面对资源约束趋紧、生态环境恶化、空间开发失序等制约我国社会经济可持续发展的现实困境,我国提出了全面推进生态文明建设的重大战略部署,并将国土空间优化作为实现生态文明建设的首要任务和根本途径。国土空间优化既包括宏观尺度的格局调整,注重区域主体功能协调与要素匹配,如陆海统筹发展、区域均衡发展、城乡融合发展等;同时也包括微观尺度的布局优化,注重空间具体用途和功能的配置与落地,如城镇、农业及生态功能空间的布局与协调。随着我国生态文明建设的深度推进,新时代国土空间优化的内涵和需求也随之变化,而如何从生态文明视角出发,以生态文明理念指导国土空间开发布局优化的实践操作则是当前区域生态文明建设面临的关键问题之一。其中,如何根据国土空间的社会、经济及生态属性,合理布局农业生产空间和生态保护空间,划定空间开发底线,并在此基础上引导构建科学合理的城镇建设空间布局,形成人口、资源与环境相协调,社会、经济与生态效益相统一的国土空间开发布局,则是解决当前我国社会经济发展所面临问题的重要途径,也是当前生态文明建设的紧迫任务。本文以市县层面国土空间开发布局优化作为研究切入点,在生态文明建设理论视角之下,采用系统动力学、超多目标优化、空间分析、空间模拟、机器学习等技术方法,就市县层面国土空间数量结构优化、空间开发底线划定、城镇开发建设布局模拟优化等国土空间开发布局优化的核心问题进行研究,以解决问题为基本导向选择行之有效的模型方法,并就技术方法中存在的不足之处提出针对性的改进方案,最终构建一套切实可行的国土空间开发布局优化技术方法体系,并进行实证应用研究。本研究的主要研究内容、结论如下:(1)梳理国内外研究现状,对当前国土空间数量结构优化、空间开发底线划定(包括永久基本农田保护区划定和生态网络空间构建)、城镇开发建设布局模拟与优化等相关技术方法的研究进展进行总结,分析其当前不足之处和未来发展趋势。通过文献研究明确了生态文明的基本概念内涵,并基于本文研究目的对“国土空间开发”相关概念进行辨析和界定。特别是明确了生态文明视角下国土空间开发布局优化的内涵与要求,即:协调生态、农业及城镇空间布局,统筹社会、经济及生态效益,强化底线管控、引导合理开发,注重布局与功能匹配。(2)把握区域国土空间开发演变的历史特征,提高空间认知水平,是开展国土空间开发布局优化的基础。传统利用转移矩阵以及基于转移矩阵构建的模型指数进行国土空间开发演变特征分析的研究方法没有充分利用转移矩阵中包含的结构变化信息,难以揭示国土空间开发演变的稳定性和系统性过程与模式,也无助于将国土空间开发演变过程、模式与区域社会经济活动相联系。针对这一不足之处,本研究提出使用层次化的强度分析框架并进行改进以准确探析并直观反映多种国土空间利用类型转换过程中的稳定性和系统性模式,以帮助决策者抓住国土空间开发演变过程的系统性特征,制定具有可操作性国土空间开发策略,辅助研究人员构建针对性的国土空间数量结构演变和空间布局模拟模型,从而提高模型结果的可靠性。利用转移矩阵和层次化强度分析框架分析识别武汉市国土空间开发演变特征和规律,结果表明武汉市国土空间具有农业生产空间比重高,城大镇小,村庄密集及绿色生态空间减少的基本特征,城镇建设空间布局表现出近域扩张、轴向拓展、圈层整合的演变模式。在此变化过程中,农业生产空间→绿色生态空间、农业生产空间→乡村生活空间、农业生产空间→城镇建设空间等转换过程是表现为稳定地倾向性系统转换模式,农业生产空间→其他生态空间、绿色生态空间→水体生态空间、乡村生活空间→水体生态空间、水体生态空间→农业生产空间、以及水体生态空间→绿色生态空间等转换过程则表现为稳定地避免性系统转换模式。(3)国土空间数量结构优化是国土空间开发布局优化的基础前提。传统国土空间数量结构优化方法将国土空间数量结构的形成看作数理方程的推导,割裂了国土空间数量结构演变与其所处的自然、社会及经济环境变化的整体性、系统性和动态关联性关系,仅停留在对国土空间面积和比例的客观叙述,缺乏原因和机理的考虑,欠缺实际的政策指导性。针对这一不足之处,本研究将系统动力学仿真模型与超多目标进化优化算法进行深度耦合,通过系统动力学模型将国土空间数量结构的形成与演变同社会、经济及资源环境因子相耦合,按照“优化政策、适应环境、提升效益、追求稳定”的基本原则,借助高性能并行计算技术和超多目标优化技术搜索使得国土空间开发的社会、经济及生态效益综合优化的鲁棒性决策因子,并结合历史经验和专家知识识别系统可适应、可承受的外部环境因子,构建国土空间数量结构仿真优化模型,并进行情景分析。将构建的国土空间数量结构演变系统动力学模型和超多目标优化模型应用于武汉市,其中基于系统动力学的探索性分析结果表明,武汉市国土空间数量结构演变表现出不同的发展趋势和行为模式,既有正向的、良性的系统变化模式,也有负向的、恶性的系统退化模式,因此需进行政策优化,引导国土空间数量结构的良性循环。结合基于超多目标进化优化的定量分析结果和基于专家知识的定性分析结果构建了武汉市国土空间数量结构优化的生态导向和经济导向决策情景。生态导向决策情境下武汉市2035年城镇建设用地面积为1844.21km~2,耕地面积为2255.15km~2,而经济决策导向情境下将达到2931.17km~2,耕地面积仅有1269.70km~2,面临较大的区域粮食安全风险。(4)划定国土空间开发底线,锚定农业生产空间和生态保护空间底线,强化底线约束是生态文明背景下国土空间开发布局优化的内在要求,主要包括永久基本农田保护区划定和生态网络空间构建。传统直接基于耕地质量指数排序划定永久基本农田保护区的方法因未考虑空间集聚信息,会使得划定的保护区分散破碎化,不利于基本农田的规模化经营以及保护与管理。针对这一不足之处,本研究从基本农田“高质量连片”这一基本要求出发,基于LESA耕地质量评价体系和AMEOBA空间非规则搜索聚类算法构建了既可反映耕地综合质量信息又能体现耕地空间集聚程度的优劣排序指数,然后结合国土空间数量结构优化结果划定研究区永久基本农田保护区。实证研究结果表明基于LESA评价体系和AMEOBA空间聚类算法划定的永久基本农田保护区符合武汉市耕地资源分布的基本特征,识别的永久基本农田保护区具有较好的空间聚集性。“斑块-廊道-基底”模式已成为当前生态网络空间构建的主要途径。基于适宜性评价结果采用GIS分析直接划定源地斑块存在导致源地斑块过于破碎化的风险,而基于源地斑块识别结果和最小累积阻力模型识别生态廊道的方法则会导致识别的廊道过多且无法指定廊道宽度,导致识别结果应用性不足。针对这些不足之处,本研究基于“宽松”理念提出生态源地及廊道识别方法的改进策略,其“宽松”性主要体现在:(1)适宜性评价过程中进行指标分级赋分时遵循较少分级原则;(2)采用移动窗口法平滑相近栅格单元的生态源地适宜性差异大小;(3)将源地斑块聚类为“源区”减少廊道数量;(4)基于最小累积阻力路径对应的最小累积阻力值逐渐提高最小累积阻力上限,构建累计阻力值等值线,从而增加路径(廊道)宽度。应用改进的生态网络构建方法,本研究在武汉市共识别陆生生态源地斑块263个,总面积1875.34km~2,其中面积大于500ha的生态斑块有23个,总面积为1607.14km~2,占生态斑块总面积的85.70%,平均斑块面积为6987.6ha,总体上大面积斑块占比较多,而小面积斑块占比较少,表明移动窗口法识别生态斑块能较好的避免斑块破碎化。根据源地斑块的空间分布特征,共勾绘“源区”9个,识别陆生廊道11条,有效的降低了廊道数量,并确定了差异化的廊道宽度。(5)城镇建设空间布局模拟是优化城镇开发建设布局的重要方法。基于元胞自动机模型对城镇开发建设布局进行多情景模拟与优化已发展较为成熟且应用广泛。传统元胞自动机模型以每个栅格作为空间开发单元,且没有考虑城镇空间开发建设过程中的不同模式,对城镇开发过程的表达不尽合理,也会使得模拟结果过于破碎化或过于紧凑而与实际不符。针对这一不足之处,本研究构建了基于斑块的地理元胞自动机模型(Patch-CA),并将城镇开发过程分为跳跃型和连续型分别进行模拟,通过跳跃型和连续型开发的面积比例控制城镇建设空间布局的空间集聚程度。此外,构建的模型还允许控制城镇开发建设斑块的形状和大小,从而影响空间布局形态。针对模型参数较多、校正困难的问题,本研究使用历史变化数据拟合和遗传算法寻优相结合的解决思路对模型参数进行校正。该模拟模型可以很好地与国土空间数量结构优化结果和开发底线划定结果相结合,进行不同决策情景下的城镇建设空间布局模拟。将构建的城镇建设空间布局模拟模型应用于武汉市1996-2015的城镇建设布局变化模拟中,结果显示2015年模拟布局的相似性指数均值为0.4773,具有较高的模拟精度,模型可用于未来武汉市城镇建设布局模拟和情景预测。基于生态决策情景的预测结果表明未来武汉市2035年城镇开发建设规模适度,布局合理,城市内部生态网络结构保存完好,农田和坑塘水面等毛细生态要素也受到较好的保护,生态网络功能受城镇开发建设胁迫而下降的风险较小。(6)在湖北省武汉市进行实证应用,研究结果验证了本文所构建方法体系的可行性。本研究以湖北省武汉市为实证研究区,应用构建的国土空间开发布局优化技术体系,有效识别了武汉市国土空间开发演变模式特征,确定了国土空间数量结构的生态和经济决策情景,划定了永久基本农田保护区,优化了生态网络空间布局,并在此基础上模拟了不同决策情景下的武汉市城镇开发建设布局。以此为基础,提出了武汉市未来国土空间开发布局优化路径建议:首先,要坚守生态底线,以生态网络空间优化促进国土空间开发布局优化,建议武汉市未来采取“环-廊-楔-区”相互补充的生态网络构建策略,形成“两轴、两环、六楔、多廊、多区”的生态网络空间布局;其次,应调整耕地布局,发挥农业生产空间多重功能性,构建“点-片-带”相结合的永久基本农田布局,与城镇建设空间相互支撑融合,组团布局,营造良好的城市田园风貌,提出了打造城市周边农业景观点,建设高产农田建设带,提升农业生态保护区的优化路径;第三,应着力构建“多中心、网络化、组团式”城镇建设布局,顺应国土空间开发底线的约束和引导,以组团结构为基础,采取组团分散、组群集聚、轴向拓展、圈层整合的开发策略,构建“一主、六新、多组团”的网络化城镇建设空间布局。本文的创新之处主要体现在以下方面:(1)将国土空间数量结构演变系统动力学仿真模型与超多目标优化算法耦合,通过系统动力学模型将国土空间数量结构演变与社会、经济及资源环境因子相耦合,搜索使得国土空间数量结构的社会、经济及生态效益综合优化的鲁棒性决策因子,构建国土空间数量结构仿真优化决策模型。(2)本研究基于“宽松”理念,从生态源地斑块识别、斑块空间聚合以及廊道识别等方面对传统生态源地和生态廊道识别方法进行改进,提出了一套改进的基于绿色基础设施评估的区域生态网络构建研究框架。(3)本研究构建了基于斑块的地理元胞自动机模型进行城镇建设空间布局模拟,并将城镇开发建设过程分为跳跃型和连续型进行模拟分析,实现了对城镇空间布局演变过程和模式的协调耦合控制,并提出了基于历史数据和优化算法的模型参数自校正方法。