生产-生活-生态空间格局演化及其分析技术研究进展

王皓天， 郑少鑫， 王颖超， 王林申， 蒋伟春

(1. 山东建筑大学 建筑城规学院， 山东 济南 250101； 2. 济南大学 a. 商学院， b. 土木建筑学院， 山东 济南 250022；3. 中天昊建设管理集团股份有限公司， 山东 东营 257091)

改革开放以来，我国城镇化快速发展，城镇建设用地不断扩张，国土空间利用出现了一定程度的无序开发，导致农业和生态空间受到挤压，土地资源利用与生态环境保护的矛盾突出。《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》中明确提出“应科学布局生产、生活、生态空间，加强三者协调性”。生产、生活、生态空间(简称“三生空间”)是国家推动优化国土空间开发等重大政策的抓手，其空间格局演化研究成为重要依据和基础。

与国土空间政策调整同步，学界对于“三生空间”领域的研究也越来越多。2012年，中国共产党第十八次全国代表大会报告中提出“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”，学界迅速响应并取得了许多重要的研究成果。随着研究进入深化阶段，“三生空间”格局演化研究逐渐成为备受学界关注的热点课题，国内很多学者均在此领域有所建树。

本文中选取中国知网(CNKI)期刊全文数据库以及《中文核心期刊要目总览》数据库作为文献分析的期刊来源，检索标题为“三生空间”的文章作为研究对象，从“三生空间”整体研究进展、空间格局演化研究脉络和演化分析技术3个方面进行归纳总结，展望未来研究发展趋势。

1 “三生空间”研究进展

“三生空间”是空间规划中涉及的一个概念。生产空间是人们从事生产活动的特定功能区域，生活空间是人们日常生活活动使用空间，生态空间是具有生态防护功能的、可提供生态产品和生态服务的地域空间。“三生空间”既相互独立，又相互关联，具有共生融合、制约效应。“三生空间”中3类空间的功能性质多数是复合的，生产、生活、生态仅代表其主导功能，且三者之间是动态变化的[1]。以下从5个层面阐述多元化靶向的学界研究进展。

1.1 “三生空间”的理论内涵与框架

在“三生空间”理论诞生之初，其内涵、特征与影响因素的本质探讨尚需明确。刘燕[2]在逻辑层面给出解释，阐述了“三生空间”与社会文明的联系及其具体作用，与同时期其他学者共同为“三生空间”奠定了理论基础。为了进一步厘清“三生空间”的内涵，孔冬艳等[3]运用地理加权回归模型(GWR)专门针对生态空间特征以及影响因素开展研究，深化了单一类型“三生空间”的细分领域。江曼琦等[4]针对“三生空间”范围的界定争议问题，提出不同尺度、不同标准、复合功能、非“三生”4类设想，明晰了“三生空间”的范围。魏超[5]就生态文明与国土空间利用质量进行了叠合研究，对国土空间利用协调发展对策提出相应建议，是国土空间规划背景下的有利探索。面对乡村领域，陈实等[6]搭建了基于“三生空间”协调内涵的乡村土地综合整治框架，围绕乡村实际问题给出了相应的措施建议。

1.2 “三生空间”的用地分类体系

关于“三生空间”分类体系的研究可分为3类。第1类是以张红旗等[7]为代表的流程研究派，他们提出“先功能、再分类”观点，规范“三生空间”的分类流程。第2类是以肖蕊等[8]为代表的量化评价派，提出了评价标准量化划分体系，并将原有的3类功能用地详细划分为6类功能用地，增进了生活、生产、生态空间的相互结合。第3类是以张永蕾等[9]为代表的自然资源主导派，提出引入自然资源相关性概念，利用多源空间数据进行分区划定，将土地初步分为2类再行细分，增强自然因子所占权重。

1.3 “三生空间”用地的定量识别

目前，“三生空间”定量识别的研究热点主要体现在技术层面的充分运用。众所周知，遥感影像是“三生空间”研究的主要支撑资料。常见方法是影像图矢量识别，例如于正松等[10]根据研究区Google地图高清影像进行空间关联与判读，实现用地现状矢量化。目前还有许多其他方法，如：李欣等[11]运用地理探测器识别“三生空间”分异特征，并进一步阐释形成肌理。武子真[12]指出可以通过构建冲突测度模型实现“三生空间”识别，此方法将空间冲突可视化，帮助识别重点问题区域的范围。近年来，学界有将地理信息系统中的兴趣点(POI)数据提取和应用技术融入遥感影像之中的尝试，例如：郭嵘等[13]利用特尔斐法和多方案决策(AHP)法对所获取的POI数据进行分类赋权，有效弥补了影像图纸的不足。石杰锋等[14]运用地理信息系统(GIS)平台实现了与POI数据的点面连接，大幅提高了“三生空间”识别的准确率。针对POI数据在地理区位、发展制约等方面的局限性，李广东等[15]提出以生态系统服务价值评估为基础，进行定量识别，有效弥补了POI数据提取方法的缺陷。

1.4 基于“三生空间”关系的土地整理与利用优化布局

在土地整理方面，主要有2个学术研究方向。其一是理论创新方向。李伟松等[16]将“三生空间”理论与镇域农村居民点整治相结合，形成概念上的融合拓展。其二是技术实践方向。沈悦等[17]综合运用图层叠置法、区位商法、多指标综合评价法和距离法，细化城乡交错区的整治分区，实现技术运用层面的突破。土地利用优化布局是多数“三生空间”理论研究的最终实践导向，这部分研究具有典型的成果转化意义。朱媛媛等[18]基于净初级生产力(NPP)生态空间评估模型，构建了“三生空间”区划指标体系，并结合GIS平台定量空间范围，提供土地整理新方案。郑洋等[19]利用最小累积阻力(MCR)模型分析方法，通过阻力差值确定空间适宜区，优化“三生空间”布局，推进了数字模型的合理运用及其在“三生空间”布局导引领域的功效施展。

土地利用优化布局研究需要大量的数据支撑，所需数据具有显著的时间与空间属性。学术界已经将单纯的空间范畴从空间类别划分、用地定量识别等诸多方面进行了深入探索，目前掌握的成果已可以为优化布局方案提供可靠依据；但是，仅依靠同一时期的横向比较数据很难掌握“三生空间”演化的动力机制、发展趋势，因此，近年来又有部分学者关注到了“三生空间”格局演化的研究命题。该领域强调应考虑“三生空间”的动态变化性，应通过合理的技术手段监测并获取不同时期的情况，通过纵向对比实现洞悉空间格局演进的产生机制、影响因素与作用路径等多个方面。这一命题将“三生空间”研究推向了更加深入的阶段，正逐渐成为“三生空间”领域的主要热点之一。

1.5 “三生空间”深化研究方向

目前，学界对于“三生空间”基础理论的研究日渐完善，5大基础研究方向明确，已构建出“三生空间”基础研究框架体系。结合新兴技术的发展，“三生空间”研究进入深化阶段，即对于空间格局演化成因及其特征影响的深入研究。

2 “三生空间”格局演化研究脉络

“三生空间”功能协同演化机制的建立和优化，是实现国土空间系统整体功能稳定发展、提升的前提和基础[20]。自然背景和社会发展条件不同，不同区域“三生空间”演变机制也有所差异[21]。

2.1 乡村“三生空间”格局演化

从乡村研究的微观空间尺度来看，方方等[22]以农户行为作为出发点，研究乡村“三生空间”演化的动因。从行为角度解释空间演化特征，是学术领域对该问题的良好尝试，也是微观尺度研究特点的充分体现。高慧慧等[23]扩大了分析范围，开展“三生空间”的耦合协调度调查分析，并将此结果运用在村庄布局的优化中，发挥了融合“三生空间”的作用。结合乡村振兴战略背景，林银大等[24]从村民角度分析“三生空间”存在的问题，并提出了极具针对性的整合策略。Yang等[25]运用耦合协调度模型(CCDM)探讨乡村三大功能空间之间的时空特征。同时，还有部分学者以乡村旅游为切入点，研究乡村“三生空间”融合、优化发展的路径与措施[26]。

2.2 城市“三生空间”格局演化

在更大的空间尺度，学界投入了更多的力量。行政区划的限定使得市域单元成为常见的研究范围。崔家兴等[27]在行政区划的基础上增加了空间圈层的视角，从2个尺度分析了湖北省武汉市及其城市圈的“三生空间”演化特征，探索了行政管理等对空间格局演化的影响。在内部聚焦的尺度下，刘涛等[28]完成了“三生空间”重心演化迁移等方面的分析，从空间分布演化规律入手总结趋势特征。此外，针对山区等特殊地形地貌区域的研究也开始出现，冀正欣等[29]认为仅依靠二维空间分析不足以描述特殊地形地貌区域特征，为此进行了从垂直梯度上分析“三生空间”的转移方向，得出了生产-生态空间向低海拔、低坡度地带转移的结论，通过立体化的思路丰富了“三生空间”格局演化研究的方式。迅速响应政策背景和行业需求是“三生空间”研究的另一大特点。结合“碳达峰”“碳中和”热点问题，林刚等[30]对“三生空间”的碳代谢进行分析研究，阐述“三生空间”格局演化与区域碳排放量的关联性。林佳等[20]总结归纳得到国土空间背景中“三生空间”功能的协调演化机制(见图1)，可为后续的国土空间规划编制工作提供可靠依据。

2.3 城市群“三生空间”格局演化

针对城市群这一宏观角度，刘鹏飞等[31]对于长江经济带108个地级市的空间耦合分析，从区域宏观角度剖析“三生空间”的集聚效应。针对同为重要经济区域的珠江三角洲城市群，李奇等[32]以土地为抓手深入分析，得到各类功能空间的优势区。金星星等[33]通过构建“三生空间”功能性指数，探讨了近15年来闽三角城市群的时空分异格局。针对我国西南部城市群受地形影响大的特点，刘涛等[28]采用区县结合由点到面的分析方法，得到功能耦合协调度曲线。Zhao等[34]对长江中游城市群的分析中，通过泰尔指数和探索性空间数据分析(ESDA)测量流域内2类城市之间的“三生空间”的区域差异。Deng等[35]进行了“三生空间”网格单元分析，以尺度为1 km×1 km(长度×宽度)的矢量网格覆盖研究区域，统计得分绘制格局图。这类分析宏观度高，总结性强。还有部分研究是以省域为研究单元，融合各种地形地貌， 更加侧重于与国土空间系统的结合匹配，如福建省[36]、江西省[37]、吉林省[38]、山东省[39]等，从空间功能耦合、经济生产分析、人类活动强度等角度进行深入分析，协调利用省级行政区内的自然经济与人文资源，取得了许多有价值的学术成果。

图1 国土空间系统“生产-生活-生态”功能协调演化机制理论框架图[20]

3 “三生空间”格局演化分析技术

3.1 微观尺度

“三生空间”协调度模型是微观尺度分析技术的典型代表。该模型利用核密度估计、指标权重重构等方法作为支撑[23]，是分析具体空间联系的常用方法。土地利用转移矩阵作为考察不同土地利用类型相互转化的常用方法，可以对某一区域一定时段内各种土地利用类型的演变方向与程序进行精确刻画[40]，土地利用转移矩阵模型通过计算测量周期内不同类型土地的面积转换数量，得到土地的演变方向，是一种科学、 精确的空间格局测度方法。

微观尺度分析技术的另一特点是以人为本。杨源源[41]融入人的因素，采用问卷调查和半结构访谈的方法，分析村民的实际需求。这类传统的调研方法仍是微观尺度研究中不可或缺的分析环节。吴清等[42]对观察法进行深化，采用参与式观察法，增强体验与互动，明晰“三生空间”变化对于村民的影响，是对传统调研方法的创新与改良。针对微观尺度调研中存在的主客观矛盾，马颖等[43]提出“可能-满意度”分析模型，从主观需求与客观供给2个方面得到生态空间的最优承载力，克服了主客观偏离的矛盾，实现供给与需求的对接。

3.2 中观尺度

多元利用是目前学术界的主流趋势。GIS平台是中观尺度调研中的基础平台，许多技术都是基于此进行的拓展深化。林伊琳等[44]将原本用于景观格局分析的地学信息图谱技术融入“三生空间”演化特征分析中，通过分析不同时间点上各子空间类型的图谱变化，探寻区域差异。同时，文献[44]中还引入了高练等[45]所提出的土地利用变化动态度模型，利用“三生空间”土地利用动态度定量描述区域“三生空间”利用变化的速度。徐磊[46]将数字高程模型(DEM)与GIS平台地表分析相结合，为揭示地形与空间之间的相互关系提供了技术支撑。针对空间功能分析问题，金星星等[33]运用空间功能测度模型，通过生产空间指数、生活空间指数、生态空间指数三者加权求和得到的数值判断纵向演进变化，数值越大功能性越强。该技术手段更加客观科学地判断功能性水平，更加强调空间功能的数字化。同样是数字化方向，陈坤[47]提出了基于数据包络分析(DEA)模型的“三生空间”用地配置结构效率分析方法，其综合运用DEA中的Charnes-Cooper-Rhodes(CCR)模型和Banker-Charnes-Cooper(BCC)模型，对“三生空间”用地的配置进行效率评价，进而分析省市单元的时空变化特征。Zhao等[48]利用空间自相分析方法，探究赣江上游景观生态风险时空分异。

3.3 宏观尺度

空间冲突一直是宏观区域研究的热点，但空间冲突模型拥有许多不同的构建因子。陈竹安等[49]利用空间复杂性、空间脆弱性以及空间稳定性3个因子构建冲突模型。王珊珊等[50]是从外部压力、脆弱性以及稳定性3个层面进行评价。周德等[51]利用复杂度、动态性和脆弱性进行模型构建，可以看出空间冲突模型具有多元可能，应用范围广，灵活性强。Wang等[52]将空间冲突与动态模拟结合，采用多元线性逻辑回归(MLLR)、多准则评价(MCE)等技术预测未来土地利用格局，建立基于景观的空间冲突模型。针对空间承载力问题，欧惠等[53]利用障碍度诊断的技术方法，从因子贡献度、指标偏离度和障碍度3个层面分析确定影响城市综合承载力的主要驱动要素。在宏观尺度的研究中，关于功能评价的分析方法所占比例较高，学界对该方法的运用较为成熟，主要思路为评价指标选择和体系建立—指标权重确定—结果分析，此处不再一一赘述。

随着数字经济的发展，学界逐渐关注到“三生空间”与数字经济的结合分析，如：刘新智等[54]构建基准模型，通过数字经济发展指数、时间和地区效应、城市绿色转型水平等因子分析数字经济发展影响城市绿色转型的作用机理，将“三生空间”这一物质空间本体与经济、数字及虚拟技术结合起来。面对资源优化问题，李奇等[32]基于比较优势指数(NRCA)模型，分析宏观尺度城市群“三生空间”资源优势度。该模型主要用来表达某一空间资源存在的竞争优势度，NRCA值越大， 该区域的优势度就越强，实现了资源比较优势的量化分析。Wu等[55]使用以资源环境承载力评价和地域空间发展适宜性评价为体系的新型未来土地利用模型，即双重环境评价模型(DEE)对粤港澳大湾区 “三生空间”未来发展趋势进行预测，这是目前较为前沿的宏观尺度技术手段。

4 展望

4.1 强化多情景模拟仿真

“三生空间”格局演化研究的重要导向是对未来的预测，既有动力机制的掌握及其中大量模型的应用是预测型研究科学性的基本保证。近年来，国内“三生空间”格局演化的模拟仿真研究逐渐兴起，结合数理模型的模拟仿真是典型有效的量化方法。除经典的元胞自动机(CA)模型、马尔科夫链模型(MARKOV)、人工神经网络(ANN)模型被单一或组合使用于演化模拟[56-58]以外，常用的专业模型还有土地利用动态模拟(FLUS)模型[59]、整合土地利用模式(CLUE-S)[60]等。Jiang等[61]运用生态影响评估框架，集成了FLUS模型、共享社会经济路径(SSP)和生态环境影响方法，在分析评估生态影响的同时模拟城市潜在的生态影响。李晋宏等[62]运用MATLAB软件对不同参数条件下的策略选择进行“三生空间”仿真分析，是为数不多的多情景性研究。从国外研究情况看，随着随机效用理论和复杂系统科学理论的介入，越来越多的动态模型被应用于“三生空间”仿真分析。2005年以后，城市仿真模型UrbanSim、基于CA的城市生长模型SLEUTH、土地利用与交通整合模型TRANUS等仿真模型形成平台并进行市场化应用[63-65]。与国内相比，国外研究更加注重行为、政策的影响，不同尺度下建设空间转换、情景设置的客观化、模型的校准程序以及将更多的社会经济变量引入是正在努力的方向[66]。

4.2 适当聚焦中观空间尺度

全国、 省域等宏观尺度和市域、 县域、 村庄等微观尺度研究占据了既有成果中的多数， 都市圈、 城市-区域等中观尺度与经济带等特定区域研究较少。 中观尺度的视域既不等同于多城市组成的城市群，也不等同于单独的城市或乡镇人民政府辖区和村域范围，而是介于宏观和微观之间的一种中间状态。在相关研究中可以使用城镇密集区来概括中观尺度区域空间的研究对象，与城市群相比，更能突出小城镇在体系中的地位，但与单个城市相比，又强调了城乡之间的纵向贯通性。考虑到既有微观研究和宏观研究中的分析技术差别，未来在中观尺度也会有相关创新性的方法出现。

4.3 关注特色自然地理区域

无论是城市群、城市还是镇村领域的研究，“三生空间”的研究对象多以完整的行政区划单元为主体，更有利于研究的完整性和资料获取的便捷性。自然地理环境在“三生空间”中发挥“底色”作用，具有一定特殊性的自然地理区域理应得到关注，环泰山城镇密集区即是其中代表(见图2)。该区域山水相连，历史同源，生态共保，城镇体系健全，更因环绕世界文化和自然双重遗产泰山而具有典型性。在演化机制与模拟仿真方面，同样鲜有对这类区域的参数分析。在既有人工智能算法基础上，如何引入特异性的形态要素，如何将空间联动测度、生态阻力面模型综合，形成格局演化特征识别、机制构建与智能决策的集成技术体系并在自然条件类似区域推广，是未来的研究内容。

图2 环泰山城镇密集区分布

4.4 优化技术模型运用

现阶段， “三生空间”格局演化研究分析技术共有3点特征： 一是“三生空间”分析的技术模型底层同质化， 国内现阶段的技术模型大多是基于GIS平台的衍生分析， 其底层构架相似； 二是“三生空间”分析技术的多学科结合趋势， 越来越多的分析技术涌现，呈现出多元结合态势， 学者从经济管理、 自然生态等领域引入模型与技术， 实现跨学科的技术突破； 三是对数据的时效性与规模要求提高， 现阶段的分析方法大多是基于类同的数据基础， 并从更长时间序列分析数据变化。 从未来研究需求看， 模型的精细化构建是导向之一， 模型间的综合化应用是另一个导向。

5 结论

纵观国内外相关文献可以发现，近年来“三生空间”的研究热点已经从基础研究发展向深化研究阶段演进。一方面，从技术上看，传统空间分析方法与数字技术的结合已经成熟，众多学者应用并创新了许多空间分析技术与模型，空间量化识别与功能分析技术的运用成为潮流。另一方面，从研究对象来看，宏观与微观尺度的研究较多，而中观尺度的研究较少，导致空间尺度覆盖范围不足，未形成相关模式的总结，因此，未来基于中观尺度的“三生空间”研究还有很大的研究价值和发展空间。同时，多元背景下的跨学科研究也是“三生空间”潜在的研究重点之一。