間的發(fā)展約束，從而引導(dǎo)城鎮(zhèn)集約緊湊發(fā)展，同時(shí)達(dá)到有效保護(hù)耕地與各類生態(tài)用地的目的[4]。城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍如圖7所示。

圖7 城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍

4.1.2 距農(nóng)村居民點(diǎn)的距離

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，農(nóng)村生活空間不減反增，為了限制農(nóng)村生活空間無(wú)序擴(kuò)展，故在優(yōu)化環(huán)節(jié)增加距離農(nóng)村居民點(diǎn)距離影響因素。農(nóng)村居民點(diǎn)歐式距離如圖8所示。

圖8 農(nóng)村居民點(diǎn)歐式距離圖

4.2 布局優(yōu)化結(jié)果

在IDRISI平臺(tái)下，通過調(diào)整約束條件和影響因素的權(quán)重，每輪迭代運(yùn)算完成后，對(duì)全縣空間類型面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量化，并與數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，使布局優(yōu)化結(jié)果逐漸接近數(shù)量約束，最終得到各類型國(guó)土空間數(shù)量約束下沁源縣國(guó)土空間布局優(yōu)化圖，如圖9所示。

圖9 2035年國(guó)土空間布局優(yōu)化圖

優(yōu)化后，城鎮(zhèn)發(fā)展空間減少3010.66 hm2，農(nóng)村生活空間減少125.39 hm2，生態(tài)陸地空間增加4022.31 hm2，城鎮(zhèn)發(fā)展空間和農(nóng)村生活空間規(guī)模擴(kuò)張程度得到有效遏制，生態(tài)陸地空間保護(hù)成效顯著，國(guó)土空間結(jié)構(gòu)較優(yōu)化前更加合理。從空間布局角度看，城鎮(zhèn)空間略微擴(kuò)張的同時(shí)，生態(tài)空間有所增加，國(guó)土空間整體布局由集中化發(fā)展向均衡化發(fā)展轉(zhuǎn)變，生態(tài)空間戰(zhàn)略地位顯著提升，與城鎮(zhèn)空間處于協(xié)同發(fā)展態(tài)勢(shì)，說明在考慮綜合效益最大化的目標(biāo)下，沁源縣國(guó)土空間結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化效果良好。

5 結(jié)論與討論

黨的十八大指出，以“促進(jìn)生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀”為目標(biāo)要求，將優(yōu)化國(guó)土空間開發(fā)格局作為生態(tài)文明建設(shè)的首要舉措。本研究圍繞該目標(biāo)，基于國(guó)土空間規(guī)劃視角，對(duì)沁源縣國(guó)土空間結(jié)構(gòu)和布局如何優(yōu)化進(jìn)行了分析實(shí)踐，優(yōu)化后可以有效減少城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張規(guī)模，保護(hù)生態(tài)空間，促進(jìn)國(guó)土空間整體化、均衡化、可持續(xù)化發(fā)展[5]，在此基礎(chǔ)上探討國(guó)土空間規(guī)劃視域下縣級(jí)國(guó)土空間發(fā)展的理論模式，為縣級(jí)國(guó)土空間及區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供依據(jù)和實(shí)踐參考。