基于CA-Markov模型的国土空间结构和布局优化研究——以沁源县为例

任玉鹏

（山西华业土地矿产资源咨询有限公司，山西 太原030001）

1 区域概况分析

沁源县地处太岳山东麓，是开发与保护并重的典型县，作为一个煤炭资源型县区，工矿企业集聚，产业基础扎实，用地需求相对较为突出；同时，又以绿色立县，森林覆盖率超过56.7%，居山西省之首，有“油松之乡”“中国天然氧吧”等称号；开发与保护的矛盾是关系沁源县发展的首要问题。在转型发展的大背景下，各类产业发展深受当前国土空间结构与布局不合理的影响。随着国土空间规划的不断深入推进，各类用地结构矛盾日益突出，国土空间结构与布局优化势在必行。

2018年末，全县总人口16.38万人，其中城镇人口7.54万人，城镇居民人均可支配收入32507元，农村居民人均纯收入13714元。全年地区生产总值136.3亿元，固定资产投资50.1亿元。

2 国土空间演变特征

2.1 国土空间识别

国土空间识别是开展国土空间结构演变特征分析的重要基础，也是进行结构与布局优化的主要依据[1]，本研究从“城镇—农业—生态”三类空间角度进行划分识别：将耕地、园地、沟渠、设施农用地和田坎识别为农业生产空间，村庄和农村道路识别为农村生活空间，建制镇、采矿用地、风景名胜及特殊用地、公路用地和铁路用地识别为城镇发展空间，林地、草地、沙地和裸地识别为生态陆地空间，河流水面、水库水面、坑塘水面、内陆滩涂和水工建筑用地识别为生态水域空间。

农业生产空间和农村生活空间共同构成农业空间，生态陆地空间和生态水域空间一起组成生态空间，城镇发展空间构成城镇空间。

2.2 国土空间结构演变分析

2.2.1 国土空间面积变化

通过提取各类型国土空间用地面积，发现沁源县国土空间结构在2010年、2014年与2018年3个时间节点总体呈现“二升二降一波动”的趋势。其中，城镇发展空间表现为前4年增长显著，后4年增长幅度放缓的趋势，2010—2014年期间，面积增长64.93 hm2，2014—2018年期间增长21.18 hm2；农村生活空间增长幅度远大于城镇发展空间，2010—2014年期间，农村生活空间面积增长85.51 hm2，2014—2018年期间增长39.89 hm2；生态陆地空间和生态水域空间用地面积持续下降；农业生产空间呈现先升后降的变化情况。

2.2.2 国土空间转移矩阵

为了深入分析沁源县国土空间结构和布局变化的内在机理，并全面体现沁源县国土空间演变的结构特点，本研究利用ArcGIS软件将2010—2014年、2014—2018年、2010—2018年3个时间段各类型国土空间的转移情况生成转移矩阵，为利用CA-Markov模型进行国土空间格局模拟奠定数据演变分析基础。

3 国土空间格局模拟

3.1 CA-Markov模型

传统的Markov模型在土地利用变化趋势研究方面应用较为普遍，但是只局限于时间上的变化，难以预测空间布局上的变化[2]。传统的CA模型在空间运算及预测方面表现突出，却倾向于元胞局部相互作用，转换规则难以明确。CA-Markov模型集成了两者的优点，在土地利用现状图中，将每1个栅格当成1个元胞，空间分类为元胞的状态，利用空间分类转移概率矩阵和转移条件进行测算，确定每个元胞的转移概率，从而模拟国土空间转移变化，达到从时间和空间角度准确预测国土空间格局的效果[3]。

Markov模型进行国土空间利用状态预测的公式为：

式（1）中：A（t+1）、A（t）分别为t+1、t时刻空间分类情况；Pij为概率转移矩阵。

CA模型运算公式为：

式（2）中：B为元胞状态；t+1、t为某个时间；X为元胞邻域；Y为元胞转化规则。

3.2 约束条件和影响因素

约束条件表现为二值图，体现的是“是”与“否”，综合考虑沁源县约束实际情况，本研究选取基本农田、生态保护红线、水域以及现状建设用地作为沁源县国土空间发展的限制区域，即约束条件。

各类型国土空间的时空分布受到众多因素的影响，本研究选取人口密度、地形、距交通干线距离、距重点城镇距离、距水系距离等6个因素。

3.3 适宜性图集

在IDRISI软件的MCE模块下，本研究综合利用加权线性合并法和布尔交叉法制作沁源县国土空间适宜性图集，如图1～5所示。

图1 城镇发展空间适宜性图像

图2 农村生活空间适宜性图像

图3 农业生产空间适宜性图像

图4 生态水域空间适宜性图像

图5 生态陆地空间适宜性图像

3.4 国土空间格局模拟

3.4.1 2018年国土空间格局模拟及检验

在IDRISI软件的CA-Markov模块下，本研究以沁源县2014年国土空间分布图为基础图像，并代入2010—2014年的国土空间转移矩阵，模拟得到2018年国土空间格局，然后利用IDRISI软件CROSS TAB模块进行模拟精度检验，得到Kappa系数为85.96%，表明模拟效果较好，该模型模拟沁源县国土空间格局具有较高的可行性。

3.4.2 2035年国土空间格局模拟

以沁源县2018年国土空间格局分布图为基础，将沁源县2010—2018年这个时间段的国土空间转移矩阵代入CA-Markov模型，循环次数设置为17，对研究区2035年国土空间格局进行预测，得到2035年国土空间格局模拟图，如图6所示。

图6 2035年国土空间模拟图

3.4.3 模拟结果与现状对比

利用IDRISI软件，将2018年现状数据和2035年模拟结果进行详细比对，将其结果导入ArcGis软件，得到空间转移情况，城镇发展空间大幅增加，由2018年的1197.99 hm2，增加至5508.00 hm2，增比359.77%，主要转入部分为生态陆地空间；农村生活空间小幅增加；农业生产空间增加12874.95 hm2，增比48.22%，主要来源为生态陆地空间；生态陆地空间大幅减少，减少面积为21302.19 hm2，减少面积占比9.62%，可见生态陆地空间为沁源县未来国土空间规划期间可利用土地的主要来源。

国土空间规划期间，沁源县依托优越的生态优势以及丰富的各类资源储量，以及城镇化进程的不断推进，人口集聚效应将更加显著，城镇发展空间需求量突出，但是城镇空间的向外持续扩张蔓延，将破坏空间发展的稳定性和协调性，对县域优越的生态本底条件构成挑战。因此，在考虑沁源县经济社会发展的同时，要坚持“绿色立县”的理念，注重保护生态环境，以实现生态、经济、社会协调可持续发展。

4 国土空间结构与布局优化

本研究以综合效益最大化为目标，综合考虑沁源县生态、经济以及社会效益，增加城镇发展空间以及农村生活空间为约束条件和影响因素，通过动态调整约束条件和影响因素的权重，得到空间约束下的适宜性图集，优化2035年空间布局，实现空间资源的优化配置。

4.1 约束条件和影响因素

4.1.1 城镇开发边界

城镇开发边界通过对城镇发展规模进行刚性约束，限制城镇空间无序扩张，增加城镇空间的发展约束，从而引导城镇集约紧凑发展，同时达到有效保护耕地与各类生态用地的目的[4]。城镇开发边界范围如图7所示。

图7 城镇开发边界范围

4.1.2 距农村居民点的距离

随着城镇化进程的加速推进，农村生活空间不减反增，为了限制农村生活空间无序扩展，故在优化环节增加距离农村居民点距离影响因素。农村居民点欧式距离如图8所示。

图8 农村居民点欧式距离图

4.2 布局优化结果

在IDRISI平台下，通过调整约束条件和影响因素的权重，每轮迭代运算完成后，对全县空间类型面积进行统计量化，并与数量结构优化结果进行比对分析，使布局优化结果逐渐接近数量约束，最终得到各类型国土空间数量约束下沁源县国土空间布局优化图，如图9所示。

图9 2035年国土空间布局优化图

优化后，城镇发展空间减少3010.66 hm2，农村生活空间减少125.39 hm2，生态陆地空间增加4022.31 hm2，城镇发展空间和农村生活空间规模扩张程度得到有效遏制，生态陆地空间保护成效显著，国土空间结构较优化前更加合理。从空间布局角度看，城镇空间略微扩张的同时，生态空间有所增加，国土空间整体布局由集中化发展向均衡化发展转变，生态空间战略地位显著提升，与城镇空间处于协同发展态势，说明在考虑综合效益最大化的目标下，沁源县国土空间结构和布局优化效果良好。

5 结论与讨论

党的十八大指出，以“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”为目标要求，将优化国土空间开发格局作为生态文明建设的首要举措。本研究围绕该目标，基于国土空间规划视角，对沁源县国土空间结构和布局如何优化进行了分析实践，优化后可以有效减少城镇空间扩张规模，保护生态空间，促进国土空间整体化、均衡化、可持续化发展[5]，在此基础上探讨国土空间规划视域下县级国土空间发展的理论模式，为县级国土空间及区域协调发展提供依据和实践参考。