基于空间异质性的城市群土地利用多目标优化研究

Urban agglomeration has become the spatial carrier of China's new urbanization, where the spatial distribution of land use makes a significant impact on economic development, environmental protection, and social harmony. Urban agglomeration asks for regional integration development, and on the other hand it is made up of a series of different cities where lead to the spatial heterogeneity in urban agglomeration. It is difficult for current multi-objective optimization (MOO) model to meet the requirements of urban agglomeration’s land use optimization, in terms of objective selection and spatial regulation. This project intends to take Wuhan urban agglomeration as a case study area. First, it intends to combine the geostatistical model and the spatial analysis model to describe the spatial heterogeneity of Wuhan urban agglomeration, where the spatial feature of land use in different spatial scales and correlation between land use and its objectives are measured, analyzed. Then, the multiple objectives at different spatial extend, the relationship between land use and objectives and the target value of objective are determined according to the spatial heterogeneity. Finally, a multi-objective optimization system for Wuhan urban agglomeration is built based on the objective system to optimize the spatial distribution of land use. The proposed study enriches the quantitative expression and selection of the objective in MOO, helps to express the spatial heterogeneity of land use in optimization and to generate a more real land use spatial distribution.

城市群已成为我国新型城镇化的空间载体，其土地利用空间布局对经济健康发展、环境保护、社会和谐产生重大影响。城市群既有区域一体化的发展需求，又是由功能、等级均不同的城市构成具有显著的空间异质性。目前的多目标优化模型在目标选择、空间调控等方面较难满足城市群土地利用优化要求。本项目拟对武汉城市群展开研究，结合地统计模型及空间分析模型分析城市群土地利用形态及其相关因素的空间异质性：提取不同尺度、不同空间范围的土地利用空间形态、描述土地利用与目标之间的相关性；以此确定城市群不同空间范围内（城市群整体、单个城市、同质区）的土地利用优化目标、土地利用与目标之间的函数关系、预期值；最后建立城市群土地利用多目标优化模型对城市群土地利用布局进行优化。该研究丰富了现有土地利用多目标优化模型中目标的选择及定量化表达的方法，有助于在土地利用优化中表达空间对象的空间异质性、更加真实的反应土地利用空间布局的需求。

城市群已成为我国新型城镇化的空间载体，其土地利用空间布局对经济健康发展、环境保护、社会和谐产生重大影响。对城市群进行土地利用优化布局、协调多方面的利益是我国快速城市化背景下的必然需求。但由于土地利用系统及其相关空间系统的复杂性，尤其空间结构、关系的异质性是基于匀质规则的多目标优化模型难以应对的。本项目针对多目标优化中的空间异质性问题展开深入的研究，并将空间异质性作为多目标优化模型的输入，以实现提高优化模型精度的目的。具体而言，本项目首先对土地利用的空间自相关性进行了评价，发现城市建设用地发展存在明显的空间自相关性；并在此基础上，探讨土地利用与环境目标之间的非平稳关系，其中环境目标以空气污染为例，主要指气溶胶；最后，在确定两者之间确实存在非平稳性关系的基础上，对武汉城市群土地利用进行模拟、预测、优化，实现对空气污染物的控制。在优化过程中采用非平稳关系建模，而非目前广泛使用的匀质关系。最终结果表明，目前武汉市城市圈内空气污染较为严重的地区为武汉市，若按照目前的土地利用发展趋势，未来黄石、咸宁也将成为空气污染的重点受灾区。本项目系统的研究了土地利用的空间异质性，包括空间自相关及与其他因子之间的非匀质关系。并将定量表达的空间异质性加入到土地利用模拟及优化模型中，为提高模型精度作出了一定贡献。