基于CA-Markov模型的國土空間結構和布局優化研究
——以沁源縣為例

任玉鵬

（山西華業土地礦產資源咨詢有限公司，山西 太原030001）

1 區域概況分析

沁源縣地處太岳山東麓，是開發與保護并重的典型縣，作為一個煤炭資源型縣區，工礦企業集聚，產業基礎扎實，用地需求相對較為突出；同時，又以綠色立縣，森林覆蓋率超過56.7%，居山西省之首，有“油松之鄉”“中國天然氧吧”等稱號；開發與保護的矛盾是關系沁源縣發展的首要問題。在轉型發展的大背景下，各類產業發展深受當前國土空間結構與布局不合理的影響。隨著國土空間規劃的不斷深入推進，各類用地結構矛盾日益突出，國土空間結構與布局優化勢在必行。

2018年末，全縣總人口16.38萬人，其中城鎮人口7.54萬人，城鎮居民人均可支配收入32507元，農村居民人均純收入13714元。全年地區生產總值136.3億元，固定資產投資50.1億元。

2 國土空間演變特征

2.1 國土空間識別

國土空間識別是開展國土空間結構演變特征分析的重要基礎，也是進行結構與布局優化的主要依據[1]，本研究從“城鎮—農業—生態”三類空間角度進行劃分識別：將耕地、園地、溝渠、設施農用地和田坎識別為農業生產空間，村莊和農村道路識別為農村生活空間，建制鎮、采礦用地、風景名勝及特殊用地、公路用地和鐵路用地識別為城鎮發展空間，林地、草地、沙地和裸地識別為生態陸地空間，河流水面、水庫水面、坑塘水面、內陸灘涂和水工建筑用地識別為生態水域空間。

農業生產空間和農村生活空間共同構成農業空間，生態陸地空間和生態水域空間一起組成生態空間，城鎮發展空間構成城鎮空間。

2.2 國土空間結構演變分析

2.2.1 國土空間面積變化

通過提取各類型國土空間用地面積，發現沁源縣國土空間結構在2010年、2014年與2018年3個時間節點總體呈現“二升二降一波動”的趨勢。其中，城鎮發展空間表現為前4年增長顯著，后4年增長幅度放緩的趨勢，2010—2014年期間，面積增長64.93 hm2，2014—2018年期間增長21.18 hm2；農村生活空間增長幅度遠大于城鎮發展空間，2010—2014年期間，農村生活空間面積增長85.51 hm2，2014—2018年期間增長39.89 hm2；生態陸地空間和生態水域空間用地面積持續下降；農業生產空間呈現先升后降的變化情況。

2.2.2 國土空間轉移矩陣

為了深入分析沁源縣國土空間結構和布局變化的內在機理，并全面體現沁源縣國土空間演變的結構特點，本研究利用ArcGIS軟件將2010—2014年、2014—2018年、2010—2018年3個時間段各類型國土空間的轉移情況生成轉移矩陣，為利用CA-Markov模型進行國土空間格局模擬奠定數據演變分析基礎。

3 國土空間格局模擬

3.1 CA-Markov模型

傳統的Markov模型在土地利用變化趨勢研究方面應用較為普遍，但是只局限于時間上的變化，難以預測空間布局上的變化[2]。傳統的CA模型在空間運算及預測方面表現突出，卻傾向于元胞局部相互作用，轉換規則難以明確。CA-Markov模型集成了兩者的優點，在土地利用現狀圖中，將每1個柵格當成1個元胞，空間分類為元胞的狀態，利用空間分類轉移概率矩陣和轉移條件進行測算，確定每個元胞的轉移概率，從而模擬國土空間轉移變化，達到從時間和空間角度準確預測國土空間格局的效果[3]。

Markov模型進行國土空間利用狀態預測的公式為：

式（1）中：A（t+1）、A（t）分別為t+1、t時刻空間分類情況；Pij為概率轉移矩陣。

CA模型運算公式為：

式（2）中：B為元胞狀態；t+1、t為某個時間；X為元胞鄰域；Y為元胞轉化規則。

3.2 約束條件和影響因素

約束條件表現為二值圖，體現的是“是”與“否”，綜合考慮沁源縣約束實際情況，本研究選取基本農田、生態保護紅線、水域以及現狀建設用地作為沁源縣國土空間發展的限制區域，即約束條件。

各類型國土空間的時空分布受到眾多因素的影響，本研究選取人口密度、地形、距交通干線距離、距重點城鎮距離、距水系距離等6個因素。

3.3 適宜性圖集

在IDRISI軟件的MCE模塊下，本研究綜合利用加權線性合并法和布爾交叉法制作沁源縣國土空間適宜性圖集，如圖1～5所示。

圖1 城鎮發展空間適宜性圖像

圖2 農村生活空間適宜性圖像

圖3 農業生產空間適宜性圖像

圖4 生態水域空間適宜性圖像

圖5 生態陸地空間適宜性圖像

3.4 國土空間格局模擬

3.4.1 2018年國土空間格局模擬及檢驗

在IDRISI軟件的CA-Markov模塊下，本研究以沁源縣2014年國土空間分布圖為基礎圖像，并代入2010—2014年的國土空間轉移矩陣，模擬得到2018年國土空間格局，然后利用IDRISI軟件CROSS TAB模塊進行模擬精度檢驗，得到Kappa系數為85.96%，表明模擬效果較好，該模型模擬沁源縣國土空間格局具有較高的可行性。

3.4.2 2035年國土空間格局模擬

以沁源縣2018年國土空間格局分布圖為基礎，將沁源縣2010—2018年這個時間段的國土空間轉移矩陣代入CA-Markov模型，循環次數設置為17，對研究區2035年國土空間格局進行預測，得到2035年國土空間格局模擬圖，如圖6所示。

圖6 2035年國土空間模擬圖

3.4.3 模擬結果與現狀對比

利用IDRISI軟件，將2018年現狀數據和2035年模擬結果進行詳細比對，將其結果導入ArcGis軟件，得到空間轉移情況，城鎮發展空間大幅增加，由2018年的1197.99 hm2，增加至5508.00 hm2，增比359.77%，主要轉入部分為生態陸地空間；農村生活空間小幅增加；農業生產空間增加12874.95 hm2，增比48.22%，主要來源為生態陸地空間；生態陸地空間大幅減少，減少面積為21302.19 hm2，減少面積占比9.62%，可見生態陸地空間為沁源縣未來國土空間規劃期間可利用土地的主要來源。

國土空間規劃期間，沁源縣依托優越的生態優勢以及豐富的各類資源儲量，以及城鎮化進程的不斷推進，人口集聚效應將更加顯著，城鎮發展空間需求量突出，但是城鎮空間的向外持續擴張蔓延，將破壞空間發展的穩定性和協調性，對縣域優越的生態本底條件構成挑戰。因此，在考慮沁源縣經濟社會發展的同時，要堅持“綠色立縣”的理念，注重保護生態環境，以實現生態、經濟、社會協調可持續發展。

4 國土空間結構與布局優化

本研究以綜合效益最大化為目標，綜合考慮沁源縣生態、經濟以及社會效益，增加城鎮發展空間以及農村生活空間為約束條件和影響因素，通過動態調整約束條件和影響因素的權重，得到空間約束下的適宜性圖集，優化2035年空間布局，實現空間資源的優化配置。

4.1 約束條件和影響因素

4.1.1 城鎮開發邊界

城鎮開發邊界通過對城鎮發展規模進行剛性約束，限制城鎮空間無序擴張，增加城鎮空間的發展約束，從而引導城鎮集約緊湊發展，同時達到有效保護耕地與各類生態用地的目的[4]。城鎮開發邊界范圍如圖7所示。

圖7 城鎮開發邊界范圍

4.1.2 距農村居民點的距離

隨著城鎮化進程的加速推進，農村生活空間不減反增，為了限制農村生活空間無序擴展，故在優化環節增加距離農村居民點距離影響因素。農村居民點歐式距離如圖8所示。

圖8 農村居民點歐式距離圖

4.2 布局優化結果

在IDRISI平臺下，通過調整約束條件和影響因素的權重，每輪迭代運算完成后，對全縣空間類型面積進行統計量化，并與數量結構優化結果進行比對分析，使布局優化結果逐漸接近數量約束，最終得到各類型國土空間數量約束下沁源縣國土空間布局優化圖，如圖9所示。

圖9 2035年國土空間布局優化圖

優化后，城鎮發展空間減少3010.66 hm2，農村生活空間減少125.39 hm2，生態陸地空間增加4022.31 hm2，城鎮發展空間和農村生活空間規模擴張程度得到有效遏制，生態陸地空間保護成效顯著，國土空間結構較優化前更加合理。從空間布局角度看，城鎮空間略微擴張的同時，生態空間有所增加，國土空間整體布局由集中化發展向均衡化發展轉變，生態空間戰略地位顯著提升，與城鎮空間處于協同發展態勢，說明在考慮綜合效益最大化的目標下，沁源縣國土空間結構和布局優化效果良好。

5 結論與討論

黨的十八大指出，以“促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀”為目標要求，將優化國土空間開發格局作為生態文明建設的首要舉措。本研究圍繞該目標，基于國土空間規劃視角，對沁源縣國土空間結構和布局如何優化進行了分析實踐，優化后可以有效減少城鎮空間擴張規模，保護生態空間，促進國土空間整體化、均衡化、可持續化發展[5]，在此基礎上探討國土空間規劃視域下縣級國土空間發展的理論模式，為縣級國土空間及區域協調發展提供依據和實踐參考。