國土空間格局優(yōu)化情景分析：理論與方法

龔 健，高 靜，陳 光，楊建新

（1.中國地質大學（武漢）公共管理學院，湖北 武漢 430074；2.自然資源部法治研究重點實驗室，湖北 武漢 430074）

國土空間是社會經(jīng)濟發(fā)展的核心要素和載體，為中國式現(xiàn)代化提供空間支撐和資源保障。21 世紀以來，我國國土空間開發(fā)保護格局、資源要素配置結構已發(fā)生深刻變化，一方面有力地支撐了社會經(jīng)濟的長期平穩(wěn)運行；另一方面，國土空間開發(fā)失序失衡[1-2]、資源緊缺與低效利用并存[3]、區(qū)域空間資源時空錯配、主體功能失調、城鄉(xiāng)差距拉大等結構性矛盾逐漸顯現(xiàn)[4]，土地污染、環(huán)境退化、生態(tài)破壞、糧食安全風險上升等問題日益嚴峻[5]。優(yōu)化國土空間格局，破解國土空間開發(fā)保護面臨的突出問題和挑戰(zhàn)成為推進生態(tài)文明建設的重要內容。中共十八大以來，國家出臺了系列政策文件強調要“大力推進生態(tài)文明建設，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局” “構建優(yōu)勢互補、高質量發(fā)展的區(qū)域經(jīng)濟布局和國土空間體系”。國土空間格局優(yōu)化已成為生態(tài)文明建設的核心內容，在推進中國式現(xiàn)代化過程中起到舉足輕重的戰(zhàn)略作用[6-8]。

圍繞國土空間格局優(yōu)化，學者從空間功能識別、空間沖突協(xié)調[9-12]、土地利用結構與布局優(yōu)化[13-15]、空間分區(qū)調整優(yōu)化[16-17]等方面展開了廣泛探討。然而，國土空間格局作為特定時期下人地關系的集中體現(xiàn)，是生態(tài)保護、糧食安全、經(jīng)濟增長、社會保障等多目標協(xié)同下的地域空間結構與布局[2]，包含了生態(tài)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)等空間類型在內的具有多維度和遞進關系的復雜空間組織[18]。國土空間格局構建與優(yōu)化不僅僅涉及本底自然生態(tài)和社會經(jīng)濟條件以及空間區(qū)劃與土地利用，還涉及區(qū)域政策、要素流動與配置以及地理尺度等諸多因素影響。有部分學者從中國式現(xiàn)代化視角出發(fā)提出了引領國土空間格局優(yōu)化的科學認知、邏輯遵循和價值導向，形成了初步的理論框架[5-6,19]，但還未涉及兼顧資源要素和時空尺度的具有較強操作性的系統(tǒng)優(yōu)化架構。此外，當前國土空間格局優(yōu)化相關研究多考慮自然地理空間和本底資源要素，忽視了全球氣候變化、世界經(jīng)濟波動和政治形勢、區(qū)域政策等的復雜影響，缺乏對政策主體價值取向、國土空間與要素復雜關聯(lián)與反饋以及多元利益協(xié)同權衡的思慮[7,20-21]，少有研究涉及對未來深度不確定性環(huán)境下國土空間格局優(yōu)化情景的理論和方法探討[20-21]。

以區(qū)域自然條件、資源基礎、開發(fā)歷史等初步形成的國土空間格局為基礎，模擬、預測不同人地關系表現(xiàn)情景下的各類資源要素變化特征，基于情景目標對資源要素進行整合和結構調整以實現(xiàn)地域空間結構優(yōu)化和生態(tài)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)空間的配置格局優(yōu)化，分析識別相對更優(yōu)的國土空間開發(fā)利用情景是國土空間格局優(yōu)化的有效技術路徑[22-25]。國土空間格局優(yōu)化情景分析突破傳統(tǒng)基于經(jīng)驗定性推理且僅著眼于“過去”而談的局限性，能實現(xiàn)從“既定過去”到“多元未來”整體過渡的國土空間格局優(yōu)化思路，對規(guī)制和謀劃國土空間開發(fā)保護行為具有現(xiàn)實意義。從研究過程來看，復雜系統(tǒng)論、可持續(xù)發(fā)展論、均衡網(wǎng)絡理論、協(xié)同理論和流空間理論等是指導國土空間資源要素配置和優(yōu)化的基礎理論[6-8]，情景軸理論、利益相關者理論、敏感性分析理論、風險理論、概率理論等是支持情景分析的主要方法理論[26]。總體上，已有國土空間格局優(yōu)化情景分析多側重于技術發(fā)展與創(chuàng)新，在理論方面相對薄弱，目前尚未形成系統(tǒng)的理論體系。總結現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)，國土空間格局優(yōu)化情景分析主要包含情景設計、情景生成、情景對比三個環(huán)節(jié)。基于定性的自然發(fā)展（基線發(fā)展）情景、生態(tài)保護（綠色發(fā)展）情景、經(jīng)濟高速發(fā)展情景是情景設計的常見范式[22-25]；系統(tǒng)動力學模型和馬爾可夫等數(shù)量模擬模型，元胞自動機模型、多智能體模型等空間模擬模型是情景建模的常用方法[14,27-28]。在進行情景比較時，多通過分析土地規(guī)模、生態(tài)系統(tǒng)服務價值、景觀格局指數(shù)進行多情景擇優(yōu)，或將多個國土空間格局優(yōu)化目標抽象為具體的目標參數(shù)，基于線性加權法或遺傳算法等方法探尋最優(yōu)發(fā)展情景[29]。

總體上，現(xiàn)有關于國土空間格局優(yōu)化情景分析的研究仍多采用基于還原論的技術路徑，將國土空間演變假定為簡單系統(tǒng)演化，一般基于歷史經(jīng)驗和專家知識設置一組或多組情景進行優(yōu)選分析[30]，未能考慮未來深度不確定性因素以及人類決策主體認知、價值觀念等方面的多樣性，形成的優(yōu)化情景往往難以展示國土空間演化的全貌和趨勢，優(yōu)化結果常會陷入局部優(yōu)化解，在應對未知變化時可能缺乏韌性和魯棒性。此外，已有研究多將“情景分析”和“優(yōu)化”割裂為兩個相對獨立的模塊，優(yōu)化結果未考慮系統(tǒng)反饋，缺乏國土空間系統(tǒng)演化過程和機制的嵌入，難以反映空間優(yōu)化配置過程中的不同決策行為與決策環(huán)境、優(yōu)化要素之間的復雜非線性關聯(lián)或因果關系。

如何建立更科學的國土空間格局優(yōu)化情景分析理論認知、技術邏輯與研究范式，成為提升國土空間治理水平、促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展需要著力破解的重要命題。基于以上分析，本文嘗試解決以下兩個方面的問題：（1）如何從空間、要素統(tǒng)籌的視角設計國土空間格局優(yōu)化情景分析的底層邏輯和理論框架？（2）如何嵌入系統(tǒng)優(yōu)化思維實現(xiàn)空間融合、因素綜合、過程關聯(lián)的國土空間格局優(yōu)化情景分析范式？

1 國土空間格局優(yōu)化邏輯

國土空間是人類生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟活動以及生態(tài)文明建設的重要載體。作為空間載體，國土空間錨定了國土開發(fā)保護與利用的基本分區(qū)、功能、邊界、強度等基本屬性，并形成空間特征明確、主體功能突出的空間格局；作為要素載體，國土空間則承載了各類要素在空間中的各類活動，并以空間格局為主要抓手引導各類要素在空間中的流動、配置模式與相互作用方式。在國土空間這一系統(tǒng)載體下，國土空間格局的演變推動要素結構和配置產(chǎn)生新變化[31]，影響要素流動與經(jīng)濟空間集聚，進而對區(qū)域、要素、城鄉(xiāng)、人與自然、開發(fā)與保護等空間發(fā)展重要關系產(chǎn)生影響。要素在空間格局的引導與約束下高效流動、集聚與優(yōu)化組合，實現(xiàn)質量、效率、動力的同步轉型[32]，并在資源環(huán)境承載能力、地理特征、社會人文等方面影響國土空間格局的總體特征。空間與要素的相互作用形成了紛繁復雜的國土空間格局并形成不同的要素配置模式，進而產(chǎn)生了目標、特征各異的國土空間開發(fā)保護情景。

面向新時代國土空間高質量發(fā)展的實際需要，應以多目標協(xié)同的國土空間格局引導要素的高效流動與結構配置優(yōu)化，以要素的正向活力驅動各類空間進一步提質增效。但由于長期以來國家對國土空間的管轄權限分散在不同層級的不同事權部門，“多規(guī)合一”的規(guī)劃體系尚未完全建立，因此對國土空間格局優(yōu)化中空間與要素的優(yōu)化探索與實踐尚處于割裂狀態(tài)，學術界對空間與要素屬性的理解仍存在分歧[31]。因此，國土空間格局優(yōu)化需進一步科學審視要素與空間格局之間的協(xié)同互動關系，通過明確的宏觀戰(zhàn)略、目標指引，重塑國土空間格局，推動社會經(jīng)濟發(fā)展水平、質量和結構的優(yōu)化調整；對要素的數(shù)量結構、空間布局進行合理配置，優(yōu)化資源與國土空間開發(fā)利用方式，最終解決區(qū)域、城鄉(xiāng)、陸海空間發(fā)展不平衡和不充分的問題。在不同的發(fā)展環(huán)境條件下，各類要素的數(shù)量、結構和空間分布差異會引發(fā)不同的空間演變過程，最終展現(xiàn)出多樣化的空間發(fā)展情景以及與之相應的要素時空分異特征。在這一理論邏輯框架中（圖1），空間錨定了國土空間的功能架構與基本格局，被視為要素的載體與流動的外部指引；要素決定了國土空間的行為表現(xiàn)與外在特征，是空間的核心與演變的內在動因；情景是空間與要素在不同配置模式下的特征映射與凝練，突出了不同國土空間開發(fā)保護路徑下的特點與范式。通過空間引導要素的高效流動與合理配置，以要素驅動空間的科學布局與集約高效，國土空間格局優(yōu)化能夠實現(xiàn)對不同發(fā)展路徑和優(yōu)化目標的情景匹配。

圖1 國土空間格局優(yōu)化的理論邏輯Fig.1 The theoretical logic of territorial space pattern optimization

1.1 空間是要素的載體與流動的外部指引

空間是要素的載體與流動的外部指引，主要表現(xiàn)在彈性動態(tài)的“引導”與“格局”以及剛性約束的“管制”與“布局”[33]。“引導”與“格局”關注宏觀層面的目標指引、傳導和路徑設計。在優(yōu)化路徑設計上要充分兼顧不同發(fā)展情景下各類空間的主體功能，從整體上協(xié)調空間開發(fā)與空間保護的矛盾沖突，平衡各類資源要素的數(shù)量結構和國土空間開發(fā)強度，促進形成優(yōu)勢互補、協(xié)調發(fā)展的國土空間新格局。剛性約束的“管制”與“布局”則集中在中、微觀層面。在中觀層面，要對宏觀格局進行進一步細化，以規(guī)劃目標為引領，緊扣主體功能落實空間布局和要素數(shù)量結構調整；以優(yōu)化三區(qū)三線為主要內容平衡不同地域、不同功能的國土空間所承載的各類生產(chǎn)和生活要素；以空間格局為支撐底座，解決城鄉(xiāng)發(fā)展中存在的發(fā)展問題，通過國土空間格局優(yōu)化推進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、協(xié)調發(fā)展。在微觀層面，需進一步實現(xiàn)國土空間的精細化“管制”與“布局”，以三區(qū)三線為基礎，結合開發(fā)強度、產(chǎn)出效率、鄰接關系等要素特征明確圖斑、地塊尺度的土地用途。

1.2 要素是空間的核心與演變的內在動因

要素是空間的核心與演變的內在動因，主要體現(xiàn)在通過全域全要素資源的配置效益優(yōu)化和效率提升，推動國土空間格局優(yōu)化與高質量發(fā)展。由于國土空間要素具有多樣性與異質性特點，涉及各類自然資源要素以及人文、社會經(jīng)濟要素，在國土空間格局優(yōu)化與管控中，需更加注重對各類要素的統(tǒng)籌優(yōu)化。在宏觀尺度上，要側重對國土空間格局優(yōu)化的目標引導與要素優(yōu)化配置機制的頂層設計。新時代發(fā)展理念以及主體功能區(qū)、區(qū)域協(xié)調發(fā)展等空間發(fā)展戰(zhàn)略決定了國土空間要素配置的總體方向和宏觀格局。在中觀層面，應進一步健全要素流動與優(yōu)化配置體系，尤其是要強調市場化手段等在資源要素配置中的基礎性和決定性作用[34]，結合政策規(guī)劃等宏觀引導機制，實現(xiàn)政府引導與要素自主調節(jié)雙重驅動下的國土空間格局優(yōu)化。在微觀層面，則要進一步拓寬資源要素內涵，更加注重發(fā)揮“人”在國土空間格局優(yōu)化中的決定性作用與主觀能動性，合理引導人口與其他要素在區(qū)域內部與區(qū)域間的流動，兼顧對歷史文化、歸屬認知等非物質要素的引導，實現(xiàn)對國土空間開發(fā)利用保護具體行為的微觀布局與精準管控。

1.3 情景是要素和空間匹配的特征映射

以情景匹配不同發(fā)展路徑與優(yōu)化目標，是對不同空間與要素配置組合下國土空間格局的特征映射與凝練。將國土空間格局優(yōu)化與要素優(yōu)化進一步耦合匹配，依據(jù)特定目標對空間格局與要素組合優(yōu)中選優(yōu)、有向擇優(yōu)，凝練出特定國土空間格局的優(yōu)化情景，是當前國土空間格局優(yōu)化路徑探索的有效方式。需進一步凸顯空間格局的引導與約束作用，強化空間與要素的多重耦合，完善多尺度、多層級融合的格局優(yōu)化體系。在此背景下，不同發(fā)展目標、演化路徑、要素配置下的多重發(fā)展情景將演化出多樣的國土空間格局。為深入探索多元目標導向下的國土空間格局發(fā)展特征，需依托情景對比分析等方式，科學準確地數(shù)量化、空間化、具象化不同發(fā)展目標與要素配置方式下的國土空間格局，探索不同路徑下國土空間發(fā)展趨勢與演變結果。通過情景匹配不同發(fā)展路徑與優(yōu)化目標，以三類空間錨定國土空間總體格局，合理確定各空間單元主體功能，以主體功能為科學指引引導各類要素流動和空間，配置盤活各類要素并推進其提質增效，最終探索出不同發(fā)展保護目標下國土空間格局優(yōu)化的最優(yōu)路徑。

2 國土空間格局優(yōu)化情景分析理論框架

構建優(yōu)勢互補、高質量發(fā)展的區(qū)域經(jīng)濟布局和國土空間體系是新時代國土空間治理的重要任務，不同的戰(zhàn)略引導、目標引領、要素配置組合、空間布局模式對國土空間開發(fā)保護的質量與效率有著直接的影響，開展國土空間格局優(yōu)化情景分析就是要通過科學的情景設計與情景生成，明晰不同目標引領、要素配置模式下國土空間格局特征與開發(fā)保護特點，進而結合不同情景的對比分析與博弈擇優(yōu)，探索國土空間開發(fā)更適宜和高效的發(fā)展路徑，支撐國土空間高質量治理。

2.1 國土空間格局優(yōu)化情景分析內涵

情景分析法是一種預先假定系統(tǒng)參數(shù)或趨勢下預測系統(tǒng)未來可能發(fā)生的變化的模擬方法，包含情景設計、情景建模與生成、情景對比三個主要環(huán)節(jié)。國土空間格局優(yōu)化情景分析是以可持續(xù)發(fā)展、區(qū)域協(xié)調發(fā)展等國家戰(zhàn)略為宏觀指引，以復雜系統(tǒng)論、均衡網(wǎng)絡理論、協(xié)同理論和流空間理論等為理論基礎，以國土空間格局為優(yōu)化主體，以國土空間發(fā)展目標優(yōu)化、國土空間格局演化等現(xiàn)實仿真模擬模型為技術手段，建立統(tǒng)籌空間和要素的國土空間格局優(yōu)化分析系統(tǒng)框架，生成不同發(fā)展目標下國土空間開發(fā)利用的多元情景，探尋適應深度不確定性的新時代國土空間優(yōu)化發(fā)展路徑[34-36]。運用情景分析法開展國土空間格局優(yōu)化研究，需首先對國土空間發(fā)展情景進行合理感知與統(tǒng)籌設計。在目標引領下，基于空間開發(fā)保護現(xiàn)狀感知要素狀態(tài)與相互作用機制，結合系統(tǒng)仿真、數(shù)理統(tǒng)計等方式進行情景建模。通過對發(fā)展目標、要素配置等參數(shù)的調整，生成不同要素配置組合及發(fā)展路徑下國土空間多元發(fā)展情景[37]。結合對同一發(fā)展路徑的縱向探索與不同發(fā)展情景的多層次融合對比，提出應對多種不確定性的國土空間格局優(yōu)化情景及其情景模式（圖2）。

圖2 國土空間格局優(yōu)化情景分析理論框架Fig.2 Theoretical framework for scenario analysis of territorial space pattern optimization

2.2 情景分析內容

2.2.1 情景設計

情景設計決定了國土空間發(fā)展情景的基本邏輯、目標戰(zhàn)略遵循、要素參與類型與方式、空間布局與功能等重要內容，是情景分析的核心。在國土空間格局優(yōu)化情景的總體設計上，首先要明確當前國土空間開發(fā)保護中存在的問題與優(yōu)化愿景，圍繞國土空間高質量發(fā)展設定宏觀優(yōu)化目標[38-39]。

情景感知作為情景分析的重要組成部分，決定了參與情景的主要要素及其配置模式，在宏觀目標引領下進一步挖掘與感知影響區(qū)域國土空間格局體系的各類要素和子系統(tǒng)因素及其系統(tǒng)不確定性因素。在情景感知中，需綜合考慮各層級、各維度要素的綜合影響。宏觀層面主要考慮外部空間環(huán)境等不確定性因素，如國際形勢、全球尺度的氣候變化和經(jīng)濟波動等引起的自然資源、社會經(jīng)濟等要素流動，通過對宏觀環(huán)境變化的感知提升國土空間格局優(yōu)化調控的適應性。中觀層面應著重考慮一般規(guī)律性影響因素和系統(tǒng)內在不確定性因素，如由于人地系統(tǒng)的復雜性和動態(tài)性、科技進步所引起的區(qū)域人口、GDP、制度等因素的未來變化突破歷史變化軌跡，由此對空間演變與優(yōu)化調控所帶來的不確定性影響。微觀層面則應兼顧基于價值偏好的人為決策因素，充分考慮多元主體的互動。要結合宏觀戰(zhàn)略的指引探索決策主體在不同時期、不同發(fā)展背景下對規(guī)劃目標、主體功能、空間底線等空間管控要素與宏觀戰(zhàn)略實現(xiàn)的多樣化偏好影響。基于歷史數(shù)據(jù)感知決策者、執(zhí)行者、監(jiān)督者等各類主體對空間的開發(fā)利用偏好，在空間可承載、行為可行性強的框架內，進一步細化、探索在不同主體決策下的要素流動與空間集聚模式，正視國土空間格局優(yōu)化參與主體在認知、看法、價值和意圖方面的多樣性。

2.2.2 情景建模與生成

情景建模與生成是指依據(jù)情景設計階段所確定的不同情景下的空間要素類型、數(shù)量結構及空間分布限制，運用一定的地理、物理及數(shù)學模型進行仿真建模，以科學量化、可視化所設計情景產(chǎn)生的國土空間格局模式。在進行優(yōu)化情景的系統(tǒng)建模時，需將優(yōu)化思想外部嵌套作為空間演變與目標優(yōu)化的宏觀指引，建立資源要素的數(shù)量結構模擬與空間布局模擬互動互饋的動態(tài)空間演化模型，引入多目標優(yōu)化算法、博弈論等開展空間要素自競爭、格局指標自反饋，實現(xiàn)優(yōu)化思想指引下的空間格局演化與優(yōu)化路徑探索。

具體來說，在情景的空間實現(xiàn)上，不僅要基于要素驅動機理等精準實現(xiàn)微觀地理空間演化過程，更要運用空間均衡模型、要素流網(wǎng)絡模型及要素配置優(yōu)化等宏觀經(jīng)濟學、社會學模型，全面統(tǒng)籌考慮多元要素對國土空間格局發(fā)展與演變的驅動過程。在多目標優(yōu)化生成確定情景時，要兼顧宏觀空間格局優(yōu)化與微觀系統(tǒng)優(yōu)化的互動關系，充分考慮各要素、子系統(tǒng)間的非線性復雜關系與相互作用，對要素配置模式、要素流動方式、參數(shù)傳導機制等進行統(tǒng)籌設計，明確國土空間演化的內在機理與過程模式。對于最終優(yōu)化目標的探索，需統(tǒng)籌多目標協(xié)同優(yōu)化，避免傳統(tǒng)研究中綜合目標最優(yōu)但某些重要目標并非最優(yōu)的情況出現(xiàn)[39]，滿足國土空間對于全域全要素高質量發(fā)展的總要求。

2.2.3 情景模式對比

情景對比的目的在于基于不同情景下國土空間格局的發(fā)展特征，結合指標體系構建等評價方法，對不同要素配置、空間布局下的國土空間開發(fā)、保護的質量與效率進行對比，并運用系統(tǒng)博弈、綜合尋優(yōu)等方法，明確未來最優(yōu)發(fā)展路徑。具體而言，需將不同要素和參數(shù)組合下所生成的國土空間格局演變結果，與所設計的空間格局發(fā)展與優(yōu)化目標進行對照匹配，對比不同發(fā)展模式、不同空間尺度下的國土空間開發(fā)保護特征，確定應對不同發(fā)展目標的不同優(yōu)化路徑。在宏觀層面通過規(guī)劃目標等數(shù)量參數(shù)或主體功能區(qū)、三區(qū)三線等空間要素的組合調整，開展不同發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃目標或發(fā)展路徑引領下的空間發(fā)展格局成效對比，或著重探索單一系統(tǒng)、要素對國土空間格局演變的具體影響。如可在參數(shù)設置時將要素資源優(yōu)先向生態(tài)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)傾斜，以探尋生態(tài)優(yōu)先、糧食安全等不同目標優(yōu)先模式下國土空間發(fā)展情景的優(yōu)勢與劣勢所在。在中觀層面重點考慮不同情景下的國土空間多功能的協(xié)同與權衡關系以及相應的國土空間承載狀態(tài)。微觀層面以要素數(shù)量結構和空間配置為主進行情景比較。在優(yōu)化路徑的確定上，可通過指標體系構建、多目標協(xié)同等方法，對不同情景下的各空間開發(fā)保護完成分目標、高質量發(fā)展總目標完成情況進行量化對比，依據(jù)格局優(yōu)化目標的具體要求尋找最優(yōu)發(fā)展路徑。

需要強調的是，情景分析作為一種研究性的方法，研究結果本身并不具備對國土空間直接的引導或管控能力。如何將所選擇的最優(yōu)情景與相關規(guī)劃政策結合，使最優(yōu)發(fā)展路徑能夠真正落地，并對該發(fā)展模式落地后對國土空間所產(chǎn)生的積極影響與負面擾動進行全方位的預評估研究，需要在后續(xù)國土空間管控等相關研究中進行深入探討。

3 國土空間格局優(yōu)化情景分析技術路徑

國土空間格局優(yōu)化情景分析需以國土空間格局優(yōu)化的內在邏輯為基本遵循，將空間和要素統(tǒng)籌貫穿于情景設計、情景建模與生成、情景模式比較等情景分析的全過程。通過宏觀、中觀和微觀等多因素綜合的情景感知形成海量情景設計方案是國土空間格局優(yōu)化情景分析的重要基礎，考慮空間尺度特征提出國土空間演變模擬與優(yōu)化模型協(xié)同的多過程關聯(lián)情景生成技術是國土空間格局優(yōu)化情景分析的關鍵環(huán)節(jié)，分別考慮要素和空間在微觀層次、中觀層次以及宏觀層次的涌現(xiàn)特征對情景優(yōu)化模式的系統(tǒng)狀態(tài)進行評估和比較分析是國土空間格局優(yōu)化情景分析的落腳之處（圖3）。

圖3 國土空間格局優(yōu)化情景分析技術路徑Fig.3 The method for scenario analysis of territorial space pattern optimization

3.1 多因素綜合的情景感知

情景感知是對信息的采集獲取、情景的發(fā)現(xiàn)和情景設計，是決策者采用數(shù)據(jù)融合、因素評估等技術手段對多源信息去噪、整合，然后對信息進行語義提取，識別出需要關注的重要知識作為情景發(fā)現(xiàn)基礎，通過設計形成系列情景方案以支持有效的評估和決策過程。

國土空間格局是多個子系統(tǒng)綜合作用的產(chǎn)物，各子系統(tǒng)內部進行著頻繁的要素、信息等的交換，呈現(xiàn)出明顯的非線性和耗散結構特征。情景設計的首要任務是從空間尺度、時間過程、要素配置模式等方面探索性地認識、描述和表征各要素子系統(tǒng)之間的非線性復雜結構和狀態(tài)特征，厘清促進系統(tǒng)格局出現(xiàn)的關鍵過程和內在機理，將影響因素視為情景感知的“關鍵信息”。宏觀層面主要考慮外部空間環(huán)境等不確定性因素，通過大數(shù)據(jù)分析、機器學習、德爾菲法等剖析國際形勢、大尺度氣候變化和經(jīng)濟波動等全球變化對區(qū)域國土空間系統(tǒng)的影響擾動。中觀層面應著重考慮系統(tǒng)變化的一般規(guī)律性因素和系統(tǒng)內在不確定性因素。區(qū)域人口、GDP、土地利用等資源要素和系統(tǒng)模式之間表現(xiàn)出的普適性規(guī)律可借助SPSS、SAS、GIS等軟件進行常規(guī)的統(tǒng)計性分析；通過線性回歸模型、地理加權模型、空間自相關和空間集聚分析等方法識別影響區(qū)域國土空間系統(tǒng)變化的一般影響因子。借助探索性模擬分析技術、全局和局部敏感性分析技術探究由科技進步、政策制度變動等導致的系統(tǒng)內在不確定性因素及其閾值區(qū)間。微觀層面聚焦于人為決策因素，基于經(jīng)驗啟發(fā)式規(guī)則、歷史偏好和經(jīng)驗模型等方法充分考慮多元主體的互動，正視國土空間格局優(yōu)化過程中決策者、執(zhí)行者、監(jiān)督者等參與主體認知、看法、價值和意圖的多樣性。在此基礎上，基于感知的影響區(qū)域國土空間格局變化的多種因素形成因子合集，基于探索性模擬和不確定性分析方法篩選關鍵待優(yōu)化因子及其閾值區(qū)間，形成應對多種不確定性的海量情景設計方案。

3.2 多過程關聯(lián)的情景建模與生成

情景建模與生成需要設計國土空間演變模擬與優(yōu)化模型協(xié)同的系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化思路，探討不同系統(tǒng)、要素間的復雜聯(lián)系與耦合互動關系，實現(xiàn)資源要素的數(shù)量結構優(yōu)化與空間精準布局優(yōu)化的互動互饋。基于情景設計的參數(shù)和要素方案進行國土空間格局演變模擬，通過系統(tǒng)的狀態(tài)反饋和評估將相關信息參數(shù)傳導至優(yōu)化模型，通過目標優(yōu)化形成下一次迭代的傳導參數(shù)反饋至國土空間演變模型；國土空間演變的模擬結果與優(yōu)化模型的傳導參數(shù)相互引導調控同時交互驗證，直到最終滿足優(yōu)化目標生成系列情景的最終優(yōu)化模式。

3.2.1 國土空間演變模型

宏觀尺度模型。從系統(tǒng)宏觀的角度提出國土空間系統(tǒng)內各類資源、要素安排的總體部署（數(shù)量和規(guī)模），是對宏觀戰(zhàn)略和核心理念的數(shù)學抽象、傳導和系統(tǒng)仿真，以描述、模擬系統(tǒng)的時序變化為主。常見的模型包括需求供給模型、市場結構模型、一般均衡模型等經(jīng)濟學模型，以及統(tǒng)計/線性模型、灰色預測模型、馬爾科夫預測模型、系統(tǒng)動力學模型等土地利用數(shù)量預測模型。此類模型對相對連續(xù)的歷史數(shù)據(jù)依賴性較高。

中觀/微觀尺度模型。中觀/微觀尺度模型是在分區(qū)引導與底線約束下的空間精準布局，通過微觀斑塊模擬形成資源要素的空間特征涌現(xiàn)，以描述、模擬系統(tǒng)的空間變化為主，包括土地利用變化模擬模型和生態(tài)學模型。常見的土地利用變化空間模擬模型主要有元胞自動機模型（CA）、多智能體模型（ABM）和CA-ABM 等耦合模型，還可以通過InVEST 模型、Biome-BGC、生態(tài)網(wǎng)絡等生態(tài)系統(tǒng)評估模型實現(xiàn)對生態(tài)功能和生態(tài)服務價值的定量化和可視化表達，為決策者權衡人類活動的效益和影響提供科學依據(jù)。

3.2.2 優(yōu)化目標與優(yōu)化模型

優(yōu)化目標：國土空間格局優(yōu)化的過程實質是協(xié)調發(fā)展過程中的各種矛盾與利益沖突，因此，優(yōu)化目標的設定應注重系統(tǒng)的整體協(xié)調性、系統(tǒng)的共生協(xié)調性和系統(tǒng)的“沖突”協(xié)調性。整體協(xié)調和共生協(xié)調要求站在全局高度，從提高系統(tǒng)的整體功能出發(fā)，通過要素的不斷調整重組，促進系統(tǒng)內部各子系統(tǒng)和要素的協(xié)調發(fā)展；系統(tǒng)的“沖突”協(xié)調包括對發(fā)展空間、用途空間、要素空間以及規(guī)劃空間等的沖突協(xié)同，綜合考慮各種潛在的沖突設定優(yōu)化目標以增強國土空間優(yōu)化的適應性。

優(yōu)化模型：包括傳統(tǒng)優(yōu)化方法、仿生智能優(yōu)化模型和基于博弈論的優(yōu)化決策。傳統(tǒng)的多目標優(yōu)化方法包括主要目標法、分層序列法、加權法、理想點法等，其特點是將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題進行求解。遺傳算法、人工免疫等進化算法，以及蟻群、粒子群等是常用的仿生智能算法，廣泛應用于高維度、非線性、多解集的復雜優(yōu)化問題。博弈理論中的均衡策略、博弈參與方的合作與對抗等特點可以有效考慮人類決策和價值的多樣性建模、求解相應的復雜問題，同時對求解的效率和解的質量損失較小。

3.3 多層次融合的情景模式對比

從數(shù)量結構和空間精細化配置角度考慮微觀層次、基于國土空間功能和國土空間承載狀態(tài)評估中觀層次以及宏觀層次的空間格局三個層級對情景優(yōu)化模式的系統(tǒng)狀態(tài)進行評估，比較分析不同情景優(yōu)化模式下的系統(tǒng)狀態(tài)響應。

微觀層次的要素數(shù)量結構和空間配置評估比較。數(shù)量結構和空間配置評估是常見的情景對比分析內容，通過對耕地、建設用地、生態(tài)用地等各類資源要素總量與結構變化趨勢，國土空間利用的規(guī)模結構、產(chǎn)業(yè)結構、經(jīng)濟總量等經(jīng)濟發(fā)展指標變化，單位面積的土地產(chǎn)出率、建設強度、人口密度等土地集約度和發(fā)展強度指標特征等的指標分析，初步掌握不同情景下的資源要素配置差異。

中觀層次的國土空間功能與承載狀態(tài)評估比較。國土空間具有食物產(chǎn)品供給、氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)多種服務功能，要素結構和空間優(yōu)化調整將導致各項功能相互作用與相互影響，表現(xiàn)出此消彼長的權衡關系或互相增益的協(xié)同關系。國土空間功能的權衡關系與協(xié)調狀態(tài)分析有助于科學判別不同情景模式下的國土空間功能特征。同時，對每個情景下的人口承載、耕地承載、畜牧承載等國土空間承載狀態(tài)和壓力進行反饋。

宏觀層次的空間格局比較。國土空間格局優(yōu)化通過保護和修復受損生態(tài)系統(tǒng)結構、重塑生態(tài)安全格局、保障國家的生態(tài)安全；通過促進耕地整治、改善耕地質量、提升耕地綜合生產(chǎn)能力，助力國家糧食安全；通過調節(jié)人口（城鎮(zhèn)）集聚、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局、重塑區(qū)域關系，促進國土空間新發(fā)展格局的形成。

4 結論與討論

國土空間格局優(yōu)化作為落實新時代國土空間治理的重要內容和關鍵舉措，是推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的關鍵環(huán)節(jié)。然而，當前國土空間格局優(yōu)化理論與方法仍處于探索階段，缺少兼顧資源要素和時空尺度的全局優(yōu)化架構設計。傳統(tǒng)“目標設定—空間/狀態(tài)約束限制—結果對比擇優(yōu)”的國土空間格局優(yōu)化情景分析范式未充分重視不同空間、要素間的復雜聯(lián)系與耦合互動關系，忽視了系統(tǒng)和環(huán)境不確定性等因素的綜合影響，在應對未知變化時可能缺乏韌性和穩(wěn)定性。本文從空間和要素統(tǒng)籌視角，提出了國土空間格局優(yōu)化的理論遵循和情景分析技術框架。將空間作為要素的載體與外部指引，要素作為空間的核心與內在動因，以情景匹配不同發(fā)展路徑與優(yōu)化目標是國土空間格局優(yōu)化情景分析的理論邏輯，不同空間尺度下要素結構調整和配置是國土空間格局優(yōu)化情景分析的要義與核心內容。本文提出了對應“多因素綜合—多過程關聯(lián)—多層次融合”的“情景設計—情景建模與生成—情景模式對比”國土空間格局優(yōu)化情景分析研究范式，研究結果對推動國土空間治理能力現(xiàn)代化具有重要意義。

然而，國土空間格局優(yōu)化是涉及龐大、復雜的國土空間巨系統(tǒng)、多元要素體系，依賴多學科交叉與融合，隨著世界百年未有之大變局的加速演進和全球不確定性的持續(xù)沖擊，國土空間格局優(yōu)化必將面臨更多巨大挑戰(zhàn)與困難。本文提出的國土空間格局優(yōu)化情景分析框架只是一次探索性的嘗試，未來還需準確把握實時的問題導向，結合時空大數(shù)據(jù)、智能化地理信息技術等多源數(shù)據(jù)信息挖掘和高新技術手段不斷調整優(yōu)化概念模型方法，更需要多學科交叉和多領域共同探索，不斷充實、豐富國土空間格局優(yōu)化的理論和實踐。