黎 夏，李 丹，劉小平

1. 華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241； 2. 南陽師范學(xué)院環(huán)境科學(xué)與旅游學(xué)院，河南 南陽 473061； 3. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275

地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)(GeoSOS)及其在地理國情分析中的應(yīng)用

黎 夏1，3，李 丹2，劉小平3

1. 華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241； 2. 南陽師范學(xué)院環(huán)境科學(xué)與旅游學(xué)院，河南 南陽 473061； 3. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院廣東省城市化與地理環(huán)境空間模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275

第一次全國地理國情普查工作已基本完成，需要對(duì)所獲取的地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，以得到地理國情的時(shí)空分布模式、演變規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)，形成地理國情信息和知識(shí)。地理國情監(jiān)測(cè)生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，可用于土地資源集約利用、城鄉(xiāng)及城市群協(xié)調(diào)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等問題的空間智能決策分析，但目前有效的模擬分析工具還比較缺乏。筆者提出的地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)(GeoSOS)理論框架，耦合了地理過程模擬預(yù)測(cè)和空間優(yōu)化，為上述研究提供了有利的理論支持和實(shí)用工具。為進(jìn)一步方便與GIS進(jìn)行無縫的鏈接，本文提出了基于ArcGIS插件的GeoSOS以方便進(jìn)行高效的地理模擬分析。并以快速城市化地區(qū)的城市擴(kuò)張與生態(tài)保護(hù)研究為例，通過在地理國情信息分析中的應(yīng)用，得到了一些重要的發(fā)現(xiàn)。模擬結(jié)果顯示，按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)，廣東省優(yōu)化開發(fā)區(qū)域在2020年其土地開發(fā)強(qiáng)度將超出規(guī)定的約束指標(biāo)，并發(fā)現(xiàn)各區(qū)域均存在大量城鄉(xiāng)建設(shè)用地占用生態(tài)保護(hù)壓力等級(jí)高和較高地塊的現(xiàn)象，而基于土地開發(fā)強(qiáng)度和生態(tài)保護(hù)雙重約束的城鎮(zhèn)化擴(kuò)張能夠在滿足約束指標(biāo)的同時(shí)獲得更緊湊的景觀格局。表明GeoSOS及其ArcGIS插件可以成為地理國情信息分析的有利工具，并給出了今后需解決的問題和發(fā)展方向。

地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)；ArcGIS插件；地理國情；城市擴(kuò)張；生態(tài)保護(hù)

地理國情監(jiān)測(cè)是指對(duì)國土疆域概況、地形地貌特征、江河湖海分布等自然要素和土地利用與土地覆蓋、道路交通網(wǎng)絡(luò)、城市布局和城鎮(zhèn)化擴(kuò)張等人文要素構(gòu)成的基本國情，利用空天地一體化等現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、定量化和空間化的監(jiān)測(cè)[1]，并統(tǒng)計(jì)分析其分布特征、地域差異、變化量和變化趨勢(shì)等[2]，形成各類國情要素空間分布及發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從地理空間信息的角度獲取國情國力[3-4]。目前，首次地理國情普查工作已基本完成，取得了一批重要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果。對(duì)監(jiān)測(cè)的地理國情信息進(jìn)行分析應(yīng)用，獲取地理要素的時(shí)空分布特征、發(fā)展趨勢(shì)與演變規(guī)律，可為國家重大戰(zhàn)略實(shí)施、區(qū)域空間規(guī)劃制定、加快生態(tài)文明建設(shè)等方面提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)保障，是今后地理國情監(jiān)測(cè)工作的重點(diǎn)之一。

城市化作為我國自改革開放以來最重要的地理空間現(xiàn)象之一，其格局和發(fā)展趨勢(shì)與土地集約利用、區(qū)域協(xié)調(diào)互補(bǔ)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)，一直是地理學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題?！笆濉睍r(shí)期，我國面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)換、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)的深刻背景，區(qū)域政策及資源約束(如“十三五”規(guī)劃、主體功能區(qū)劃、全國土地利用總體規(guī)劃綱要等)對(duì)區(qū)域發(fā)展提出約束性指標(biāo)，同時(shí)“多規(guī)合一”工作模式的轉(zhuǎn)變等也將成為城市空間發(fā)展的重要影響因素，因此城市化的格局和趨勢(shì)必然面臨著較大程度的改變，需要進(jìn)一步深入研究。當(dāng)前地理國情普查和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為城市發(fā)展研究提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資源，而對(duì)其發(fā)展格局和過程趨勢(shì)的分析應(yīng)用則需要相關(guān)理論和工具的支撐。

筆者提出的地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)(geographical simulation and optimization systems，GeoSOS)[5]，耦合了地理模擬和空間優(yōu)化等模型，用于模擬、預(yù)測(cè)和優(yōu)化復(fù)雜地理格局和過程，可以彌補(bǔ)GIS在空間過程模擬和優(yōu)化方面的功能不足。GeoSOS理論及其軟件已經(jīng)應(yīng)用于全球土地利用變化[6]、城市擴(kuò)張模擬[7]、公共設(shè)施選址選線[8]、生態(tài)紅線[9]和城市增長邊界劃定[10]等地理模擬和空間優(yōu)化問題，可成為城市化發(fā)展分析的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

針對(duì)地理國情信息分析中的有關(guān)問題，為方便與GIS進(jìn)行無縫鏈接，進(jìn)一步提出了基于ArcGIS插件的GeoSOS。以全國城市化發(fā)展最快的區(qū)域廣東省為例，通過多時(shí)段土地利用地理國情數(shù)據(jù)，獲取區(qū)域城市化發(fā)展的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，并利用該軟件預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)及其與主體功能區(qū)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的沖突，從而進(jìn)行約束條件下未來發(fā)展情景模擬，為科學(xué)合理地制定區(qū)域城市發(fā)展政策服務(wù)。

1 地理模擬與優(yōu)化系統(tǒng)(GeoSOS)原理

諸如城市擴(kuò)張、水文侵蝕等地理過程演變及發(fā)展趨勢(shì)的研究通常利用元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automata，CA)、多智能體系統(tǒng)(agent-based models，ABMs)等模型，通過空間模擬的方法來進(jìn)行。對(duì)于涉及設(shè)施選址、道路選線、生態(tài)保護(hù)區(qū)劃分等空間優(yōu)化問題，則可以引入蟻群、粒子群等群智能模型(swarm intelligence models，SIMs)來獲取多目標(biāo)條件下效益最優(yōu)的空間優(yōu)化結(jié)果。而在現(xiàn)實(shí)地理問題的研究中，通?？臻g模擬和優(yōu)化的結(jié)果相互影響、不可割裂，例如交通選線和沿線土地利用的變化、區(qū)域城市擴(kuò)張和生態(tài)控制區(qū)的劃定等問題，都存在著互為制約、協(xié)調(diào)發(fā)展的目標(biāo)，迫切需要將空間模擬與優(yōu)化進(jìn)行協(xié)同研究。因此提出了地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)[5]這一理論框架，通過空間微實(shí)體(spatial microentities)之間的相互作用機(jī)制耦合各類CA、ABMs和SIMs模型，從而解決空間模擬與優(yōu)化復(fù)合問題[11]。其中空間微實(shí)體是指CA中的元胞、ABMs中的社會(huì)智能體(如人或社會(huì)組織)和SIMs中的智能單體(如蟻群中的螞蟻)等。在實(shí)踐方面，GeoSOS理論也通過軟件系列提供了一套基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)，用于模擬、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和顯示地理空間格局和過程[12]。

作為地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)的核心，空間微實(shí)體交互的一般模式可以表示為

(1)

GeoSOS通過松散耦合的方式將地理過程模擬和空間優(yōu)化集成起來，兩者的運(yùn)行結(jié)果可以通過信息交換互相利用，從而得到總體效益更優(yōu)的空間決策方案和更真實(shí)的地理過程發(fā)展趨勢(shì)。目前GeoSOS已經(jīng)被應(yīng)用于生態(tài)保護(hù)區(qū)劃定[9,13]與區(qū)內(nèi)違章建筑查找[14]、農(nóng)田保護(hù)區(qū)劃定與預(yù)警[15]、景觀模擬與規(guī)劃[16]、1 km高分辨率全球土地利用變化模擬產(chǎn)品[6]等方面，體現(xiàn)了其對(duì)地理過程模擬及空間優(yōu)化問題的有利支持和良好的實(shí)用性。

軟件包括獨(dú)立的GeoSOS程序和在ArcGIS平臺(tái)中使用的GeoSOS for ArcGIS(http:∥www.geosimulation.cn上提供了免費(fèi)的GeoSOS軟件系列)，如圖1、圖2所示。目前所提供的模塊包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CA、決策樹CA、邏輯回歸CA等多種地理模擬模型和蟻群優(yōu)化等空間優(yōu)化模型。GeoSOS for ArcGIS插件運(yùn)行在ArcGIS 10.X平臺(tái)的ArcMap程序中，提供了完整的GeoSOS功能，同時(shí)又可以充分利用ArcGIS平臺(tái)已有的其他空間分析工具，能夠有效補(bǔ)充目前GIS軟件在地理模擬與優(yōu)化方面的不足。目前全球已有20余個(gè)國家和地區(qū)的用戶將其用于超過100個(gè)地理研究實(shí)例中。

圖1 獨(dú)立GeoSOS軟件界面Fig.1 User interface of stand-alone GeoSOS

圖2 GeoSOS for ArcGIS軟件界面Fig.2 User interface of GeoSOS for ArcGIS

2 研究方法

城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張作為近40年來我國最為顯著的土地利用變化過程，也是地理國情監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容。本文以此為例，探討GeoSOS理論在地理國情信息分析中的應(yīng)用。自1980年開始的歷次五年計(jì)劃時(shí)期，全國城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展迅速，但同時(shí)也造成了多種人地關(guān)系矛盾問題，原有的城鎮(zhèn)化發(fā)展模式亟待改變。因此《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》在繼續(xù)約束18億畝以上耕地保有量的前提下，提出新增建設(shè)用地規(guī)模的約束性指標(biāo)，并將空氣質(zhì)量和地表水質(zhì)量等生態(tài)環(huán)境質(zhì)量納入約束性指標(biāo)范疇，以形成和貫徹綠色發(fā)展的理念。

在操作層面，主體功能區(qū)劃、土地利用總體規(guī)劃、生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃等提出了具體的約束性指標(biāo)，因此需要在空間上合理地分配土地資源，獲得資源集約利用、生態(tài)友好的協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)。地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)能夠?yàn)樯鲜鰡栴}提供有效的解決框架，約束性元胞自動(dòng)機(jī)模型能夠模擬和預(yù)測(cè)約束條件下新增城市用地的擴(kuò)張趨勢(shì)，從而確定城市增長邊界；蟻群智能等空間優(yōu)化方法則能夠合理劃定生態(tài)保護(hù)區(qū)、農(nóng)田保護(hù)區(qū)等限制性發(fā)展區(qū)域，兩者協(xié)同可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)與環(huán)境多目標(biāo)下的空間布局，為省級(jí)空間規(guī)劃等相關(guān)工作提供合理的研究思路。本文從約束條件下新增城市用地?cái)U(kuò)張的角度出發(fā)，在獲取多時(shí)段地理國情信息的基礎(chǔ)上，分析其歷史發(fā)展?fàn)顩r，并在城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張數(shù)量約束及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量約束的條件下，預(yù)測(cè)合理的新增城鄉(xiāng)建設(shè)用地布局，為“十三五”時(shí)期區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供空間決策支持。

2.1 城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張歷史趨勢(shì)分析

分析城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的歷史趨勢(shì)可以從用地?cái)?shù)量變化和景觀形態(tài)改變兩方面進(jìn)行。對(duì)于用地?cái)?shù)量的分析使用城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長率、擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)、土地開發(fā)強(qiáng)度等量化指標(biāo)來衡量。城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長率體現(xiàn)歷史時(shí)期城鄉(xiāng)建設(shè)用地的增加比例

A=(Ai-Aj)÷Aj

(2)

式中，為Aj為初期的城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積；Ai為末期的面積。

擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)用于獲取城鄉(xiāng)建設(shè)用地的年均增長速度，便于不同歷史時(shí)期間進(jìn)行比較[17-18]，其公式為

(3)

式中，Δt為所研究的時(shí)間跨度，通常以年份為單位；Aadd為該時(shí)段內(nèi)城鄉(xiāng)建設(shè)用地的增加面積；Aall為研究區(qū)的土地總面積。

全國及省級(jí)主體功能區(qū)規(guī)劃采用開發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)，即一個(gè)區(qū)域內(nèi)建設(shè)空間面積占該區(qū)域總面積的比例來表示建設(shè)空間的比重。

景觀形態(tài)可以使用景觀水平上的多種指數(shù)來表征，從景觀數(shù)量、形態(tài)、連通性和均勻性等角度選取了斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、面積周長分維度指數(shù)(PAFRAC)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)來衡量不同時(shí)期研究區(qū)的土地利用景觀變化。

2.2 基于決策樹CA的城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張模擬

使用CA模型進(jìn)行土地利用變化模擬和預(yù)測(cè)時(shí)，通常采取數(shù)據(jù)挖掘方法獲取類型間轉(zhuǎn)換規(guī)則[19]，如邏輯回歸方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[20]、決策樹方法[21]、基于主成分分析的方法等。其中決策樹元胞自動(dòng)機(jī)(DecisionTree-CA)模型使用基于決策樹的方法，能夠提取清晰的城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)換規(guī)則[22]，避免對(duì)擴(kuò)張規(guī)律的“黑箱”認(rèn)知，便于空間管理者根據(jù)規(guī)則發(fā)現(xiàn)規(guī)律并制定合理的空間決策，適合將其用于城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的研究。

2.3 基于最小阻力模型的生態(tài)安全格局構(gòu)建

最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance，MCR)源于物種擴(kuò)散過程研究，認(rèn)為物種在擴(kuò)散至異質(zhì)景觀類型時(shí)須克服一定的阻力，累積阻力最小的通道即為最適宜的通道[23-24]。文獻(xiàn)[25—26]在國內(nèi)最早將其用于生態(tài)安全格局優(yōu)化和遺產(chǎn)廊道的適宜性分析。因能直觀表現(xiàn)某類型景觀向其他類型擴(kuò)散的阻力，因此該模型被廣泛應(yīng)用于生態(tài)安全格局構(gòu)建[24]、生態(tài)用地規(guī)劃[27]、城鎮(zhèn)土地空間重構(gòu)[28]和城市擴(kuò)張與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展[29]等研究中。其計(jì)算公式如下[26]

(4)

式中，Dij代表從源點(diǎn)j到某景觀類型點(diǎn)i的距離；Ri代表點(diǎn)i所在位置對(duì)于擴(kuò)散的阻力。

該模型通過確定生態(tài)用地的“源”、擴(kuò)散的阻力因素和阻力系數(shù)，從而得到生態(tài)用地?cái)U(kuò)散的阻力面，用于生態(tài)安全的評(píng)估。因此可以將研究區(qū)的生態(tài)安全保障用地作為“源”，現(xiàn)有土地利用類型和人為活動(dòng)因素的影響作為阻力因素，構(gòu)建研究區(qū)的生態(tài)安全格局。

3 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文選取廣東省為研究區(qū)，獲取了2000年、2005年、2010年和2015年土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。原始數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用地和海洋7個(gè)一級(jí)用地類型，每個(gè)一級(jí)類型下包含一個(gè)到多個(gè)二級(jí)用地類型。該數(shù)據(jù)的原始分辨率為30 m，整個(gè)廣東省陸地為27 184×20 890的柵格空間，為減少運(yùn)算量和運(yùn)算時(shí)間，將數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣到250 m分辨率，柵格數(shù)量減少為3405×2753個(gè)，以便進(jìn)行全省的模擬和預(yù)測(cè)。影響土地利用變化過程的因素主要包括自然因素和人為因素，自然因素選取地形和柵格到河流的空間距離，人為因素主要選取柵格到聚居區(qū)和交通線路的距離，包括到各市級(jí)和縣級(jí)行政中心的距離、到鐵路的距離、到高速公路的距離、到省道的距離和到普通公路的距離。地形數(shù)據(jù)為DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云，各城鎮(zhèn)中心和交通線路數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)更新。在250 m分辨率下進(jìn)行各空間影響因子的計(jì)算及歸一化，為后續(xù)的模擬和預(yù)測(cè)做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

4 研究結(jié)果及分析

4.1 城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張歷史趨勢(shì)分析

通過GeoSOS for ArcGIS插件中多時(shí)段土地利用數(shù)據(jù)分析工具得到2000—2015年廣東省土地利用變化狀況，如表1所示。2000—2015年，城鄉(xiāng)建設(shè)用地經(jīng)歷了快速的擴(kuò)張過程，土地開發(fā)強(qiáng)度不斷增大。2000—2005年是增長速度最快的時(shí)期，城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長率達(dá)到了28.69%，隨著可利用土地資源的減少和集約利用土地政策的執(zhí)行，2005—2010年和2010—2015年兩個(gè)時(shí)期的城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長速度不斷下降，擴(kuò)張強(qiáng)度和擴(kuò)張強(qiáng)度指數(shù)也保持了同樣的變化。

結(jié)合Fragstats 4.2軟件，對(duì)4個(gè)時(shí)期的土地利用分類數(shù)據(jù)進(jìn)行了景觀指數(shù)的計(jì)算，結(jié)果如表2所示。2000—2015年，斑塊數(shù)量、斑塊密度、平均形狀指數(shù)、多樣性和均勻性不斷上升，分維數(shù)指標(biāo)和連通性不斷下降，表明整個(gè)時(shí)期土地利用斑塊的分散性不斷上升，人為活動(dòng)的影響不斷加劇，景觀的破碎度提升，應(yīng)采取更為集約的用地方式。

4.2 基于歷史發(fā)展趨勢(shì)的城鎮(zhèn)擴(kuò)張模擬與預(yù)測(cè)

通過2005年和2010年的土地利用分類數(shù)據(jù)，以及各空間影響因子數(shù)據(jù)，獲取該歷史時(shí)期的土地利用變化規(guī)律，并基于2010年的數(shù)據(jù)模擬了2010—2015年廣東省的城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，使用2015年土地利用分類數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬的精度。通過GeoSOS for ArcGIS插件中的DecisionTree-CA執(zhí)行模擬，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的模擬精度為89.50%，非建設(shè)用地的模擬精度為99.3%，模擬的總精度為96.73%，Kappa值為0.942。較高的精度表明DecisionTree-CA能夠有效模擬該區(qū)域土地利用變化的歷史趨勢(shì)，因此可以用于未來情景下城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的預(yù)測(cè)。

表1 廣東省歷史時(shí)期土地利用變化狀況

表2廣東省歷史時(shí)期景觀指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

Tab.2StatisticsoflandscapeindicesinGuangdongprovincefrom2000to2015

指數(shù)年份2000200520102015NP140702140968142877145283PD0.7920.7940.8040.819SHAPE_MN179.825179.975180.511183.071PAFRAC1.3991.3991.3981.397CONTAG51.77151.12350.85850.204SHDI1.0601.0781.0841.097SHEI0.5910.6020.6050.612

2010—2015年廣東省城鄉(xiāng)建設(shè)用地的增長率為8.21%，研究首先假定2015—2020年城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張仍然保持基本相似的歷史趨勢(shì)，即采用8%的增長率，獲取無約束條件下城鄉(xiāng)建設(shè)用地的未來發(fā)展?fàn)顩r。利用提取的2010—2015年城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)換規(guī)則，使用2015年土地利用變化數(shù)據(jù)，根據(jù)增長率得到城鄉(xiāng)建設(shè)用地增量進(jìn)行預(yù)測(cè)，模擬和預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

4.3 基于主體功能區(qū)劃約束的城鎮(zhèn)擴(kuò)張預(yù)測(cè)

我國于2011年底啟動(dòng)全國主體功能規(guī)劃編制工作，將其作為國土空間開發(fā)的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和約束性規(guī)劃[30]。廣東省于2012年9月正式公布《廣東省主體功能區(qū)規(guī)劃》，將全省國土空間分為優(yōu)化開發(fā)、重點(diǎn)開發(fā)、生態(tài)發(fā)展和禁止開發(fā)4類區(qū)域，其中生態(tài)發(fā)展區(qū)域又分為農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)兩類。前3類區(qū)域主要以行政區(qū)界線限定其范圍，禁止開發(fā)區(qū)域則主要為分布在3類區(qū)域中的自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等面積較小的單元，因此本研究未引入禁止開發(fā)區(qū)域，而使用優(yōu)化開發(fā)區(qū)域、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)這4類國土空間劃分方法，其詳細(xì)情況如圖4所示。

圖3 廣東省土地利用變化模擬及預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.3 Urbanization simulation and prediction results of Guangdong province

2016年廣東省通過的“十三五規(guī)劃綱要”明確規(guī)定將各主體功能區(qū)2020年的土地開發(fā)強(qiáng)度作為約束性指標(biāo)，分別是優(yōu)化開發(fā)區(qū)域?yàn)?7.44%、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域?yàn)?3.76%、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)15.51%、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)為4.82%。

圖4 廣東省主體功能區(qū)劃分Fig.4 Classification of major function oriented zones in Guangdong province

將該指標(biāo)與基于歷史增長趨勢(shì)的2020年城鄉(xiāng)建設(shè)用地預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，情況如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)該結(jié)果中優(yōu)化開發(fā)區(qū)域的土地開發(fā)強(qiáng)度將超出約束指標(biāo)，其他區(qū)域則滿足約束指標(biāo)，表明優(yōu)化開發(fā)區(qū)域在后續(xù)的發(fā)展中必須嚴(yán)格按照約束指標(biāo)的土地開發(fā)數(shù)量進(jìn)行。因此研究采用分區(qū)預(yù)測(cè)的方法，在優(yōu)化開發(fā)區(qū)域按照約束指標(biāo)，其他區(qū)域按照2010—2015年的城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長率進(jìn)行了約束性元胞自動(dòng)機(jī)的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示。其結(jié)果對(duì)比情況如表3所示，表明各區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果均滿足主體功能區(qū)的約束條件，除優(yōu)化開發(fā)區(qū)域外的其他區(qū)域的開發(fā)強(qiáng)度與原結(jié)果基本一致。

表3 歷史趨勢(shì)及主體功能約束下預(yù)測(cè)結(jié)果與約束性指標(biāo)對(duì)比

圖5 基于主體功能區(qū)約束的廣東省2020年城鄉(xiāng)建設(shè)用地預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.5 Urbanization prediction result constrained by major function in Guangdong province in 2020

4.4 基于生態(tài)用地保護(hù)約束的城鎮(zhèn)擴(kuò)張預(yù)測(cè)

“十三五”時(shí)期城鎮(zhèn)擴(kuò)張進(jìn)程需要在生態(tài)保護(hù)約束的條件下進(jìn)行，因此選擇生態(tài)用地為“源”，應(yīng)用最小阻力模型獲取生態(tài)用地?cái)U(kuò)散的最小阻力面，劃分不同的生態(tài)用地保護(hù)程度，以此為約束條件使城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的同時(shí)保持良好的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

根據(jù)用地類型的生態(tài)價(jià)值，選取2015年原始30 m土地利用分類數(shù)據(jù)二級(jí)分類中的有林地、灌木林、疏林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、河渠、湖泊、灘涂、灘地類型為生態(tài)“源”，以生態(tài)空間單元的實(shí)際用地類型及到市縣級(jí)城鎮(zhèn)中心的距離和到各級(jí)道路的距離為阻力因素，確定各阻力系數(shù)，計(jì)算廣東省生態(tài)空間擴(kuò)展的阻力面。生態(tài)“源”面積占廣東省陸地面積的64.03%，包含林地、草地、水體等多種生態(tài)類型，能夠滿足廣東省十三五規(guī)劃綱要提出的2020年森林覆蓋率達(dá)到60.5%的約束性指標(biāo)。阻力系數(shù)作為分級(jí)指標(biāo)，無實(shí)際的物理意義，因此將其設(shè)置為5級(jí)，分別用1、2、3、4、5值代表阻力值不斷升高，具體如表4所示。得到阻力面計(jì)算結(jié)果后，可以根據(jù)柵格值的頻率分布進(jìn)行分級(jí)劃分，因此根據(jù)自然斷裂法，選取阻力值3841、11 764及26 526為斷裂點(diǎn)，將阻力面分為4類等級(jí)。根據(jù)阻力越大生態(tài)用地保護(hù)壓力越大的原則，將國土空間劃分為生態(tài)用地保護(hù)的4個(gè)壓力等級(jí)，如圖6所示。

表4 廣東省生態(tài)用地?cái)U(kuò)展阻力因子與阻力系數(shù)

圖6 基于最小阻力模型的廣東省生態(tài)用地保護(hù)壓力分級(jí)Tab.6 Classification of ecological land protection pressure in Guangdong province based on MCR model

通過GeoSOS for ArcGIS插件的模擬結(jié)果分析工具，將4個(gè)主體功能區(qū)域基于土地開發(fā)強(qiáng)度約束性指標(biāo)預(yù)測(cè)的城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張結(jié)果與生態(tài)用地保護(hù)等級(jí)空間進(jìn)行疊加分析顯示，各區(qū)域均存在大量城鄉(xiāng)建設(shè)用地占用生態(tài)保護(hù)壓力高和較高等級(jí)的現(xiàn)象，面積比例分別為81.19%、81.54%、90.50%和91.13%，均達(dá)到80%以上，表明未考慮生態(tài)保護(hù)的前提下，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張將占用大量的生態(tài)空間，因此需在生態(tài)保護(hù)約束的條件下進(jìn)行城鎮(zhèn)化發(fā)展。

以生態(tài)保護(hù)壓力高和較高的區(qū)域?yàn)橄拗瓢l(fā)展區(qū)，并基于主體功能區(qū)土地開發(fā)強(qiáng)度的約束，進(jìn)行了2020年城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的模擬，模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表5所示。結(jié)果表明，在兩種約束條件下，優(yōu)化開發(fā)區(qū)域、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域、農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)可以在不占用生態(tài)保護(hù)用地的情況下完成同樣規(guī)模的城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，而重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)則無法同時(shí)滿足兩種約束指標(biāo)。在滿足生態(tài)保護(hù)約束的情況下，重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的城鄉(xiāng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模為原有的70.01%，表明該區(qū)域的生態(tài)保護(hù)壓力較大，不宜遵照歷史發(fā)展趨勢(shì)，而應(yīng)嚴(yán)格控制建設(shè)規(guī)模，以保持良好的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，在滿足兩種約束的條件下，城鄉(xiāng)建設(shè)用地的空間分布更為緊湊，體現(xiàn)出更好的景觀格局，圖7顯示了4類主體功能區(qū)部分區(qū)域兩種約束條件下的模擬結(jié)果對(duì)比。對(duì)兩種情景下的模擬結(jié)果進(jìn)行了景觀指數(shù)計(jì)算，表5顯示在加入生態(tài)環(huán)境保護(hù)約束的條件下，土地利用斑塊的分散性下降，景觀的破碎度降低，形成更為集約的用地方式。同時(shí)該結(jié)果滿足了土地開發(fā)強(qiáng)度和生態(tài)保護(hù)的約束，是更符合綠色發(fā)展理念的新型城鎮(zhèn)化擴(kuò)張模式。

5 結(jié)論與討論

開展地理國情監(jiān)測(cè)是測(cè)繪地理信息部門的一次重要業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級(jí)[31]，通過該工作，能夠獲取各類自然要素和人工設(shè)施的基本國情信息[32]。在今后地理國情監(jiān)測(cè)成為常態(tài)化工作后，地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)(GeoSOS)及其ArcGIS插件(http:∥www.geosimulation.cn)能夠通過其耦合地理空間過程模擬與預(yù)測(cè)、空間多目標(biāo)優(yōu)化的能力，為地理國情信息的分析統(tǒng)計(jì)、制定和實(shí)施國家及區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略與空間規(guī)劃[33]、優(yōu)化國土空間開發(fā)格局等提供理論和技術(shù)支持，例如預(yù)測(cè)主體功能區(qū)潛在沖突和需要調(diào)整優(yōu)化的地方。從而形成科學(xué)合理的空間決策依據(jù)，促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)協(xié)調(diào)自然生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展模式。

表5 不同約束條件下模擬結(jié)果對(duì)比

圖7 兩種約束條件下4類主體功能區(qū)部分區(qū)域模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of simulation results of partial regions in four kinds of major function oriented zones under quantity constraint and double constraints

在利用地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間模擬與優(yōu)化時(shí)還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

(1) 使用GeoSOS進(jìn)行空間模擬，需要獲取多時(shí)段的地理國情信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而挖掘地理過程的規(guī)律并進(jìn)行模擬及預(yù)測(cè)。因此在地理國情數(shù)據(jù)獲取方面，今后宜采用分類更新的普查工作機(jī)制，對(duì)人文因素等快速變化要素進(jìn)行基于年或更短時(shí)段的更新，對(duì)變化較少的自然因素進(jìn)行固定年份頻率的更新。

(2) 地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)通過空間優(yōu)化能力適用于生態(tài)控制區(qū)、基本農(nóng)田的劃定問題，同時(shí)與約束性元胞自動(dòng)機(jī)耦合也適于確定城市增長邊界。當(dāng)前我國已開展省級(jí)空間規(guī)劃工作，要求基于生態(tài)控制線、基本農(nóng)田保護(hù)線和城市增長邊界劃定生態(tài)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)空間，作為典型的空間模擬與優(yōu)化問題，地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)能夠?yàn)閰^(qū)域空間規(guī)劃提供理論和工具支撐[34]，也可為基于“多規(guī)合一”的新工作模式提供參考[35]。

(3) 目前地理時(shí)空大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析愈來愈廣泛，特別是基于個(gè)體的群時(shí)空行為及活動(dòng)模式研究日漸增多，適宜引入多智能體系統(tǒng)模型與群智能結(jié)合的分析方式，地理模擬與優(yōu)化系統(tǒng)同樣可以為其提供支持。在涉及省級(jí)和國家尺度進(jìn)行精細(xì)化地理國情模擬和優(yōu)化時(shí)，計(jì)算能力常常成為制約研究進(jìn)行的瓶頸，基于GPU的高性能計(jì)算模式可以作為未來發(fā)展的主流方式[36]。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

Geographical Simulation and Optimization System (GeoSOS) and Its Application in the Analysis of Geographic National Conditions

LI Xia1,3，LI Dan2，LIU Xiaoping3

1. School of Geographic Sciences, Key Laboratory of Geographic Information Science (Ministry of Education) ,East China Normal University,Shanghai 200241, China; 2. College of Environmental Science and Tourism, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China; 3. Guangdong Provincial Key Laboratory of Urbanization and Geo-simulation, School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

Since the Chinese first survey on geographic national conditions has completed, an urgent need is to analyze these geographical data, such as mining of spatial distribution patterns, land use transition rules, development trends. The analysis is crucial for extracting the knowledge from these big data about geographic national conditions. The remote sensing interpretation data and land use/cover data generated by these geographic national conditions monitoring projects are the basic data sources for a variety of research and applications in terms of land use change detection, urban dynamic analysis, and urban/land use planning. The information can be used for assisting in the coordination of land resource use and decision making for urban and rural development, ecological environment protection and other issues that depends on spatial intelligent decisions. We proposed the theoretical framework of geographical simulation and optimization system (GeoSOS), which coupled geographic process simulation/prediction and spatial optimization, provides powerful theoretical support and practical tools for above researches. This paper develops the extension of GeoSOS software-GeoSOS for ArcGIS, which is an ArcGIS Add-In runs on ArcGIS platform for facilitating the above analyses. We take the urban expansion and ecological protection research in rapid urbanization area as an example, use the software to tackle a series of urbanization issues in the study area. The simulation results show that the predicted land development intensity of Guangdong Province will exceed the constraint index in 2020 according to the national development plan. However, the urbanization expansion based on the constraints of land development intensity and ecological protection can satisfy these constraints, and obtain a more compact landscape pattern. The analysis has shown that GeoSOS can be a useful tool for assisting in the analysis of geographic national conditions information. The paper also provides some useful guidelines for these analysis and the future research directions.

geographical simulation and optimization system(GeoSOS); ArcGIS add-in; geographic national conditions; urban expansion; ecological protection

The National Natural Science Foundation of China (Nos. 41531176; 41301443); National Key R&D Program of China (No. 2017YFA0604402)

LI Xia (1962— )，male, professor， majors in geographical information science， cellular automata and agent-based modeling， remote sensing applications.

黎夏，李丹，劉小平.地理模擬優(yōu)化系統(tǒng)(GeoSOS)及其在地理國情分析中的應(yīng)用[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1598-1608.

10.11947/j.AGCS.2017.20170355.

LI Xia，LI Dan，LIU Xiaoping.Geographical Simulation and Optimization System (GeoSOS) and Its Application in the Analysis of Geographic National Conditions[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1598-1608. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170355.

P227

A

1001-1595(2017)10-1598-11

國家自然科學(xué)基金(41531176；41301443)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目(2017YFA0604402)

2017-06-26

修回日期： 2017-09-11

黎夏(1962— )，男，教授，研究方向?yàn)榈乩硇畔⒖茖W(xué)、元胞自動(dòng)機(jī)與多智能體、遙感應(yīng)用。

E-mail： lixia@mail.sysu.edu.cn