基于InVEST与CARS的生态空间分区与未来预测研究

0 引 言

2018年自然资源部成立后，“两统一”职责对地理信息服务于生态文明建设提出了更高的要求。GIS支持下的土地利用变化研究及城市发展与生态保护耦合分析也成为技术应用的热点。社会经济发展过程中的城镇快速扩张逐渐成为影响自然生境的关键因素，因此测绘地理信息对于协调城市发展，缓解城市发展与自然生态环境之间的矛盾，提高城市可持续性的意义愈发重要。现有的研究多针对城镇或生态用地进行单一评价或模拟，或仅针对生态用地进行综合评价，在生态用地的预测与两者之间耦合关系分析上较少。如郭瑞琦等利用 CLUMondo 模型，通过3种不同情景的土地利用模拟实现了广西沿海城市2025年土地系统时空动态变化探究，但是对于其中生态与城市发展之间的冲突并未加以说明。也有学者针对生态系统服务价值与土地利用变化进行针对性分析或利用单一模型对生空间进行评价。以上研究虽然都考虑了时空用地的演化因素，但是却将城市和生态看作两个分离的部分，通过选取一个或几个年份的截面数据，运用单一模型评价生态空间和城镇空间。这些方法局限于数量与结构特征的分析，忽视了模型间的耦合运用，对于生态空间的评价不够全面与具体。

本文基于“两统一”职责的新要求，拟以地理信息在国土空间规划背景下的新应用为出发点，尝试解决生态保护与城市间耦合发展的平衡性问题。鉴于此，在前人研究的基础上，耦合生态和城镇两个模块，利用Markov-CARS和InVEST两种模型，基于现状评估和分区划定的结果，结合未来生态空间布局的模拟，挖掘生态用地和城镇用地的时空变化规律。研究的综合评估和模拟结果能够为区域土地利用规划决策提供科学参考，为城镇开发边界、基本农田保护红线和生态红线的合理划定提供依据，并确定区域内的生态保护优先区，以期在区域未来的发展中更好地保护土地资源，实现区域的协调可持续发展。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

武进区，江苏省常州市辖区，属于太湖流域的湖西和武澄锡两区，是长江下游重要城市的中心区。作为快速城镇化的典型地区，土地利用变更情况时有发生，同时，境内自然条件优异，有太湖、滆湖两大湖泊与太湖湾8km滨湖岸线，河流纵横密布，骨干河道呈现“五纵三横”格局。武进区下辖11个镇、5个街道、1个国家级高新区、1个省级高新区、2个省级经济开发区、1个省级旅游度假区和1个省级现代农业产业园区。武进区土地总面积106600.58hm²，其中农用地面积49558.61hm²，占土地总面积的46.49%；建设用地面积29016.68hm²，占土地总面积的27.22%；其他土地面积28025.29hm²，占土地总面积的26.29%（图1）。

图1 研究区区位图

Fig.1 Location of study area

1.2 数据及预处理

本文使用的空间数据和属性数据主要分为3个模块：矢量数据、栅格数据和统计年鉴数据。

矢量数据主要包括：常州市武进区2005年、2010年和2015年土地利用现状数据（ 1∶5000），2012年常州市交通数据，2019年常州市生态红线划定矢量数据（1∶5000）。栅格数据主要包括：2012年常州市数字高程模型（30m×30m），2015年DMSP/OLS夜间灯光数据。统计年鉴数据包括：常州市武进区统计年鉴、统计公报，常州市武进区土地利用总体规划、城市总体规划、生态文明建设规划。

在数据预处理过程中，对于上述的矢量数据进行投影转换以保证坐标系统一，再对栅格数据进行重采样。本研究以WGS84为统一的坐标系，分析评价单元统一为100m×100m。

2 研究方法

2.1 多因素生态评价

1)水资源敏感性与生物多样性分析方法

水资源环境敏感性（Risk Assessment of Water）主要指生态系统提供的水资源保障作用及洪水调蓄作用，包括降水量调节，拦蓄水量，净化水质调节径流等。水资源环境敏感性因子对水资源保护意义重大。在相关的研究中，水资源生态敏感性指标多采用定量指标评估法进行评价，算式为：

式中，Rxw为水资源环境敏感性指数；NPPmean为植被净初级生产力多年平均指数；Fpre为多年平均降雨量；Fsoil为土壤渗透因子；Fslope为坡度。

生物多样性敏感性评价（ Risk Assessment ofBiology）也是生态评价中重要的一个环节。其精确的评价多依赖于区域内相关生物的详细监测数据，但是受到环境与可获得性的制约，研究难以获得直接的监测数据，因此采用综合指数评估的方法间接评估，具体采用定量指标法进行评估。算式如下：

式中，Rxbio为x栅格单元处的生物多样性敏感因子指数；NPPmean为净初级植被生产力指数多年平均值；Fpre和Ftemp分别为年平均降水量和年平均气温；Fdem为海拔高程。使用ArcGIS软件中Spatial Analyst模块提供的FuzzyMembership工具，将其按最大值与最小值进行归一化处理，其中Membership type的参数选择Liner。

2）InVEST生境质量评价方法

生态空间质量评价指数能够表征个体或者种群适宜生存环境能力，研究选用InVEST模型3.2.0版本提供的生境质量模块（Habitat Quality）进行生境质量评价。该模块可以将研究区土地利用覆被与生物多样性威胁因素的信息建立联系，并根据不同情景设定下的生境对威胁源的响应程度，生成生境质量地图。生境质量的好坏是通过生境退化程度和生境质量指数共同决定的，生境退化度的计算公式如下：

式中，Dxj为生境退化度；r为生境的威胁因子；R为威胁因子总量；y为威胁源r中的某个栅格；Yr为图层r中的栅格数量总和；Wr 为威胁权重；ry为用于判断威胁因子r的来源地；irxy为生境与威胁源的距离函数；βx为威助源到栅格像元x处的可达性水平；Sjr为生境类型j对于威胁源的敏感程度。

结合研究区实际土地利用和社会经济发展情况，选取人口、GDP、城镇用地、交通道路作为威胁源因子，并对威胁因子进行最大影响距离、影响权重和衰退线性赋值，以此表征研究区人类活动和社会经济发展情况。

敏感性与数值的大小呈正相关，0表明此类生境类型对该威胁源因子不敏感，1表示此生境类型对威胁源极其敏感（其取值范围为0到1，值越大表明生境类型对该威胁源因子越敏感）。假设随着距离的增加，威胁源的影响力会呈现指数或者线性衰减，对于土地覆盖类型中的栅格的生境质量计算公式为：

式中，Qxj为生境类型j在栅格单元x处的生境退化度；Hj为生境类型的生境适合性；z值为模型的默认参数设置为2.5；k为半饱和常数，是退化度最大值的一半。

2.2 生态评价叠置分区

叠加分析的目标在于综合分析相同空间位置上不同类型的生态评价。对同一位置上的不同生态评价结果取最大值叠加，从而反映该位置的综合评价信息。利用地理信息系统的地图代数功能，叠加公式如下：

式中，ECEx为栅格单元x处最终的生态综合评价结果；Rxw、Rxbio、Qxj 分别为栅格x处的水资源敏感性、生物多样性评价、生境质量。本文按照生态现状综合质量评价结果，提取出生态空间重要性分区边界与城镇发展区边界。

2.3 CARS模型生态用地变化预测

基于多类随机种子的CA模型（CA based on MultipleRandom Seeds，简称CARS）突破了传统的模拟一般仅针对城镇用地扩展进行分析的局限，对于不同类型的用地综合考虑模型的最优解。Markov链将某一个时刻的土地利用类型对应于Markov过程中可能的一种状态，其只与之前的某一个时刻土地利用类型相关，地类之间转移的面积数量视为转移的概率。随机森林算法属于集成学习（Ensemble Learning）的一种，可以看作是由众多独立的决策树作为基分类器构成，并且互不关联。当输入新的样本时，随机森林中的每一棵决策树分别进行判断，并根据样本特征分析类别，最终汇总结果进行下一步判断。

研究利用Markov链分别预测草地、林地、水域、城镇和农田5种地类2025年的用地总量。该过程需要以研究区土地利用现状为本底基础，同时结合因子对土地的数量设置合理的科学约束。采用随机森林采样的方法对因子进行权重计算。具体的模拟步骤主要包括3个部分：①确定草地、林地、耕地、城镇用地和水域地类的总量分别为6317、14761、41098、24043、19842hm²；②进行用地扩张策略分析与随机森林参数设置，获得模型训练结果和驱动因子权重，构建转移0、1矩阵；③确定5种地类之间的领域权重，根据各种用地类型占扩展面积的比例来进行构建，取值范围为0～1，值越大表明两种地类之间转移的概率越大，输入获得的模拟参数、土地利用需求、转移矩阵（图2）。

图2 整体研究流程图

Fig.2 Flow chart of this study work

3 结果与讨论

3.1 现状分区结果

基于2.1节中的多因素生态评价综合结果，将武进区按其生态价值最高的数值分为极重要区、重要区和一般重要区，分别对应于InVEST生境质量评价最高区域，水源涵养生态功能高价值区域和生物多样性功能高价值区域。从现状生态综合评价的角度分析，武进区的水资源敏感性指数评价结果区域面积最大，面积为79551.27hm²，占总土地面积的74.60%；一般重要区域内的土地类型多为城镇建设用地，耕地和城镇周边用地。生态评价最高的极重要区域集中在水域、山地、丘陵附近，总面积16837.51hm²，占全域总面积的15.80%。这些区域靠近良好的水源，且植被覆盖度高，具有良好的生态与气候条件，虽然面积占比较小，但对于环境的影响指数高。极重要的生态用地集中在低海拔高度的平原区和水域周围，用地类型以林地和湿地为主，集中分布在滆湖（西太湖）湿地公园和附近，竺山周围的生态开敞空间和横林镇、高新区的一些留白用地区域。生态重要性区域面积10211.47hm²，占区域总面积的9.60%，可以看作是极重要区域周围的缓冲带。

从2015年研究区的生态空间综合质量评价结果看，一般重要性区域主要是中心城镇区域，在此基础上划定出生态用地集中区与城镇发展集中区。生态功能包含众多服务于人类的功能，生态系统综合评价的细分表明，武进区现存的生态问题主要在于人地分布上的空间差异，水源涵养与生境质量高的部分往往不是人口密集区，对于更加精细的评估管理来说，还不能够满足高度城市化地区生态功能高质量、高效率的服务。结合全区“双中心、三片区”建设，形成湖塘和西太湖双中心发展格局，重点建设区应围绕环滆湖地区，充分发挥滨水生态优势，以生态与创新为亮点。

3.2 未来预测结果

对于社会经济因子和气候环境因子进行驱动力的排序分析，探究了影响研究区生态空间变化的因素。2005年至2015年，研究区生态空间变化都非常显著，这与研究区的城镇发展密不可分。其中绝大部分地区都经历了生态用地大规模减少，之后转为碎片化发展的阶段。生态空间逆向扩展驱动力的排名主要是GDP、距离公路距离、人口密度，正向扩展驱动因子主要是高程、坡度、气温和降水。

基于分区结果，将2025年生态空间中位于现状生态评价高质量区内的地块，划为提供重要生态系统服务、维护关键生态过程和防止生态脆弱性的一级生态用地；将剩余未来生态用地且不位于评价高质量区内的生态用地作为二级生态用地，其主要提供基础的生态功能，满足周围人居生态；未来非生态用地且现状评价非高质量区为三级生态用地，提供的生态价值较低。在现状生态综合评价的基础上获取生态空间重要性分区，生态综合评价高质量区主要呈现集中连片的分布特点，在叠加未来生态空间格局后，细碎图斑增多，未来生态空间的栅格像元共36316个，其中生态质量评价一般重要性区域中栅格数为5992个，即冲突区域面积约为6000hm²。永久基本农田和林地保护存在冲突，布局亟待优化。其中，公益林与永久基本农田冲突图斑面积1056.25hm²，冲突区域主要位于太湖湾片区；商品林与永久基本农田冲突图斑面积4905.67hm²，冲突区域主要位于雪堰镇（图3）。

图3 2025年生态空间冲突区域

Fig.3 Ecological space conlict areas in 2025

4 结束语

研究耦合了生态空间综合质量评价和生态空间变化模拟，从现状评估分区和未来变化预测两个角度出发，对常州市武进区生态空间进行综合评估，基于生态保护和城镇扩张的综合考量，对区域未来土地利用发展规划提出合理建议。

从空间分布来看，武进区生态空间综合质量极高的区域主要依托三横三纵的格局分布，集中于滆湖重要渔业水域、滆湖（武进区）重要湿地、滆湖饮用水源保护区、太湖（武进区）重要保护区、横山（武进区）生态公益林区域。生态系统功能较低的区域主要集中于中心城区及周围区域，镶嵌在集中连片耕地中的非农业用地生态空间综合质量评价结果也较低。未来城镇发展区中需要优先保护的生态空间主要集中在经发区的城镇开发边界内和遥观镇、洛阳镇的永久基本农田集中区内。从模拟后生态重点规划区域的角度分析，重点集中在城镇开发边界内和基本农田内生态评价高质量区内的细碎图斑优化布局。未来生态文明建设应围绕“两湖地区”，充分利用好太湖湾、滆湖周边的生态资源，以国土空间规划编制为契机，紧紧围绕“一区一城、五个生态”的发展目标，高标准推进滆湖片区的规划建设，做好太湖湾地区生态环境资源保护性开发，打造常州特色的生态高地。加强林地和湿地资源保护，作为生态空间规划保护的核心。

生态冲突区的规划利用，可依据分区进行合理安排，可采用加密生态控制点与细碎生态图斑整合的方式进行保育。生态区域可在不降低生态功能、不破坏生态系统的前提下适度开发利用，也可以允许适度开展观光、旅游、科研、科普教育等活动。在生态冲突区应限制新增开发建设行为及种植、养殖活动，不应擅自改变地形地貌及其他自然生态环境原有状态。

作者简介：陆羽（1996—），女，江苏连云港人，地图学与地理信息系统硕士研究生，主要研究方向为GIS与城市生态

E-mail:mg1827064@smail.nju.cn

本期回顾