内蒙古杭锦旗“三线”空间耦合与模拟

安 娜

(内蒙古师范大学 地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

生态空间、农业空间和城镇空间的研究是国土空间规划与管理的基础工作，土地利用结构和布局调整的重要依据是政策性及综合性均较强的国土空间规划。一方面国土规划的侧重点是国土资源的综合开发、利用以及保护的空间合理安排，意在提高社会经济发展和福利水平；另一方面空间规划侧重的是空间均衡，旨在对公共部门的空间活动带来影响，形成一个较为合理的地域组织，进而实现可持续发展的目标。人类只有遵循自然规律才能有效防止在开发利用自然上走弯路，人类对大自然的伤害最终会伤及人类自身，这是无法抗拒的规律。要加大生态系统保护力度、实施重要生态系统保护和修复重大工程，优化生态安全屏障体系，构建生态廊道和生态空间网络，从而提升生态系统质量和稳定性。追求生态和谐的城市发展在很早就引起了众多研究学者的关注。

根据动物迁徙廊道的保护需求，俞孔坚等学者提出最小累计阻力模型(MCR)，这是一种简单实用的生态保护与城市开发边界协同耦合的分析技术。尽管MCR是对城市扩张与生态保护二元空间协调性分析的强调，但是该方法的不足之处是缺乏对复杂城市扩张过程的地理驱动相关描述，只是单纯强调城市空间布局下的生态保护，难以满足在现实城市发展中多目标协同整合的需要。笔者通过对杭锦旗生态空间边界的划定、基本农田保护边界的划定和城市开发边界的预测，通过“三线”空间耦合与情景分析，确定优化方案。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

杭锦旗处于内蒙古自治区鄂尔多斯市西北部，境内是由黄河冲积平原、沙地沙漠、波状高平原和砒砂岩丘陵镶嵌排列的地形地貌，纵跨鄂尔多斯高原和河套平原，具有明显的带状分布规律：北部是黄河南岸的冲积平原，地势平坦；中北部是横跨全旗境内的库布齐沙漠，风沙地貌十分发育；库布齐沙漠的中部为波状高平原，中南部地区是波状高平原和丘陵地带，丘陵分布在东西两端；东南部为毛乌素沙地边缘；杭锦旗东西长197km，南北宽106km，总土地面积18 814.03km2，耕地占土地总面积的3.43%，园地占0.09%，林地占9.12%，草地54.48%，城镇及工矿用地占0.69%，交通用地占0.34%，水域及水利设施用地占2.85%，沙地占28.83%。草地和沙地是杭锦旗土地利用的主要类型，由于全旗沙地面积较大，在自然条件和人类活动的双重作用下，出现了水土流失、土地荒漠化等生态环境问题，已经成为全区典型的生态脆弱区。

1.2 数据来源

笔者采用杭锦旗2017年度土地变更调查数据库制作基础底图。此外还有杭锦旗国土资源局提供的土地利用总体规划、主体功能分区、地质灾害相关图件等资料；环保、林业、水利、气象提供的生态环境数据，生态公益林建设，水源保护规划等相关资料；统计局提供的人口普查、统计年鉴(2002年-2017年)和当地公布的国土资源公报、中国经济简报等资料；遥感监测数据、高程数据，包括杭锦旗2017年的Landsat 8 TM遥感数据及分辨率为30m的DEM高程影像数据等。

2 研究方法

2.1 景观安全格局分析

景观安全格局法在生态用地保护研究中强调的是对维持区域关键生态过程生态用地的保护。笔者通过查阅研究区域自然资源状况、生态环境状况、社会发展情况等因素，为构建研究区单一生态过程的景观安全格局选取了土壤保持、防风固沙、水源涵养三个重要生态功能指标，通过空间叠加进而构建研究区的综合安全格局，从而划定生态空间边界。景观安全格局法主要包括三个步骤，分别是构建生态网络、识别源地、筛选生态廊道。

2.1.1 源地的识别。 确定源地要充分考虑不同生态过程及其所发挥的生态系统服务功能。基于相关文献查阅，与研究区实地情况，确定林地、草地、水域、沙地作为生态源地。

2.1.2 生态廊道的筛选。 基于景观生态学上“基质-斑块-廊道”的原理，廊道被认为是连接不同类型斑块、促进斑块间物质能量流动的重要通道，有信息、物质、能量的传递、水源涵养、防风固沙等重要生态功能。在最小累计阻力面上，“源”间廊道即阻力低谷在相邻生态源地之间，也是相邻两“源”间物种间最易通过的低阻力通道。在GIS软件平台基础上，采用ArcGIS10.3空间分析模块cost distance工具，生成的积累景观阻力面是以源地为中心的，以此规定一级廊道。根据一级廊道的划定结果，可将全旗范围分为诸多小型的区域，以此为依据逐个划定二级廊道，逐级筛选生态廊道。

2.1.3 生态网络的构建。Kenneth(2012)编制了生态系统服务流图(见图1)，将“源”地、生态廊道等叠加组合在一起，结合生态系统服务流，构建区域内不同等级水平的景观安全格局，通过阻力面空间特性的分析求得生态过程的趋势和动态的某些阈值，通过叠加分析，从而确定维持该区域生态安全的空间布局和生态用地规模。

图1 生态系统服务流图

2.2 Logistic-CA 城市预测模型

城市是一个大系统，其子系统之间的关系错综复杂，如人口、交通、土地利用等，利用非线性作用和自组织方式等进一步叠加功能、结构与行为，从而促使城市不断演化。城市扩张研究的重要内容是模拟城市系统，通过对城市的地域实体的抽象和概况，描述和表达城市扩张规模及其空间分布的动态行为过程，是采用数学方法定量获得的，为研究城市系统内在特征及动态演化过程提供了有利的分析工具。地理模拟与优化系统(Geographical Simulation and Optimization Systems，GeoSOS)是在地理元胞自动机、多智能体和空间优化等研究基础上由黎夏教授、叶嘉安教授、刘小平博士以及他们团队设计和研发的。GeoSOS是GIS的重要补充工具，来弥补GIS在过程模拟和优化中存在功能不足的问题。GeoSOS 由三个重要模块组成的，包含地理元胞自动机(CA)、多智能体系统(MAS)、生物智能(SI)。其中，地理元胞自动机模块包含了常用的 CA 模型，它的Logistic-CA为多种土地利用变化模拟提供了快捷、简便的工具，可以有效地进行地理模拟，该系统还能将模拟和优化耦合，进一步改善优化结果，成为复杂的资源环境模拟和优化强有力的过程分析工具。

元胞自动机(Cellular Automata，简称 CA)CA模型可以用以下公式表示：

S(t+1)=f(S(t)，N)

(1)

式中：S—元胞有限、离散的状态集合；

N—每个元胞的邻域；

t、t+1—某一特定时刻；

f—局部空间的元胞转换规则函数。

笔者在GeoSOS软件的支持下，以2009年杭锦旗土地利用图为基础，按照2009年-2016年土地利用类型转移概率，构建Logistic-CA土地模型对2020年杭锦旗土地利用类型进行模拟。具体构建过程如下：

2.2.1 定义。在本次研究中通过矢量数据转换为栅格数据的土地利用现状图作为元胞空间，其图像像元为元胞。元胞大小设置为500×500。在平常的元胞自动机模型中，元胞状态呈现的是有限、离散的集合，取其中的一个值，将元胞及其状态赋予相应的地理含义，从而描述模拟地理实体变化模型。元胞自动机的元胞状态定义为每个像元的土地利用类型即耕地、种植园用地、林地、牧草地、建设用地和未利用等。

2.2.2 空间变量及数据获取。元胞自动机中，元胞和其所处邻域这一时刻的状态决定了元胞下一时刻的状态，因此邻域的定义对于元胞自动机十分重要。Logistic回归模型是通过校正来求算某元胞的发展概率。元胞中的每一个土地利用类型变化概率与一系列空间变量、邻近范围的土地利用类型元胞数、元胞本身的属性等密切相关。结合杭锦旗的实际情况，选择了以下变量作为空间变量，如表1所示。

表1 class="table_title">空间变量及获取方法

CA元胞自动机的特点就是模拟出复杂的、全局的空间模式通过简单的局部转换规则来实现。变量对应着的参数值反映了不同变量对模型的贡献度。本研究是通过随空间变化的动态转换规则进行土地利用类型变化的模拟。根据研究区内部自然、社会经济等状况的差异，分为若干子区，为了得到研究区的动态转换规则，通过逐步逻辑回归法提取各个子区的 CA转换规则。本文利用该模型模拟杭锦旗在2009年-2016年的土地利用变化趋势，从而预测杭锦旗中心城区城市扩张边界。

2.3 空间耦合与情景分析

耦合是指“两个或两个以上的系统通过相互作用而产生影响的现象”，强调各要素之间动态的相互作用关系，即一个要素发生变化则会引起另一个要素的变化。在土地研究领域，耦合常用来探讨土地利用与生态环境之间的相互关系，通过建立耦合模型来测定耦合度，从而对两个系统的耦合关系进行量化计算。

图2 “三区三线” 概念的空间关系

本研究拟对杭锦旗土地生态保护线、基本农田保护和城市扩展边界线三条界限进行空间耦合，通过耦合及对优化土地生态保护线的规划，得出土地生态红线范围。因此，本研究提出对于空间耦合的狭义定义，即在特定地域范围内，对两个或两个以上的要素进行空间上的组合分配，达到所设定目标的最优解。与传统意义上的“耦合”的区别在于，不是以反映耦合度来分析要素之间的相互作用关系，而是通过空间上的分配达到要素组合的最终结果。

图3 三线耦合方案

为了对“三线”空间耦合方案进行更为清晰的界定，将其转换为示意图的形式。如图3所示，图中三个圆圈分别代表土地生态保护线、基本农田保护线和城市扩展边界线，“三线”重合区域为G，两线重合区域分别为DG、FG、EG，“三线”各自独立的区域分别为A、B、C。G作为三线重合区域，具有耕地保护和生态保护的双重保护属性，同时也具有城市扩张属性，是性质最为复杂的地区，G应当划入土地生态保护线范围，并需重点关注和监控该区域的生态环境状况。

3 结果与分析

3.1 生态保护红线的划定

研究区的综合景观安全格局在将确定的生态源地与生态廊道组合在一起构建具有不同安全水平的单一生态功能的景观格局的基础上通过综合空间叠加构建。因为防风固沙、土壤保持、水源涵养三个重要生态功能同等重要，所以利用ArcGIS对已经构建的3个单一生态功能格局进行等权叠加，得到综合安全格局，进而划定生态空间边界。全旗生态空间主要分布在北部黄河南岸的冲积平原和东西两端的丘陵地区，生态保护红线土地面积为8 987.25km2，占全旗土地总面积的47.7%。

图4 生态空间边界分布

全旗生态系统以防风固沙服务功能为主导功能，所构建的生态空间沿中北部的库布齐沙漠呈环状分布；水源涵养为全旗最重要的生态服务功能，构建的生态空间沿北部黄河冲积平原呈带状分布；土壤保持生态服务功能所构建的生态空间主要分布在研究区境内的北部丘陵地区。

3.2 基本农田保护红线的划定

基本农田具有用途改变的可逆困难性，将优质的耕地资源划为基本农田不仅保障国家粮食安全，还能满足当代及后代对粮食的需求，实现资源的合理配置。因此，以可持续发展理论作为基本农田调整划定的理论基础，在调整基本农田时，不仅要保证基本农田的数量，更注重提高基本农田的质量，同时还要注重基本农田保护区的生态环境，保证调整前后基本农田数量不减少，质量不降低，生态环境有所改善，实现人口、资源、环境的可持续发展。本文所用基本农田保护边界为2017年原国土资源部对外公布的杭锦旗永久基本农田保护边界范围，全旗共有永久基本农田5 358hm2，占耕地总面积的82%，占全旗土地总面积的2.8%。

3.3 城市开发边界的预测

通过对2009年和2017年杭锦旗土地利用现状空间叠加分析，得到全旗土地利用各地类之间的转移矩阵。其中，建制镇土地面积由2009年的1 929hm2增加到2017年的2 327hm2，增加面积为398hm2，增加幅度为0.2；建制镇主要是由林地和草地转入而来。在GeoSOS 中Logistic-CA土地模型的支持下，利用杭锦旗2009年、2013年和2017年三期的土地利用现状数据进行建制镇的预测模拟，预测到2020年杭锦旗中心城区城市开发范围与面积，预测面积为2 493hm2。

3.4 “三线”耦合与模拟

基于不同情景，设计不同情景下的“三线”空间耦合方案，笔者设计了三种情景方案：基本农田保护优先型方案、城市发展优先型方案和生态保护优先型方案。在每一个情景方案内，讨论“三线”的空间范围，并进行数量分析。基本农田保护优先型情景，强调对基本农田的保护。从保护性质来看，基本农田保护也是生态环境保护的一部分，不光对于粮食安全有重要意义，对于维持生态系统的稳定性也有着深远的影响。这一情景优先保护基本农田范围，因此把耕地纳入基本农田保护线范围，共同作为基本农田保护线范围，这种情景下基本农田面积为65 003hm2。城市发展优先情景在最大程度上保障城市扩张的用地需求，除三线重合的G区域纳入土地生态保护线范围之外，城市扩展边界线和土地生态保护线的重合区域E从生态保护线范围内擦除，共去除166hm2，这种情景下土地生态保护线面积约为898 559hm2。生态保护优先型情景将土地生态保护线作为基础，将城市扩展边界与其重合区域也纳入土地生态保护线范围，这种情景下土地生态保护线面积约为898 891hm2。而基本农田作为生态环境保护不可分割的重要部分，在这一情景中纳入生态保护线的次级保护区域，形成分级管控保护线。