基于多目標遺傳算法的國土空間開發格局優化配置研究
——以龍巖市為例

許自昌

(1．中國地質大學(武漢) 資源學院，湖北 武漢 430074；2．福建省地質測繪院遙感中心，福建 福州 350011)

國土空間用地具有多宜性，導致社會發展中利益相關者對空間用地資源產生競爭，從而形成空間沖突。2017年《全國國土規劃綱要(2016—2030)》中強調，要科學把握國土空間單元的多宜性、以及空間開發的約束條件，合理縮減農業空間、增加城鎮空間、保護生態空間。因此，有效識別和優化國土空間沖突，尋找適宜性最優的空間用地，是當前研究的重點。開展國土空間開發適宜性評價，摸清資源本底，識別空間沖突，尋求最優空間布局是協調發展國土空間的核心要務。

目前，針對國土空間開發格局優化的研究多側重于基于國土空間適宜性評價結果，依據土地自然資源稟賦、地理區位條件、社會經濟條件對研究區域內國土空間資源數量和空間進行合理配比。針對評價目標、評價指標選取和評價方法，學者們展開了豐富的研究。在評價對象上，早期研究以農業適宜性評價為主[1-2]。隨著學者的深入研究，開始對建設用地[3-4]、旅游用地[5]等不同類型、不同主題的用地開展適宜性評價。吳艷娟等[6]以寧波市為例，從“生產-生活-生態”角度出發，評價城鎮開發適宜性規模與潛力。在評價指標體系選取上，其演化過程主要經歷了“千層餅”模式時期[7]、工程地質條件主導時期[8]和指標多元化時期[9-10]。評價指標涉及因素眾多。主要包括自然地理條件[11-12]、生態環境因素[13-14]和社會經濟因素[6]等方面，實際應用中往往根據研究區、研究視角差異而有所側重。喻忠磊等[15]認為影響城鎮空間建設開發適宜性程度的因素是多樣的，應綜合自然因素、社會經濟因素、生態因素等進行統籌評價城鎮開發適宜性。王昆[16]認為農業生產適宜性評價是以解決農用地保護和經濟發展的矛盾為出發點，探討國土空間是否適宜農業生產活動的情況。劉焱序等[17]認為生態保護適宜性評價是從生態保護的角度，定量評估國土空間對于生態需求用途的適宜程度。在評價方法上，目前主流的適宜性評價方法有多要素疊置評價[18-19]、空間相互作用及趨勢模擬分析[20-21]、基于生態位的空間供需耦合分析[22-23]。但現有研究多停留在單目標空間優化上，忽略了國土空間是一個內部極其復雜的系統。國土空間涵蓋資本、勞動力、土地等多種要素，國土空間優化配置的目的是協調多方矛盾，實現資源要素合理配置。當下，計算機技術快速發展，解決多目標問題的智能算法[24]成為了研究熱點。由于帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法(nondominated sorting genetic algorithm-II，NSGA-II)具有魯棒性好、收斂性好、執行速度快等優勢，能同時獲得多個最優解，因此被廣泛應用于土地優化配置[25]中。其核心是通過綜合權衡各個目標，協調多方利益，對國土空間結構和空間布局進行優化，為決策者尋找最優方案。綜上，針對國土空間開發適宜性評價和遺傳算法，學者們已經取得了豐碩的研究成果，為本研究提供了堅實的工作基礎。

龍巖市作為全國著名革命老區之一，受歷史、區位等各方面影響，發展較為緩慢，三類空間沖突問題突出。因此,選擇其為研究區，通過開展國土空間開發適宜性評價,識別優勢區和沖突風險區，兼顧新型城鎮化戰略和可持續發展戰略目標，構建國土空間開發格局優化模型，開展多目標空間格局優化。研究結果能為解決空間資源分配不均衡問題和構建國土空間開發保護新格局提供理論基礎和技術支撐。

1 研究區概況

龍巖市位于我國閩粵贛三省交界處，是全國著名的革命老區，也是海峽西岸延伸內陸的重要門戶(圖1)。龍巖市轄新羅區、永定區、漳平市、長汀縣、連城縣、上杭縣和武平縣，7個縣(市、區)均為中央蘇區縣，全區總面積19 028.28 km2。近年來，龍巖市經濟和城鎮發展速度加快，截至2019年末，龍巖市地區生產總值為2 678.96億元，比上一年提高11.6%；城鎮化率達到57%，較上一年增長2.7%。

圖1 龍巖市地理位置Fig.1 Geographical location of Longyan City

2 研究方法

2.1 國土空間開發適宜性評價指標體系構建

本研究參考自然資源部印發的《雙評價》指南，借鑒已有研究成果，在實地調研后綜合考慮圖件資料的可用性和數據的獲取難易度，分別選取相關因素構建評價指標體系。

評價指標體系的權重采用德爾菲法咨詢20位相關領域專家，對評價空間適宜性的指標進行兩輪評分，然后結合層次分析法，最終得到評價指標權重賦值(見表1)。

表1 國土空間開發適宜性評價指標體系Tab.1 Land space development suitability evaluation indexes system

2.2 國土空間優化配置

2.2.1目標函數

目標函數由數量結構優化模塊和空間布局優化模塊兩部分組成，其中，數量結構優化模塊采用適宜性最大化作為優化效果的評估準則之一，而空間布局優化模塊采用空間模塊緊湊程度最大化和空間協調度最大化兩個目標函數來評估優化成效。

1)適宜度(S)最大化

不同的國土空間單元對不同空間類型具備的適宜度屬性是不同的，而國土空間優化配置就是在優化目標的指導下，將不同國土空間單元配置為適宜度高的空間類型。因此，目標函數可以表示為

(1)

式中，Uijk表示國土空間類型為k在位置(i,j)處的適宜性值。

2)空間協調度(X)最大化

相鄰空間的變化會直接影響區域國土空間單元的穩定性與協調性，所以在配置國土空間時，需要考慮相鄰兩種國土空間布置對區域生活或生產等方面造成的舒適程度。

(2)

式中，Lij表示任何兩相鄰的空間中的某一個空間單元與相鄰空間單元的協調度。結合現有研究，根據龍巖市國土空間特征，設定國土空間優化規則矩陣(表2)來表示相鄰空間之間的協調性。

表2 龍巖市國土空間優化規則矩陣Tab.2 The land space optimization rule matrix of Longyan City

3)空間布局緊湊度(F)最大化

相同的國土空間類型盡可能地聚集在一起，減少地塊的破碎化，能有效整合區域資源、要素和經濟活動在空間中的聚集，降低成本，使管理更加方便。

(3)

式中，Aijk表示某個國土空間單元3×3鄰域內也為k的空間單元數量；Xijk是一個二元變量，如果單元(i,j)的國土空間類型為k，其值為1，否則為0。

2.2.2約束條件

國土空間優化配置過程中要考慮很多限制條件，即約束條件。根據上述目標函數，歸納出相應的約束條件如下所示：

1)待配置的單元(i,j)的3×3鄰域內至少有2個與其具有相同國土空間類型的單元：

Bijk≥2

(4)

2)國土空間總面積不隨優化過程而改變，所以優化后的國土空間總面積和優化前的國土空間總面積保持一致。

(5)

式中，Sk指第k種國土空間的面積；S0指優化后的國土空間總面積。

3)國土空間類型轉化約束規則。如禁止侵占水域用地，且坡度>25°的土地不能用于國土開發建設。

3 結果分析

3.1 國土空間開發適宜性評價

借助ArcGIS平臺，對國土空間開發適宜性的所有影響因子開展適宜性評價，然后疊加所有單因子評價結果，按照各因子權重值以及分等定級標準，運用綜合評價模型求出各柵格單元的適宜性分值，最后用自然間斷法把結果分成高度適宜、中度適宜、低度適宜和不適宜4類，得到國土空間開發適宜性評價圖(見圖2)。

圖2 國土空間開發適宜性評價圖Fig.2 Land space development suitability evaluation map

從圖2看出，龍巖市國土空間開發適宜性主要以生態保護和農業生產為主。龍巖市農業生產適宜性分布整體表現為西北、南部高和東北、中東和東南部低。其中，高度適宜農業生產的區域面積為4 142.29 km2，占比為21.77%，主要分布在汀江河沿岸，水資源較豐富，土壤質量好；不適宜的區域主要分布于海拔高度高，地勢較陡，水土條件限制性較大的區域，如連城縣東部、新羅區北部和西南部以及長汀縣南部區域，面積達3 248.07 km2，占比為17.07%。而龍巖市生態保護適宜程度最高的區域面積達到8 559.99 km2，占比為44.99%，其水資源豐富，擁有優質的國家自然保護區，如梅花山、汀江源，區域內生態物種繁多；低度適宜和不適宜的區域主要分布在龍巖市中東、西北和南部區域，龍巖市適宜城鎮開發的面積比農業生產和生態保護低，其中高度適宜城鎮開發的土地面積達2 906.49 km2，僅占總面積的15.27%，呈現出中部、西北部和南部高，西部、西南部和北部低的態勢，其區域較平坦，水資源豐富，交通條件優越，坡度較緩，地質災害發生頻率較低。從適宜性分布格局可以看出，未來龍巖市主要以推進新型城鎮化建設為主，城鎮開發趨勢趨向于城市外邊緣。

3.2 沖突風險區識別

在ArcGIS軟件中，利用空間分析功能合并龍巖市城鎮開發、農業生產和生態保護適宜性評價結果，識別出龍巖市7種主要國土空間類型區(圖3)：生態保護優勢區、農業生產優勢區、城鎮開發優勢區、城鎮-農業沖突區、城鎮-生態沖突區、農業-生態沖突區以及城鎮-農業-生態沖突區。從空間分布來看，城鎮-農業-生態沖突區主要分布在長汀縣東部、武平縣南部、上杭縣西部等區域。該區域農業生產或城鎮建設的自然資源優越、社會經濟發展和交通條件均較良好，因此可同時高度適宜農業生產和城鎮開發。隨著社會經濟快速發展，以及現有建設用地難以滿足當下城鎮擴張需求，未來新增建設用地的選址將會優先考慮這片區域，因此發生現實空間沖突的概率較大。這些區域城鎮開發速度較快，農業生產用地向城鎮建設用地轉化的概率增大，造成兩用地類型產生大量潛在沖突風險。同時，城鎮建設用地與生態保護用地之間也存在大量的潛在沖突風險，表明這些區域潛在拓展能力較大，未來三者相互轉換的概率明顯會有所增大。結果說明龍巖市潛在空間沖突的范圍較大并且風險較高，其面臨的空間沖突形勢嚴峻，所以需要在遵循生態為首、鄰域協調、集中緊湊等原則下，耦合協調土地潛在沖突風險。

圖3 龍巖市國土空間沖突類型區Fig.3 Types of land space conflict areas in Longyan City

3.3 國土空間優化配置

3.3.1迭代結果

根據已有的研究成果，以及多次研究試驗，對比不同的參數組合情況下的優化結果，確定初始種群大小為50，迭代次數設為100次，交叉概率為0.8，變異概率為0.15。從圖4可以看出，在空間適宜度一定的情況下，隨著優化代數的持續增加，國土空間類型之間的協調度不斷提高，并且斑塊的破碎化也得到了一定的改善，優化效果明顯。所以在國土空間開發適宜度一定的情況下，國土空間的格局會朝著協調度最大化以及緊湊度最大化的方向發展，說明NSGA-II在解決國土空間沖突優化配置中取得了良好的優化效果。

圖4 不同代數下優化結果中的非支配集Fig.4 Nondominated sets in optimization results under different algebras

3.3.2優化結果

由上述試驗可知，在100代的優化求解中共獲得45個Pareto最優解，即得到45種可供決策者選擇的龍巖市國土空間優化配置方案。在現實決策中，決策者可以根據實際問題的需要，對最優解進行選擇。若以國土空間布局適宜度最大化為目標，則從最優解中選擇適宜度最大的為最終方案。在參考相關文獻后，本研究采用灰色關聯投影法對45種方案進行擇優選取，通過計算每一種優化配置方案的灰色關聯投影值，比較與理想方案的接近程度，從中選擇最優方案。計算發現，方案8的投影值最大，為0.845 9，說明方案8能在整體上表現出空間布局適宜度高，緊湊性強，空間類型間協調度高的國土空間優化布局，所以選擇方案8作為最終的國土空間優化布局方案。

將方案8所對應的個體進行染色體解碼，在ArcGIS中將ASCII碼轉為柵格數據進行可視化，如圖5所示。從圖中可以看出優化后龍巖市國土空間沖突問題得到有效解決，各類國土空間基本成團分布。由于優化過程中只對國土空間交叉沖突的區域進行優化，所以優化后僅沖突區域發生變化。

進一步計算優化前后的面積分布(表3)可以發現，龍巖市國土空間類型優化前后面積變化差異較大，優化后城鎮開發優勢區面積為3 510.38 km2，

增加了2100.36 km2；農業生產優勢區面積為4 292.23 km2，增加了2 402.86 km2；生態保護優勢區面積為11 225.67 km2，增加了5 838.26 km2。城鎮開發優勢區面積和農業生產優勢區增加較大的是上杭縣，增加面積分別為406.35 km2、453.86 km2。而生態保護優勢區面積增加較大的是連城縣，增加了1 451.85 km2，主要是因為連城縣生態保護適宜度大，境內有冠豸山風景區，生態環境優越，優化結果能很好地為生態用地預留空間，建設福建省全域生態旅游示范縣，推動發展連城縣國家重點生態功能區。面積變化較明顯的地區的優勢區面積不一定增加的最多，有的區域原始優勢區面積較少。從面積增加的角度分析，其他優勢區面積增加較大的市縣有長汀縣、漳平市、武平縣等，其中長汀縣城鎮開發優勢區面積增加了402.81 km2，漳平市農業生產優勢區面積增加了432.01 km2，武平縣生態保護優勢區面積增加了1 404.39 km2。

圖5 龍巖市國土空間優化布局Fig.5 Optimal layout of land space in Longyan City

表3 龍巖市國土空間優化前后分布面積Tab.3 Distribution areas of land before and after spatial optimization in Longyan City

對比優化前后的龍巖市國土空間布局，優化后通過適宜度、協調度、緊湊度目標函數和土地利用類型等約束條件，沖突區域布局得到顯著調整。整體來看，以龍巖市各中心縣城為核心，“放射式”的國土開發與保護空間格局特征明顯，城鎮、農業和生態空間逐步趨向于集中分布，有效增加空間利用效率，使空間功能發揮最大化。優化結果將龍巖市主城區沖突區多優化為城鎮開發優勢區，這與《龍巖中心城區近期建設規劃》(2016—2020)一文相符合。城鎮開發優勢區集中分布于長汀縣東部、連城縣西北部、新羅區南部、漳平市西南部、武平縣南部、上杭縣西北部和永定區北部，其中長汀縣城鎮空間在原有城鎮建成區的基礎上呈南北拓展的趨勢，相較于優化前，優化后能更好地解決長汀縣和新羅區城鎮用地“攤大餅”式擴張方式。長汀縣、新羅區和武平縣城鎮空間呈集中連片的帶狀發展趨勢，促進各鄉鎮(村)之間抱團發展，增加空間利用的合理性與高效性，有效預防占用生態空間或農業空間。其他縣市城鎮空間格局由于集聚中心與交通網等因素綜合影響，呈現出抱團發展趨勢，增加了城鎮空間斑塊的緊湊性。為了促進農業發展，農業空間多圍繞在城鎮空間周圍，主要呈抱團式集中分布在汀江河和九龍江沿岸，其余分布于連城縣西部、漳平市北部等區域，該區域地勢平坦，水利條件良好，因此被優化為農業空間的概率較大，這也與龍巖市大力發展沿江農業政策相符合。此外，生態保護優勢區主要分布在連城縣、武平縣等生態條件優越的市縣。在生態禁止建設區等約束條件下，一部分破碎的耕地和建設用地轉化為生態保護優勢區，且生態用地多優化為農業空間，增加了農業生產的發展空間，有利于龍巖市實施建設高標準農田和發展生態農業戰略。

4 結論

本研究集成地質災害數據、基礎地理數據、土壤數據、生態數據以及相關統計數據，利用空間分析技術開展國土空間開發適宜性評價，識別空間沖突區，并以國土空間開發適宜性、空間協調度和空間布局緊湊度為目標函數，土地利用類型等為約束條件，構建耦合GIS平臺的NSGA-II國土空間優化模型，對龍巖市國土空間沖突區進行空間優化分析，得到以下3點結論：

1)從國土空間開發適宜性評價結果看出，龍巖市國土空間開發適宜性主要以生態保護和農業生產為主。生態保護適宜程度最高的區域面積為8 559.99 km2，占比高達44.99%，該區域擁有優質的國家自然保護區，生態環境良好，生態物種繁多；農業生產高度適宜的區域面積為4 142.29 km2，占比為21.77%，主要分布在汀江河沿岸，水資源較豐富，土壤質量好。相反，龍巖市適宜城鎮開發的面積較少，高度適宜城鎮開發的土地面積達2 906.49 km2，僅占總面積的15.27%。從適宜性分布格局可以看出，未來龍巖市主要以推進新型城鎮化建設為主，城鎮開發趨向城市外邊緣發展。

2)利用龍巖市國土空間開發適宜性評價結果，識別出7種主要類型區：生態保護優勢區、農業生產優勢區、城鎮開發優勢區、城鎮-農業沖突區、城鎮-生態沖突區、農業-生態沖突區和城鎮-農業-生態沖突區。其中，沖突區的面積為6 390.71 km2，占總面積的33.59%。不同空間類型的空間沖突大小存在一定差異，沖突程度最大的是城鎮-農業-生態沖突區，占沖突區總面積的41.24%，分布在中心城區、建制鎮周邊和交通沿線附近的高發展區域。城鎮建設速度的加快，將會很大程度地加大農業生產用地或生態保護用地向城鎮建設用地轉化的概率，從而增加潛在用地沖突風險。

3)耦合GIS平臺和NSGA-II構建的國土空間優化模型確定的空間布局優化方案是可行的。從縣級行政區劃的角度可以發現各縣城鎮開發優勢區、農業生產優勢區和生態保護優勢區面積都有所增加，其中城鎮開發優勢區面積和農業生產優勢區增加較大的是上杭縣，而生態保護優勢區面積增加較大的是連城縣，符合各地規劃發展趨勢。且優化后的城鎮、農業和生態空間由分散布局趨向集中布局，有效增加了空間利用效率。

國土空間開發格局優化是一個涉及到復雜的、多學科的優化問題，特別是國土空間優化具有多維性，從而加大了空間優化配置的難度和復雜度。在未來的研究工作中還應注意提高國土空間沖突優化效率與精度，注重從不同角度，系統性地驗證國土空間優化效果。