编辑推荐：
土地利用功能指土地系统直接或间接提供产品和服务的能力。它们反映了不同阶段土地利用的强度及社会发展的需求，是未来土地利用规划的重要参考。本研究建立了一个集成自上而下和自下而上方法的土地利用配置优化框架，以提升土地利用功能。在自下而上层面，采用人工神经网络（ANN
土地利用功能指土地系统直接或间接提供产品和服务的能力。它们反映了不同阶段土地利用的强度及社会发展的需求，是未来土地利用规划的重要参考。本研究建立了一个集成自上而下和自下而上方法的土地利用配置优化框架，以提升土地利用功能。在自下而上层面，采用人工神经网络（ANN）模型，基于邻域规则和驱动因子评估土地适宜性。在自上而下层面，采用多智能体系统（MAS）模型，整合土地利用功能之间的权衡关系与供需关系，从而在配置过程中定义土地利用约束。随后，将这两个模型集成到元胞自动机（CA）模型中，实现优化土地利用格局的空间分配。研究选取位于山东省的新泰市作为研究区。结果表明：与2021年基线相比，生态功能提升最大，增加24.11%，而生活功能和生产功能分别小幅下降4.35%和0.87%，综合功能总体提升9.32%。在土地利用功能的权衡关系方面，生产与生态功能之间、生活与生态功能之间的权衡强度分别显著下降28.72%和25.56%，而生产与生活功能之间的权衡强度小幅上升1.68%。在新泰市土地利用功能的供需关系方面，生产功能盈余下降13.46%，生活功能盈余增加16.67%，生态功能赤字改善33.33%，综合功能盈余增加23.53%。所提出的方法在提升土地利用功能、缓解土地利用功能之间的权衡以及优化其供需关系方面表现出显著有效性。
论文解读文章
**研究背景与问题**
土地利用功能（Land Use Functions）是指土地系统直接或间接提供产品和服务的能力，反映不同阶段土地利用强度与社会发展需求，是土地利用规划的重要参考。在全球土地计划（GLP）推动下，仅关注土地利用/覆被变化（LUCC）的研究已难以全面捕捉土地系统的复杂耦合特征，因此土地利用功能研究日益受到重视。当前土地利用配置优化主要有自上而下（基于宏观目标与总量控制）和自下而上（模拟微观主体决策与环境驱动）两种范式，但前者难以反映自然环境的空间差异，后者则缺乏对政策约束和人类决策的体现，各自存在局限性。为克服这些不足，需要集成两种方法的优势。本研究以资源枯竭型城市新泰市为例，采用自上而下与自下而上相结合的框架来优化土地利用配置、提升土地利用功能，为区域人地关系协调和土地转型路径识别提供科学依据。论文发表在《Land》。
**主要技术方法（不超过250字）**
研究人员构建了自上而下与自下而上集成的框架。自下而上层面，利用人工神经网络（ANN）模型，输入9个自然与社会经济驱动因子（如海拔、坡度、坡向、地质条件、水文条件、距道路距离、距铁路距离、距城镇距离、商服业密度）以及3×3邻域规则，计算各像元的土地利用适宜性。自上而下层面，构建三层次多智能体系统（MAS）：政府代理人根据城镇发展类型（农业型、工业型、生态旅游型、综合服务型）确定主导功能与转换方向；部门代理人通过Pareto最优解评估功能权衡强度以优化功能协同；居民代理人反映功能需求以改善供需关系。MAS与ANN的输出作为约束和适宜性参数，集成进元胞自动机（CA）模型中，经Kappa系数、总体精度（OA）、FOM指标验证（30m分辨率，3×3邻域，500次迭代），实现土地利用空间优化分配。数据来源包括PIE-Engine平台（2021年土地利用数据）、山东省城乡规划设计研究院（高程、矿区边界、道路等）及新泰市统计年鉴（原煤产量、人口、粮食产量、GDP等）。
**研究结果**
**3.1 优化后的土地利用结构变化**
通过优化前后面积统计，耕地面积减少最多（2650.81 hm2），建设用地增加2234.83 hm2，林地和草地小幅减少，水域小幅增加。土地利用转移矩阵显示约54.5%（14,849.95 hm2）的像元被重新分配，建设用地转入最大（6586.79 hm2，其中6420.42 hm2来自耕地），耕地转入5702.44 hm2（其中3946.27 hm2来自建设用地），林地、草地、水域之间也发生相互转换，体现模型的可控性与智能性。
**3.2 优化后的土地利用空间分布**
优化后的空间分布对比显示，新开发区域源于现有类型的转换。新泰北部、中部、南部的山地丘陵区林地和草地增加；中心城区及“楼禹”“西羊果”两个城市副中心建设用地适度扩张，且增长相对集中。不同发展类型城镇优化效果各异：农业型城镇减少林地、草地和建设用地以转为耕地；工业型城镇在建成区周围进一步扩展建设用地；生态旅游型城镇适当减少耕地和建设用地转为生态用地；综合服务型城镇在现有建设用地周围适度扩张。
**3.3 优化后土地利用功能变化**
生产功能提升区域集中在西部平原及泉沟镇、龙廷镇，下降区域主要在北部山地丘陵（退耕还林）及工业型、综合服务型城镇。生活功能提升区域集中在青云街道、新甫街道及两个城市副中心，下降区域在天宝镇、泉沟镇及矿区城镇（小协、翟镇、东都、汶南）。生态功能提升主要集中在新泰北部、中部和南部山地丘陵（退耕还林、居民点搬迁），下降区域在中心城区及两个副中心（城市扩展占用部分耕地和生态用地）。统计显示，农业型城镇生产功能和生态功能分别提升9.55%和19.80%，生活功能下降11.38%，综合功能提升12.68%；工业型城镇生活功能提升11.16%，生产与生态功能小幅下降，综合功能提升10.78%；生态旅游型城镇生态功能大幅提升68.50%，生产与生活功能下降，综合功能提升14.09%；综合服务型城镇生活功能提升5.34%，生产与生态功能下降，综合功能提升0.88%。全市范围内生态功能提升最大（24.11%），生活和生产功能小幅下降，综合功能提升9.32%。
**3.4 土地利用功能权衡关系变化**
通过优化前后权衡强度空间叠加分析：生产与生活功能权衡强度减弱区域主要集中在新泰南部农业型城镇（通过减少分散农村居民点并退林还耕增加耕地）以及综合服务型城镇（青云、新甫、汶南等）；但在其余工业型和综合服务型城镇，权衡强度略有上升。生产与生态功能权衡减弱区域主要集中在新泰北部、中部和南部山地丘陵（退耕还林还草提升生态功能），西部平原农业型城镇也略有减弱；工业型和综合服务型城镇因建设用地扩张占用生态用地和少量耕地，权衡强度增加。生活与生态功能权衡减弱区域主要分布在山地丘陵区及中心城区周边的工业型和综合服务型城镇（前者通过居民点搬迁和生态修复，后者通过建设用地扩张提升生活功能）。统计显示，全市范围内生产与生活功能权衡强度上升1.68%，生产与生态功能权衡强度下降28.72%，生活与生态功能权衡强度下降25.56%。分类型看，农业型城镇生产与生态功能权衡强度下降最大（28.33%）；工业型城镇生活与生态功能权衡强度上升；生态旅游型城镇生产与生活功能协同增加3.19%，生产与生态、生活与生态权衡强度分别下降15.14%和5.59%；综合服务型城镇生产与生活功能权衡强度上升6.85%，生产与生态、生活与生态权衡强度分别下降15.38%和5.88%。
**3.5 土地利用功能供需关系变化**
通过供需比空间变化叠加分析：生产功能供需比改善区域在西部平原和东部龙廷镇（通过耕地扩张）；生活功能供需比改善区域在北部山地丘陵区（居民点搬迁降低需求）及工业型城镇（汶南、东都、谷里等，建设用地扩张增加供给）；生态功能供需比改善区域集中在矿区周围和西部平原（建设用地扩张占用生态用地降低需求），农业型城镇（石莱镇、宫里镇）建设用地减少、耕地增加也降低生态需求；综合功能改善区域集中在西部平原和矿区周围。全市统计显示，生产功能盈余下降13.46%，生活功能盈余增加16.67%，生态功能赤字改善33.33%，综合功能盈余增加23.53%。分类型：农业型城镇生产功能盈余增加65.31%，生活功能赤字改善20.00%，生态功能盈余增加30.00%，综合功能盈余增加23.53%；工业型城镇生产功能盈余下降26.67%，生活功能盈余增加42.86%，生态功能赤字增加16.67%，综合功能盈余增加38.46%；生态旅游型城镇生产功能盈余下降30.30%，生活功能赤字增加14.29%，生态功能盈余增加66.67%，综合功能盈余增加9.52%；综合服务型城镇生产功能盈余下降27.27%，生活功能盈余增加16.25%，生态功能赤字增加38.00%，综合功能盈余增加15.56%。
**讨论与结论总结**
讨论部分指出，土地利用功能是人类社会与土地系统之间的界面，提升功能是优化配置的首要目标。过往研究多使用CA-ANN模型模拟快速城市化下的土地扩张，侧重预测精度和空间扩张特征；本研究将框架扩展到资源枯竭型城市的土地利用功能优化与空间重组，通过集成自上而下的政策约束和自下而上的适宜性评估，拓展了CA-ANN模型的应用范围。不同发展类型城镇表现出差异化空间调整模式，与资源型城市转型期强调生态保护同时保障产业、粮食、生态安全的优化策略一致。研究结果证实所提框架能有效缓解功能权衡并优化供需关系，为不同城镇的土地利用规划提供差异化指导。但研究也存在局限性：指标体系基于区域特征，较小研究区、有限数据及指标选择可能限制普适性；仅基于土地面积估算功能导致空间分辨率限于乡镇尺度，无法捕捉同一土地类型内的功能异质性。未来可整合NDVI/EVI、夜间灯光、POI数据及实地调查改进功能表征，并引入蒙特卡洛不确定性分析、深度学习算法或PLUS模型等新兴AI技术提升优化效率与模拟精度。
研究结论部分翻译如下：针对新泰市2021年土地利用功能状况，本研究采用自上而下与自下而上相结合的框架进行旨在提升土地利用功能的优化。在自下而上层面，采用人工神经网络（ANN）模型以强调不同土地利用类型的土地适宜性。在自上而下层面，采用多智能体系统（MAS）模型以反映人类社会系统中的决策过程。这两个模型进一步集成到元胞自动机（CA）模型中，实现土地利用的空间配置优化。此外，该模型将土地利用功能的权衡关系和供需关系耦合到土地利用空间优化过程中。优化结果显示，约54.5%（14,849.95 hm2）的像元在优化过程中被重新分配。优化后，耕地面积变化最大，减少2650.81 hm2，建设用地次之，增加2234.83 hm2，林地和草地小幅减少，水域面积小幅增加。转入面积最大的是建设用地，总计6586.79 hm2，其中6420.42 hm2来自耕地。同时，5702.44 hm2土地转为耕地，其中3946.27 hm2来自建设用地。土地利用功能优化结果表明，与2021年土地利用功能状况相比，生态功能提升最大，增加24.11%，生活功能和生产功能分别小幅下降4.35%和0.87%，综合功能总体提升9.32%。在土地利用功能权衡关系方面，新泰市生产与生活功能权衡强度上升1.68%，而生产与生态功能、生活与生态功能权衡强度分别减弱28.72%和25.56%。在土地利用功能供需关系方面，生产功能供需关系盈余下降13.46%，生活功能供需关系盈余增加16.67%，生态功能供需关系赤字改善33.33%，综合功能盈余增加23.53%。
