一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法

技术领域

本发明涉及一种国土空间规划技术，具体涉及一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法。

背景技术

如何通过跨区域协同以推动国土空间向均衡模式发展是国土空间高质量发展的一个重要议题。跨区域协同发展的本质是通过物质、能量和信息的交换，促进各区域在功能上形成优势互补和辐射带动的关系，进而解决区域发展不平衡和不充分的问题。从自然资源高水平保护和高效率利用来看，跨区域协同的本质是在多利益主体之间找到一个开发与保护的最优均衡点，而国土空间城镇、农业和生态三大类空间的布局直接决定着国土空间开发与保护模式。

目前，区域协同大多采用协同论、博弈论和自组织等相关理论，从宏观层面探索区域协同发展的规律及治理框架，如产业协同、设施协同等等。然而，仅从宏观层面进行协同难以实现土地利用底板的精细化管控，局部生态环境恶化和土地粗放型经营问题依然得不到高效解决。因此，从土地利用时空协同视角建立区域协同调控路径，按生态福祉高低构建整体生态安全网络进行区域一体化底线管制，并通过城镇空间演变模拟和永久基本农田调保压力分析权衡空间最优方案，是推进区域间形成优势互补和互利共赢新局面的前提。

虽然已有研究在土地利用变化模拟方面建立了一系列的技术方案，如将马尔科夫链、随机森林和元胞自动进行耦合建模等，但现有研究还没有从跨区域协同视角来审视国土空间规划开发与保护的内在技术逻辑，包括如何进一步将生态安全格局保护的资源作为区域发展优势加以价值转化，如何通过发展权转移来培育跨区域发展极进而增强区域整体竞争力。由此可见，支撑跨区域协同国土空间开发与保护还需要建立具有可操控性的技术工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法，利用该方法可以为跨区域协同开发与保护格局提供“三区三线”优选方案。

本申请提供的一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法，包括：

使用生态福祉评估模块评估土地的福祉系数，输出区域生态福祉图；

使用生态网络识别模块根据生态福祉系数和空间集聚程度生成区域生态网络；

使用发展权利转移模块对每个协同主体未来的建设用地增量进行规模预测，再从所有协同主体中筛选出区域增长极，将发展权利转移到区域增长极；

使用城镇演变模拟模块估算出每个地块的建设用地开发适宜性，然后在生态网络约束下对发展权转移前后的城镇空间演变情景进行模拟；

使用空间冲突权衡模块将未来城镇空间增长情景与永久基本农田进行分析，识别出具有开发与保护空间冲突的地块，然后根据空间冲突等级大小和永久农田地块权衡出备选开发方案；

使用规划决策支持模块根据开发与保护综合权衡结果，标识出城镇、农业和生态三类空间的基本格局。

生态福祉评估模块具体包括：

采用当地生态福祉当量系数建立土地利用图与生态价值图的空间映射，评估模型为：

式中，E(v)表示地块v的总体生态福祉或者生态资产，e

生态网络识别模块具体包括：

根据生态福祉高低和生态斑块空间集聚程度确定生态源地范围及其重要性等级，且不同级别的生态价值高地应成为生态廊道上的垫脚石/重要生态节点，生态网络连通模型为：

L(o,p)＝Net(E,δ)

式中，L(o,p)表示任意生态源o和p之间的链接廊道，Net表示生态网络连通模型，其需要根据地块生态价值E和生态斑块集聚度δ综合确定。

发展权利转移模块具体包括：

采用了一种发展权转移估算模型：

式中，

城镇演变模拟模块具体包括：

采用了一种基于随机森林的分区异步元胞自动机模型：

式中，

采用分区异步元胞自动机模拟每个地块的土地利用状态变化，算法模型为：

式中，

空间冲突权衡模块具体包括：

采用空间叠置分析识别国土空间开发与永久基本农田保护的空间冲突情况，冲突大小由冲突地块的面积和距离中心城区远近标定，冲突强弱识别模型为：

C(v)＝α(v)×β(v)

式中，C(v)为空间冲突强弱，其由冲突地块面积大小α(v)和该地块距离中心城区的远近β(v)综合确定。

规划决策支持模块具体包括：

按照空间冲突强弱，并结合生态安全、粮食安全和协同发展实际要求论证每个地块的规划地类。

本发明的地块尺度国土空间开发保护跨区域协同与权衡方法，提供从生态福祉估算、生态网络识别、发展权转移、城镇演变模拟、空间冲突权衡和规划决策支持的全流程规划服务。可将宏观尺度国土空间开发与保护的协同机制通过发展权转移和空间演变模拟降尺度到地块单元，为国土空间规划实施跨区域协同提供空间精细化管控依据。具有操作步骤简单、定量计算与定性分析相结合等技术优势，运用本发明的方法可为国土空间开发与保护跨区域协同提供空间格局设计指导作用。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，标示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法的流程图；

图2为本发明提出的一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法的系统框架图；

图3为本发明提出的一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法的单因子生态福祉估算和多因子生态福祉叠加示意图；

图4为本发明提出的一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法的生态源地识别与生态网络连通示意图；

图5为本发明提出的一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法的模拟的发展权转移前后城镇空间演变情景图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一种该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本申请提供的一种地块尺度国土空间开发与保护跨区域协同权衡方法，包括：

步骤100，使用生态福祉评估模块评估土地的福祉系数，输出区域生态福祉图；

步骤200，使用生态网络识别模块根据生态福祉系数和空间集聚程度生成区域生态网络；

步骤300，使用发展权利转移模块对每个协同主体未来的建设用地增量进行规模预测，再从所有协同主体中筛选出区域增长极，将发展权利转移到区域增长极；

步骤400，使用城镇演变模拟模块估算出每个地块的建设用地开发适宜性，然后在生态网络约束下对发展权转移前后的城镇空间演变情景进行模拟；

步骤500，使用空间冲突权衡模块将未来城镇空间增长情景与永久基本农田进行分析，识别出具有开发与保护空间冲突的地块，然后根据空间冲突等级大小和永久农田地块权衡出备选开发方案；

步骤600，使用规划决策支持模块根据开发与保护综合权衡结果，标识出城镇、农业和生态三类空间的基本格局。

本发明的地块尺度国土空间开发保护跨区域协同与权衡方法，提供从生态福祉估算、生态网络识别、发展权转移、城镇演变模拟、空间冲突权衡和规划决策支持的全流程规划服务。可将宏观尺度国土空间开发与保护的协同机制通过发展权转移和空间演变模拟降尺度到地块单元，为国土空间规划实施跨区域协同提供空间精细化管控依据。具有操作步骤简单、定量计算与定性分析相结合等技术优势，运用本发明的方法可为国土空间开发与保护跨区域协同提供空间格局设计指导作用。

步骤100，生态福祉评估模块具体包括：

采用当地生态福祉当量系数建立土地利用图与生态价值图的空间映射，评估模型为：

式中，E(v)表示地块v的总体生态福祉或者生态资产，e

生态福祉当量系数指某种土地利用类型单位面积的生态服务价值，可以中国科学院谢高地研究员“基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进”标定的中国不同类型生态系统价值系数为基础，再结合跨区域协同所在地区(如珠三角)生态产品市场交易价格(如碳汇交易等)和国内生产总值进行修正，确保生态资产的价值能够得以真正的体现，如珠三角地区2020年度生态福祉当量参考系数如下表：

利用G I S空间关联技术建立土地利用图与生态价值图的映射。该步骤的核心是将生态福祉当量系数与土地利用类型及面积大小建立空间关联，并核算出单因子生态福祉和多因子加和生态福祉，如图3，采用的评估模型为：

式中，E(v)表示地块v的总体生态福祉或者生态资产；e

步骤200，生态网络识别模块具体包括：

根据生态福祉高低和生态斑块空间集聚程度确定生态源地范围及其重要性等级，且不同级别的生态价值高地应成为生态廊道上的垫脚石/重要生态节点，生态网络连通模型为：

L(o,p)＝Net(E,δ)

式中，L(o,p)表示任意生态源o和p之间的链接廊道，Net表示生态网络连通模型，其需要根据地块生态价值E和生态斑块集聚度δ综合确定。

根据生态福祉高低和生态斑块空间集聚程度确定生态源地范围及其重要性等级。该步骤的核心是采用人工目视识别的方法判读生态源，即将生态价值高地集聚地块在GIS软件中加以标识，而根据生态斑块大小和生态价值高低，又可以标识出生态源的等级。生态网络连通模型则需要建立生态源地之间的连通廊道，可采用ArcGIS的成本距离与成本路径工具建立最小累计阻力模型识别潜在生态廊道，但零星生态价值高地应成为生态廊道上的垫脚石/重要生态节点，该步骤需要在定量基础上进行专家定性修正，如图4。

步骤300，发展权利转移模块具体包括：

采用了一种发展权转移估算模型：

式中，

采用马尔科夫模型估算每个协同主体的固有发展权限。马尔科夫链是一种常用的土地利用变化规模预测方法，其主要根据历史变化转移概率进行链式反应得到，通过马尔科夫模型可以预测得到每个协同主体n未来建设用地需求规模，但最大规模不得超过区域最大土地可开发潜力(即总面积扣除生态安全网络保护的面积)。

每个协同主体n还需要结合区域整体发展战略确定增长极的实施主体，通过资源整合实施集中开发形成竞争优势和强辐射中心。具体而言，可采用发展权转移模型估算协同主体n向区域增长极主体m释放的建设规模，采用的转移量估算模型为：

式中，

步骤400，城镇演变模拟模块具体包括：

采用了一种基于随机森林的分区异步元胞自动机模型：

式中，

采用随机森林算法估算每个地块的国土空间开发适宜性。随机森林是一种经典的数据挖掘方法，其主要通过对样本的学习来估算地理空间环境对城镇空间演变的概率。通常而言，地理空间环境变量主要考虑高程、坡度、坡向、距离中心城区的距离、距离水源的距离、距离各种等级道路的距离等等，而变化解释变量则为一段历史时期的城镇空间演变。随机森林算法本质是一个包含多个决策树的分类器，可以很好的体现空间异质性。

采用分区异步元胞自动机模拟每个地块的土地利用状态变化，算法模型为：

式中，

采用分区异步元胞自动机模拟每个地块的土地利用状态变化。元胞自动机是一种非常经典的自下而上涌现式时空演变模拟器，是目前模拟地块尺度土地利用变化最为有效的工具之一。元胞自动机模型的本质是在随机森林算法估算的适宜度基础上执行邻域相互作用进行自我迭代，但需要接受生态安全网络禁止开发的限制，如此可以模拟出发展权转移前后城镇空间演变情景如图5。

步骤500，空间冲突权衡模块具体包括：

采用空间叠置分析识别国土空间开发与永久基本农田保护的空间冲突情况，冲突大小由冲突地块的面积和距离中心城区远近标定，冲突强弱识别模型为：

C(v)＝α(v)×β(v)

式中，C(v)为空间冲突强弱，其由冲突地块面积大小α(v)和该地块距离中心城区的远近β(v)综合确定。

采用空间叠置分析识别国土空间开发(即土地利用从非建设用地变为建设用地)与永久基本农田保护的空间冲突情况。从区域发展来讲，城镇化不可避免的要侵占一些农田，但另一个方面粮食和生态安全也是必须要保障的底线。因此，国土空间开发与保护权衡本质是寻找城镇、农业和生态三者之间最佳平衡点。在权衡时，生态安全应该是确保区域实现可持续发展的底线，其需要与城镇空间共存；相对而言，农田并不是绝对不能调保的限制因素，但其调保需要达到一定的门槛，不能随意进行调保。为权衡调保的可行性，可根据冲突大小对地块究竟是开发还是保护进行权衡。冲突大小由冲突地块的面积和距离中心城区远近标定。

步骤600，规划决策支持模块具体包括：

按照空间冲突强弱，并结合生态安全、粮食安全和协同发展实际要求论证每个地块的规划地类。

将空间冲突地块按生态安全、粮食安全和协同发展等实际需求进行综合权衡后，论证每个地块的规划地类。其中，生态安全网络是区域可持续发展的生态底线，原则上处于权衡的最高级，即实施优先保护；城镇周边永久基本农田则根据空间冲突大小和协同主体能实施调保能力大小进行博弈分析。如果地块面积较大且协同主体没办法实施“异地代保”，则该地块最终权衡用途宜为农业空间，其他情况以此类推。开发与保护权衡可以确保城镇、农业和生态空间在结构上实现有机统一，进而为国土空间规划“三区三线”划定提供决策参考。

本发明的地块尺度国土空间开发保护跨区域协同与权衡方法，提供从生态福祉估算、生态网络识别、发展权转移、城镇演变模拟、空间冲突权衡和规划决策支持的全流程规划服务。可将宏观尺度国土空间开发与保护的协同机制通过发展权转移和空间演变模拟降尺度到地块单元，为国土空间规划实施跨区域协同提供空间精细化管控依据。具有操作步骤简单、定量计算与定性分析相结合等技术优势，运用本发明的方法可为国土空间开发与保护跨区域协同提供空间格局设计指导作用。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。