蔣思琦，何建華（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢430079）

基于多智能體的城市生態(tài)保護紅線多情景模擬

蔣思琦，何建華*
（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢430079）

生態(tài)紅線劃定是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前的生態(tài)紅線劃定主要采用國家生態(tài)紅線劃分標(biāo)準來進行，沒有考慮與城市建設(shè)用地空間的相互協(xié)調(diào)，為了解決這一問題，以多智能體系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)構(gòu)建“城市建設(shè)用地—生態(tài)保護紅線”協(xié)調(diào)的決策模型，協(xié)調(diào)城市建設(shè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的現(xiàn)實需要，確定不同保護和發(fā)展模式下的城市生態(tài)紅線。以鄂州市作為研究區(qū)域進行實驗，模擬了不同生態(tài)保護模式下的生態(tài)保護紅線劃定情況，結(jié)果表明在生態(tài)紅線劃定中考慮多主體的決策因素有助于協(xié)調(diào)優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境保護與城市發(fā)展的矛盾。

多智能體；生態(tài)紅線；協(xié)調(diào)發(fā)展；多情景模擬

1　引言

劃定城市生態(tài)保護紅線是維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要舉措，是城市可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其目的在于合理配置城市土地資源，協(xié)調(diào)生態(tài)保護與城市開發(fā)活動間的關(guān)系，保障城市生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。生態(tài)保護紅線劃定需要定量化的模型方法為支撐［1，2］。

目前的城市生態(tài)保護紅線劃定方法，大多依據(jù)生態(tài)紅線劃定目標(biāo)和統(tǒng)一的劃定標(biāo)準，從城市生態(tài)系統(tǒng)本身來考慮，建立包含生態(tài)功能、敏感性、脆弱性等的指標(biāo)體系［3，4］，但都沒有從城市空間劃分的整體角度出發(fā)，未考慮影響土地利用變化的多主體決策及其行為，缺少與城市建設(shè)發(fā)展的相互協(xié)調(diào)，因此無法體現(xiàn)不同主體對生態(tài)空間的需求，難以實現(xiàn)多種約束條件下的城市生態(tài)紅線劃定［5］。

不同于上述模型，多智能體模型主要基于自下而上的建模方式，通過所構(gòu)建主體之間的相互作用，在土地變化模擬過程中考慮多主體決策因素的影響，體現(xiàn)出復(fù)雜決策過程在用地變化過程中的作用［6-8］。多智能體方法能夠從微觀層面，考慮人與人、人與生態(tài)環(huán)境之間的交互作用，體現(xiàn)城市規(guī)劃中多主體行為的影響因素［9-12］。城市地理空間作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，其動態(tài)變化和復(fù)雜程度受到城市空間中不同主體行為及主體之間相互作用的影響。因此，將多智能體系統(tǒng)引入生態(tài)紅線劃定模型中，模擬不同保護模式下，生態(tài)用地的空間分布。通過不同保護情景的模擬，協(xié)調(diào)城市擴展與生態(tài)保護，實現(xiàn)在結(jié)合城市發(fā)展需求的同時，保證城市生態(tài)安全。

2　基于多智能體的生態(tài)紅線協(xié)調(diào)劃定模型

2.1模型概述

本文中將多智能體模型與元胞自動機結(jié)合，對生態(tài)保護用地進行模擬。模型主要包含了環(huán)境系統(tǒng)、對生態(tài)用地有著不同需求的多智能體及反應(yīng)生態(tài)用地變化規(guī)律的邏輯回歸模型，如圖1所示。環(huán)境系統(tǒng)是多智能體以及土地利用單元所處的自然環(huán)境，多智能體模型由環(huán)境系統(tǒng)和Agent系統(tǒng)兩部分組成，借助GIS的疊加分析實現(xiàn)土地適宜性評價，根據(jù)不同類型Agent在城市土地利用變化過程中的角色設(shè)計行為規(guī)則，通過Agent系統(tǒng)中不同類型Agent之間、Agent系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)之間的交互實現(xiàn)生態(tài)用地選擇模擬。建立多智能體模型的關(guān)鍵問題是如何對Agent進行適當(dāng)?shù)某橄笈c描述，說明各類Agent是如何接收外部信息并根據(jù)信息篩選做出行為選擇以及外部信息對各Agent之間的相互關(guān)系的影響。在本研究中，主要考慮三類Agent及其決策行為，這三類Agent分別是政府Agent、居民Agent、環(huán)保主義Agent。當(dāng)面向不同的生態(tài)保護模式（如加強生態(tài)保護或側(cè)重發(fā)展經(jīng)濟）時，三類Agent均通過調(diào)整相應(yīng)決策變量的權(quán)重影響生態(tài)用地轉(zhuǎn)化的概率，最終通過聯(lián)合決策確定研究區(qū)域的生態(tài)保護范圍。

模型中包含了政府規(guī)劃、公眾參與等多主體因素，體現(xiàn)了人的活動對城市生態(tài)系統(tǒng)的影響，不僅僅就生態(tài)系統(tǒng)本身來進行評價和選擇，增強了生態(tài)紅線劃定的合理性。在環(huán)境系統(tǒng)和多智能體決策行為設(shè)計中，考慮了城市建設(shè)用地與生態(tài)保護用地的相互協(xié)調(diào)與約束。

圖1　基于多智能體的生態(tài)紅線協(xié)調(diào)劃定模型

2.2多智能體行為及屬性

2.2.1政府Agent決策規(guī)則

在多智能體模型中，政府是一類特殊的Agent。它不具備空間屬性，是通過制定土地利用規(guī)劃對城市用地進行宏觀數(shù)量控制與空間布局。本文采用具有法律效應(yīng)的近期建設(shè)規(guī)劃作為政府Agent對城市用地布局的偏好。

政府Agent依據(jù)現(xiàn)狀土地利用數(shù)據(jù)制定了近期規(guī)劃，那個每個土地單元（i，j）受到規(guī)劃影響而產(chǎn)生的狀態(tài)變化為：

其中ST2pi，j為土地單元（i，j）在T2時刻土地利用規(guī)劃狀態(tài)，ST1i，j為土地單元（i，j）在T1時刻土地利用現(xiàn)狀。當(dāng)土地利用規(guī)劃要求土地利用單元狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時，政府Agent的對每個土地單元的偏好也會發(fā)生相應(yīng)的改變。根據(jù)上述規(guī)則，政府Agent對土地單元（i，j）的選擇概率可表示為：

2.2.2居民Agent和環(huán)保主義Agent決策規(guī)則

居民Agent代表著具有尋求更好居住條件和生態(tài)環(huán)境條件的有獨立思考能力和行為能力的個體，隨著居民經(jīng)濟能力和對居住環(huán)境要求的提高，政府在選擇建設(shè)居住區(qū)時越來越多的考慮了城市居民的選擇意愿。本文沿用了張鴻輝等提出的微觀Agent決策行為及其屬性的研究方法［6］。

居民Agent和環(huán)保主義Agent做出決策的過程可以通過BDI（Belief-Desire-Intention）框架來描述：具有觀察、感知、產(chǎn)生土地利用偏好等行為，在城市規(guī)劃過程中，他們將根據(jù)其空間訴求表達某種特定的期望，這些期望決定了他們在城市空間系統(tǒng)中的觀察內(nèi)容，其觀察結(jié)果稱為事件，而通過感知與評價這些事件，居民Agent和環(huán)保主義Agent將形成自己的感覺，這種感覺與城市空間系統(tǒng)的狀態(tài)直接相關(guān)。土地利用偏好決定著Agent選擇的過程和結(jié)果，根據(jù)隨機效用模型，居民Agent和環(huán)保主義Agent對土地單元（i，j）的選擇概率為：

其中U（i，j，t）為智能體在單元（i，j）上的效用函數(shù)，Sijt為該單元上的土地利用適宜性。

2.3Logistic回歸模型

未來生態(tài)用地空間布局通過logistic回歸模型來進行模擬，轉(zhuǎn)化概率越高，土地單元進入政府規(guī)劃區(qū)域的可能性越大。模型中一個土地利用單元（i，j）在t+1時刻轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地的概率由該單元及其鄰域在t時刻的狀態(tài)所決定，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)則如以下公式所示：

其中PLogistic為邏輯回歸概率，Pnei為鄰域影響概率，Pran為隨機影響概率，Ptij為綜合轉(zhuǎn)換概率。

2.4多智能體聯(lián)合決策

在本文中生態(tài)用地保護范圍由政府Agent、居民Agent、環(huán)保主義Agent共同選擇決定。在每一類Agent的獨立決策行為的基礎(chǔ)上，建立一個表征土地利用單元轉(zhuǎn)化概率的公式，通過加權(quán)求和將聯(lián)合決策的城市用地轉(zhuǎn)化概率表示為：

其中，p1、p2、p3、p4分別為政府Agent、居民Agent、環(huán)保主義Agent的用地選擇概率以及Logistic回歸模型的綜合轉(zhuǎn)換概率。在不同城市發(fā)展情景下，每一類Agent的決策行為對結(jié)果有著不同影響。

3　鄂州市生態(tài)紅線劃定多情景模擬

3.1研究區(qū)概況

本文選擇鄂州市作為生態(tài)紅線劃定的研究區(qū)域，鄂州市湖泊眾多，淡水資源豐富，其中梁子湖水面面積廣闊，被列為全國生態(tài)文明示范區(qū)，生態(tài)保護是鄂州市發(fā)展的重要任務(wù)之一。研究數(shù)據(jù)包括地理信息，社會經(jīng)濟統(tǒng)計等多種數(shù)據(jù)。地理信息數(shù)據(jù)包括2004年，2013年鄂州市土地利用現(xiàn)狀，鄂州市土地利用總體規(guī)劃（2009-2020年）等。

圖2　鄂州市2004年、2013年土地利用現(xiàn)狀圖

3.2數(shù)據(jù)處理

政府Agent對生態(tài)用地的選擇偏好可以用土地利用規(guī)劃中生態(tài)用地變化來表示，根據(jù)公式（1）和（2），政府對土地單元的期望為：生態(tài)保護用地應(yīng)考慮規(guī)劃新增生態(tài)用地。

居民Agent對城市生態(tài)用地期望的形成過程包括：觀察可能用于生態(tài)的土地利用單元；計算土地利用單元距已有工業(yè)區(qū)的距離、分析其交通及休閑娛樂等基礎(chǔ)設(shè)施條件；根據(jù)權(quán)重，綜合對用地集聚程度、休閑娛樂設(shè)施條件的期望（表1），得到對環(huán)境系統(tǒng)的觀察結(jié)果，即為事件分布。圖3為居民Agent通過觀察將其對應(yīng)的期望映射而成的環(huán)境觀察事件。

環(huán)保主義Agent對生態(tài)保護用地的期望由距自然保護區(qū)、水源保護地、重要湖泊以及生態(tài)林地的距離來體現(xiàn)。圖4為環(huán)保主義Agent通過觀察將其對應(yīng)的期望映射而成的環(huán)境觀察事件。

采用Logistic回歸模型模擬生態(tài)保護用地變化與空間布局，回歸考慮的空間變量有：距市中心距離（X1）、距鎮(zhèn)中心距離（X2）、據(jù)鐵路距離（X3）、據(jù)主干道距離（X4）、據(jù)主要水系距離（X5）。除了距離變量，在預(yù)測時同時還考慮了生態(tài)用地鄰域密度及空間約束條件。

3.3情景設(shè)置及結(jié)果分析

鄂州市在不同生態(tài)保護模式和城市發(fā)展模式下，生態(tài)保護紅線的劃定結(jié)果不同，具體設(shè)計了以下三種情景。

圖3　居民Agent期望映射為事件制圖

情景一：無明顯保護，城市自然增長，優(yōu)先發(fā)展經(jīng)濟，不對城市發(fā)展范圍做要求。城市處于高速發(fā)展的狀態(tài)，并且不做太多控制的任其發(fā)展。在這種情況下，相關(guān)的外部驅(qū)動力量的狀態(tài)包括：對環(huán)境保護程度不高，對景觀生態(tài)區(qū)執(zhí)行最低限度的保護，而且對城市擴張也不進行控制。需求增加建設(shè)用地時，可以任意將非建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。同時，在城市發(fā)展過程中，以追求經(jīng)濟效益為主要目的，因此優(yōu)先規(guī)劃工業(yè)區(qū)。但是，政策方面對城市發(fā)展不做任何限制。

表1　Agent類型及其期望

圖4　環(huán)保主義Agent期望映射為事件制圖

情景二：適度保護，在滿足一定發(fā)展要求的前提下，政府加強對生態(tài)用地的保護，保護重要生態(tài)節(jié)點，對城市發(fā)展有一定的限制作用。保護城市生態(tài)系統(tǒng)的基本功能不遭到破壞。

情景三：嚴格保護，優(yōu)先保護生態(tài)用地，嚴格限制城市用地的擴張，以保證城市生態(tài)系統(tǒng)功能的完善為主要發(fā)展目標(biāo)。將鄂州市的水生態(tài)文明建設(shè)作為城市發(fā)展的主導(dǎo)方向，大力發(fā)展以梁子湖生態(tài)文明示范區(qū)為核心的生態(tài)產(chǎn)業(yè)。除了主要節(jié)點的保護，還要加強生態(tài)節(jié)點之間的生態(tài)廊道建設(shè)，形成完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

生態(tài)保護用地選擇由客觀因素和的主觀選擇決定，客觀因素與主觀選擇的權(quán)重設(shè)置為（0.35，0.65）。主觀因素包括政府規(guī)劃指導(dǎo)、居民和環(huán)保主義者的生態(tài)用地偏好，三者的權(quán)重設(shè)置為（0.25，0.15，0.25）。

圖5　鄂州市生態(tài)保護紅線情景模擬結(jié)果

如圖5所示，情景一、二、三下，生態(tài)保護紅線面積分別為377.26km2、416.69km2、507.18km2，情景三中生態(tài)保護范圍明顯大于其他兩種情景，同時城市發(fā)展則明顯慢于其他兩種情景，這是由于情景三中生態(tài)環(huán)境保護力度最大，從而限制了生態(tài)用地向城市建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。情景一優(yōu)先發(fā)展城市經(jīng)濟，城市用地數(shù)量增長最快。情景一和情景二中城市生態(tài)用地的數(shù)量相差為39.43km2，情景二和情景三中數(shù)量相差為90.49km2。進一步分析三種情景下生態(tài)保護用地類型的組成，將總面積分為水域生態(tài)紅線面積及陸域生態(tài)紅線面積，則三種情景水域生態(tài)紅線面積分別為286.24km2、317.41km2、341.15km2，分別占總生態(tài)保護紅線面積的75.87％、76.17％和67.26％。由此可見三種情景下生態(tài)紅線中水域面積為最主要的組成部分，這是由于鄂州市水域面積廣闊而山地林地面積較小，這一特點能夠保證在生態(tài)保護紅線劃定的同時為城市用地擴展留出一定的陸域空間。

4　結(jié)論與討論

多智能體模型能夠模擬多主體的決策行為，本文所述的基于多智能體的城市生態(tài)保護紅線模擬模型，考慮了政府、居民、環(huán)保主義者三類Agent與土地利用規(guī)劃或用地訴求相關(guān)的屬性和決策行為，根據(jù)不同智能體之間、智能體與環(huán)境之間的相互作用模擬了城市發(fā)展空間和生態(tài)空間的變化，實現(xiàn)了不同社會發(fā)展目標(biāo)（如生態(tài)環(huán)境保護或經(jīng)濟發(fā)展）下的城市生態(tài)保護紅線劃定。當(dāng)社會發(fā)展目標(biāo)發(fā)生變化時，可以通過調(diào)整相應(yīng)Agent的決策變量權(quán)重計算土地利用類型轉(zhuǎn)換概率。

以鄂州市全域為例，根據(jù)不同的城市生態(tài)保護力度和城市社會經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)，設(shè)置了無明顯保護、適度保護和嚴格保護三種目標(biāo)情景，模擬了相應(yīng)的城市生態(tài)保護紅線范圍。模擬結(jié)果表明，在城市化進程中受城市建設(shè)用地增長的影響，維持生態(tài)系統(tǒng)重要功能的土地類型會向其他用地類型發(fā)生轉(zhuǎn)化。由于情景一中優(yōu)先考慮經(jīng)濟發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境無明顯保護，城市生態(tài)用地退化速度大于情景二、三，并且城市生態(tài)保護規(guī)模最小而城市建設(shè)用地規(guī)模最大。由于加強重要生態(tài)節(jié)點保護和生態(tài)廊道建設(shè)，情景三的城市生態(tài)用地退化速度慢于情景一、二，城市建設(shè)用地增長受到更多的限制。在三種情景下，重要湖泊河流的核心區(qū)域都被劃入城市生態(tài)紅線保護范圍，說明了水生態(tài)環(huán)境保護對于鄂州市城市生態(tài)文明建設(shè)的重要性。同時，從生態(tài)保護紅線范圍的情景模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，位于城市開發(fā)區(qū)擴展范圍內(nèi)的小型湖泊、坑塘水面以及部分破碎化的林地易受城市增長的影響而退化，導(dǎo)致生態(tài)節(jié)點之間無法通過天然的生態(tài)廊道相連接，城市生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到破壞。因此，生態(tài)保護紅線的劃定要加強生態(tài)廊道建設(shè)，使得受保護的生態(tài)節(jié)點能夠在生態(tài)系統(tǒng)中有效的發(fā)揮其生態(tài)功能。

該模型體現(xiàn)了城市空間劃分過程中人與人、人與環(huán)境間的相互作用，考慮了多主體的決策行為，能夠有效協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護與城市經(jīng)濟發(fā)展之間的用地矛盾，但是模型中未考慮耕地保護紅線對于城市空間劃分的影響，下一步應(yīng)將其作為研究重點。

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（2016-01-11收稿劉曉佳編輯）

Multi scene simulation of urban ecological protection red line based on Multi-agents model

JIANG Si-qi et al
（School of resources and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Ecological red line is the basis for sustainable urban development，the current ecological red line delineated mainly by the national standard to carry out the red line，there is no consideration and coordination of urban construction land space，in order to solve this problem，based on the multi agent system theory to build urban construction land ecological protection red line coordinated decision-making model，to determine the actual needs of urban construction and ecological environment protection，to determine the different protection and development model of urban ecological red line.Taking Ezhou city as the research area to carry out the experiment，the delineation of ecological protection red line under different ecological protection mode was simulated. The results showed that the decision factors of multi subjects were helpful to coordinate and optimize the urban ecological environment protection and urban development.

multi-agents model；ecological red line；coordinate development；Multi scene simulation

X820

A

1003-7853（2016）01-0016-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（4147339）

蔣思琦（1991-），女，湖北荊州人，碩士研究生。研究方向：土地利用與土地覆蓋變化。

何建華，男，教授，博士生導(dǎo)師。