基于多目标遗传算法的国土空间开发格局优化配置研究——以龙岩市为例

许自昌

(1．中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉 430074；2．福建省地质测绘院遥感中心，福建 福州 350011)

国土空间用地具有多宜性，导致社会发展中利益相关者对空间用地资源产生竞争，从而形成空间冲突。2017年《全国国土规划纲要(2016—2030)》中强调，要科学把握国土空间单元的多宜性、以及空间开发的约束条件，合理缩减农业空间、增加城镇空间、保护生态空间。因此，有效识别和优化国土空间冲突，寻找适宜性最优的空间用地，是当前研究的重点。开展国土空间开发适宜性评价，摸清资源本底，识别空间冲突，寻求最优空间布局是协调发展国土空间的核心要务。

目前，针对国土空间开发格局优化的研究多侧重于基于国土空间适宜性评价结果，依据土地自然资源禀赋、地理区位条件、社会经济条件对研究区域内国土空间资源数量和空间进行合理配比。针对评价目标、评价指标选取和评价方法，学者们展开了丰富的研究。在评价对象上，早期研究以农业适宜性评价为主[1-2]。随着学者的深入研究，开始对建设用地[3-4]、旅游用地[5]等不同类型、不同主题的用地开展适宜性评价。吴艳娟等[6]以宁波市为例，从“生产-生活-生态”角度出发，评价城镇开发适宜性规模与潜力。在评价指标体系选取上，其演化过程主要经历了“千层饼”模式时期[7]、工程地质条件主导时期[8]和指标多元化时期[9-10]。评价指标涉及因素众多。主要包括自然地理条件[11-12]、生态环境因素[13-14]和社会经济因素[6]等方面，实际应用中往往根据研究区、研究视角差异而有所侧重。喻忠磊等[15]认为影响城镇空间建设开发适宜性程度的因素是多样的，应综合自然因素、社会经济因素、生态因素等进行统筹评价城镇开发适宜性。王昆[16]认为农业生产适宜性评价是以解决农用地保护和经济发展的矛盾为出发点，探讨国土空间是否适宜农业生产活动的情况。刘焱序等[17]认为生态保护适宜性评价是从生态保护的角度，定量评估国土空间对于生态需求用途的适宜程度。在评价方法上，目前主流的适宜性评价方法有多要素叠置评价[18-19]、空间相互作用及趋势模拟分析[20-21]、基于生态位的空间供需耦合分析[22-23]。但现有研究多停留在单目标空间优化上，忽略了国土空间是一个内部极其复杂的系统。国土空间涵盖资本、劳动力、土地等多种要素，国土空间优化配置的目的是协调多方矛盾，实现资源要素合理配置。当下，计算机技术快速发展，解决多目标问题的智能算法[24]成为了研究热点。由于带精英策略的快速非支配排序遗传算法(nondominated sorting genetic algorithm-II，NSGA-II)具有鲁棒性好、收敛性好、执行速度快等优势，能同时获得多个最优解，因此被广泛应用于土地优化配置[25]中。其核心是通过综合权衡各个目标，协调多方利益，对国土空间结构和空间布局进行优化，为决策者寻找最优方案。综上，针对国土空间开发适宜性评价和遗传算法，学者们已经取得了丰硕的研究成果，为本研究提供了坚实的工作基础。

龙岩市作为全国著名革命老区之一，受历史、区位等各方面影响，发展较为缓慢，三类空间冲突问题突出。因此,选择其为研究区，通过开展国土空间开发适宜性评价,识别优势区和冲突风险区，兼顾新型城镇化战略和可持续发展战略目标，构建国土空间开发格局优化模型，开展多目标空间格局优化。研究结果能为解决空间资源分配不均衡问题和构建国土空间开发保护新格局提供理论基础和技术支撑。

1 研究区概况

龙岩市位于我国闽粤赣三省交界处，是全国著名的革命老区，也是海峡西岸延伸内陆的重要门户(图1)。龙岩市辖新罗区、永定区、漳平市、长汀县、连城县、上杭县和武平县，7个县(市、区)均为中央苏区县，全区总面积19 028.28 km2。近年来，龙岩市经济和城镇发展速度加快，截至2019年末，龙岩市地区生产总值为2 678.96亿元，比上一年提高11.6%；城镇化率达到57%，较上一年增长2.7%。

图1 龙岩市地理位置Fig.1 Geographical location of Longyan City

2 研究方法

2.1 国土空间开发适宜性评价指标体系构建

本研究参考自然资源部印发的《双评价》指南，借鉴已有研究成果，在实地调研后综合考虑图件资料的可用性和数据的获取难易度，分别选取相关因素构建评价指标体系。

评价指标体系的权重采用德尔菲法咨询20位相关领域专家，对评价空间适宜性的指标进行两轮评分，然后结合层次分析法，最终得到评价指标权重赋值(见表1)。

表1 国土空间开发适宜性评价指标体系Tab.1 Land space development suitability evaluation indexes system

2.2 国土空间优化配置

2.2.1目标函数

目标函数由数量结构优化模块和空间布局优化模块两部分组成，其中，数量结构优化模块采用适宜性最大化作为优化效果的评估准则之一，而空间布局优化模块采用空间模块紧凑程度最大化和空间协调度最大化两个目标函数来评估优化成效。

1)适宜度(S)最大化

不同的国土空间单元对不同空间类型具备的适宜度属性是不同的，而国土空间优化配置就是在优化目标的指导下，将不同国土空间单元配置为适宜度高的空间类型。因此，目标函数可以表示为

(1)

式中，Uijk表示国土空间类型为k在位置(i,j)处的适宜性值。

2)空间协调度(X)最大化

相邻空间的变化会直接影响区域国土空间单元的稳定性与协调性，所以在配置国土空间时，需要考虑相邻两种国土空间布置对区域生活或生产等方面造成的舒适程度。

(2)

式中，Lij表示任何两相邻的空间中的某一个空间单元与相邻空间单元的协调度。结合现有研究，根据龙岩市国土空间特征，设定国土空间优化规则矩阵(表2)来表示相邻空间之间的协调性。

表2 龙岩市国土空间优化规则矩阵Tab.2 The land space optimization rule matrix of Longyan City

3)空间布局紧凑度(F)最大化

相同的国土空间类型尽可能地聚集在一起，减少地块的破碎化，能有效整合区域资源、要素和经济活动在空间中的聚集，降低成本，使管理更加方便。

(3)

式中，Aijk表示某个国土空间单元3×3邻域内也为k的空间单元数量；Xijk是一个二元变量，如果单元(i,j)的国土空间类型为k，其值为1，否则为0。

2.2.2约束条件

国土空间优化配置过程中要考虑很多限制条件，即约束条件。根据上述目标函数，归纳出相应的约束条件如下所示：

1)待配置的单元(i,j)的3×3邻域内至少有2个与其具有相同国土空间类型的单元：

Bijk≥2

(4)

2)国土空间总面积不随优化过程而改变，所以优化后的国土空间总面积和优化前的国土空间总面积保持一致。

(5)

式中，Sk指第k种国土空间的面积；S0指优化后的国土空间总面积。

3)国土空间类型转化约束规则。如禁止侵占水域用地，且坡度>25°的土地不能用于国土开发建设。

3 结果分析

3.1 国土空间开发适宜性评价

借助ArcGIS平台，对国土空间开发适宜性的所有影响因子开展适宜性评价，然后叠加所有单因子评价结果，按照各因子权重值以及分等定级标准，运用综合评价模型求出各栅格单元的适宜性分值，最后用自然间断法把结果分成高度适宜、中度适宜、低度适宜和不适宜4类，得到国土空间开发适宜性评价图(见图2)。

图2 国土空间开发适宜性评价图Fig.2 Land space development suitability evaluation map

从图2看出，龙岩市国土空间开发适宜性主要以生态保护和农业生产为主。龙岩市农业生产适宜性分布整体表现为西北、南部高和东北、中东和东南部低。其中，高度适宜农业生产的区域面积为4 142.29 km2，占比为21.77%，主要分布在汀江河沿岸，水资源较丰富，土壤质量好；不适宜的区域主要分布于海拔高度高，地势较陡，水土条件限制性较大的区域，如连城县东部、新罗区北部和西南部以及长汀县南部区域，面积达3 248.07 km2，占比为17.07%。而龙岩市生态保护适宜程度最高的区域面积达到8 559.99 km2，占比为44.99%，其水资源丰富，拥有优质的国家自然保护区，如梅花山、汀江源，区域内生态物种繁多；低度适宜和不适宜的区域主要分布在龙岩市中东、西北和南部区域，龙岩市适宜城镇开发的面积比农业生产和生态保护低，其中高度适宜城镇开发的土地面积达2 906.49 km2，仅占总面积的15.27%，呈现出中部、西北部和南部高，西部、西南部和北部低的态势，其区域较平坦，水资源丰富，交通条件优越，坡度较缓，地质灾害发生频率较低。从适宜性分布格局可以看出，未来龙岩市主要以推进新型城镇化建设为主，城镇开发趋势趋向于城市外边缘。

3.2 冲突风险区识别

在ArcGIS软件中，利用空间分析功能合并龙岩市城镇开发、农业生产和生态保护适宜性评价结果，识别出龙岩市7种主要国土空间类型区(图3)：生态保护优势区、农业生产优势区、城镇开发优势区、城镇-农业冲突区、城镇-生态冲突区、农业-生态冲突区以及城镇-农业-生态冲突区。从空间分布来看，城镇-农业-生态冲突区主要分布在长汀县东部、武平县南部、上杭县西部等区域。该区域农业生产或城镇建设的自然资源优越、社会经济发展和交通条件均较良好，因此可同时高度适宜农业生产和城镇开发。随着社会经济快速发展，以及现有建设用地难以满足当下城镇扩张需求，未来新增建设用地的选址将会优先考虑这片区域，因此发生现实空间冲突的概率较大。这些区域城镇开发速度较快，农业生产用地向城镇建设用地转化的概率增大，造成两用地类型产生大量潜在冲突风险。同时，城镇建设用地与生态保护用地之间也存在大量的潜在冲突风险，表明这些区域潜在拓展能力较大，未来三者相互转换的概率明显会有所增大。结果说明龙岩市潜在空间冲突的范围较大并且风险较高，其面临的空间冲突形势严峻，所以需要在遵循生态为首、邻域协调、集中紧凑等原则下，耦合协调土地潜在冲突风险。

图3 龙岩市国土空间冲突类型区Fig.3 Types of land space conflict areas in Longyan City

3.3 国土空间优化配置

3.3.1迭代结果

根据已有的研究成果，以及多次研究试验，对比不同的参数组合情况下的优化结果，确定初始种群大小为50，迭代次数设为100次，交叉概率为0.8，变异概率为0.15。从图4可以看出，在空间适宜度一定的情况下，随着优化代数的持续增加，国土空间类型之间的协调度不断提高，并且斑块的破碎化也得到了一定的改善，优化效果明显。所以在国土空间开发适宜度一定的情况下，国土空间的格局会朝着协调度最大化以及紧凑度最大化的方向发展，说明NSGA-II在解决国土空间冲突优化配置中取得了良好的优化效果。

图4 不同代数下优化结果中的非支配集Fig.4 Nondominated sets in optimization results under different algebras

3.3.2优化结果

由上述试验可知，在100代的优化求解中共获得45个Pareto最优解，即得到45种可供决策者选择的龙岩市国土空间优化配置方案。在现实决策中，决策者可以根据实际问题的需要，对最优解进行选择。若以国土空间布局适宜度最大化为目标，则从最优解中选择适宜度最大的为最终方案。在参考相关文献后，本研究采用灰色关联投影法对45种方案进行择优选取，通过计算每一种优化配置方案的灰色关联投影值，比较与理想方案的接近程度，从中选择最优方案。计算发现，方案8的投影值最大，为0.845 9，说明方案8能在整体上表现出空间布局适宜度高，紧凑性强，空间类型间协调度高的国土空间优化布局，所以选择方案8作为最终的国土空间优化布局方案。

将方案8所对应的个体进行染色体解码，在ArcGIS中将ASCII码转为栅格数据进行可视化，如图5所示。从图中可以看出优化后龙岩市国土空间冲突问题得到有效解决，各类国土空间基本成团分布。由于优化过程中只对国土空间交叉冲突的区域进行优化，所以优化后仅冲突区域发生变化。

进一步计算优化前后的面积分布(表3)可以发现，龙岩市国土空间类型优化前后面积变化差异较大，优化后城镇开发优势区面积为3 510.38 km2，

增加了2100.36 km2；农业生产优势区面积为4 292.23 km2，增加了2 402.86 km2；生态保护优势区面积为11 225.67 km2，增加了5 838.26 km2。城镇开发优势区面积和农业生产优势区增加较大的是上杭县，增加面积分别为406.35 km2、453.86 km2。而生态保护优势区面积增加较大的是连城县，增加了1 451.85 km2，主要是因为连城县生态保护适宜度大，境内有冠豸山风景区，生态环境优越，优化结果能很好地为生态用地预留空间，建设福建省全域生态旅游示范县，推动发展连城县国家重点生态功能区。面积变化较明显的地区的优势区面积不一定增加的最多，有的区域原始优势区面积较少。从面积增加的角度分析，其他优势区面积增加较大的市县有长汀县、漳平市、武平县等，其中长汀县城镇开发优势区面积增加了402.81 km2，漳平市农业生产优势区面积增加了432.01 km2，武平县生态保护优势区面积增加了1 404.39 km2。

图5 龙岩市国土空间优化布局Fig.5 Optimal layout of land space in Longyan City

表3 龙岩市国土空间优化前后分布面积Tab.3 Distribution areas of land before and after spatial optimization in Longyan City

对比优化前后的龙岩市国土空间布局，优化后通过适宜度、协调度、紧凑度目标函数和土地利用类型等约束条件，冲突区域布局得到显著调整。整体来看，以龙岩市各中心县城为核心，“放射式”的国土开发与保护空间格局特征明显，城镇、农业和生态空间逐步趋向于集中分布，有效增加空间利用效率，使空间功能发挥最大化。优化结果将龙岩市主城区冲突区多优化为城镇开发优势区，这与《龙岩中心城区近期建设规划》(2016—2020)一文相符合。城镇开发优势区集中分布于长汀县东部、连城县西北部、新罗区南部、漳平市西南部、武平县南部、上杭县西北部和永定区北部，其中长汀县城镇空间在原有城镇建成区的基础上呈南北拓展的趋势，相较于优化前，优化后能更好地解决长汀县和新罗区城镇用地“摊大饼”式扩张方式。长汀县、新罗区和武平县城镇空间呈集中连片的带状发展趋势，促进各乡镇(村)之间抱团发展，增加空间利用的合理性与高效性，有效预防占用生态空间或农业空间。其他县市城镇空间格局由于集聚中心与交通网等因素综合影响，呈现出抱团发展趋势，增加了城镇空间斑块的紧凑性。为了促进农业发展，农业空间多围绕在城镇空间周围，主要呈抱团式集中分布在汀江河和九龙江沿岸，其余分布于连城县西部、漳平市北部等区域，该区域地势平坦，水利条件良好，因此被优化为农业空间的概率较大，这也与龙岩市大力发展沿江农业政策相符合。此外，生态保护优势区主要分布在连城县、武平县等生态条件优越的市县。在生态禁止建设区等约束条件下，一部分破碎的耕地和建设用地转化为生态保护优势区，且生态用地多优化为农业空间，增加了农业生产的发展空间，有利于龙岩市实施建设高标准农田和发展生态农业战略。

4 结论

本研究集成地质灾害数据、基础地理数据、土壤数据、生态数据以及相关统计数据，利用空间分析技术开展国土空间开发适宜性评价，识别空间冲突区，并以国土空间开发适宜性、空间协调度和空间布局紧凑度为目标函数，土地利用类型等为约束条件，构建耦合GIS平台的NSGA-II国土空间优化模型，对龙岩市国土空间冲突区进行空间优化分析，得到以下3点结论：

1)从国土空间开发适宜性评价结果看出，龙岩市国土空间开发适宜性主要以生态保护和农业生产为主。生态保护适宜程度最高的区域面积为8 559.99 km2，占比高达44.99%，该区域拥有优质的国家自然保护区，生态环境良好，生态物种繁多；农业生产高度适宜的区域面积为4 142.29 km2，占比为21.77%，主要分布在汀江河沿岸，水资源较丰富，土壤质量好。相反，龙岩市适宜城镇开发的面积较少，高度适宜城镇开发的土地面积达2 906.49 km2，仅占总面积的15.27%。从适宜性分布格局可以看出，未来龙岩市主要以推进新型城镇化建设为主，城镇开发趋向城市外边缘发展。

2)利用龙岩市国土空间开发适宜性评价结果，识别出7种主要类型区：生态保护优势区、农业生产优势区、城镇开发优势区、城镇-农业冲突区、城镇-生态冲突区、农业-生态冲突区和城镇-农业-生态冲突区。其中，冲突区的面积为6 390.71 km2，占总面积的33.59%。不同空间类型的空间冲突大小存在一定差异，冲突程度最大的是城镇-农业-生态冲突区，占冲突区总面积的41.24%，分布在中心城区、建制镇周边和交通沿线附近的高发展区域。城镇建设速度的加快，将会很大程度地加大农业生产用地或生态保护用地向城镇建设用地转化的概率，从而增加潜在用地冲突风险。

3)耦合GIS平台和NSGA-II构建的国土空间优化模型确定的空间布局优化方案是可行的。从县级行政区划的角度可以发现各县城镇开发优势区、农业生产优势区和生态保护优势区面积都有所增加，其中城镇开发优势区面积和农业生产优势区增加较大的是上杭县，而生态保护优势区面积增加较大的是连城县，符合各地规划发展趋势。且优化后的城镇、农业和生态空间由分散布局趋向集中布局，有效增加了空间利用效率。

国土空间开发格局优化是一个涉及到复杂的、多学科的优化问题，特别是国土空间优化具有多维性，从而加大了空间优化配置的难度和复杂度。在未来的研究工作中还应注意提高国土空间冲突优化效率与精度，注重从不同角度，系统性地验证国土空间优化效果。