流域視角下CA模型在國土空間規劃中的應用*
——以河南省黃河流域國土空間規劃為例

林文棋 劉 麗 吳納維 周亦恒 陳會宴 李紹輝

《中共中央 國務院關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》提出“五級三類”規劃體系，并明確國土空間總體規劃的相關要求。國土空間規劃是一項系統性工程，為保證規劃的可操作性，需注重建立規劃縱橫向傳導體系，強化約束性指標和剛性管控要求的縱向協同與橫向聯通，引導重大要素分級配置。如何分解落實上層級規劃確定的城鎮建設用地約束性指標、分區及控制線要求，有效指導下層級規劃編制、引導同層級相關規劃符合發展和約束要求，成為國土空間規劃的重點內容。

城鎮開發邊界作為國土空間規劃的重要控制線之一，在現階段的相關研究中尚未出現明確的劃定方法。在眾多的劃定方法中，元胞自動機（Celluar Automata，以下簡稱“CA”）模擬作為計算機學習推演復雜地理空間系統動態演化特征的方法，目前已得到廣泛的認可。而國內外學者針對CA模擬的研究主要聚焦于技術的實驗性研究和方向判斷，鮮有基于空間管控的規劃實踐模擬，以及以模擬結果指導相關用地指標向下級分解傳導的研究。本文立足國土空間規劃實踐，依托資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價（以下簡稱“雙評價”），基于流域尺度的地方現狀本底條件、未來發展驅動力及限制條件等多方面影響要素分析，對分區縣城鎮空間發展變化、未來發展趨勢進行動態跟蹤及多情景模擬，以期為國土空間總體規劃編制中的城鎮建設用地指標傳導及城鎮開發邊界劃示提供科學支撐。

1 城鎮建設用地增長模型研究綜述

1.1 城鎮建設用地動態跟蹤方法

在現有的相關研究中，常利用Landsat TM/ETM遙感數據對研究區域內的城鎮建設用地實施動態追蹤，計算城市用地擴張強度指數，分析城市用地空間擴張模式，為新增建設用地指標分解和城鎮開發邊界的劃定提供理論基礎[1]，并在此基礎上，通過城市模型對城鎮建設用地增長進行模擬。

1.2 城鎮建設用地增長模型

從時間維度看，城市模型可分為靜態城市模型和動態城市模型兩大類，靜態模型涵蓋傳統統計模型和空間相互作用模型等[2]59；而動態模型則隨著計算機技術的發展形成兩種類型：“自上而下”基于微分方程的動力學模型和“自下而上”基于元胞自動機、智能體等概念的離散動力學模型[2]60。其中系統動力學模型（system dynamics modeling）、CA模型和智能體模型（agent-based modeling）為3大代表性動態城市模型發展方向[3]7-8。

1.3 CA模型

CA模型因其強大的空間計算能力，被廣泛應用于城市系統空間復雜性模擬過程中[4]。隨著近年來技術手段的進步，CA的應用方向也在逐漸豐富，根據國內最新的研究成果，CA在疾病傳播研究[5]、交通規劃分析[6]、生態環境模擬[7]等方面均有應用。在城市增長、土地利用演變等領域，CA相較其他模型的優勢在于其能夠有效反映微觀格局下的土地利用演化復雜特性[8]。但同時，CA模型重點在于單元的局部相互作用，難以有效反映社會、經濟等宏觀問題所產生的影響[9]。為解決這一問題，學者們通過CA與其他多種模型相互耦合的方式進行模型優化[10-12]，并衍生出多種結合遺傳算法[13]、人工神經網絡[14]、粗集[15]等的改進方法。

隨著城鎮開發邊界的劃定與精細化管控需求的逐漸落實，CA模型由于其獨特性正在逐漸成為城鎮開發邊界劃定的常用方法以及城鎮空間決策的有效工具。

2 CA模型支撐流域多目標協同發展需求

流域作為城市發展的重要依托[16]，具有整體性和系統性特征，使流域內城市間存在相互制約、依存關系。流域國土空間規劃具有跨行政單元、相對靈活、目標導向比較具體[17]等特點，涉及多利益主體、多層級關系、多目標訴求的協調，需要跨區域、跨部門及跨學科的創新方法支撐縱橫協調等重大空間問題的決策。

2.1 流域規劃的多目標協調屬性

流域是一個以水為紐帶的集水循環、生態、社會經濟系統于一體的復雜系統[18]。流域內各空間單元在水資源利用、環境保護、產業發展與城市布局等方面存在相互制約、依存關系，必須作為一個整體進行統籌考慮，系統性地進行資源稟賦的差異性與互補性研究。流域的系統性特征決定了土地配置方式必須立足全局，考慮上下游、左右岸、干支流等流域多層次、區域多行政單元的關系，滿足城市發展與生態保護的二元空間協調需求，實現城市與流域的良性互動發展（見圖1）。而傳統的土地資源配置方式通常依據地區GDP、固定資產投資等反映經濟發展水平的指標進行建設用地指標的分解下達[19]，僅考慮社會經濟發展水平，不考慮資源稟賦的區域差異[20-21]，致使經濟發達地區出現開發強度大、經濟密度低、負外部性強等粗放利用特征[22]，經濟欠發達地區的用地需求則難以保障[23]，無法滿足流域尺度的協同發展需求。

圖1 保護與發展訴求下的流域空間與行政主體關系圖Fig.1 The relationship between watershed space and administrative subjects under the demands of protection and development

國土空間規劃作為空間治理體系的重要工具，具有明顯的空間層級和空間尺度效應[24]。而流域的整體性與系統性特征，決定了流域尺度的國土空間規劃一方面需協調發展與保護的關系，滿足城市發展與生態保護的二元空間協調需求，另一方面需協調多利益主體的發展關系，滿足流域多目標協同發展訴求。城鎮開發邊界作為國土空間中的重要一級控制線，其劃定、實施與管控需發揮上級政府的發展戰略及自然資源行政主管部門“定標準、下指標、留彈性”的職責[25]，明確協商規則和分配下發指標的權限，充分體現縣市級政府在實施和管控方面的主體作用。在此過程中，由于涉及“自上而下”的指標分解、傳導，以及“自下而上”的實施反饋，亟待科學合理的分配方法促進邊界“上下聯動”更為密切與順暢。

2.2 CA模型支撐空間發展多目標協調

CA模型因其能夠通過簡單的轉換規則設置，模擬復雜的時空演化過程而被廣泛應用于模擬城鎮建設用地動態增長。CA模型的基本原理是通過周邊地塊的建設狀況計算某地塊（元胞）被開發的概率，其中轉化規則是其核心[3]8。本文采用Logistic回歸算法挖掘轉化規則，將約束條件與動力因素加入到模型中參與計算，其公式如下：

式中：P為最終的發展概率，vij是在ij位置元胞的所有自變量的開發特征向量，con（cellij）是ij位置元胞的所有約束條件與動力因素，neighborij是鄰域的開發情況。

在CA模型中加入約束條件與動力因素參與模型計算，可有效反映城鎮發展的非均質性與空間擴散的差異性特征，滿足城市發展與生態保護的二元空間協調需求、協調多利益主體的發展訴求。該模型由于有效結合了地理空間知識與地塊屬性條件數據，具有強大的空間運算能力，可助力流域城鎮發展多情景模擬，進行城市多目標導向的空間拓展模擬及建設用地動態跟蹤，支撐城鎮開發邊界的科學劃示①城鎮開發邊界劃示：根據中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于在國土空間規劃中統籌劃定落實三條控制線的指導意見》要求，省（自治區、直轄市）確定本行政區域內3條控制線總體格局和重點區域，市、縣組織統一劃定3條控制線和鄉村建設等各類空間實體邊界，因此在流域次區域國土空間規劃可進行城鎮開發邊界的劃示，為省級總體格局和重點區域確定及市縣級邊界劃定提供支撐。（見圖2）。

圖2 研究方法路徑圖Fig.2 Research method path

3 河南省黃河流域城鎮建設用地增長模擬

通過CA模型與Logistic回歸模型結合的方法，挖掘城鎮空間規律、識別潛力與限制要素，進行多情景下的多目標組合城鎮建設用地增長模擬，從而支撐流域規劃決策（見圖3）。

圖3 基于CA模擬的城鎮開發邊界劃示流程圖Fig.3 Flow chart of urban development boundary delineation based on cellular automata

建設用地增長模擬主要涉及以下6類數據：（1）土地利用數據。2005年、2010年、2015年3個年度的TM影像解譯數據；土地利用類型分為6大類、25種類，在模型應用中，將城鎮建設用地之外的5類用地合并為非城鎮建設用地。（2）國土空間限制要素數據。包括基本農田保護區、生態保護紅線、生態脆弱性、災害危險性和生態系統服務功能重要性數據；其中生態脆弱性、災害危險性和生態系統服務功能重要性數據來自“雙評價”結果。（3）國土空間開發潛力要素數據。包括城鎮建設適宜性、區位優勢度和人口潛力數據，其中城鎮建設適宜性和區位優勢度數據來自“雙評價”結果；人口數據來源于統計年鑒。（4）各地市生產總值數據。包括各地市、各區縣第一、第二、第三產業在2005年、2010年、2015年3個年度的生產總值數據，數據來源是各地市的統計年鑒以及河南省統計年鑒。（5）黃河流域河南段地理信息數據。包括流域地形圖和流域水域數據，數據來源為地理空間數據云。（6）行政區劃數據。主要包括各區縣行政邊界、城鎮中心點數據。

3.1 城市運行邏輯研判

3.1.1 城鎮建設用地空間分布

河南省黃河流域城鎮空間集中布局特征明顯，且多呈增長趨勢；城鎮空間主要分布于東西向沿黃河南岸、南北向沿太行山東麓一線，占流域總城鎮空間比例達79%。各時期建成區擴展大致圍繞原建成區的外圍呈圈層狀分布，具有一定的蔓延性特征（見圖4）。

圖4 河南省黃河流域3期城鎮建設空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of the third phase urban construction of the Yellow River Basin in Henan Province

3.1.2 城鎮建設用地變化規律

從3期（2010年、2015年、2015年）城鎮空間數量變化來看，城鎮空間一直處于擴張狀態，高速擴展區位于鄭州、鶴壁、濮陽等城市周邊區域。其中，鄭州城鎮空間面積穩居第1位，洛陽作為中原城市群副中心城市在空間規模及擴展強度方面優勢不明顯（見圖5）。

圖5 河南省黃河流域14地市3期城鎮空間面積Fig.5 The area of the third phase urban construction of the 14 cities in the Yellow River Basin of Henan Province (the data in the chart are relative values)

3.1.3 城鎮建設用地變化影響要素

本文利用脫鉤理論，通過構建兩個系統不同年度的變化關系指數來評價兩系統的耦合協調性。

整體而言，相對總人口增長速度，城鎮建設用地增長速度過快，用地發展欠合理；相對生產總值增長速度，城鎮建設用地增長速度較慢，用地發展趨于合理。分區縣而言，超過八成以上的區縣表現為與整體一致的人地產關系，即相較于總人口增長速度用地發展較為粗放（見圖6a），相較于生產總值增長速度用地發展呈現高效合理的協調發展狀態（見圖6b）。根據多期城鎮建設用地及其與人口、經濟的耦合關系分析，發現河南省黃河流域在較快的生產總值增長、一定程度的建設用地擴張態勢下，還存在一定程度的人口增長空間。

圖6 2010—2018年總人口/第二產業、第三產業增加值與城鎮建設用地變化關系耦合協調類型格局Fig.6 The change relationship coupling and coordination type pattern of 2010-2018 total population/secondary and tertiary industry added value and urban construction land

基于以上城市運行邏輯的研判，應用Logistic回歸算法，對第一、第二期用地進行城鎮建設用地轉換規則挖掘；再應用CA模型，納入轉化規則，以第二期城鎮建設用地為基礎進行第三期城鎮建設用地模擬，并將模擬結果與第三期用地做kappa系數檢驗，kappa系數達到0.8以上即可將Logistic回歸運算過程中得到的轉換規則作為城市建設用地增長的影響因子納入城鎮建設用地多情景模型中（見圖7）。

圖7 CA模型運行邏輯示意圖Fig.7 Logic diagram of cellular automata model

3.2 保護與開發潛力格局識別

3.2.1 保護格局識別

基于“雙評價”成果（見圖8a-圖8c）、基本農田保護區（見圖8d）、生態保護紅線（見圖8e）等限制條件，對流域空間進行國土空間保護格局分析。總體來看，流域內的伏牛山、太行山、黃河干流沿岸等山水系統性特征明顯及災害危險性高的區域識別為開發強限制區域，災害危險性低的東南部平原地帶識別為開發弱限制區域，流域東部的大部分平原地帶由于受基本農田保護影響，識別為開發較強、較弱限制區域（見圖8f）。

圖8 國土空間開發限制要素分析圖Fig.8 Restrictive elements of territory development

3.2.2 開發潛力格局識別

基于“雙評價”成果的城鎮建設適宜性（見圖9a）、區位優勢度（見圖9b）及人口潛力（見圖9c）要素綜合分析，識別國土空間開發潛力格局：東西向沿黃河中游—中下游轉換段，南北向以京廣鐵路為軸，形成以洛陽、鄭州、焦作、新鄉、許昌為核心的強動力發展區域，較強動力發展區域則散布于強動力發展區域及流域東南部的商丘、周口，西南、西北部山區則大部分為弱動力發展區域（見圖9d）。

基于多源數據融合的保護與開發利用耦合分析，對潛力空間與限制要素進行疊加分析，將河南省黃河流域分為4類空間，形成強動力—弱限制、弱動力—弱限制、強動力—強限制、弱動力—強限制4類空間格局分區（見圖10）。①強動力—弱限制區域：此區域為重點開發區，可根據城鎮發展動力進行城鎮開發。②弱動力—弱限制區域：此區域為限制開發區。③強動力—強限制區域：此區域需重點進行開發分類管控。④弱動力—強限制區域：此區域為禁止開發區，需嚴格進行空間管控。

圖10 國土空間綜合保護—開發潛力分析圖Fig.10 Analysis diagram of comprehensive protection and development potential for territory development

基于以上底圖數據，以CA模型常規保護底圖下的城市慣性擴張模型為基礎，精準識別城鎮發展驅動力，制定差異化的流域城市發展動力模型，可實現驅動強動力地區優先快速發展，抑制弱動力地區精明增長。

3.3 CA模型支撐多情景模擬

3.3.1 多目標導向下的多情景設定

城鎮發展從以往的規模拓展型向效率增進型轉變[26]。基于黃河流域高質量發展要求，需要協調好上中下游、各城市之間的發展與保護關系，滿足多利益主體、多目標情境下的發展訴求，實現黃河流域生態環境建設與環境保護、產業發展與布局、城鄉發展與城鄉統籌一體化發展。基于此，進行本次城鎮建設用地多情景模擬的情景設定：路徑依賴情景、高質量發展情景（見表1）。

表1 多情景模擬指標體系表Tab.1 Multi-scenario simulation index system

路徑依賴情景：作為對照情景模擬現有發展路徑下流域城鎮建設用地的擴展情況，即對流域的城鎮建設用地總量不作約束，以第一期至第二期的城鎮建設用地年均增長速度作為未來的用地增長速度并模擬迭代到規劃期末，形成規劃期末（2035年）城鎮建設用地的模擬結果。此情景下的城鎮建設用地增長不添加任何驅動力條件，可與高質量發展情景作增速與增量的對比分析。

高質量發展情景：作為規劃干預程度不同的兩種情景，基于城鎮規模預測結果，設置總量限定下的總量約束情景與分區縣建設用地限定下的分區縣約束情景，研判基于城鎮規模預測與多目標協調下的流域增量分配模型結果的差異性。

3.3.2 模擬結果多維比對

基于3個情景模擬結果（見圖11）進行城鎮用地增量與增率分析（見圖12）發現，各地市因發展基礎、動力及限制條件不同，導致增長態勢存在差異。本文重點分析路徑依賴情景與高質量發展情景的差異，以及兩個高質量發展情景之間的差異，以發現規劃干預對城鎮空間拓展的影響和干預方式對城鎮空間拓展的影響強度。

圖11 城鎮空間擴展多情景模擬結果Fig.11 Multi-scenario simulation results of urban space expansion

圖12 河南省黃河流域城鎮建設用地多情景模擬結果增量與增率分析Fig.12 Analysis of increment and rate of multi-scenario simulation results of urban construction land in the Yellow River Basin of Henan Province

通過對比分析發現不同區縣在3種情景中呈現不同的空間擴展特征，路徑依賴情景與總量約束情景空間擴展的增率趨勢大體一致，而受規劃干預較多的分區縣約束情景則存在明顯的抑制與促進發展區域。大致可分為3種：（1）原空間增長較為明顯的京廣鐵路沿線的安陽—鄭州、黃河北岸的焦作—新鄉—濮陽一線城市，具有先發優勢，在路徑依賴發展情景中仍處于快速增長趨勢，在高質量發展情景中受生態保護等多種發展限制條件的作用會使發展速度趨緩。（2）大部分平原農業城市（如周口市、商丘市等），或受大城市虹吸作用影響較大的城市（如開封市），以及產業基礎好、上升潛力較大的城市（如濟源市），在高質量發展情景下，由于城市自身發展空間較大或人口吸引力較強，具備了較好的后發優勢。（3）還有一類城市因高質量發展情景下的限制條件與潛力因素對城鎮空間擴展影響較小或正負影響相互抵消，使城鎮空間擴展速度沒有發生明顯變化，但城鎮發展路徑及空間格局將會受到影響（如平頂山市、三門峽市等）。

通過以上對模擬結果的對比分析發現，規劃干預對都市圈地區城市的極化與擴散發展起到積極作用，改善原都市圈集中連片發展的格局，促進中心城市對都市圈內中小城市的擴散帶動作用；同時規劃干預滿足“大中小城市協調發展”的政策要求，改善了原大城市集中大量發展資源無序擴張的情況，使部分資源本底條件較好的中小城市得以同步發展。

4 結語與展望

基于CA與Logistic回歸模型算法技術，利用國土空間規劃“雙評價”研究成果，綜合考量流域各個區縣的空間發展規律、保護與發展異質性特點，構建空間上相互作用和時間上因果關聯的多情景模型，為流域城鎮建設用地指標傳導和城鎮開發邊界劃示提供科學支撐，有效指導市縣級國土空間規劃的編制。

4.1 支撐規劃決策

通過以上模擬與對比分析，發掘不同區縣間的城鎮空間擴展特征及規律，可制定差異化的流域發展對策。

控制城市無序蔓延：通過規劃手段控制大城市以路徑依賴城市擴展方式進行的無序蔓延，如鄭州市、安陽市等城市。

促進大都市區周邊、建設條件較好的城市發展：（1）促進鄭州市周邊城市發展，形成大都市區發展格局，如開封市、許昌市等城市；（2）促進城市建設條件較好的城市，如周口市、商丘市等以農業為基礎的城市發展。

引導部分城市高質量發展：（1）城鎮連綿帶城市，如新鄉市、鶴壁市、平頂山市等城市，現狀建設用地較少，增長潛力較好，但是需要防范環境風險及對農業、生態空間的消耗；（2）黃河中上游城市，如三門峽市、濟源市等，受生態敏感性地區影響，發展速度受限制。

同時，可根據城鎮用地擴展模擬結果，從流域尺度進行城鎮開發邊界劃示，從而促進流域城鎮空間合理布局、引導大中小城市協同發展。基于城鎮開發邊界劃示方案，可以進行“雙評價”結果中的農業生產與城鎮建設雙適宜區判斷、基本農田調整建議等工作，從而形成由現狀分析、發展情景模擬、決策支撐組成的規劃分析鏈條，為科學統籌生態、農業與城鎮空間劃定提供支撐。

4.2 存在不足與未來展望

目前研究尚存在以下不足之處：（1）由于部分數據無法獲取或數據精度存在瑕疵，導致模擬結果的準確性有所欠缺。（2）CA模型需要進行大量數據的處理，尤其是流域尺度數據數量及精度都對計算機的計算能力提出了更高要求，導致部分模擬不得不降低元胞精度。（3）CA模型在空間決策過程中對人類主觀影響因素的模擬存在局限性[27]，需要更多的地理空間知識的解讀與加入，以增加模擬結果的精準度。

基于本輪國土空間規劃的《城鎮開發邊界劃定指南（試行）》要求，為便于規劃技術人員操作，本文所述城鎮開發邊界劃示模型已經實現平臺化操作，并將根據后續國土空間規劃項目及相關研究需求的推進，不斷完善相關模型架構、原代碼及平臺界面，以提高平臺的用戶友好性，助力國土空間規劃工作的數字化方向轉變與科學化編制。

（在此感謝河南省國土資源調查規劃院總規劃師張紅方、主任汪慧芳、高級工程師柴世界、尚良有、工程師穆利娟提供《河南省黃河流域資源環境承載能力與國土空間開發適宜性評價》成果，作為基礎數據支撐本文順利完成；同時感謝北京清華同衡規劃設計研究院副院長鄭筱津、副總規劃師汪淳、總體研究中心總工程師歐陽鵬在論文編撰過程中給予的幫助。）