基于多情景模擬的村莊土地利用布局方法研究*

李和平 賀彥卿 賴文韜

1 研究背景

1.1 村莊發(fā)展方向與規(guī)劃方法的現(xiàn)實(shí)問題

村莊規(guī)劃既作為全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要抓手，也肩負(fù)著鄉(xiāng)村地區(qū)國土空間管控與利用的使命。面對(duì)我國量大面廣的200多萬個(gè)自然村莊，其發(fā)展演化的復(fù)雜性、差異性和不確定性顯著。加上規(guī)劃體制的改革以及不同村莊主體對(duì)于規(guī)劃的認(rèn)知與配合能力的差異，如何規(guī)劃村莊、如何落實(shí)規(guī)劃成為難題。一方面，村莊規(guī)劃中對(duì)于村莊發(fā)展方向的研判缺乏科學(xué)性、前瞻性，更多依賴于決策者主觀分析判斷，但現(xiàn)實(shí)情況卻是各地村莊發(fā)展?jié)摿εc動(dòng)力千差萬別，各地村民差異性的迫切需求也難以得到滿足；另一方面，村莊規(guī)劃的靜態(tài)化、藍(lán)圖化導(dǎo)致規(guī)劃成果的科學(xué)性、實(shí)施性大打折扣，其技術(shù)方法過分借鑒“模式化”的規(guī)劃樣板，導(dǎo)致出現(xiàn)“千村一面”的局面[1]。

可以確信的是，現(xiàn)階段部分村莊在目標(biāo)不明確、方法不確定的前提下做出的規(guī)劃，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨同，適宜性存疑；人居環(huán)境照搬，地方性缺失，這種依賴片面“照搬”優(yōu)秀案例的村莊規(guī)劃路徑的方式勢必將惡化我國村莊多樣化態(tài)勢與可持續(xù)發(fā)展，嚴(yán)重阻礙鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進(jìn)。

1.2 村莊土地利用科學(xué)布局的現(xiàn)實(shí)需求

當(dāng)前，國土空間規(guī)劃改革對(duì)村莊規(guī)劃提出了新的要求。在中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見》中著重強(qiáng)調(diào)了新時(shí)期村莊規(guī)劃的定位要求，明確了村莊規(guī)劃的范圍是村域，需要科學(xué)合理地布局農(nóng)村生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間。因此，村莊規(guī)劃應(yīng)該不再只是側(cè)重自然村、村莊居民點(diǎn)，不再單單關(guān)注建設(shè)空間與項(xiàng)目發(fā)展訴求，而應(yīng)實(shí)現(xiàn)朝向統(tǒng)籌協(xié)調(diào)鄉(xiāng)村生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的關(guān)系，落實(shí)自上而下的空間管控訴求、鄉(xiāng)村振興發(fā)展需求和鄉(xiāng)村建設(shè)實(shí)際需要[2]。

村莊土地利用是鄉(xiāng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)與空間格局的直接體現(xiàn)，村莊土地利用規(guī)劃作為統(tǒng)籌推進(jìn)鄉(xiāng)村國土空間管控與利用的基本工具，其有效性、科學(xué)性與村莊社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展密不可分[3]。傳統(tǒng)的土地利用規(guī)劃基本以定性和定量相結(jié)合，基于現(xiàn)狀本底確定發(fā)展目標(biāo)，預(yù)測發(fā)展規(guī)模，從而得到土地利用方案，一定程度上保障了城鄉(xiāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。然而，面對(duì)我國特有的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程，村莊土地利用發(fā)展面臨的耕地破碎化、聚落無序化、生態(tài)空間分散化等困境仍在持續(xù)，集約、高效的國土空間治理目標(biāo)仍有待實(shí)現(xiàn)[6]。2021年中央一號(hào)文件中強(qiáng)調(diào)既要促進(jìn)土地要素活化，同時(shí)也要落實(shí)耕地保護(hù)制度，確保耕地?cái)?shù)量不減少、質(zhì)量有提高。綜上，在國土空間體系重構(gòu)和實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的時(shí)代要求下，勢必需要優(yōu)化傳統(tǒng)村莊土地利用規(guī)劃的技術(shù)方法，探索適應(yīng)村莊發(fā)展不確定性的土地利用方案，保證生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間的協(xié)調(diào)與統(tǒng)籌，以推動(dòng)鄉(xiāng)村地域可持續(xù)發(fā)展。

本文以多情景模擬作為切入點(diǎn)，將FLUS模型應(yīng)用至村域?qū)用婺M村莊未來的土地利用形態(tài)，構(gòu)建村莊土地利用布局的多情景模擬方法，探求不同發(fā)展情景下村莊發(fā)展的可能性，以更好地為村莊未來土地利用規(guī)劃提供科學(xué)、有效的支撐與引導(dǎo)。

2 多情景模擬與FLUS模型研究概況

2.1 情景規(guī)劃與情景設(shè)定綜述

情景規(guī)劃是基于對(duì)歷史經(jīng)驗(yàn)外推、未來終端狀態(tài)鑒別和預(yù)測事件的綜合考慮得到的關(guān)于未來的場景[5]。面對(duì)發(fā)展的不確定性，將未來多種可能轉(zhuǎn)換設(shè)定為一定存在概率的不同情景，對(duì)提升規(guī)劃適用性具有積極作用[6]。

在資源整合、土地利用結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的形式下，采用單一的土地利用優(yōu)化方式，不僅難以有效回應(yīng)不同地域村莊用地布局的需求，也無法回應(yīng)生態(tài)保護(hù)、糧食安全、鄉(xiāng)村振興等土地利用的多元發(fā)展目標(biāo)[7]。通過情景規(guī)劃的方法，不僅能充分尊重村莊原生本底，也能有效應(yīng)對(duì)未來發(fā)展方向的不確定性。同時(shí)，“分類指導(dǎo)”是我國村莊規(guī)劃的基本原則之一[8]，其要素的多樣性、差異性豐富，發(fā)展方向也各不相同[9]。因此，在綜合現(xiàn)有研究情景設(shè)定類型的基礎(chǔ)上（表1），考慮到村莊發(fā)展中產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本訴求，本文以農(nóng)業(yè)主導(dǎo)型村莊為例，提出村莊發(fā)展的四大情景，分別是自然發(fā)展情景、生態(tài)優(yōu)先情景、產(chǎn)業(yè)優(yōu)先情景與綜合發(fā)展情景。

表1 相關(guān)研究文獻(xiàn)情景設(shè)定類型統(tǒng)計(jì)表Tab.1 statistical table on scenario setting types of related research literature

2.2 多情景模擬研究方法綜述

在規(guī)劃領(lǐng)域中，多情景模擬作為一種能有效模擬和預(yù)測土地利用演變過程，并實(shí)現(xiàn)可視化、可量化的研究方法，目前在相關(guān)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用且方法已相對(duì)成熟。近150篇相關(guān)文獻(xiàn)中，有43.36%是在市級(jí)以上尺度對(duì)土地利用進(jìn)行多情景模擬，且大部分順應(yīng)當(dāng)下發(fā)展熱點(diǎn)，將研究區(qū)域設(shè)定為城市群與特定流域，如粵港澳大灣區(qū)[11]、環(huán)鄱陽湖城市群[16]、長株潭城市群[17]、汾河流域[18]等?？梢姡?0年來多情景模擬研究方法應(yīng)用與土地利用布局的研究尺度基本停留在大尺度上，而鮮有村域尺度的相關(guān)研究。

在具體研究方向上，主要分為兩大類：一類是利用多情景模擬預(yù)測某研究區(qū)域內(nèi)的未來土地利用，為土地規(guī)劃與管理提供指導(dǎo)。例如陳理庭等人設(shè)定慣性發(fā)展、耕地保護(hù)、生態(tài)優(yōu)先三大情景對(duì)饒河流域進(jìn)行土地利用模擬，為流域未來國土空間規(guī)劃及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展決策提供基礎(chǔ)支撐和多重視角[10]；而另一類則是基于多情景模擬結(jié)果，進(jìn)一步拓展科學(xué)問題，分析空間格局演變規(guī)律[19]、土地承載力[14]、城市增長邊界劃定[20]等。

因此，土地利用布局的多情景模擬方法已在土地利用規(guī)劃與管理方面承擔(dān)著重要且基礎(chǔ)性的作用。在國土空間規(guī)劃背景下，村莊土地利用及三生空間布局作為村莊規(guī)劃的核心內(nèi)容，同樣需要補(bǔ)充適應(yīng)其多元化發(fā)展需求的研究與實(shí)踐方法，更好地為村莊提供引導(dǎo)和支撐。

2.3 FLUS模型模擬應(yīng)用綜述

FLUS模型是基于傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)（cellular automata, CA）耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）模型后優(yōu)化改進(jìn)的成果，能夠有效地進(jìn)行多情景下的復(fù)雜土地利用變化模擬[21]。FLUS模型也已經(jīng)實(shí)證能夠有效地應(yīng)用于全球尺度及多類的土地利用模擬中，相較于傳統(tǒng)模型又具有更高的模擬準(zhǔn)確度[20-21]。因此現(xiàn)階段理論研究層面大多以FLUS模型模擬土地利用為基礎(chǔ)，拓展解決相關(guān)科學(xué)問題。

就模型與方法結(jié)合而言，多情景模擬分析方法與FLUS模型相結(jié)合是當(dāng)前主流的研究技術(shù)方法。利用Citespace軟件對(duì)近五年來FLUS模型與多情景模擬在城鄉(xiāng)規(guī)劃相關(guān)領(lǐng)域的研究應(yīng)用文獻(xiàn)進(jìn)行分析，并繪制關(guān)鍵詞圖譜（圖1）?？梢钥闯?，2019年開始FLUS模型應(yīng)用研究中開始集中出現(xiàn)“情景模擬”“多情景”等關(guān)鍵詞，并主要應(yīng)用于景觀格局等用地領(lǐng)域上，兩者結(jié)合是近年來主要的研究技術(shù)方法。通過對(duì)研究文獻(xiàn)梳理與對(duì)比，發(fā)現(xiàn)FLUS模型在土地利用模擬中可以通過驅(qū)動(dòng)/抑制因子輸入、規(guī)模參數(shù)設(shè)定以及轉(zhuǎn)化概率參數(shù)的差異，構(gòu)建不同的模擬情景，以實(shí)現(xiàn)在FLUS模型中進(jìn)行土地利用的多情景模擬。

圖1 FLUS模型與多情景模擬研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞圖譜Fig.1 keywords map of FLUS model and multi-scenario simulation research literature

就模型應(yīng)用而言，F(xiàn)LUS模型目前的研究和運(yùn)用主要集中于城鄉(xiāng)空間演變研究、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界劃定等領(lǐng)域。FLUS模型是基于CA模型耦合而成的[21]。由于CA模型開發(fā)較早，國內(nèi)學(xué)者運(yùn)用CA模型開展鄉(xiāng)村土地利用模擬研究已形成一定理論成果，但主要聚焦于鄉(xiāng)村土地利用結(jié)構(gòu)的綜合模擬[22]，以及對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地[23-24]、生態(tài)用地[25]等某單類土地的針對(duì)性模擬研究，大多服務(wù)于農(nóng)用地整治、基本農(nóng)田劃定等生產(chǎn)空間布局或生態(tài)保護(hù)等需求?？梢?，目前鮮有研究嘗試從整體村莊土地利用布局的角度進(jìn)行模擬，難以更為綜合且直接地指導(dǎo)村莊土地利用規(guī)劃。

值得注意的是，雖然FLUS模型本質(zhì)上還是會(huì)因?yàn)镃A模型模擬特性，導(dǎo)致模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的差異性較大。其中核心問題之一在于模型無法模擬跨越式的土地?cái)U(kuò)張[26]。但鄉(xiāng)村相較于城市，擁有更緊密的人地關(guān)系和更突出的內(nèi)生演化本底，且村莊居民點(diǎn)的撤并也基本遵循就近原則，整體土地利用變化的延續(xù)性較強(qiáng)，一般不會(huì)出現(xiàn)跨越性變化，因此更適配于FLUS模型的應(yīng)用，完全可以通過FLUS模型鄰域轉(zhuǎn)換規(guī)則來體現(xiàn)村莊各類土地間的轉(zhuǎn)換。

3 村莊土地利用布局的多情景模擬方法

3.1 FLUS模型基本原理

FLUS模型的基本原理是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network, ANN）算法計(jì)算各類用地在各種驅(qū)動(dòng)因素下的適應(yīng)性概率，再結(jié)合慣性系數(shù)與輪盤競爭機(jī)制，在同樣的驅(qū)動(dòng)因素下通過轉(zhuǎn)換矩陣與轉(zhuǎn)換系數(shù)的設(shè)定，從而模擬出未來研究范圍內(nèi)的土地利用布局[27]。其中模擬利用SD模型，分析出土地利用演變與多種驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)系，從而提高土地利用變化的模擬精度（圖2）。此外，F(xiàn)LUS模型模擬結(jié)果還需要通過Kappa系數(shù)①來判斷模型模擬精度，并且規(guī)定Kappa系數(shù)大于0.80既能說明模擬情景同實(shí)際狀況基本相符，模擬精度滿足要求。

圖2 FLUS模型基本運(yùn)作流程Fig.2 basic operation process of FLUS model

3.2 村莊發(fā)展情景設(shè)定與分析

3.2.1 自然發(fā)展情景

自然發(fā)展情景是指在基于村莊以前的土地利用演變規(guī)律，在基本的歷史自然、區(qū)位等基礎(chǔ)性驅(qū)動(dòng)因子作用下，不考慮政策規(guī)劃的限制，保持村莊自身演變進(jìn)程的一種情景，又被作為“基準(zhǔn)情景”與其他三個(gè)情景形成對(duì)比。

3.2.2 生態(tài)優(yōu)先情景

生態(tài)優(yōu)先情景的設(shè)定基于農(nóng)業(yè)主導(dǎo)型村莊的村莊土地中可能基本農(nóng)田與生態(tài)林地的占比均較大。在生態(tài)文明時(shí)代，統(tǒng)籌保護(hù)山水林田湖草是必要工作[28]。而中央一號(hào)文件也指出需要進(jìn)行新一輪的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃，堅(jiān)守1.2億公頃耕地紅線，并嚴(yán)格管控耕地占補(bǔ)平衡機(jī)制。因此，生態(tài)優(yōu)先情景是指村莊整體應(yīng)以“低建設(shè)、增綠色”的原則規(guī)劃未來村莊的土地利用的一種發(fā)展情景。

3.2.3 產(chǎn)業(yè)優(yōu)先情景

產(chǎn)業(yè)優(yōu)先情景的設(shè)定基于農(nóng)業(yè)主導(dǎo)型村莊內(nèi)擁有特色農(nóng)作物生產(chǎn)，擁有發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。積極響應(yīng)中央一號(hào)文件，對(duì)于擁有鄉(xiāng)村特色優(yōu)勢資源的村莊，需要加快構(gòu)建現(xiàn)代鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)體系，打造以農(nóng)業(yè)為核心的全產(chǎn)業(yè)鏈。因此，產(chǎn)業(yè)優(yōu)先情景是指村莊整體應(yīng)以“重農(nóng)業(yè)、保底線”的原則規(guī)劃未來村莊的土地利用，村莊建設(shè)用地處于一種中間發(fā)展?fàn)顟B(tài)的一種發(fā)展情景。

3.2.4 綜合發(fā)展情景

綜合發(fā)展情景的設(shè)定基于農(nóng)業(yè)主導(dǎo)型村莊的生態(tài)資源保護(hù)與產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展能處于一種平衡的狀態(tài)，即在有效保護(hù)好農(nóng)村基本農(nóng)田和生態(tài)林地等生態(tài)空間的同時(shí)也要利用充裕的建設(shè)用地發(fā)展升級(jí)產(chǎn)業(yè)。所以，該種情景的村莊更要進(jìn)一步做好村莊規(guī)劃，合理處理村莊三生空間的布局。因此，綜合發(fā)展情景下村莊整體應(yīng)以“高開發(fā)、保生產(chǎn)”的原則規(guī)劃未來村莊的土地利用，在滿足生態(tài)保護(hù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提下服務(wù)于村莊生活空間建設(shè)，是村莊建設(shè)用地處于高發(fā)展?fàn)顟B(tài)的一種情景。

3.3 多情景下村莊土地利用模擬流程

3.3.1 村莊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理與驅(qū)動(dòng)因子確定

使用FLUS模型對(duì)村莊土地利用進(jìn)行模擬，需要輸入同等像元大小的三期土地利用和驅(qū)動(dòng)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，以便模型識(shí)別與分析。其中三期土地利用柵格數(shù)據(jù)需要將調(diào)取的原土地?cái)?shù)據(jù)中的土地類型重新分類，主要分為村莊建設(shè)用地、耕地、村莊生態(tài)用地、村莊產(chǎn)業(yè)用地和其他用地五大類（表2），利于在模型參數(shù)設(shè)定時(shí)控制土地能否轉(zhuǎn)換。同時(shí)輸入AcrGIS平臺(tái)，并規(guī)定輸出像元大小為5 m轉(zhuǎn)為柵格導(dǎo)出②。

表2 重分類土地類型與原土地類型相對(duì)應(yīng)一覽表Tab.2 list of reclassified land types corresponding to original land types

而村莊土地演變主要與海拔、坡度、水系、道路、耕作半徑等多多種驅(qū)動(dòng)因子有關(guān)[29]。因此，驅(qū)動(dòng)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)在考慮到在村莊區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)可獲取情況，和ArcGIS平臺(tái)的矢量分析功能，在村莊土地利用模擬中設(shè)定驅(qū)動(dòng)因素包括高程、坡度、坡向、水系距離和道路距離五個(gè)因素，分析結(jié)果同土地利用柵格數(shù)據(jù)，統(tǒng)一輸出像元大小為5 m轉(zhuǎn)為柵格導(dǎo)出②。

3.3.2 基于村莊發(fā)展情景的模擬參數(shù)設(shè)定

在FLUS模型中，可以通過設(shè)定參數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的模擬情景構(gòu)建，設(shè)定的參數(shù)包括未來像元總量、成本矩陣和鄰域權(quán)重參數(shù)三個(gè)部分。其中未來像元總量指FLUS模型中模擬預(yù)測未來各土地利用類型所占的像元總數(shù)量，是未來土地利用規(guī)模的目標(biāo)值，不同發(fā)展情景下村莊的土地利用規(guī)模的目標(biāo)值即可不同。成本矩陣指各用地類型間的變化規(guī)則，用于表示是否容許各土地類型相互轉(zhuǎn)化[30]。當(dāng)一種用地類型不允許向另一種轉(zhuǎn)化時(shí)，我們將矩陣的對(duì)應(yīng)值設(shè)為0，允許轉(zhuǎn)化時(shí)設(shè)為1。理論上任何土地在模擬軟件中都可以不受限制地進(jìn)行轉(zhuǎn)變，但結(jié)合相關(guān)法律規(guī)定③和不同發(fā)展情景下土地轉(zhuǎn)化的限制要求，可以差異化設(shè)定轉(zhuǎn)化要求。鄰域權(quán)重參數(shù)指該土地類型的擴(kuò)張強(qiáng)度，即各用地類型在外界因子驅(qū)動(dòng)下使自身得以擴(kuò)張的能力。參數(shù)閾值設(shè)定范圍為0到1，越接近1則代表該土地類型的擴(kuò)張能力越強(qiáng)。村莊FLUS模型通過分析不同情景下各類土地之間轉(zhuǎn)換的可能性和必要性程度排序，從而設(shè)定各類土地的鄰域權(quán)重參數(shù)。具體不同情景的土地轉(zhuǎn)化與參數(shù)設(shè)定要求如下。

3.3.2.1 生態(tài)優(yōu)先情景

生態(tài)優(yōu)先情景下村莊建設(shè)用地應(yīng)處于一種低發(fā)展?fàn)顟B(tài)，需適當(dāng)收縮村莊建設(shè)用地規(guī)模，未來像元總量依照較低人均指標(biāo)設(shè)定。產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心在于生態(tài)用地的保護(hù)與利用，整體非建設(shè)用地則在遵循耕地總量不變、生態(tài)用地增加的原則下內(nèi)部自由轉(zhuǎn)換，并規(guī)定原有的村莊生態(tài)用地不能轉(zhuǎn)出。能進(jìn)行生態(tài)、生產(chǎn)功能恢復(fù)的土地，可轉(zhuǎn)換為耕地與村莊生態(tài)用地，保證更大規(guī)模的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田和生態(tài)公益林的土地儲(chǔ)備。因此成本矩陣則核心控制生態(tài)用地轉(zhuǎn)出，禁止耕地與村莊產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，允許其他用地間轉(zhuǎn)化（表3）。鄰域權(quán)重參數(shù)根據(jù)土地轉(zhuǎn)換可能性和必要性程度排序，按照村莊生態(tài)用地＞耕地＞村莊產(chǎn)業(yè)用地＞村莊建設(shè)用地＞其他用地設(shè)定參數(shù)值，具體參數(shù)值可參考表4。

3.3.2.2 產(chǎn)業(yè)優(yōu)先情景

產(chǎn)業(yè)優(yōu)先情景下村莊將農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)擺在首位，以推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化為核心，在不侵占基本農(nóng)田的前提下整合高質(zhì)量、高效率耕地。同時(shí)大力推行村莊建設(shè)用地增減掛鉤，盤活村莊的存量建設(shè)用地，騰挪空間用于支持農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展和鄉(xiāng)村振興，因此村莊產(chǎn)業(yè)用地和村莊建設(shè)用地也將是土地轉(zhuǎn)換的重點(diǎn)，所以未來像元總量依照較高人均指標(biāo)設(shè)定。而村莊生態(tài)用地在該情景下僅需要保證總量不減即可，保證村莊生態(tài)環(huán)境不因產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)而被破壞。因此，成本矩陣在控制生態(tài)用地規(guī)模穩(wěn)定不變的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化耕地與村莊產(chǎn)業(yè)用地之間轉(zhuǎn)化，且禁止耕地與村莊產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地（表3）。鄰域權(quán)重按照耕地＞村莊產(chǎn)業(yè)用地＞村莊建設(shè)用地＞村莊生態(tài)用地＞其他用地設(shè)定參數(shù)值，具體參數(shù)值可參考表4。

表3 村莊不同發(fā)展情景下FLUS模型成本矩陣表Tab.3 cost matrix table of FLUS model under different village development scenarios

3.3.2.3 綜合發(fā)展情景

綜合發(fā)展情景下村莊在原有發(fā)展較好的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)上，應(yīng)注重產(chǎn)業(yè)升級(jí)，大力發(fā)展二三產(chǎn)業(yè)，因此需要進(jìn)行一定開發(fā)建設(shè)，增加更多的村莊產(chǎn)業(yè)用地來推動(dòng)鄉(xiāng)村地區(qū)多元產(chǎn)業(yè)入駐，未來像元總量依照平均人均指標(biāo)設(shè)定。同時(shí)優(yōu)化村莊生態(tài)用地，將生態(tài)環(huán)境融入村莊人居環(huán)境建設(shè)，打造具有生態(tài)宜居的村莊生活空間。另外，為配合農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，需要保證良好的生產(chǎn)效率和充足的耕地總量，耕地轉(zhuǎn)換調(diào)整也相對(duì)比較重要。因此，成本矩陣放寬了生產(chǎn)用地與生態(tài)用地的轉(zhuǎn)化限制，追求生產(chǎn)、生態(tài)用地的協(xié)調(diào)平衡布局狀態(tài)；同時(shí)仍禁止耕地轉(zhuǎn)化為村莊建設(shè)用地，保證村莊耕地規(guī)模（表3）。鄰域權(quán)重按照村莊產(chǎn)業(yè)用地＞耕地＞村莊建設(shè)用地＞村莊生態(tài)用地＞其他用地設(shè)定參數(shù)值，具體參數(shù)值可參考表4。

表4 村莊不同發(fā)展情景下FLUS模型鄰域權(quán)重參數(shù)表Tab.4 neighborhood weight parameter table of FLUS model under different village development scenarios

3.3.3 村莊土地利用模擬與結(jié)果對(duì)比分析

在完成以上村莊類型確定、情景設(shè)定以及模擬模型的數(shù)據(jù)處理與參數(shù)設(shè)置，即可通過FLUS模型模擬得到村莊土地利用布局結(jié)果。對(duì)于模擬結(jié)果而言，由于FLUS模型是一種基于輪盤賭選擇的自適應(yīng)慣性競爭機(jī)制的模擬模型，該機(jī)制下各土地類型相互轉(zhuǎn)化時(shí)的不確定性可能會(huì)導(dǎo)致每次模擬結(jié)果的差異。因此，本文選擇通過對(duì)各情景模擬結(jié)果的各類土地布局合理性、用地集約度和土地的空間關(guān)系等角度，結(jié)合村莊目前自身發(fā)展基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)摿?，定性判斷各情景下土地利用模擬結(jié)果的優(yōu)劣勢，從而結(jié)合現(xiàn)狀選擇適合當(dāng)下的發(fā)展情景。

4 實(shí)證研究：以重慶板橋鎮(zhèn)涼風(fēng)埡村為例

4.1 案例選取與模擬數(shù)據(jù)處理

本文選擇重慶市永川區(qū)板橋鎮(zhèn)中部的涼風(fēng)埡村為研究對(duì)象。涼風(fēng)埡村村域面積約4.7 km2，戶籍人口3321人，2020年常住人口僅1671人。村莊以第一產(chǎn)業(yè)為主，人均年收入約9000元。村內(nèi)農(nóng)林資源豐富。糧食作物主產(chǎn)馬鈴薯，水稻、玉米，經(jīng)濟(jì)作物以花椒為主，已有花椒基地60余公頃。通過現(xiàn)狀調(diào)查與上位規(guī)劃分析可知，涼風(fēng)埡村屬于農(nóng)業(yè)主導(dǎo)類型的村莊，是明顯受到城鎮(zhèn)化影響的村莊，人口流失嚴(yán)重。村莊內(nèi)農(nóng)林類用地及水域大約占村域面積的82%（圖4），具有較好的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)。

收集并整理涼風(fēng)埡村2008年、2012和2017年三期的土地利用數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀高程點(diǎn)和主要的道路信息輸入AcrGIS平臺(tái)，并按要求將三期土地類型重分類。其次，利用ArcGIS平臺(tái)對(duì)涼風(fēng)埡村進(jìn)行高程、坡度、坡向分析，最后對(duì)道路、河流水域作歐氏距離分析，并統(tǒng)一輸出同樣像元大小的柵格分析結(jié)果，具體數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

圖4 涼風(fēng)埡村土地利用數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)力柵格化結(jié)果Fig.4 land use data and driving force rasterization results of Liangfengya Village

4.2 多情景模擬結(jié)果

先利用2008年與2012年兩期土地利用數(shù)據(jù)模擬2017年土地利用，通過計(jì)算得到Kappa系數(shù)為0.87，說明ANN所得到的多驅(qū)動(dòng)因子下各類用地轉(zhuǎn)換的適應(yīng)性概率較為合理，能支撐FLUS模型下一步的模擬分析。

其次，通過解讀《重慶市城鄉(xiāng)規(guī)劃村莊規(guī)劃導(dǎo)則》和《重慶市村鎮(zhèn)規(guī)劃編制技術(shù)導(dǎo)則》，綜合考慮涼風(fēng)埡村現(xiàn)狀情況，設(shè)定人均村莊建設(shè)用地指標(biāo)在低發(fā)展情景時(shí)取低值90 m2/人；在高發(fā)展情景時(shí)取高值150 m2/人；在中間發(fā)展情景時(shí)取中間值120 m2/人。用驗(yàn)證性模擬時(shí)設(shè)定的成本矩陣和鄰域權(quán)重參數(shù)作為自然發(fā)展情景（基準(zhǔn)情景）的模擬參數(shù)，并按照150 m2/人的人均指標(biāo)僅設(shè)置村莊建設(shè)用地的未來像元總量為9000④，從而模擬出規(guī)劃期涼風(fēng)埡村在自然發(fā)展情景下的土地利用布局（圖5）。

生態(tài)優(yōu)先發(fā)展情景屬于村莊的低發(fā)展情景，在FLUS模型中設(shè)定村莊建設(shè)用地的未來像元總量應(yīng)為5400④；產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展情景屬于村莊高發(fā)展情景，設(shè)定村莊建設(shè)用地的未來像元總量應(yīng)為7200④；綜合發(fā)展情景屬于村莊中間發(fā)展情景，設(shè)定村莊建設(shè)用地的未來像元總量則為9000④。再根據(jù)不同情景下不同的模擬參數(shù)設(shè)定原則進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并進(jìn)行模擬，得到規(guī)劃期不同情景下的涼風(fēng)埡村土地利用及依據(jù)模擬結(jié)果提取布局模式圖（圖5、表5）。

表5 多情景模擬下涼風(fēng)埡村各類土地規(guī)模和未來像元總量參數(shù)設(shè)定統(tǒng)計(jì)表Tab.5 statistical table of land scale and future pixel aggregate parameters of Liangfengya Village under multi-scenario simulation

圖3 基于多情景模擬的村莊土地利用模擬工作流程圖Fig.3 flow chart of village land use simulation based on multi-scenario simulation

圖5 多情景模擬下規(guī)劃期涼風(fēng)埡村村莊土地利用模擬結(jié)果與布局模式圖Fig.5 land use simulation and layout pattern of Liangfengya Village in planning period under multi-scenario simulation

4.3 多情景綜合評(píng)判

通過對(duì)模擬結(jié)果用地結(jié)構(gòu)的圖示化分析規(guī)模占比分析，從定性與定量兩方面綜合評(píng)判對(duì)比不同情景下模擬的結(jié)果（表6）。在自然發(fā)展情景下，村莊的園地、草地等產(chǎn)業(yè)用地雖有大幅增加，但耕地破碎化、聚落無序化的狀況并未改善，且生態(tài)效益較小，整體用地的零碎化程度較高。相反，在生態(tài)優(yōu)先情景下，用地結(jié)構(gòu)朝向生態(tài)效益大的方向變動(dòng)，大量低效草地、園地和其他農(nóng)用地會(huì)規(guī)?；D(zhuǎn)變?yōu)榱值?，耕地也相?duì)更加集聚，不僅能利用林下土地資源和林陰優(yōu)勢從事林下種植、養(yǎng)殖等立體復(fù)合生產(chǎn)經(jīng)營的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，也能更好提供生態(tài)公共產(chǎn)品，帶來附屬效益，同時(shí)村莊建設(shè)用地顯著減少，用地集約性提升，為營造更好的鄉(xiāng)村人居環(huán)境奠定基礎(chǔ)。而在產(chǎn)業(yè)優(yōu)先與綜合發(fā)展情景下，整體用地結(jié)構(gòu)的效益處于折中狀態(tài)，其中雖然耕地、建設(shè)用地的規(guī)?；潭容^好，但都是以犧牲生態(tài)效益為代價(jià)，并未兼顧生態(tài)保護(hù)的要求，同時(shí)難以分布散亂的居民點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)土地流轉(zhuǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表6 不同情景下涼風(fēng)埡村土地利用模擬評(píng)判Tab.6 land use simulation evaluation of Liangfengya Village under different scenarios

多情景模擬的土地利用結(jié)果只是在該技術(shù)方法下所呈現(xiàn)的“有限解答”，對(duì)于村莊未來的發(fā)展僅做方向性和結(jié)構(gòu)性的指導(dǎo)，具體仍需結(jié)合實(shí)際情況細(xì)化與落實(shí)。綜合上述多情景模擬下涼風(fēng)埡村土地利用布局分析，并結(jié)合板橋鎮(zhèn)相關(guān)規(guī)劃對(duì)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃引導(dǎo)⑤，建議涼風(fēng)埡村未來土地利用布局可以參考生態(tài)優(yōu)先情景，進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)與布局調(diào)整。在優(yōu)先保證生態(tài)空間完整性的前提下，引導(dǎo)居民點(diǎn)西側(cè)集聚整合，控制村莊建設(shè)用地在13.5 hm2左右，并以生態(tài)農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，推動(dòng)部分村莊部分產(chǎn)業(yè)用地與村莊建設(shè)用地，向耕地與村莊生態(tài)用地轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)土地利用與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)空間布局均衡化。

5 結(jié)語

在信息化不斷深入、大數(shù)據(jù)日益豐富的今天，合理地利用計(jì)算機(jī)模擬模型，跨學(xué)科融入技術(shù)手段，提高規(guī)劃編制效率已極為重要[31]。本文選擇基于CA模型原理開發(fā)的FLUS模型，創(chuàng)新性地將其運(yùn)用在村域?qū)用婺M村莊土地利用。以農(nóng)業(yè)主導(dǎo)型村莊為例，構(gòu)建針對(duì)該類型村莊土地利用布局的多情景模擬方法。通過不同模擬情景的構(gòu)建，探求不同發(fā)展情景下村莊發(fā)展的可能性以期通過更加客觀科學(xué)的方法，得到村莊土地利用布局。并選擇以重慶永川區(qū)涼風(fēng)埡村為案例，設(shè)定村莊發(fā)展情景及情景下的模擬參數(shù)設(shè)定原則，從而模擬出不同發(fā)展情景下涼風(fēng)埡村未來土地利用布局。同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與判斷，選擇并提取現(xiàn)階段在自然和交通驅(qū)動(dòng)力下涼風(fēng)埡村可行的村莊土地利用布局模式，以期指導(dǎo)涼風(fēng)埡村下一步的村莊規(guī)劃。

圖表來源：

圖1-5：作者繪制

表1：作者根據(jù)參考文獻(xiàn)[10-15]整理繪制

表2-6：作者繪制

注釋：

① Kappa系數(shù)是一種衡量分類精度的指標(biāo)，能從整體上檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的一致性程度，廣泛應(yīng)用于土地利用變化模擬精度檢驗(yàn)、遙感影像解譯精度評(píng)價(jià)等研究中。Kappa系數(shù)的值越接近于1表明模擬精度越好，當(dāng)Kappa系數(shù)大于0.8時(shí)，即表明模型模擬精度在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上達(dá)到較好的滿意狀態(tài)。

② 將輸出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入FLUS模擬模擬中需要統(tǒng)一所有數(shù)據(jù)柵格化的像元大小，鄉(xiāng)村地區(qū)研究范圍較小，像元大小可以設(shè)定為5，而城市則可以設(shè)定為10。

③ 依照《中華人民共和國土地管理法》《中華人民共和國土地管理法實(shí)施條例》的規(guī)定，不得擅自將農(nóng)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；土地整理新增耕地面積只能折抵用于建設(shè)占用耕地的補(bǔ)償，不得折抵為建設(shè)用地指標(biāo)，擴(kuò)大建設(shè)用地規(guī)模；必須確保城鄉(xiāng)建設(shè)用地總量不增加，農(nóng)用地和耕地面積不減少等。

④ 單個(gè)像元大小是25 m2，人口預(yù)測根據(jù)《永川區(qū)板橋鎮(zhèn)總體規(guī)劃修編（2014年編制）》中對(duì)涼風(fēng)埡村的人口規(guī)模預(yù)測決定的，預(yù)測2035年涼風(fēng)埡村村莊人口1500人。

⑤ 《永川區(qū)板橋鎮(zhèn)總體規(guī)劃修編（2014年編制）》中規(guī)劃板橋鎮(zhèn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)是：以現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)，休閑食品加工、鄉(xiāng)村旅游為特色，農(nóng)業(yè)與工業(yè)、旅游業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三產(chǎn)互動(dòng)發(fā)展。