耦合MOP与GeoSOS-FLUS模型的县级土地利用结构与布局复合优化

doi:10.31497/zrzyxb.20190604

摘要/Abstract

摘要：

在自然资源整合不断加强,土地利用结构日趋复杂的形势下,采用单一土地利用结构优化方式难以有效满足区域土地利用合理规划的需求。综合考虑生态文明、乡村振兴、城乡融合等土地可持续利用目标,构建土地利用结构优化与布局优化的集成体系,对提升规划适用性具有积极作用。选取常州市金坛区为研究区,以经济效益与生态效益为优化目标,设置自然演变、经济优先和生态优先三种发展情景,在通过MOP（多目标规划）模型进行土地利用结构优化的基础上,利用GeoSOS-FLUS模型实现土地利用布局优化。结果表明：通过集成MOP和GeoSOS-FLUS模型,采用”结构+约束+布局+准则“研究模式探索县域单元下的土地利用结构布局优化,对调整土地利用结构,优化土地利用空间布局有一定帮助。从案例分析结果看,城镇工矿用地数量在自然演变和经济效益优先情景下分别增加了39%和95%;林地在生态效益优先情景下增加了40%;农村居民点在三种情景下分别减少33%、66%和66%。在三种发展情景下,空间格局都将面临城镇空间与生态空间两级分化的现象,后期区域发展中应加强城乡土地利用与生态保护协调发展,促进空间布局均衡化。

关键词: 土地利用结构, 土地利用布局, MOP模型, GeoSOS-FLUS模型, 优化, 金坛

Abstract:

Faced with the background of natural resources integration and the more complex land use structure, it is difficult to effectively meet the demand for rational land use planning with a single land use structure optimization method. Considering the objectives of sustainable utilization of land use, ecological civilization, rural development, and urban-rural integration, we constructed an integrated system for land use structure and layout optimization, which will play a positive role in improving the applicability of planning. This study first sets three scenarios of natural evolution, economic priority, and ecological priority, and then uses the MOP model (multi-objective planning model) to calculate the optimal land use structure under different scenarios. Finally, it can carry on land use layout optimization based on the GeoSOS-FLUS model in 2030, Jintan district, Jiangsu province, China. Results show that, by integrating the MOP and GeoSOS-FLUS models and adopting the "Structure + Constraint + Layout + Criterion" approach to optimize the land use structure and layout in the county, it is conducive to optimize the quantitative land use structure and improve the land use spatial distribution; from the results of the case analysis, the area of industrial and mining land in cities and towns has increased by 39% and 95% under the natural evolution and economic efficiency priority scenarios; the forest land has increased by 40% under the eco-efficiency priority scenario; rural settlements decreased by 33%, 66% and 66%, respectively in the three scenarios. Under the three development scenarios, the spatial pattern will face the two-level differentiation of urban space and ecological space. In the later period of regional development, it is necessary to strengthen the coordinated development of urban and rural land use and ecological protection, and promote a balanced spatial distribution.

Key words: land use structure, land use layout, MOP model, GeoSOS-FLUS model, optimization, Jintan

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图/表 7

图1

表1

表2

数据说明"

数据类型	数据来源	数据说明	数据用途
土地利用数据	2015金坛区土地变更调查成果数据库	比例尺1∶1万	模型基础输入数据
统计数据	《金坛年鉴》	2007-2017年	相关统计数据获取
统计数据	《常州统计年鉴》	2007-2017年	相关统计数据获取
农用地分等数据	2015年金坛区农用地分等定级成果更新数据库	比例尺1∶1万	耕地质量驱动力因子
规划数据	《金坛城市总体规划2013-2030》	文本及图件	约束条件确定
	《金坛市土地利用总体规划2006-2020》	文本及图件	约束条件确定
	《江苏省生态红线区域保护规划》	文本及图件	限制转化区域确定
DEM	ASTER GDEM V2版	100 m $×$ 100 m	自然地形驱动力因子
夜间灯光数据	Version 4 DMSP-OLS Nighttime Lights Time Series, http://www.noaa.gov/	1 km $×$ 1 km	景观阻力面修正社会经济驱动力因子
常州市交通图	百度地图,http://map.baidu.com/	比例尺1∶1万	交通区位驱动力因子
月均降水量/mm	国家气象科学数据共享服务平台	4 km $×$ 4 km	自然地形驱动力因子

表2

Table 3

表4

金坛区土地利用结构优化约束条件"

约束名称	约束因素	约束表达式	约束条件解释
总量约束	土地面积	$x 1 + x 2 +, ?, + x 11 = 总面积$	土地总面积不变
规划目标约束	耕地面积	$x 1 ≥ 耕地保有量$	约束性指标
	园地面积	$0.5 × 2020 年规划值 ≤ x 2$ $x 2 ≤ 1.5 × 2020 年规划值$	约束性指标
	林地面积	$x 3 ≥ 2020 年规划值$	约束性指标
	其他农用地面积	$x 4 ≥ 2020 年规划值$	约束性指标
	城镇工矿用地面积	$x 5 > 2020 年规划值$	约束性指标
	农村居民点面积	$x 6 > 2020 年规划值$	约束性指标
	其他建设用地面积	$x 7 = 2020 年规划值$	恒定指标
	交通水利建设用地面积	$x 8 > 2020 年规划值$	约束性指标
	水域面积	$2020 年规划值 ≤ x 9$ $x 9 ≤ 1.2 × 2020 年规划值$	约束性指标
	滩涂沼泽	$x 10 = 2020 年规划值$	恒定指标
	自然保留地	$x 11 > 2020 年规划值$	约束性指标
土地可持续利用约束	土地可持续利用综合指数	$0.6 ≤ S ≤ 1$	弹性指标
城乡用地比例约束^[1]	城乡用地比例	$1.5 ≤ R ≤ 5$	弹性指标
配套协调约束^[1]	交通水利建设用地面积	$x 8 = x 5 × 0.79$	发展规律数据
开发强度约束^[2]	土地开发强度	$x 5 + x 6 + x 8 / 土地总面积 ≤ 0.2$	环境最宜居

表4

表5

不同情景下金坛区土地利用优化结构及目标"

变量符号	变量名称	2020规划值	情景1(自然演变)	情景2(经济优先)	情景3(生态优先)
$x 1$	耕地/hm²	42810.00	42810.00	42810.00	42810.00
$x 2$	园地/hm²	4676.41	3818.39	2110.08	5110.09
$x 3$	林地/hm²	9255.30	8604.51	8114.34	12925.65
$x 4$	其他农用地/hm²	10989.02	10989.02	10409.02	10989.02
$x 5$	城镇工矿用地/hm²	5219.16	7235.64	10175.31	5219.16
$x 6$	农村居民点/hm²	6110.08	4076.80	2073.46	2073.46
$x 7$	其他建设用地/hm²	163.72	163.72	163.72	163.72
$x 8$	交通水利建设用地/hm²	4122.94	5716.15	8038.50	4123.14
$x 9$	水域/hm²	13680.27	13680.27	13200.07	13680.27
$x 10$	滩涂沼泽/hm²	225.35	157.75	157.75	157.75
$x 11$	自然保留地/hm²	340.01	340.01	340.01	340.01
$∑ i = 1 11 x i$	土地总面积/hm²	97592.26	97592.26	97592.26	97592.26
$F 1 x$	经济效益/万元	2.73 $×$ 10⁷	3.71 $×$ 10⁷	5.14 $×$ 10⁷	2.72 $×$ 10⁷
$F 2 x$	生态效益	8.49 $×$ 10⁴	7.82 $×$ 10⁴	6.47 $×$ 10⁴	10.07 $×$ 10⁴

表5

图2

参考文献 31

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年份	经济社会				土地利用/km²
	城市化率/%	GDP/亿元	人均GDP/(万元/人)		建设用地		耕地	林地	水域
	城市化率/%	GDP/亿元	人均GDP/(万元/人)	城镇工矿用地	农村居民点		耕地	林地	水域
2006	32.72	182.01	3.34		62.60	67.00	390.94	39.63	131.38
2017	62.06	708.34	12.65		70.64	68.54	337.46	39.12	130.62

效益系数	耕地	园地	林地	其他农用地	城镇工矿用地	农村居民点	其他建设用地	交通水利建设用地	水域	滩涂沼泽	自然保留地
经济系数	6.3	30.5	1.7	10.4	2738.3	18.9	4125.6	2738.3	25.34	0	0
生态系数	0.61	1.27	1.93	1.1	-2.11	-2.11	1.2	-2.51	4.07	5.55	0.04