随着城镇化的快速发展,诸多不合理的人类开发给自然生态系统带来较大影响,出现一系列生态环境问题,生态系统服务功能下降,生态环境恶化,整体趋势至今仍未得到有效遏制。在国家加强京津冀协调发展的大背景下,怀来县作为环京津生态保护区,担负着北京市生态屏障的重要作用,如何保护和改善县域生态环境,协调土地利用与经济社会发展和生态环境保护的关系,已成为区域可持续发展和生态文明建设亟待解决的关键问题。鉴于此,本文以怀来县为研究对象,以遥感影像图为主要信息源,在景观特征与功能评价的基础上,将高维多目标优化和CA-Markov模型模拟两种方法相结合进行多目标土地利用格局优化,实现了土地利用结构数量、空间两方面优化,旨在为土地利用规划和管理提供理论指导及技术支撑,为生态文明建设提供决策依据。主要结论如下:(1)融合整体人类生态系统、土地可持续利用、景观生态等理论指导土地利用格局优化,对理论基础做出了更深刻解译。为了实现将生态、景观理念要素能科学嵌入到土地利用优化中去,就所涉及的有关基础理论,如整体人类生态系统理念、景观生态学理论、土地可持续利用理论、人地协调理论、土地资源价值论和生态足迹理论等进行了综合阐述、辨析。对土地可持续利用、景观格局、生态系统和人地系统之间的理论脉络关系及相互影响机理给出了更深层次的解译,实现了景观、生态理论与土地利用格局优化理论衔接,形成了更为系统的理论指导体系,为提升土地利用格局优化水平奠定了坚实的理论基础。(2)以景观生态效应为切入点,以土地利用格局为研究对象,创建了“罚函数”—“带收缩因子粒子群改进算法”—“CA-Markov模型”有效链接的方法体系。运用景观格局指数法分析景观特征,估算生态足迹、生态承载力、生态赤字、土地可持续利用支撑强度、生态压力指数和生态协调度等指标反应区域生态效应。在自然景观要素与社会景观要素调查的基础上,通过GIS空间决策支持系统,以景观特征分区为指导,研究各景观要素之间的结构和功能关系,结合参数选择、参数设置、权重分配等构建构建景观生物功能、非生物功能、社会经济功能综合评价体系。在带收缩因子粒子群改进算法有约束的多目标优化模型中,为了“去约束化”接入了“罚函数”,大大提高了土地利用数量优化效果;以数量优化结果为空间格局优化努力目标,链接CA-Markov模型从生态景观功能层面进行土地利用格局优化,创建了“罚函数”—“带收缩因子粒子群改进算法”—“CA-Markov模型”有效链接的方法体系。(3)厘清了怀来县近30年土地利用及景观生态效应变化。通过对怀来县1987年、2000年、2013年三期遥感影像解译图进行土地利用类型转换、景观特征和生态效应分析,辨析了怀来县近30年土地利用演变特征和可持续发展状况。怀来县近30年土地利用类型面积呈现“三减三增”的规律,即:耕地、水域、未利用地面积整体呈减少趋势,园地、林地、建设用地逐年增多,其中耕地面积减少最大,由1987年的31854hm~2减少至2013年的25228hm~2,减少面积达到6627hm~2;建设用地面积增加最大,由1987年的7293hm~2增加至2013年的13921hm~2,增加面积为6628hm~2。从景观格局指数上看,怀来县景观多样性增加、优势度下降,整体景观趋于破碎化和不规则化,人为干扰引起的景观格局变化越来越强烈。从生态价值上看,近30年怀来县生态价值整体减少,由1987年的177844.23万元/a减少至2013年的170313.34万元/a,减少价值为7530.89万元/a,区域环境不断变差。从生态安全现状评价看,怀来县2013年的生态足迹所承受的压力指数为0.26,生态协调度为1.21,土地可持续利用支撑强度为-0.61,表明怀来县生态非常脆弱,土地利用属于强不可持续。(4)提出了以整体人类生态系统理论为指导的景观特征分区,创建了怀来县2013年土地利用景观功能数据库。将高程等级、坡度等级、土地利用与融合后的景观基质类型作为景观特征单元,对景观单元按照“高程—坡度—土地利用类型”作初步命名,得到295个景观特征单元,将整体人类生态系统理论引入到多功能景观特征分区,把怀来县划分为8个特征区:河川平原县城服务区、低山丘陵古镇文化旅游区、低山丘陵绿色工矿区、河川平原密集农业区、低山丘陵传统林果种植区、中部河川平原环库农林渔休闲农业区、中山山地森林景观区和山区荒草地景观区。创建了怀来县2013年土地利用景观功能数据库,包括水源涵养、土壤保持、防风固沙、灰鹤栖息地、绿头鸭栖息地、金翅雀栖息地、游憩娱乐、农作物生产8个功能,在此基础上划分多功能景观建设区:景观保护区、景观提升区、景观恢复区,所占面积依次为57310.15hm~2、102943.10hm~2、17979.01hm~2。(5)引入了景观功能进行CA-Markov模拟,并融合高维多目标优化方法,从而确定土地利用优化结构。采用改进后的带收缩因子粒子群优化算法求解高维多目标优化结果。从土地资源价值测算角度出发,确定低速城镇化、现状城镇化速度、高速城镇化三种情景,运用粒子群优化算法对怀来县2020年土地利用格局进行了数量优化。三种情景下生态价值总量均有不同程度增加,其价值增加量:低速城镇化>现有城镇化>快速城镇化,依次为59614.39万元、54706.55万元、54249.55万元。其中,园地、林地、建设用地、水域面积均较现状有所增加,未利用地面积均减少。以2000年、2013年土地利用状况为基础数据,将生物功能、非生物功能、社会经济区等7个景观功能高等级和极高等级分布区作为CA-Markov模型模拟限制因子,运用CA-Markov模型对怀来县2020年土地利用格局进行模拟。2020年怀来县耕地、未利用地较2013年减少,其减少面积分别为425.59hm~2、12549.6hm~2,园地、林地、建设用地、水域面积均增加,地类面积增加量为:林地>园地>水域>建设用地,增加面积分别为7097.28hm~2、5082.32hm~2、398.97hm~2、396.62hm~2,地类转换来源主要是未利用地。将高维多目标优化和CA-Markov模型模拟两种方法相结合,取长补短,进行土地利用优化,以CA-Markov模型模拟结果作为基础,将粒子群改进算法的理想化结果作为努力目标,兼顾经济社会发展、实现生态效益提高,最终实现怀来县土地利用数量、空间结构优化,实现生态环境可持续发展。综上,本文采用动态地理信息系统、遥感、专家系统的人工智能、仿真模型等方法,对土地利用格局变化、景观特征、生态效应、多功能景观分类与景观功能等进行评价与分析,成功地将生态、景观理念及其因素嵌入多目标土地利用“最优格局”之中,研究结果对于实现怀来县土地利用结构优化布局,形成具有可持续发展潜力的土地利用格局具有重要指导意义,同时对于冀西北山间盆地及其生态环境类似地区的土地资源持续利用、高效优化配置等提供借鉴。