一、技術框架

2016年3月，《長江經濟帶發展規劃綱要》發布，武漢是超大城市，是我國中部地區的中心城市，也是長江經濟帶上的核心城市之一。武漢市湖泊衆多，濕地資源豐富，生物資源衆多，水域面積是全國大城市第一，素有“百湖之市”的美稱。但随着城市化進程的加快，人口和經濟活動的進一步集聚，原有的水域、濕地等生态空間被嚴重擠占，生态結構和功能遭到破壞，嚴重威脅到武漢市可持續發展。為此，國家倡導生态文明建設，積極發展水域、濕地等生态資源的生态環境監測及預警等相關技術，提升區域的生态環境質量，優化生态環境的空間布局。

生态環境是一個涉及人與自然并相互影響的複雜系統，它涉及到區域的水資源生态環境、陸生生态環境、景觀、聲環境以及空氣環境等。與此同時，各個子生态環境之間相互聯系，相互作用，不可能以獨立的形式存在，因此，研究生态環境安全格局的過程中除了重點關注研究的生态子系統的影響之外還應當兼顧其它生态子系統的影響。

基于RS、GIS的多門類自然資源調查評價及監測技術方法對長江武漢段的水資源、濕地等生态環境環境進行調查分析，構建區域生态安全格局評價分析系統。應用系統動力學、計算智能算法和元胞自動機技術，耦合“自上而下”和“自下而上”的區域城市土地利用演變模拟系統，發展城市增長生态環境影響的情景模拟技術，重點評估未來城市增長和土地利用變化對濕地保護、水生态保護、水環境等方面的生态效應。利用空間優化技術對未來城市增長和土地利用變化對區域的水資源、濕地等生态資源進行生态安全格局優化，從而實現未來區域的可持續發展。研究的技術框架如圖1。

圖1 生态安全格局模拟與優化研究技術框架

二、關鍵技術

1、生态安全格局評價

從功能、敏感性以及景觀格局三個角度出發，選取生态服務功能、生态敏感性以及景觀指數對生态安全格局進行評價。其中，選取水源涵養、土壤保持、固碳釋氧和生物多樣性4項服務對生态系統服務功能進行定量評價；選取水土流失、土地沙化、水質污染等指标對生态敏感性進行評價；選取景觀連通性指數和景觀破碎度對景觀格局進行評價。結合研究區生态環境現狀與城市狀況，采用層次分析法或熵值法等方法确定各個評價指标權重指标，基于GIS的空間疊加分析功能，綜合評價研究區的生态系統服務重要性、生态敏感性和景觀優勢性。

借鑒“源—彙”生态安全格局理論，基于生态系統服務、生态敏感性和景觀指數評價結果，根據3極自然斷點法，選取水資源、濕地資源等生态系統功能極重要區、生态極敏感區、景觀優勢區作為生态源地；選取自然因子和人為擾動因子構建生态阻力面，利用最小累計阻力（MCR）模型提取生态廊道和生态夾點；從系統和網絡視角，構建“源地—生态節點—生态廊道”的生态保護紅線網絡。從而評估區域的生态安全格局狀況。

2、城市擴張模拟及土地利用變化的生态環境影響分析

研究應用元胞自動機（CA）技術，耦合“自上而下”和“自下而上”的城市土地利用演變模拟系統，基于生态安全格局評價系統發展城市增長生态環境影響的情景模拟技術。結合相關分析、因子分析等方法探究不同場景下城市擴張及土地利用變化對區域水生态環境、濕地資源保護以及生物多樣性等生态系統的影響，耦合自然因素數據、社會經濟發展數據，生态環境狀況數據以及政策性文件為提升區域的水資源、濕地等生态環境狀況提出建設性意見。

3、生态安全格局優化

針對城市擴張産生的生态環境效應，提出以生态優先、綠色可持續發展理念為導向。從全局利益角度出發，在生态保護紅線的剛性約束和區域承載力環境的約束條件下，從土地的經濟價值、服務價值以及社會價值三個維度考慮，構建生态保護（生态适宜性）、糧食安全（農業适宜性）、經濟高效（建設用地開發适宜性）等多維優化目标，利用智能優化算法模型，通過優化目标的不同權重組合，得到不同情景下的生态空間分布情況，實現區域水生生态環境、濕地保護等生态安全格局的協同優化。

三、支撐平台

利用元胞自動機，耦合“自上而下”和“自下而上”的城市土地利用演變模拟系統，發展城市增長生态環境影響的情景模拟技術。研究模拟了武漢市都市區2025年三種不同場景下（緊湊型，持續型和蔓延型）的城市土地利用變化。研究結果可為探索武漢市未來城市擴張與土地利用變化對區域水生環境效應、濕地保護以及生物多樣等生态環境的影響分析提供技術支持。

為了更好地輔助城市擴張以及土地變化對區域水環境效應、濕地保護以及水生态保護等生态系統的影響，團隊研發了國土空間決策支持信息平台。平台整合了區域生态安全評價、城市土地利用變化模拟、水生态環境影響因素分析以及生态安全格局的空間優化等技術。平台可為智能化管理區域的生态環境狀況以及優化區域的生态環境的空間布局提供支持。

圖2 國土空間決策支持信息平台

圖3城市生态環境相關研究成果展示