基于多智能體的旅游鄉村聚落用地格局演變模擬
——以野三坡旅游區茍各莊村為例

劉孟浩，席建超

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；2.中國科學院大學資源與環境學院，北京100049）

引言

土地利用變化是自然環境、社會經濟發展、政策制度等諸多因素相互作用的結果[1]，是區域城鄉系統演化重要而具象的表征。城鄉演化模擬與預測模型基本上都涉及土地利用空間格局變化的信息[2]。因此，在城鄉系統研究模擬預測中，從土地利用視角研究其變化過程，具有重要理論意義和現實價值[3]。近年來，相關的研究模型不斷被建立和完善，被用來研究探索城鄉地域系統演化中的土地利用時空演化問題，常用的模型有基于方程的模型、統計學模型、系統動力學模型、土地利用轉化及其效應模型、元胞自動機模型、多智能體模型等[4]。其中，應用較廣的是元胞自動機和多智能體模型。多智能體模型能夠表達可移動個體的行為規則，同時能夠彌補元胞自動機對個體行為模擬能力的不足[5]。

多智能體系統（multi-agent systems,MAS）是由多個交互的智能體組成的，具有動態的行為和異質性特征[6]。多智能體系統通過模擬智能體之間以及智能體與地理空間環境之間的相互作用，可以展現復雜的土地利用動態變化過程[7]，目前已經得到了廣泛的應用。在已有的研究中，多智能體主要應用于城市用地的模擬，包括城市居住空間演化[8-9]、城市擴展模擬[10-11]、土地利用時空演化[12-13]、擴張規劃情景模擬[14-15]。多智能體模型在鄉村聚落土地利用的應用較少，目前應用方向主要是對農戶種植行為的模擬[16-17]。

伴隨著城鎮化的進程，我國傳統鄉村聚落正在經歷著轉型和空間重構[18]，其規模和空間格局也隨之發生變化。對于微尺度鄉村聚落空間動態演變過程以及相關機理的研究，是我國鄉村聚落空間研究需要重視的領域之一[19]，從土地利用角度透視鄉村轉型發展的特征、規律和機制，是進行鄉村發展研究的重要路徑[20-21]。近年來，隨著旅游業發展的轉型升級以及與其他產業融合度不斷增加，旅游對傳統鄉村空間格局的影響逐漸深化[22]，已有研究關注了旅游鄉村聚落的演化規律[23-24]、空間擴展模式[25-26]和驅動機制[27]，但主要為定性描述和基于經驗和方程式的表達，缺乏針對旅游鄉村聚落土地利用空間演化系統模擬的研究。

因此，本研究嘗試建立一種基于多智能體的旅游鄉村聚落土地利用空間演化模擬模型，旨在模擬農戶與各影響因素的相互作用而導致用地格局演化的過程。以河北省三坡鎮茍各莊村為案例區，通過實地調研收集相關資料，分析影響農戶土地利用決策的主要因素，揭示微觀土地利用變化的機理。通過GIS 和Netlogo 平臺，模擬案例區1985—2010年間的土地利用空間演化過程。

1 基于多智能體的旅游鄉村聚落用地演化模型

1.1 理論假設

多智能體系統被定義為在公環境中交互的一組智能體，能夠改變自身及其所處的環境[28]。智能體系統由多個相對獨立的智能體組成，智能體具有自主性、交互性、反應性、主動性等特征，在虛擬環境中具有自主能力進行有關決策，并存在一定的結構關系[29]，這構成了模型的基本理論架構（圖1a）。多智能體系統已經成為對復雜系統進行模擬和分析的重要方法。在較為成熟的基于土地利用多智能體模擬中，模型的基本組成為多智能體層和環境因素層。在多智能體層中，智能體之間進行局部相互作用，不同類型的智能體之間進行相互交流，并由此做出相應的決策來影響其所在的環境，同時環境的變化也反饋于多智能體，影響其下一步所采取的行動和措施。在這一過程中，多智能體和環境處于不斷謀求平衡的狀態[30]。

旅游鄉村聚落中的土地利用行為相比于城市系統而言較為簡單。但是與傳統村落相比，仍呈現出一些特質：第一，旅游村落在滿足本地人口自然增長引發用地需求變化的同時，也需要滿足旅游者的接待服務需求。第二，影響農戶智能體用地決策的因素，除家庭人口自然增長外，更重要的是作為家庭主要經濟活動的旅游經營活動。第三，農戶作為具有獨立決策能力的智能體，在聚落特定地理空間上相互作用，既表現為“先鋒農戶”示范帶動作用，也表現為農戶間的相互攀比效應。并具體體現在宅基地地塊數量、用地類型變化以及住宅用地功能差異上，表現為地塊功能變化導致的旅游經營的競爭與合作結構關系和旅游鄉村聚落土地利用格局的演變過程。因此在理論上，多智能體模型可以用于旅游地微尺度土地利用變化模擬。在旅游者需求驅動下和政府不同階段調控背景下，農戶智能體可根據地塊的區位條件和景觀格局，做出新增建設用地和將原有居住用地轉變為旅游用地的決策，反過來，這種變化也影響著農戶用地模式的再決策（圖1b）。

1.2 模型框架

本研究建立的模型旨在研究旅游鄉村聚落中的各智能體之間及其與地理環境的相互作用，分析這些相互作用和土地利用空間格局形成的關系。模型基本框架包括基礎數據、環境要素層和多智能體層。基礎數據包括空間數據和實地調研數據，環境要素層包括空間范圍、環境質量、交通通達性和景區鄰近度。在多智能體層中，農戶智能體結合自身需求和市場需求，在政府調控下，根據環境要素進行建設用地擴張和用地功能轉變的土地利用決策。

圖1 旅游鄉村聚落土地利用演化的多智能體系統模型基本架構Fig.1 Basic architecture of the agent-based system in rural settlement land use

1.3 環境要素層

空間范圍：村莊建設規劃限定了多智能體選擇的范圍，農戶智能體只能選擇已有宅基地或規劃的村內空閑地塊。除此之外，農戶智能體還能夠改變空間的土地利用類型，如果農戶在原有房屋的基礎上改造房屋，經營家庭旅館、飯店等旅游服務設施，則該地塊的土地利用類型由住宅用地轉變為旅游用地。

交通通達性： 能夠體現交通方便的程度，通過某地塊的幾何中心點到最近道路的距離來表示。由于研究對象為村落，所以在評價時選取鄉村主路作為衡量指標，其交通通達性用下式表示：

Etraffic為交通通達指數；Droad表示地塊到村內主干道路的距離；β表示村內主干道路空間衰減系數。

環境質量：旅游鄉村聚落居住的主體是農戶和旅游者，環境質量對農戶的生活、健康和游客的居住舒適度都存在較大的影響。本文選取到河流和鐵路的距離作為衡量景觀程度的標準，其中河流對環境質量有正向影響，鐵路噪音對居住環境存在一定的負面影響。

式（2）中，Eenvironment為環境質量指數；Driver、Drailway分別表示地塊到河流和鐵路的距離；δ1、δ2分別表示河流與鐵路的空間衰減系數，γ1、γ2為對應因子的權重系數，且γ1+γ2=1。

景區鄰近度：旅游鄉村聚落中的用地逐漸由居住功能轉換為旅游服務功能，所以鄉村距旅游景點的距離對農戶選擇用地時有著非常大的影響，故單獨作為一個層來考慮。景區影響如下式：

式（3）中，Escenic為景區鄰近度，θ表示景區的空間衰減系數，Dscenic表示到周邊最近景區或景點的距離。

鄉村尺度較小，不能忽視其用地轉化受隨機因素的影響。向模型中加入隨機因素的作用ε，這樣使得模型的運算結果更加符合實際情況，反映出土地利用變化所存在的不確定性。

1.4 智能體及其決策行為

在旅游鄉村聚落的用地格局演變中，農戶、政府和以旅游者為代表的市場都具有決策的權利，但是由于政府在批準建設用地過程中起到的是通過監管對農戶決策進行調控的作用，旅游市場在用地功能轉變中所起到的作用是通過需求影響農戶決策，二者不作為獨立的智能體參與模擬，而是將其偏好和選擇反饋在農戶的用地變化決策中。

1.4.1 農戶智能體及其決策行為

圖2 模型框架Fig.2 Framework of the model

農戶的決策行為主要有兩種：建設用地擴張和用地功能轉變。建設用地擴張是指農戶選擇新增建設用地的決策行為，用地功能轉變是農戶在原有建設用地的基礎之上進行的土地功能轉變的決策行為。其中，建設用地擴張主要有兩種情況：一是旅游發展帶來的旅游者對于旅游服務設施，特別是農家旅館的需求。農戶的原有住宅面積較小、環境較差，難以滿足旅游者的需求，因此農戶選擇新建房屋作為農家旅館等旅游服務設施用地。二是由于農戶家庭人口的增加、家庭結構改變而產生的對新的住宅用地的需求。在旅游鄉村聚落，農戶在房屋擴建之前需要考慮未來房屋的空間位置對于旅游者的吸引力，從而選擇合適的位置進行改建，即臨街、臨河等交通便利、自然環境好的位置。農戶擬用于建造房屋的用地需征得政府的批準，政府據其所申請宅基地是否在鄉村規劃之中而作出判斷。在農戶智能體選擇自己滿意的地理位置后，如果該地不是建設用地，而是耕地、林地等其他用地，即可向政府申請批地。而用地功能轉變則由農戶根據市場需求和自家房屋的地理位置進行自主決策，不受政府干預。因此會出現住宅用地和旅游用地之間的相互轉換。空間位置較好的地區會逐漸轉變為旅游用地，遠離河流和道路、距鐵路較近的位置不適宜作為旅游用地，從而轉變為農戶的居住用地。因此，在追求效用最大化假設的前提下，某一候選地塊Li對第t個農戶智能體的效用值可用下面公式表示：

式（4）中，a+b+c=1，Etraffic、Eenvironment、Escenic分別是候選地塊Li的交通通達性、環境質量、景區鄰近度；a、b、c分別為第t個農戶智能體對各影響因子的偏好權重；ε為隨機干擾。

1.4.2 旅游市場的需求

城鎮近郊旅游地的主要客源為周末休閑度假游的市民，旅游業的快速發展使得旅游區接待人次規模化快速增長，因此對旅游地的配套服務設施產生了大量的需求。從“旅游區-社區-吸引物”旅游綜合體構成看，若旅游地地處偏遠，遠離中心城鎮（缺少接待設施），則其周邊的鄉村就成為短途游游客的住宿首選，由此拉動了對于旅游地周邊中低檔次住宿的需求，這是農戶進行用地擴張和轉變的根本動力。游客在選擇住宿地點時，會偏好環境較好、距景區較近、交通便利的位置，其選擇偏好對農戶智能體的決策起到了重要影響。所以，農戶智能體用地功能轉變的決策即為旅游市場需求的體現。

表1 智能體類型及影響因子Tab.1 Types and impact factors of agents

1.4.3 政府的調控

在旅游鄉村聚落的發展過程中，政府的干預和調控主要通過宅基地管理、鄉村發展規劃和戶口遷移等政策法規來實現。鄉村規劃框定了土地利用的基本格局。在鄉村聚落土地利用演變過程中，政府調控隨著政策和旅游業的發展不斷調整。早期由于發展旅游具有巨大潛力和帶來現實收益，政府對村莊建房宅基地審批實行寬松政策，以解決旅游需求大、接待服務設施短缺的問題。然而隨著土地監管政策的深化，侵占耕地的行為受到限制，新的建設用地審批困難，農戶選擇已有宅基地上的住宅用地進行翻新和改建，將其改造為旅游用地。

2 模型應用

2.1 案例區概況

茍各莊村位于河北省淶水縣野三坡旅游區內，距離最近的景區僅1 km。野三坡是國家風景名勝區和國家5A 級景區，旅游業發展始于1986 年。茍各莊村是野三坡景區重要的游客的旅游接待和服務基地，是與野三坡旅游區同步成長起來的旅游鄉村聚落。

表2 農戶智能體對影響因子的偏好權重Tab.2 Weights for different types of agents

2.2 數據來源

本模型研究數據來源主要包括兩個方面：一是利用參與性農村評估方法和農戶調查問卷；二是土地利用現狀圖（1985年和2007年）、土地利用規劃圖（2020 年）以及遙感影像。本研究結合圖件和遙感影像解譯，利用半結構訪談工具收集有關土地利用現狀和歷史的大量信息、資料，反演1985—2010 年建設用地擴張和用地功能轉變的時空演變過程，繪制茍各莊村1985年、1995年、2000年、2005年、2010年的土地利用圖。結合用地規劃將宅基地矢量化為斑塊。

2.3 模型應用

2.3.1 農戶智能體的權重確定

本文按照決策目的不同將農戶智能體分為建設用地擴張、用地功能轉變兩類。在初始化中，設定現有農戶數量的1/5作為“先鋒農戶”。模型每次運行，有建設用地需求的農戶占上一次運行結束后擁有住宅用地的人數的1/3，在原有住宅基礎上向旅游用地轉變的人數占2/3。不同目的的農戶智能體對地理環境因素的偏好權重利用熵權法求取。農戶智能體首先選擇對于其具有最高效用值的地塊，若最高效用值地塊已被開發為建設用地，則選擇次高效用值的地塊,直到該農戶智能體找到其滿意的位置為止。

政府的調控表現在閾值的設定上。當選擇某一地塊進行建設用地開發的農戶智能體超過一定閾值時，政府同意其變為建設用地，對于該地塊的農戶智能體的選擇過程結束；否則，將重新進行選擇，直到絕大多數農戶智能體找到滿意的地塊，用地平面擴張過程結束。隨著模型的運行，閾值不斷增加，代表審批逐漸嚴格。用地功能的轉變在已有建設用地的基礎上進行，所以不需要政府調控的作用，由智能體直接根據市場需求對地塊功能進行轉變。模型的流程如圖2所示。

2.3.2 模型運行及結果分析

本模型中，假設每一建設用地矢量斑塊上容納一個農戶智能體，模型每次運行，智能體根據所設定條件進行選擇和決策。最終分別獲得2010 年茍各莊村建設用地平面擴張以及用地功能轉變的模擬結果（圖3）。

圖3 模型運行流程圖Fig.3 Flow chart of model

從模擬結果可以看出，茍各莊村建設用地以條帶式擴張為特征，以拒馬河沿岸西北、東南方向為擴張軸，呈填充式擴展。旅游用地由分散走向集中，從沿河岸和村內主路的集中分布，到向村莊西北、東南兩端擴展，最終呈條帶式分布。對模擬結果進行逐點對比檢驗（表3、表4）。從模擬精度來看，對于實際新增建設用地擴張的模擬較為準確，達到84.58%，但是對于實際未新增的建設用地模擬精度較低，僅為50.67%，在模擬結果中出現了較多“模擬新增而實際未新增”的地塊，這一方面是由于模型中政府的調控作用體現在地塊選擇次數的閾值上，動態閾值的設定與實際情況不完全相符，另一方面是模型以2020 年土地利用規劃作為基本范圍，而土地利用現狀數據截止到2010 年，因此在模擬中會出現地塊“提前選擇”的情況。對于用地功能轉變的模擬與實際情況較為吻合，模擬總精度達到85.29%，其中轉變為旅游用地的模擬精度為86.70%，未轉變為旅游用地的模擬精度為82.00%，旅游用地主要集中在交通通達性和環境質量較好，鄰近景區、遠離鐵路的一側，這也和旅游市場中游客住宿的需求相吻合。誤差主要在于模型降低了土地利用行為選擇的隨機性，過于強調區位條件和景觀格局，在模擬過程中沒有充分考慮在實際情況中建設用地的零星分布和農戶隨機選擇的特征，導致模擬結果出現相對集聚的現象。總體上，模擬結果與實際用地格局演化趨勢大致相符，但實際情況隨機性和動態性更強，比模擬結果更加復雜。

圖4 實際土地利用格局變化與模擬結果對比Fig.4 Comparison of actual land use pattern and simulation results

表3 建設用地擴張模擬精度Tab.3 Simulation accuracy of construction land expansion

表4 用地功能轉變模擬精度Tab.4 Simulation accuracy of land use functional change

3 結論

從旅游鄉村聚落基本演化規律看，從傳統旅游鄉村到特色旅游小鎮是一個必然的趨勢[23]。這也導致旅游鄉村聚落成為一個結構和功能日趨復雜的系統。本研究通過對城市多智能體模型的適當簡化，以農戶為智能體，以宅基地地塊作為基本單元，通過進行環境要素分析，判斷農戶土地利用決策和旅游市場需求、政府調控之間的關系，構建了一個旅游鄉村聚落土地利用空間演化模型。以河北省野三坡旅游區茍各莊村為案例區，在分析農戶智能體的土地利用行為特征的基礎上，模擬了農戶的土地利用決策。模擬結果與實際情況大致相符，說明多智能體模型能夠對于旅游鄉村聚落空間演變的演化規律和空間擴展模式進行較為準確的模擬，并具有一定的優勢。

從研究本身看，有兩處需要進一步深化：（1）在模型建構上，本研究中模型對農戶社會經濟屬性例如農戶收入、家庭結構、受教育程度等考慮不足，忽略了農戶由于社會經濟屬性的差異進行的決策，以及由此產生的用地變化情況。此外模型對于旅游市場需求和政府的調控作用的動態性考慮不足。（2）在模擬方法上，本文模型中矢量地塊的劃分是基于村莊規劃圖和現今的土地利用狀況反演而來，鄰域相互作用機制無法適用于矢量數據的模擬，地塊對象之間的空間聯系表達較弱。因此，在接下來的研究中，將重點關注以下方面：一是在環境要素層的基礎上，構建與空間地塊相對應的社會經濟屬性要素層，進一步完善基于多智能體在鄉村聚落土地利用決策模型及其算法，包括決策類型、決策行為的規則及其相互作用的機理等；二是研究在微尺度下矢量地塊的轉換規則和空間表達，在提高模擬精度的同時，更真實地在模型中體現智能體相互作用的復雜內涵及其與地塊之間的空間聯系，充分發揮矢量數據的優勢，進行更加精確的預測。

與其他研究相比，本研究主要創新點在于：相對于傳統以城市或縣域為主尺度的研究，構建了微尺度鄉村聚落土地利用演變模擬模型，這種基于多智能體系統模擬克服了過去對旅游鄉村聚落土地利用系統演化研究中以定性描述和基于經驗和方程式表達為主的不足，實現了旅游鄉村聚落地塊一般社會經濟屬性、功能屬性信息與空間信息的融合和動態模擬，為定量研究鄉村聚落土地利用變化，進一步優化調控空間演化模式提供了科學依據。