彭雪麗, 徐 磊, 徐維藝, 闞瑤川, 張長春

(河北農(nóng)業(yè)大學 國土資源學院, 河北 保定 071000)

隨著十九大“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的提出，鄉(xiāng)村地域面臨著新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，而探討鄉(xiāng)村地域發(fā)展規(guī)律和居民點布局優(yōu)化是實現(xiàn)鄉(xiāng)村發(fā)展轉(zhuǎn)型的前提與基礎(chǔ)[1]。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，城鄉(xiāng)發(fā)展建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾日益突出，同時城鄉(xiāng)居民點空間布局出現(xiàn)擴張無序、布局“空心化”等問題，如何把握城鄉(xiāng)居民點發(fā)展規(guī)律，合理優(yōu)化城鄉(xiāng)居民點布局，保護生態(tài)環(huán)境不受破壞是居民點發(fā)展研究的關(guān)鍵問題[2]。因此，在城鄉(xiāng)一體化進程加快背景下，迫切需要合理預測未來城鄉(xiāng)居民點演變趨勢，協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)建設(shè)與生態(tài)保護間的矛盾，從而實現(xiàn)城鄉(xiāng)居民點空間布局優(yōu)化。

近年來，我國關(guān)于居民點空間布局的研究較多，主要包括居民點空間分布特征[3]、居民點演變及其影響因素[4-5]、居民點布局優(yōu)化與重構(gòu)等[6-7]方面；研究對象涵蓋山區(qū)[8]、丘陵[9]、平原[10]和盆地等[11]多種地形。在居民點布局優(yōu)化與重構(gòu)方面，大部分學者通過構(gòu)建評價指標體系，評價居民點布局適宜性[12]、發(fā)展?jié)摿13]、綜合影響力等[14]，劃分居民點的發(fā)展類型，并提出對應的優(yōu)化路徑。部分學者從居民點間的空間相互影響角度出發(fā)，利用引力模型測算居民點間的相互作用值，結(jié)合場強模型、結(jié)節(jié)性指數(shù)評價[15]、潛能模型[16]、復雜網(wǎng)絡(luò)等[17]方法，對居民點進行類型劃分和布局優(yōu)化；還有學者通過加權(quán)Voronoi圖[13,18]，或結(jié)合擴展斷裂點模型[14]劃分中心居民點的影響范圍，確定需遷移居民點的集聚方向，并提出重構(gòu)優(yōu)化的建議。除此之外，也有一些學者將GIS空間分析方法與蟻群算法[19]、遺傳算法等[20]數(shù)學模型相結(jié)合，從不同角度對居民點進行分析，進而提出居民點整治和優(yōu)化方案。綜上所述，已有研究大多是以農(nóng)村居民點為研究對象，根據(jù)居民點的不同特點劃分為不同的優(yōu)化類型，而以城鄉(xiāng)居民點用地為研究對象，從協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)居民點發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的角度進行城鄉(xiāng)居民點布局優(yōu)化的研究較少；同時，居民點空間特征研究大多都是靜態(tài)分析，缺乏時空演變特征的動態(tài)分析，未來居民點演變趨勢預測和布局優(yōu)化的研究也較少。

唐縣隸屬河北省保定市，地形以山地丘陵為主，主要用地類型為草地，整體用地生態(tài)用途顯著，在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化加速發(fā)展背景下，城鄉(xiāng)發(fā)展建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾愈加凸顯。因此，科學預測未來城鄉(xiāng)居民點演變趨勢，從生態(tài)保護與建設(shè)角度優(yōu)化唐縣城鄉(xiāng)居民點空間布局十分必要。本研究以河北省唐縣為研究區(qū)，利用最小累積阻力模型獲取生態(tài)安全保護分區(qū)，運用GeoSOS-FLUS模型進行城鄉(xiāng)居民點用地變化預測，分析自然發(fā)展情景下城鄉(xiāng)居民點演變對生態(tài)安全的影響；然后綜合考慮城鄉(xiāng)居民點自然演變規(guī)律和生態(tài)保護限制兩方面因素，探尋城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性空間特征，并結(jié)合ACO模型進行唐縣城鄉(xiāng)居民點空間布局優(yōu)化，以期為未來唐縣城鄉(xiāng)居民點的規(guī)劃發(fā)展提供科學參考，實現(xiàn)城鄉(xiāng)建設(shè)與生態(tài)保護協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

唐縣隸屬河北省保定市(38°37′—39°09′N，114°27′—115°03′E)，位于河北省中部，全縣土地總面積為1 414.31 km2，東與順平縣、望都縣相鄰，南與定州市毗鄰，西接曲陽縣和阜平縣，北靠淶源縣。該縣位于太行山北段東麓地區(qū)，地形以山地丘陵為主，地勢西北高、東南低；河流眾多，水源豐富。該縣氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候，四季分明，氣候溫和，年均降水量為508.10 mm。截至2019年底，唐縣下轄9個鎮(zhèn)和11個鄉(xiāng)345個行政村，總?cè)丝?0.50萬人。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等。其中，遙感影像數(shù)據(jù)主要包括2000年Landsat 7 ETM影像、2009年Landsat 5 TM影像和2018年Landsat 8 OLI影像，空間分辨率為30 m，影像軌道編號為124/33，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。土地利用數(shù)據(jù)來源于唐縣2017年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要包括2000年、2010年、2015年的人口空間化數(shù)據(jù)和GDP空間化數(shù)據(jù)，來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)[21-22]。規(guī)劃數(shù)據(jù)來源于《唐縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)》修改方案。

本研究數(shù)據(jù)預處理主要包括：(1) 結(jié)合研究區(qū)實際和研究需要，本文將土地利用類型劃分為城鄉(xiāng)居民點用地、耕地、林地、草地、交通運輸用地、水域和未利用地。利用ENVI 5.1軟件對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像融合等預處理，在Google Earth高清影像參考下，采用監(jiān)督分類，并結(jié)合目視解譯，解譯出唐縣3期(2000年、2009年、2018年)土地利用現(xiàn)狀圖，總體分類精度均在0.9以上，符合研究要求。(2) 利用ENVI 5.1軟件，在對唐縣2018年Landsat 8 OLI遙感影像進行預處理的基礎(chǔ)上，借助Band Math工具計算得到植被覆蓋度。(3) 從唐縣2017年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫中提取水域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、公路和鐵路圖斑，運用ArcGIS 10.2的空間分析模塊得到距水域距離、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、距公路距離和距鐵路距離。(4) 利用DEM數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.2的Slope工具提取得到坡度。(5) 為方便處理數(shù)據(jù)，本文利用ArcGIS 10.2將2000年、2010年、2015年的人口空間化數(shù)據(jù)和GDP空間化數(shù)據(jù)重采樣至30 m空間分辨率。

2 研究方法

2.1 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型是指從“源”出發(fā)到目的地經(jīng)過不同類型景觀所克服的最小阻力或耗費的最小費用[23]。其公式如下：

(1)

式中:MCR為從源擴散到空間某一點的最小累積阻力值;f為一個未知的正函數(shù),反映空間任一點的最小阻力與其到所有源的距離和阻力面特征的正相關(guān)關(guān)系;Dij為某一質(zhì)點從源j到某一景觀單元i的空間距離;Ri為景觀單元i對該質(zhì)點運動的阻力,阻力值根據(jù)景觀i對質(zhì)點的阻礙程度確定。在MCR模型中,源的選擇、阻力面的構(gòu)建和阻力值的確定是關(guān)鍵。

由于唐縣大部分為低山丘陵區(qū)，該區(qū)域主要用地類型為林地和草地，且河流眾多，水資源豐富。因此，本文根據(jù)唐縣實際情況，并參考相關(guān)文獻[24]，選擇林地(面積大于2 km2)及水域(水庫水面及部分河流)作為生態(tài)源地。在此基礎(chǔ)上，通過參考已有研究[24-25]，選取土地利用類型、植被覆蓋度、距水域距離、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、距公路距離、高程和坡度作為阻力因子，并通過專家打分法[2]，確定各個阻力因子阻力值及權(quán)重(表1)。土地利用類型選取前文解譯獲得的唐縣2018年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

表1 阻力因子評價體系

2.2 GeoSOS-FLUS模型

GeoSOS-FLUS模型是由黎夏團隊開發(fā)的土地利用變化情景模擬軟件，該模型能較好地應用于地理空間模擬和優(yōu)化，并為決策者提供參考依據(jù)[26]。該模型的原理源自元胞自動機(CA)，并在傳統(tǒng)元胞自動機的基礎(chǔ)上做了較大改進。首先，該模型采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)從一期土地利用數(shù)據(jù)與各類驅(qū)動力因子中，獲取研究區(qū)各類土地利用類型的分布適宜性概率；然后通過耦合系統(tǒng)動力學模型(SD)和元胞自動機(CA)模型來提高模型的適用性，其中，在元胞自動機(CA)模型中引入一種自適應慣性競爭機制，這種機制能較好地處理多種土地利用類型在各類驅(qū)動因子共同作用下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時的復雜性和不確定性，因此，GeoSOS-FLUS模型具有較高的模擬精度[27]，能更靈活準確地模擬未來土地利用變化。

通過分析土地利用變化情況，基于數(shù)據(jù)的可獲取性、相關(guān)性和可量化性等原則，本文選取自然區(qū)位因子(高程、坡度、距公路距離、距鐵路距離、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、距水域距離)和社會經(jīng)濟因子(人口密度、柵格化GDP)作為驅(qū)動力因子，運用GeoSoS-FLUS模型，對唐縣城鄉(xiāng)居民點用地變化進行預測。

2.3 蟻群優(yōu)化算法(ACO)

蟻群算法是一種仿生優(yōu)化算法，該模型的特點是能夠進行智能搜索、全局優(yōu)化，在解決多目標優(yōu)化問題方面具有很大優(yōu)勢，非常適合應用于土地資源空間優(yōu)化配置中[28]。ACO的原理是通過模擬螞蟻群體覓食過程，即搜索食物源與巢穴間的最短路徑而進行優(yōu)化求解，構(gòu)建ACO模型的關(guān)鍵是建立蟻群尋優(yōu)的信息素機制[29]。本研究利用ACO模型進行城鄉(xiāng)居民點空間布局優(yōu)化，蟻群移動概率函數(shù)定義如下[30]：

(2)

蟻群優(yōu)化算法的目標函數(shù)包括兩個方面，分別為空間緊湊性和土地利用適宜性?？紤]研究區(qū)實際情況，本研究將空間緊湊性和土地利用適宜性的權(quán)重均設(shè)為0.5，空間優(yōu)化的總目標函數(shù)為：

F=0.5f(c)+0.5f(s)

(3)

式中:f(c)為空間緊湊性函數(shù)；f(s)為土地利用適宜性函數(shù)。

以上優(yōu)化過程在GeoSOS軟件平臺中完成，通過反復試驗，本文將啟發(fā)權(quán)重、信息權(quán)重和揮發(fā)系數(shù)分別設(shè)為4，2，0.35?？臻g緊湊性可在軟件中直接設(shè)置，土地利用適宜性結(jié)合城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性評價結(jié)果，實現(xiàn)唐縣城鄉(xiāng)居民點布局優(yōu)化。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)安全保護分區(qū)

根據(jù)前文中阻力面的確定和阻力系數(shù)的設(shè)定，計算得到生態(tài)源地擴張的綜合阻力面，并借助ArcGIS 10.2中的Cost-Distance工具求出生態(tài)源地擴張的最小累積阻力面。該阻力值越小，則越需要加強所在區(qū)域的生態(tài)保護[24]，則越不適宜城鄉(xiāng)居民點布局，生態(tài)安全值越低。根據(jù)柵格數(shù)量和柵格像元值之間的關(guān)系，將最小累積阻力值重分為4類(表2)，最終得到唐縣生態(tài)安全保護分區(qū)圖(圖1)。

表2 唐縣生態(tài)安全分區(qū)結(jié)果

圖1 唐縣生態(tài)安全保護分區(qū)

從整體來看，唐縣生態(tài)安全值偏低，低生態(tài)安全保護區(qū)和較低生態(tài)安全保護區(qū)面積占總區(qū)域的82%左右，主要分布在西北部的中低山區(qū)和中西部的低山丘陵區(qū)，該區(qū)域的主要用地類型是林地和草地，且分布有西大洋水庫和唐河，水資源豐富，使得該區(qū)域的土地利用更傾向于生態(tài)用途，因此生態(tài)安全值較低；而東南部的平原地區(qū)，由于地勢平坦，交通便利，區(qū)位條件優(yōu)越，經(jīng)濟發(fā)展水平高，是城鄉(xiāng)建設(shè)的主要區(qū)域，因此生態(tài)安全值較高。低生態(tài)安全保護區(qū)分布有較多生態(tài)源地，需要重點進行生態(tài)環(huán)境保護，該區(qū)域主要分布在唐縣西北部和中西部的川里鎮(zhèn)、倒馬關(guān)鄉(xiāng)和羅莊鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為769.80 km2，在唐縣總面積中占比54.43%；較低生態(tài)安全保護區(qū)雖分布有較少生態(tài)源地，但大部分為低山丘陵區(qū)，位于低生態(tài)安全保護區(qū)周圍，仍需注重加強生態(tài)環(huán)境保護，該區(qū)域主要分布在北店頭鄉(xiāng)、北羅鎮(zhèn)和都亭鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為392.23 km2，在唐縣總面積中占比27.73%；中等生態(tài)安全保護區(qū)是高生態(tài)安全保護區(qū)和較低生態(tài)安全保護區(qū)間的過渡區(qū)域，地理位置優(yōu)越，適合進行城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)，主要分布在唐縣東南部的長古城鎮(zhèn)、高昌鎮(zhèn)、南店頭鄉(xiāng)和仁厚鎮(zhèn)，面積為172.69 km2，在唐縣總面積中占比12.21%；高生態(tài)安全保護區(qū)遠離生態(tài)源地，不會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響，主要分布在東南部的王京鎮(zhèn)，面積為79.59 km2，在唐縣總面積中占比5.63%。

3.2 城鄉(xiāng)居民點模擬預測

3.2.1 城鄉(xiāng)居民點用地變化模擬 以唐縣2000年土地利用數(shù)據(jù)為初始年份土地利用數(shù)據(jù)，輸入高程、坡度、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、人口密度、柵格化GDP等驅(qū)動力因子，在GeoSOS-FLUS模型中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)計算唐縣各個地類的適宜性概率，在此基礎(chǔ)上，模擬自然發(fā)展情景下唐縣2009年土地利用狀況。同樣，以唐縣2009年土地利用數(shù)據(jù)為初始年份土地利用數(shù)據(jù)，利用GeoSOS-FLUS模型模擬得到自然發(fā)展情景下唐縣2018年土地利用狀況。

將土地利用模擬圖與土地利用現(xiàn)狀圖進行對比(圖2)，以驗證模擬精度。本文利用GeoSOS-FLUS軟件中的精度驗證模塊計算Kappa系數(shù)，分別檢驗2009年、2018年模擬結(jié)果與現(xiàn)狀地類的一致性。經(jīng)計算，2009年土地利用模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)為0.63，總體精度為67.86%；2018年土地利用模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)為0.67，總體精度為71.44%。模擬結(jié)果符合一般預測系統(tǒng)的精度檢驗需求，可用于未來預測。

圖2 唐縣2009年、2018年土地利用現(xiàn)狀與模擬對比

3.2.2 城鄉(xiāng)居民點用地變化預測 為進一步了解未來唐縣城鄉(xiāng)居民點用地變化情況，本文在以上模擬研究的基礎(chǔ)上，對唐縣城鄉(xiāng)居民點用地變化趨勢進行預測，以分析未來唐縣城鄉(xiāng)居民點演變對生態(tài)安全的影響。假設(shè)唐縣按照當前的演變趨勢發(fā)展，且交通運輸用地、水域及驅(qū)動因子在未來發(fā)展過程中沒有發(fā)生較大變化。本文以唐縣2018年土地利用數(shù)據(jù)為初始年份土地利用數(shù)據(jù)，利用GeoSOS-FLUS模型模擬得到自然發(fā)展情景下唐縣2027年土地利用狀況。

依據(jù)2027年與2018年唐縣城鄉(xiāng)居民點用地格局進行對比分析(圖3，表3)，可以得出：在自然發(fā)展情景下，2027年唐縣的城鄉(xiāng)居民點用地和林地面積均有所增加，其中林地面積增加較多；草地和未利用地面積均減少，其中草地面積減少最為明顯；耕地、交通運輸用地和水域面積基本保持不變。經(jīng)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析，城鄉(xiāng)居民點用地總面積增加6.67 km2，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來。在空間分布上，唐縣城鄉(xiāng)居民點演變以空間擴張為主，城鄉(xiāng)居民點整體分布格局變化不大；城鄉(xiāng)居民點空間擴張集中在西北部的中低山區(qū)和中西部的低山丘陵區(qū)，主要包括北店頭鄉(xiāng)、白合鎮(zhèn)、黃石口鄉(xiāng)、軍城鎮(zhèn)和齊家佐鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；以及東南部的部分平原區(qū)，主要包括高昌鎮(zhèn)和仁厚鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

利用ArcGIS 10.2將2018年和2027年的城鄉(xiāng)居民點用地圖層與生態(tài)安全保護分區(qū)圖進行疊加(表4)，探究2027年不同類型生態(tài)安全保護區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)居民點演變特征。從面積數(shù)量變化來看，位于高生態(tài)安全保護區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積略有下降，減少0.05 km2；位于其他類型生態(tài)安全保護區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積均有所增加，其中城鄉(xiāng)居民點面積增加較多的區(qū)域為低生態(tài)安全保護區(qū)和較低生態(tài)安全保護區(qū)，分別為2.67，2.83 km2，中等生態(tài)安全保護區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積增加1.22 km2。結(jié)合前面的分析，低生態(tài)安全保護區(qū)和較低生態(tài)安全保護區(qū)的土地利用以生態(tài)用途為主，不適宜城鄉(xiāng)居民點布局。而預測結(jié)果顯示，在自然發(fā)展情景下，2027年唐縣城鄉(xiāng)居民點空間擴張集中在低生態(tài)安全保護區(qū)和較低生態(tài)安全保護區(qū)，未來其空間的不斷擴張將對唐縣生態(tài)安全逐漸產(chǎn)生威脅。

圖3 唐縣2018年土地利用現(xiàn)狀與2027年土地利用模擬對比

3.3 城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性空間特征分析

為防止城鄉(xiāng)居民點未來擴張對生態(tài)安全造成破壞，在唐縣未來城鄉(xiāng)居民點發(fā)展過程中，需考慮生態(tài)保護的約束條件限制，從生態(tài)保護與建設(shè)角度優(yōu)化未來唐縣城鄉(xiāng)居民點布局。本文綜合考慮城鄉(xiāng)居民點自然演變規(guī)律和生態(tài)保護限制兩方面因素，將前文運用ANN模型獲取的城鄉(xiāng)居民點用地適宜性分布概率和運用MCR模型計算得出的最小累積阻力面進行疊加，兩者的權(quán)重分別設(shè)定為0.6，0.4，通過ArcGIS 10.2的Raster Calculator模塊計算出城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性，并利用ArcGIS 10.2的自然間斷點法對生態(tài)適宜性分值進行重分類(表5)，得到唐縣城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性分區(qū)圖(圖4)。

表3 唐縣2018年和2027年土地利用類型面積對比

表4 唐縣2018年現(xiàn)狀和2027年預測城鄉(xiāng)居民點在不同生態(tài)安全分區(qū)內(nèi)分布統(tǒng)計

表5 唐縣城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性分區(qū)結(jié)果

高度適宜區(qū)主要位于東南部的中心縣城及各個中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地，面積為40.04 km2，在唐縣總面積中占比2.83%。該區(qū)域交通發(fā)達，基礎(chǔ)設(shè)施完善，人口密度大，經(jīng)濟發(fā)展水平高；地處平原地區(qū)，且遠離林地、水域生態(tài)源地，城鄉(xiāng)居民點建設(shè)不會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞，生態(tài)安全值高，可作為唐縣未來城鄉(xiāng)居民點布局的重點區(qū)域。

較適宜區(qū)分布在高度適宜區(qū)的周圍，主要位于東南部的平原區(qū)，面積為217.61 km2，在唐縣總面積中占比15.39%。該區(qū)域耕地分布較多，且地勢低平，便于農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn)；交通方便，區(qū)位條件較好，社會經(jīng)濟發(fā)展良好；地勢較平坦，且同樣遠離林地、水域生態(tài)源地，生態(tài)安全值較高，可進一步加強該區(qū)域的城鄉(xiāng)居民點建設(shè)，合理引導城鄉(xiāng)居民點規(guī)模適度擴張。

圖4 唐縣城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性分區(qū)

中等適宜區(qū)主要位于中西部的山地丘陵區(qū)，面積為240.78 km2，在唐縣總面積中占比17.02%。該區(qū)域耕地資源較少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差；交通較為便利，社會經(jīng)濟條件略低于較適宜區(qū)；地形復雜，距離林地、水域生態(tài)源地較近，生態(tài)安全值較低，可根據(jù)不同城鄉(xiāng)居民點情況因地制宜進行整理優(yōu)化，加強區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

較不適宜和不適宜區(qū)主要位于西北部的中低山地區(qū)和中西部的西大洋水庫區(qū)域，面積為915.88 km2，在唐縣總面積中占比64.76%。該區(qū)域耕地極少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差；城鄉(xiāng)居民點規(guī)模小、布局分散；交通不便，人口稀少，社會經(jīng)濟條件落后；地勢陡峭，地質(zhì)災害發(fā)生率高，且在林地、水域生態(tài)源地附近，生態(tài)安全值低，不適宜城鄉(xiāng)居民點的開發(fā)建設(shè)，可加強該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護，對區(qū)域內(nèi)城鄉(xiāng)居民點重點治理或搬遷。

3.4 城鄉(xiāng)居民點空間布局優(yōu)化

在城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性空間特征分析的基礎(chǔ)上，排除基本農(nóng)田、河流和公路等不適宜進行城鄉(xiāng)居民點布局的區(qū)域，城鄉(xiāng)居民點用地優(yōu)化面積與2027年預測唐縣城鄉(xiāng)居民點用地面積保持一致，利用GeoSOS軟件，通過ACO模型進行唐縣城鄉(xiāng)居民點空間布局優(yōu)化。利用ArcGIS 10.2分別將2027年預測和優(yōu)化的城鄉(xiāng)居民點用地圖層與城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性分區(qū)圖進行疊加(圖5)，并統(tǒng)計不同類型適宜性區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積(表6)。

優(yōu)化前，分布在高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)和中等適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積占比為76.23%，分布在較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積占比為23.77%，且這些城鄉(xiāng)居民點分布散亂，集聚性差。優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點主要分布在高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)和中等適宜區(qū)，占城鄉(xiāng)居民點總面積的99.05%，而較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點分布較少，僅占城鄉(xiāng)居民點總面積的0.95%。從面積變化來看，優(yōu)化后，高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)和中等適宜區(qū)城鄉(xiāng)居民點面積均有不同程度的增加，分別為4.53，36.97，5 km2；較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積均有所下降，分別為30.58，15.92 km2。從空間分布形態(tài)來看，優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點零星分布減少，破碎化程度降低，大部分呈規(guī)模集聚分布，城鄉(xiāng)居民點布局總體上趨于緊湊。

圖5 唐縣優(yōu)化前后城鄉(xiāng)居民點分布

表6 唐縣2027年預測和2027年優(yōu)化城鄉(xiāng)居民點在不同適宜性分區(qū)內(nèi)分布統(tǒng)計

優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點呈現(xiàn)出向適宜性較高的區(qū)域遷移的趨勢，其中較適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積增加最為明顯，主要是因為高度適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點本身城鎮(zhèn)化程度高，分布聚集，故優(yōu)化后城鄉(xiāng)居民點布局變動不明顯；較適宜區(qū)地處東南部的平原，有較豐富的耕地資源，社會經(jīng)濟條件較好，生態(tài)安全值較高，故優(yōu)化后該區(qū)域城鄉(xiāng)居民點面積增加較多，空間規(guī)模擴張明顯；中等適宜區(qū)主要位于中西部的丘陵山地區(qū)，社會經(jīng)濟條件略低于較適宜區(qū)，地形復雜，生態(tài)安全值較低，故優(yōu)化后城鄉(xiāng)居民點面積增加較少，空間布局變動較大，分布更加聚集。而較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點大大減少，這是由于這些區(qū)域主要位于西北部的中低山地區(qū)和中西部的西大洋水庫，社會經(jīng)濟條件差，地勢陡峭，坡度較大，生態(tài)安全值低，不宜進行城鄉(xiāng)居民點的開發(fā)建設(shè)，故優(yōu)化后該區(qū)域有較少城鄉(xiāng)居民點分布。

整體來看，優(yōu)化后的城鄉(xiāng)居民點重心分布在東南部的高度適宜區(qū)和較適宜區(qū)，未來可進一步加強該區(qū)域的城鄉(xiāng)居民點基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，制定相關(guān)政策措施，合理引導城鄉(xiāng)居民點規(guī)模適度擴張，形成圍繞縣城集聚發(fā)展的城鄉(xiāng)居民點布局；中等適宜區(qū)未來可因地制宜進行整理優(yōu)化，逐步引導分布零星、規(guī)模小的居民點向中心居民點聚集；較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)未來可作為重點生態(tài)保護區(qū)，鼓勵引導該區(qū)域的城鄉(xiāng)居民點向更高適宜區(qū)遷移。總的來說，從生態(tài)保護與建設(shè)角度出發(fā)，通過ACO模型優(yōu)化后的唐縣城鄉(xiāng)居民點空間布局，避免了城鄉(xiāng)居民點擴張對生態(tài)環(huán)境的破壞，更有利于城鄉(xiāng)居民點建設(shè)與生態(tài)安全保護協(xié)調(diào)發(fā)展，城鄉(xiāng)居民點的整體生態(tài)適宜性明顯得到提高，布局更加緊湊，基本實現(xiàn)了唐縣城鄉(xiāng)居民點布局優(yōu)化。

4 討論與結(jié)論

(1) 整體上看，唐縣生態(tài)安全值偏低，呈西北低、東南高的空間分異特征，生態(tài)安全值較低的區(qū)域主要分布在西北部的中低山區(qū)和中西部的低山丘陵區(qū)，生態(tài)安全值較高的區(qū)域主要分布在東南部的平原地區(qū)。在自然發(fā)展情景下，2027年唐縣的城鄉(xiāng)居民點用地總面積增加6.67 km2，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來。在空間分布上，唐縣城鄉(xiāng)居民點演變以空間擴張為主，整體分布格局變化不大。通過將2018年和2027年的城鄉(xiāng)居民點用地圖層與生態(tài)安全保護分區(qū)圖進行疊加，發(fā)現(xiàn)2027年唐縣城鄉(xiāng)居民點空間擴張集中在低生態(tài)安全保護區(qū)和較低生態(tài)安全保護區(qū)，未來其空間的不斷擴張將對唐縣生態(tài)安全逐漸產(chǎn)生威脅。

(2) 從生態(tài)保護與建設(shè)角度分析唐縣城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性空間特征，并將城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性劃分為高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)、中等適宜區(qū)、較不適宜和不適宜區(qū)5個區(qū)域。高度適宜區(qū)主要位于東南部的中心縣城及各個中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地，面積為40.04 km2，在唐縣總面積中占比2.83%。較適宜區(qū)分布在高度適宜區(qū)的周圍，主要位于東南部的平原區(qū)，面積為217.61 km2，在唐縣總面積中占比15.39%。中等適宜區(qū)主要位于中西部的山地丘陵區(qū)，面積為240.78 km2，在唐縣總面積中占比17.02%。較不適宜和不適宜區(qū)主要位于西北部的中低山地區(qū)和中西部的西大洋水庫區(qū)域，面積為915.88 km2，在唐縣總面積中占比64.76%。

(3) 結(jié)合唐縣城鄉(xiāng)居民點生態(tài)適宜性空間特征分析，優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點呈現(xiàn)出向適宜性較高的區(qū)域遷移的趨勢，其中較適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點面積增加最為明顯；較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點大大減少；且城鄉(xiāng)居民點零星分布減少，破碎化程度降低，大部分呈規(guī)模集聚分布，城鄉(xiāng)居民點布局總體上趨于緊湊?？偟膩碚f，從生態(tài)保護與建設(shè)角度出發(fā)，通過ACO模型優(yōu)化后的唐縣城鄉(xiāng)居民點空間布局，更有利于城鄉(xiāng)居民點建設(shè)與生態(tài)安全保護協(xié)調(diào)發(fā)展，城鄉(xiāng)居民點的整體生態(tài)適宜性明顯得到提高，布局更加緊湊，基本實現(xiàn)了唐縣城鄉(xiāng)居民點布局優(yōu)化。

(4) 本文通過預測分析未來城鄉(xiāng)居民點演變趨勢，從生態(tài)保護與建設(shè)角度優(yōu)化城鄉(xiāng)居民點空間布局，有利于實現(xiàn)城鄉(xiāng)居民點建設(shè)與生態(tài)安全保護相協(xié)調(diào)，也可為未來唐縣城鄉(xiāng)居民點規(guī)劃發(fā)展提供科學參考。但是，受研究數(shù)據(jù)限制，本文在預測城鄉(xiāng)居民點土地利用變化時，選取的社會經(jīng)濟驅(qū)動因子較少，以后應探索多源的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，并考慮政策因素的影響，以進行更加科學精準的預測；另外，本文僅考慮了自然發(fā)展情景下的未來城鄉(xiāng)居民點演變趨勢，以后可探討不同情境下的城鄉(xiāng)居民點演變趨勢預測，同時在具體實施城鄉(xiāng)居民點布局優(yōu)化方案時，還需進一步結(jié)合當?shù)氐娜宋臍v史和村民意愿等方面因素，并考慮未來城鄉(xiāng)居民點發(fā)展的規(guī)模限制。