基于生態(tài)適宜性的唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地優(yōu)化研究

彭雪麗, 徐 磊, 徐維藝, 闞瑤川, 張長(zhǎng)春

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院, 河北 保定 071000)

隨著十九大“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的提出，鄉(xiāng)村地域面臨著新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，而探討鄉(xiāng)村地域發(fā)展規(guī)律和居民點(diǎn)布局優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村發(fā)展轉(zhuǎn)型的前提與基礎(chǔ)[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鄉(xiāng)發(fā)展建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益突出，同時(shí)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局出現(xiàn)擴(kuò)張無(wú)序、布局“空心化”等問(wèn)題，如何把握城鄉(xiāng)居民點(diǎn)發(fā)展規(guī)律，合理優(yōu)化城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局，保護(hù)生態(tài)環(huán)境不受破壞是居民點(diǎn)發(fā)展研究的關(guān)鍵問(wèn)題[2]。因此，在城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程加快背景下，迫切需要合理預(yù)測(cè)未來(lái)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變趨勢(shì)，協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)建設(shè)與生態(tài)保護(hù)間的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化。

近年來(lái)，我國(guó)關(guān)于居民點(diǎn)空間布局的研究較多，主要包括居民點(diǎn)空間分布特征[3]、居民點(diǎn)演變及其影響因素[4-5]、居民點(diǎn)布局優(yōu)化與重構(gòu)等[6-7]方面；研究對(duì)象涵蓋山區(qū)[8]、丘陵[9]、平原[10]和盆地等[11]多種地形。在居民點(diǎn)布局優(yōu)化與重構(gòu)方面，大部分學(xué)者通過(guò)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)居民點(diǎn)布局適宜性[12]、發(fā)展?jié)摿13]、綜合影響力等[14]，劃分居民點(diǎn)的發(fā)展類(lèi)型，并提出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化路徑。部分學(xué)者從居民點(diǎn)間的空間相互影響角度出發(fā)，利用引力模型測(cè)算居民點(diǎn)間的相互作用值，結(jié)合場(chǎng)強(qiáng)模型、結(jié)節(jié)性指數(shù)評(píng)價(jià)[15]、潛能模型[16]、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等[17]方法，對(duì)居民點(diǎn)進(jìn)行類(lèi)型劃分和布局優(yōu)化；還有學(xué)者通過(guò)加權(quán)Voronoi圖[13,18]，或結(jié)合擴(kuò)展斷裂點(diǎn)模型[14]劃分中心居民點(diǎn)的影響范圍，確定需遷移居民點(diǎn)的集聚方向，并提出重構(gòu)優(yōu)化的建議。除此之外，也有一些學(xué)者將GIS空間分析方法與蟻群算法[19]、遺傳算法等[20]數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，從不同角度對(duì)居民點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)而提出居民點(diǎn)整治和優(yōu)化方案。綜上所述，已有研究大多是以農(nóng)村居民點(diǎn)為研究對(duì)象，根據(jù)居民點(diǎn)的不同特點(diǎn)劃分為不同的優(yōu)化類(lèi)型，而以城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地為研究對(duì)象，從協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度進(jìn)行城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局優(yōu)化的研究較少；同時(shí)，居民點(diǎn)空間特征研究大多都是靜態(tài)分析，缺乏時(shí)空演變特征的動(dòng)態(tài)分析，未來(lái)居民點(diǎn)演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)和布局優(yōu)化的研究也較少。

唐縣隸屬河北省保定市，地形以山地丘陵為主，主要用地類(lèi)型為草地，整體用地生態(tài)用途顯著，在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化加速發(fā)展背景下，城鄉(xiāng)發(fā)展建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾愈加凸顯。因此，科學(xué)預(yù)測(cè)未來(lái)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變趨勢(shì)，從生態(tài)保護(hù)與建設(shè)角度優(yōu)化唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局十分必要。本研究以河北省唐縣為研究區(qū)，利用最小累積阻力模型獲取生態(tài)安全保護(hù)分區(qū)，運(yùn)用GeoSOS-FLUS模型進(jìn)行城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地變化預(yù)測(cè)，分析自然發(fā)展情景下城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變對(duì)生態(tài)安全的影響；然后綜合考慮城鄉(xiāng)居民點(diǎn)自然演變規(guī)律和生態(tài)保護(hù)限制兩方面因素，探尋城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性空間特征，并結(jié)合ACO模型進(jìn)行唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化，以期為未來(lái)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)的規(guī)劃發(fā)展提供科學(xué)參考，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)建設(shè)與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

唐縣隸屬河北省保定市(38°37′—39°09′N(xiāo)，114°27′—115°03′E)，位于河北省中部，全縣土地總面積為1 414.31 km2，東與順平縣、望都縣相鄰，南與定州市毗鄰，西接曲陽(yáng)縣和阜平縣，北靠淶源縣。該縣位于太行山北段東麓地區(qū)，地形以山地丘陵為主，地勢(shì)西北高、東南低；河流眾多，水源豐富。該縣氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，年均降水量為508.10 mm。截至2019年底，唐縣下轄9個(gè)鎮(zhèn)和11個(gè)鄉(xiāng)345個(gè)行政村，總?cè)丝?0.50萬(wàn)人。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)等。其中，遙感影像數(shù)據(jù)主要包括2000年Landsat 7 ETM影像、2009年Landsat 5 TM影像和2018年Landsat 8 OLI影像，空間分辨率為30 m，影像軌道編號(hào)為124/33，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于唐縣2017年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要包括2000年、2010年、2015年的人口空間化數(shù)據(jù)和GDP空間化數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)[21-22]。規(guī)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于《唐縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)》修改方案。

本研究數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：(1) 結(jié)合研究區(qū)實(shí)際和研究需要，本文將土地利用類(lèi)型劃分為城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地、耕地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、水域和未利用地。利用ENVI 5.1軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合等預(yù)處理，在Google Earth高清影像參考下，采用監(jiān)督分類(lèi)，并結(jié)合目視解譯，解譯出唐縣3期(2000年、2009年、2018年)土地利用現(xiàn)狀圖，總體分類(lèi)精度均在0.9以上，符合研究要求。(2) 利用ENVI 5.1軟件，在對(duì)唐縣2018年Landsat 8 OLI遙感影像進(jìn)行預(yù)處理的基礎(chǔ)上，借助Band Math工具計(jì)算得到植被覆蓋度。(3) 從唐縣2017年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)中提取水域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、公路和鐵路圖斑，運(yùn)用ArcGIS 10.2的空間分析模塊得到距水域距離、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、距公路距離和距鐵路距離。(4) 利用DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS 10.2的Slope工具提取得到坡度。(5) 為方便處理數(shù)據(jù)，本文利用ArcGIS 10.2將2000年、2010年、2015年的人口空間化數(shù)據(jù)和GDP空間化數(shù)據(jù)重采樣至30 m空間分辨率。

2 研究方法

2.1 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型是指從“源”出發(fā)到目的地經(jīng)過(guò)不同類(lèi)型景觀所克服的最小阻力或耗費(fèi)的最小費(fèi)用[23]。其公式如下：

(1)

式中:MCR為從源擴(kuò)散到空間某一點(diǎn)的最小累積阻力值;f為一個(gè)未知的正函數(shù),反映空間任一點(diǎn)的最小阻力與其到所有源的距離和阻力面特征的正相關(guān)關(guān)系;Dij為某一質(zhì)點(diǎn)從源j到某一景觀單元i的空間距離;Ri為景觀單元i對(duì)該質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的阻力,阻力值根據(jù)景觀i對(duì)質(zhì)點(diǎn)的阻礙程度確定。在MCR模型中,源的選擇、阻力面的構(gòu)建和阻力值的確定是關(guān)鍵。

由于唐縣大部分為低山丘陵區(qū)，該區(qū)域主要用地類(lèi)型為林地和草地，且河流眾多，水資源豐富。因此，本文根據(jù)唐縣實(shí)際情況，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[24]，選擇林地(面積大于2 km2)及水域(水庫(kù)水面及部分河流)作為生態(tài)源地。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)參考已有研究[24-25]，選取土地利用類(lèi)型、植被覆蓋度、距水域距離、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、距公路距離、高程和坡度作為阻力因子，并通過(guò)專(zhuān)家打分法[2]，確定各個(gè)阻力因子阻力值及權(quán)重(表1)。土地利用類(lèi)型選取前文解譯獲得的唐縣2018年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

表1 阻力因子評(píng)價(jià)體系

2.2 GeoSOS-FLUS模型

GeoSOS-FLUS模型是由黎夏團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的土地利用變化情景模擬軟件，該模型能較好地應(yīng)用于地理空間模擬和優(yōu)化，并為決策者提供參考依據(jù)[26]。該模型的原理源自元胞自動(dòng)機(jī)(CA)，并在傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上做了較大改進(jìn)。首先，該模型采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)從一期土地利用數(shù)據(jù)與各類(lèi)驅(qū)動(dòng)力因子中，獲取研究區(qū)各類(lèi)土地利用類(lèi)型的分布適宜性概率；然后通過(guò)耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(SD)和元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型來(lái)提高模型的適用性，其中，在元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型中引入一種自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，這種機(jī)制能較好地處理多種土地利用類(lèi)型在各類(lèi)驅(qū)動(dòng)因子共同作用下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時(shí)的復(fù)雜性和不確定性，因此，GeoSOS-FLUS模型具有較高的模擬精度[27]，能更靈活準(zhǔn)確地模擬未來(lái)土地利用變化。

通過(guò)分析土地利用變化情況，基于數(shù)據(jù)的可獲取性、相關(guān)性和可量化性等原則，本文選取自然區(qū)位因子(高程、坡度、距公路距離、距鐵路距離、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、距水域距離)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子(人口密度、柵格化GDP)作為驅(qū)動(dòng)力因子，運(yùn)用GeoSoS-FLUS模型，對(duì)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3 蟻群優(yōu)化算法(ACO)

蟻群算法是一種仿生優(yōu)化算法，該模型的特點(diǎn)是能夠進(jìn)行智能搜索、全局優(yōu)化，在解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題方面具有很大優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于土地資源空間優(yōu)化配置中[28]。ACO的原理是通過(guò)模擬螞蟻群體覓食過(guò)程，即搜索食物源與巢穴間的最短路徑而進(jìn)行優(yōu)化求解，構(gòu)建ACO模型的關(guān)鍵是建立蟻群尋優(yōu)的信息素機(jī)制[29]。本研究利用ACO模型進(jìn)行城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化，蟻群移動(dòng)概率函數(shù)定義如下[30]：

(2)

蟻群優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)包括兩個(gè)方面，分別為空間緊湊性和土地利用適宜性?？紤]研究區(qū)實(shí)際情況，本研究將空間緊湊性和土地利用適宜性的權(quán)重均設(shè)為0.5，空間優(yōu)化的總目標(biāo)函數(shù)為：

F=0.5f(c)+0.5f(s)

(3)

式中:f(c)為空間緊湊性函數(shù)；f(s)為土地利用適宜性函數(shù)。

以上優(yōu)化過(guò)程在GeoSOS軟件平臺(tái)中完成，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，本文將啟發(fā)權(quán)重、信息權(quán)重和揮發(fā)系數(shù)分別設(shè)為4，2，0.35?？臻g緊湊性可在軟件中直接設(shè)置，土地利用適宜性結(jié)合城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局優(yōu)化。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)安全保護(hù)分區(qū)

根據(jù)前文中阻力面的確定和阻力系數(shù)的設(shè)定，計(jì)算得到生態(tài)源地?cái)U(kuò)張的綜合阻力面，并借助ArcGIS 10.2中的Cost-Distance工具求出生態(tài)源地?cái)U(kuò)張的最小累積阻力面。該阻力值越小，則越需要加強(qiáng)所在區(qū)域的生態(tài)保護(hù)[24]，則越不適宜城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局，生態(tài)安全值越低。根據(jù)柵格數(shù)量和柵格像元值之間的關(guān)系，將最小累積阻力值重分為4類(lèi)(表2)，最終得到唐縣生態(tài)安全保護(hù)分區(qū)圖(圖1)。

表2 唐縣生態(tài)安全分區(qū)結(jié)果

圖1 唐縣生態(tài)安全保護(hù)分區(qū)

從整體來(lái)看，唐縣生態(tài)安全值偏低，低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)和較低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)面積占總區(qū)域的82%左右，主要分布在西北部的中低山區(qū)和中西部的低山丘陵區(qū)，該區(qū)域的主要用地類(lèi)型是林地和草地，且分布有西大洋水庫(kù)和唐河，水資源豐富，使得該區(qū)域的土地利用更傾向于生態(tài)用途，因此生態(tài)安全值較低；而東南部的平原地區(qū)，由于地勢(shì)平坦，交通便利，區(qū)位條件優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高，是城鄉(xiāng)建設(shè)的主要區(qū)域，因此生態(tài)安全值較高。低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)分布有較多生態(tài)源地，需要重點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)，該區(qū)域主要分布在唐縣西北部和中西部的川里鎮(zhèn)、倒馬關(guān)鄉(xiāng)和羅莊鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為769.80 km2，在唐縣總面積中占比54.43%；較低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)雖分布有較少生態(tài)源地，但大部分為低山丘陵區(qū)，位于低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)周?chē)?，仍需注重加?qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，該區(qū)域主要分布在北店頭鄉(xiāng)、北羅鎮(zhèn)和都亭鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為392.23 km2，在唐縣總面積中占比27.73%；中等生態(tài)安全保護(hù)區(qū)是高生態(tài)安全保護(hù)區(qū)和較低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)間的過(guò)渡區(qū)域，地理位置優(yōu)越，適合進(jìn)行城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)建設(shè)，主要分布在唐縣東南部的長(zhǎng)古城鎮(zhèn)、高昌鎮(zhèn)、南店頭鄉(xiāng)和仁厚鎮(zhèn)，面積為172.69 km2，在唐縣總面積中占比12.21%；高生態(tài)安全保護(hù)區(qū)遠(yuǎn)離生態(tài)源地，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，主要分布在東南部的王京鎮(zhèn)，面積為79.59 km2，在唐縣總面積中占比5.63%。

3.2 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)模擬預(yù)測(cè)

3.2.1 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地變化模擬 以唐縣2000年土地利用數(shù)據(jù)為初始年份土地利用數(shù)據(jù)，輸入高程、坡度、距鄉(xiāng)鎮(zhèn)距離、人口密度、柵格化GDP等驅(qū)動(dòng)力因子，在GeoSOS-FLUS模型中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)計(jì)算唐縣各個(gè)地類(lèi)的適宜性概率，在此基礎(chǔ)上，模擬自然發(fā)展情景下唐縣2009年土地利用狀況。同樣，以唐縣2009年土地利用數(shù)據(jù)為初始年份土地利用數(shù)據(jù)，利用GeoSOS-FLUS模型模擬得到自然發(fā)展情景下唐縣2018年土地利用狀況。

將土地利用模擬圖與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行對(duì)比(圖2)，以驗(yàn)證模擬精度。本文利用GeoSOS-FLUS軟件中的精度驗(yàn)證模塊計(jì)算Kappa系數(shù)，分別檢驗(yàn)2009年、2018年模擬結(jié)果與現(xiàn)狀地類(lèi)的一致性。經(jīng)計(jì)算，2009年土地利用模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)為0.63，總體精度為67.86%；2018年土地利用模擬結(jié)果的Kappa系數(shù)為0.67，總體精度為71.44%。模擬結(jié)果符合一般預(yù)測(cè)系統(tǒng)的精度檢驗(yàn)需求，可用于未來(lái)預(yù)測(cè)。

圖2 唐縣2009年、2018年土地利用現(xiàn)狀與模擬對(duì)比

3.2.2 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地變化預(yù)測(cè) 為進(jìn)一步了解未來(lái)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地變化情況，本文在以上模擬研究的基礎(chǔ)上，對(duì)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以分析未來(lái)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變對(duì)生態(tài)安全的影響。假設(shè)唐縣按照當(dāng)前的演變趨勢(shì)發(fā)展，且交通運(yùn)輸用地、水域及驅(qū)動(dòng)因子在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生較大變化。本文以唐縣2018年土地利用數(shù)據(jù)為初始年份土地利用數(shù)據(jù)，利用GeoSOS-FLUS模型模擬得到自然發(fā)展情景下唐縣2027年土地利用狀況。

依據(jù)2027年與2018年唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地格局進(jìn)行對(duì)比分析(圖3，表3)，可以得出：在自然發(fā)展情景下，2027年唐縣的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地和林地面積均有所增加，其中林地面積增加較多；草地和未利用地面積均減少，其中草地面積減少最為明顯；耕地、交通運(yùn)輸用地和水域面積基本保持不變。經(jīng)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地總面積增加6.67 km2，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來(lái)。在空間分布上，唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變以空間擴(kuò)張為主，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)整體分布格局變化不大；城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間擴(kuò)張集中在西北部的中低山區(qū)和中西部的低山丘陵區(qū)，主要包括北店頭鄉(xiāng)、白合鎮(zhèn)、黃石口鄉(xiāng)、軍城鎮(zhèn)和齊家佐鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；以及東南部的部分平原區(qū)，主要包括高昌鎮(zhèn)和仁厚鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

利用ArcGIS 10.2將2018年和2027年的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地圖層與生態(tài)安全保護(hù)分區(qū)圖進(jìn)行疊加(表4)，探究2027年不同類(lèi)型生態(tài)安全保護(hù)區(qū)內(nèi)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變特征。從面積數(shù)量變化來(lái)看，位于高生態(tài)安全保護(hù)區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積略有下降，減少0.05 km2；位于其他類(lèi)型生態(tài)安全保護(hù)區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積均有所增加，其中城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積增加較多的區(qū)域?yàn)榈蜕鷳B(tài)安全保護(hù)區(qū)和較低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)，分別為2.67，2.83 km2，中等生態(tài)安全保護(hù)區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積增加1.22 km2。結(jié)合前面的分析，低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)和較低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)的土地利用以生態(tài)用途為主，不適宜城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局。而預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，在自然發(fā)展情景下，2027年唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間擴(kuò)張集中在低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)和較低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)，未來(lái)其空間的不斷擴(kuò)張將對(duì)唐縣生態(tài)安全逐漸產(chǎn)生威脅。

圖3 唐縣2018年土地利用現(xiàn)狀與2027年土地利用模擬對(duì)比

3.3 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性空間特征分析

為防止城鄉(xiāng)居民點(diǎn)未來(lái)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)安全造成破壞，在唐縣未來(lái)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)發(fā)展過(guò)程中，需考慮生態(tài)保護(hù)的約束條件限制，從生態(tài)保護(hù)與建設(shè)角度優(yōu)化未來(lái)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局。本文綜合考慮城鄉(xiāng)居民點(diǎn)自然演變規(guī)律和生態(tài)保護(hù)限制兩方面因素，將前文運(yùn)用ANN模型獲取的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地適宜性分布概率和運(yùn)用MCR模型計(jì)算得出的最小累積阻力面進(jìn)行疊加，兩者的權(quán)重分別設(shè)定為0.6，0.4，通過(guò)ArcGIS 10.2的Raster Calculator模塊計(jì)算出城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性，并利用ArcGIS 10.2的自然間斷點(diǎn)法對(duì)生態(tài)適宜性分值進(jìn)行重分類(lèi)(表5)，得到唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性分區(qū)圖(圖4)。

表3 唐縣2018年和2027年土地利用類(lèi)型面積對(duì)比

表4 唐縣2018年現(xiàn)狀和2027年預(yù)測(cè)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)在不同生態(tài)安全分區(qū)內(nèi)分布統(tǒng)計(jì)

表5 唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性分區(qū)結(jié)果

高度適宜區(qū)主要位于東南部的中心縣城及各個(gè)中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地，面積為40.04 km2，在唐縣總面積中占比2.83%。該區(qū)域交通發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施完善，人口密度大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高；地處平原地區(qū)，且遠(yuǎn)離林地、水域生態(tài)源地，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)建設(shè)不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，生態(tài)安全值高，可作為唐縣未來(lái)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局的重點(diǎn)區(qū)域。

較適宜區(qū)分布在高度適宜區(qū)的周?chē)?，主要位于東南部的平原區(qū)，面積為217.61 km2，在唐縣總面積中占比15.39%。該區(qū)域耕地分布較多，且地勢(shì)低平，便于農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn)；交通方便，區(qū)位條件較好，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展良好；地勢(shì)較平坦，且同樣遠(yuǎn)離林地、水域生態(tài)源地，生態(tài)安全值較高，可進(jìn)一步加強(qiáng)該區(qū)域的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)建設(shè)，合理引導(dǎo)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)規(guī)模適度擴(kuò)張。

圖4 唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性分區(qū)

中等適宜區(qū)主要位于中西部的山地丘陵區(qū)，面積為240.78 km2，在唐縣總面積中占比17.02%。該區(qū)域耕地資源較少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差；交通較為便利，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件略低于較適宜區(qū)；地形復(fù)雜，距離林地、水域生態(tài)源地較近，生態(tài)安全值較低，可根據(jù)不同城鄉(xiāng)居民點(diǎn)情況因地制宜進(jìn)行整理優(yōu)化，加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

較不適宜和不適宜區(qū)主要位于西北部的中低山地區(qū)和中西部的西大洋水庫(kù)區(qū)域，面積為915.88 km2，在唐縣總面積中占比64.76%。該區(qū)域耕地極少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差；城鄉(xiāng)居民點(diǎn)規(guī)模小、布局分散；交通不便，人口稀少，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件落后；地勢(shì)陡峭，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率高，且在林地、水域生態(tài)源地附近，生態(tài)安全值低，不適宜城鄉(xiāng)居民點(diǎn)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，可加強(qiáng)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，對(duì)區(qū)域內(nèi)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)重點(diǎn)治理或搬遷。

3.4 城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化

在城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性空間特征分析的基礎(chǔ)上，排除基本農(nóng)田、河流和公路等不適宜進(jìn)行城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局的區(qū)域，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地優(yōu)化面積與2027年預(yù)測(cè)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地面積保持一致，利用GeoSOS軟件，通過(guò)ACO模型進(jìn)行唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局優(yōu)化。利用ArcGIS 10.2分別將2027年預(yù)測(cè)和優(yōu)化的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地圖層與城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性分區(qū)圖進(jìn)行疊加(圖5)，并統(tǒng)計(jì)不同類(lèi)型適宜性區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積(表6)。

優(yōu)化前，分布在高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)和中等適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積占比為76.23%，分布在較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積占比為23.77%，且這些城鄉(xiāng)居民點(diǎn)分布散亂，集聚性差。優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)主要分布在高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)和中等適宜區(qū)，占城鄉(xiāng)居民點(diǎn)總面積的99.05%，而較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)分布較少，僅占城鄉(xiāng)居民點(diǎn)總面積的0.95%。從面積變化來(lái)看，優(yōu)化后，高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)和中等適宜區(qū)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積均有不同程度的增加，分別為4.53，36.97，5 km2；較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積均有所下降，分別為30.58，15.92 km2。從空間分布形態(tài)來(lái)看，優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)零星分布減少，破碎化程度降低，大部分呈規(guī)模集聚分布，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局總體上趨于緊湊。

圖5 唐縣優(yōu)化前后城鄉(xiāng)居民點(diǎn)分布

表6 唐縣2027年預(yù)測(cè)和2027年優(yōu)化城鄉(xiāng)居民點(diǎn)在不同適宜性分區(qū)內(nèi)分布統(tǒng)計(jì)

優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)呈現(xiàn)出向適宜性較高的區(qū)域遷移的趨勢(shì)，其中較適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積增加最為明顯，主要是因?yàn)楦叨冗m宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)本身城鎮(zhèn)化程度高，分布聚集，故優(yōu)化后城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局變動(dòng)不明顯；較適宜區(qū)地處東南部的平原，有較豐富的耕地資源，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件較好，生態(tài)安全值較高，故優(yōu)化后該區(qū)域城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積增加較多，空間規(guī)模擴(kuò)張明顯；中等適宜區(qū)主要位于中西部的丘陵山地區(qū)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件略低于較適宜區(qū)，地形復(fù)雜，生態(tài)安全值較低，故優(yōu)化后城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積增加較少，空間布局變動(dòng)較大，分布更加聚集。而較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)大大減少，這是由于這些區(qū)域主要位于西北部的中低山地區(qū)和中西部的西大洋水庫(kù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件差，地勢(shì)陡峭，坡度較大，生態(tài)安全值低，不宜進(jìn)行城鄉(xiāng)居民點(diǎn)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，故優(yōu)化后該區(qū)域有較少城鄉(xiāng)居民點(diǎn)分布。

整體來(lái)看，優(yōu)化后的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)重心分布在東南部的高度適宜區(qū)和較適宜區(qū)，未來(lái)可進(jìn)一步加強(qiáng)該區(qū)域的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，制定相關(guān)政策措施，合理引導(dǎo)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)規(guī)模適度擴(kuò)張，形成圍繞縣城集聚發(fā)展的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局；中等適宜區(qū)未來(lái)可因地制宜進(jìn)行整理優(yōu)化，逐步引導(dǎo)分布零星、規(guī)模小的居民點(diǎn)向中心居民點(diǎn)聚集；較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)未來(lái)可作為重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)，鼓勵(lì)引導(dǎo)該區(qū)域的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)向更高適宜區(qū)遷移?？偟膩?lái)說(shuō)，從生態(tài)保護(hù)與建設(shè)角度出發(fā)，通過(guò)ACO模型優(yōu)化后的唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局，避免了城鄉(xiāng)居民點(diǎn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，更有利于城鄉(xiāng)居民點(diǎn)建設(shè)與生態(tài)安全保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)的整體生態(tài)適宜性明顯得到提高，布局更加緊湊，基本實(shí)現(xiàn)了唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局優(yōu)化。

4 討論與結(jié)論

(1) 整體上看，唐縣生態(tài)安全值偏低，呈西北低、東南高的空間分異特征，生態(tài)安全值較低的區(qū)域主要分布在西北部的中低山區(qū)和中西部的低山丘陵區(qū)，生態(tài)安全值較高的區(qū)域主要分布在東南部的平原地區(qū)。在自然發(fā)展情景下，2027年唐縣的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地總面積增加6.67 km2，主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來(lái)。在空間分布上，唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變以空間擴(kuò)張為主，整體分布格局變化不大。通過(guò)將2018年和2027年的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地圖層與生態(tài)安全保護(hù)分區(qū)圖進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)2027年唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間擴(kuò)張集中在低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)和較低生態(tài)安全保護(hù)區(qū)，未來(lái)其空間的不斷擴(kuò)張將對(duì)唐縣生態(tài)安全逐漸產(chǎn)生威脅。

(2) 從生態(tài)保護(hù)與建設(shè)角度分析唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性空間特征，并將城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性劃分為高度適宜區(qū)、較適宜區(qū)、中等適宜區(qū)、較不適宜和不適宜區(qū)5個(gè)區(qū)域。高度適宜區(qū)主要位于東南部的中心縣城及各個(gè)中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地，面積為40.04 km2，在唐縣總面積中占比2.83%。較適宜區(qū)分布在高度適宜區(qū)的周?chē)?，主要位于東南部的平原區(qū)，面積為217.61 km2，在唐縣總面積中占比15.39%。中等適宜區(qū)主要位于中西部的山地丘陵區(qū)，面積為240.78 km2，在唐縣總面積中占比17.02%。較不適宜和不適宜區(qū)主要位于西北部的中低山地區(qū)和中西部的西大洋水庫(kù)區(qū)域，面積為915.88 km2，在唐縣總面積中占比64.76%。

(3) 結(jié)合唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)生態(tài)適宜性空間特征分析，優(yōu)化后，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)呈現(xiàn)出向適宜性較高的區(qū)域遷移的趨勢(shì)，其中較適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)面積增加最為明顯；較不適宜區(qū)和不適宜區(qū)的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)大大減少；且城鄉(xiāng)居民點(diǎn)零星分布減少，破碎化程度降低，大部分呈規(guī)模集聚分布，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局總體上趨于緊湊。總的來(lái)說(shuō)，從生態(tài)保護(hù)與建設(shè)角度出發(fā)，通過(guò)ACO模型優(yōu)化后的唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局，更有利于城鄉(xiāng)居民點(diǎn)建設(shè)與生態(tài)安全保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，城鄉(xiāng)居民點(diǎn)的整體生態(tài)適宜性明顯得到提高，布局更加緊湊，基本實(shí)現(xiàn)了唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局優(yōu)化。

(4) 本文通過(guò)預(yù)測(cè)分析未來(lái)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變趨勢(shì)，從生態(tài)保護(hù)與建設(shè)角度優(yōu)化城鄉(xiāng)居民點(diǎn)空間布局，有利于實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)建設(shè)與生態(tài)安全保護(hù)相協(xié)調(diào)，也可為未來(lái)唐縣城鄉(xiāng)居民點(diǎn)規(guī)劃發(fā)展提供科學(xué)參考。但是，受研究數(shù)據(jù)限制，本文在預(yù)測(cè)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)土地利用變化時(shí)，選取的社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子較少，以后應(yīng)探索多源的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，并考慮政策因素的影響，以進(jìn)行更加科學(xué)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)；另外，本文僅考慮了自然發(fā)展情景下的未來(lái)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變趨勢(shì)，以后可探討不同情境下的城鄉(xiāng)居民點(diǎn)演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)，同時(shí)在具體實(shí)施城鄉(xiāng)居民點(diǎn)布局優(yōu)化方案時(shí)，還需進(jìn)一步結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜宋臍v史和村民意愿等方面因素，并考慮未來(lái)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)發(fā)展的規(guī)模限制。