面向「可感知、能學習、善治理、自適應」的智慧國土空間規劃

本文在對國土空間規劃編制和信息平臺深入研究和實踐的基礎上，嘗試構建智慧國土空間規劃的理論框架（包括內涵、方法、目標、路徑等），涉及國土空間規劃的編制、審批、實施、監測、評估、預警等關鍵環節，以期為新時期空間規劃的智能編制與精準實施提供技術支撐。 

作者：張鴻輝

工學博士，理學博士後，教授級高級工程師，廣東省「智慧空間規劃」工程技術研究中心主任。

一、引  言

國土空間規劃邁入生態文明新時代。自中央將空間規劃改革納入《生態文明改革總體方案》以及國家自然資源部成立，國土空間開發利用和管理方面都要求國土空間規劃體系進行適應性調整，即意味著國土空間規划進入了生態文明的新時代。以生態保護為導向，以用途管制為抓手，逐漸實現高效協同、集約發展、精細治理的國土空間規劃新模式。

規劃矛盾非一日之寒，急需新方法解決。合理地開發利用國土空間，建設美好家園，是每個國家空間戰略與政策的最高目標。長期以來，由於我國各個規劃之間在空間和內容上矛盾突出，總結為「底圖不一、底數不清、底線不明、編管不銜」的四個「不」之困，嚴重影響了規劃效力和部門效能，難以適應新時期「全國統一、相互銜接、分級管理」和全域、全要素用途管制的空間規劃體系構建新要求。

新技術開啟解決傳統規劃問題新思路。近年來，隨著行動網路、區塊鏈、大數據、人工智慧等新技術、新數據的迅猛發展，帶來了發展方式、生活方式乃至治理方式的轉變。規划行業數據和知識得到快速膨脹與匯集，核心技術和智能算法也日漸成熟，從「人工智慧」到「機器智能」，從「智慧城市」到「城市大腦」，技術和方法的變革促使空間治理模式和服務模式的不斷突破，賦予了國土空間規劃智慧化的新動能。

國土空間數位化生態奠定智慧化根基。2019年1月，中央全面深化改革委員會第六次會議審議通過了《關於建立國土空間規劃體系並監督實施的若干意見》，為此，利用大數據和新技術，推進國土空間全域全要素的數位化和信息化，構建國土空間數位化生態，逐步形成數據精準化、業務協同化、監管全程化、預警實時化、決策科學化、服務一體化的智慧國土空間規劃。

二、智慧國土空間規劃的理論框架

智慧國土空間規劃的內涵、方法和實踐，要順應國家生態文明體制改革和空間規劃體系重構，實現國家治理體系和治理能力現代化的新要求，形成以管控為導向、以信息平臺建設為基礎、從編管脫節向編管協同轉變的智慧型國土空間規劃。

2.1內涵

結合國家全面深化規劃體制改革系列要求和新發展理念的戰略背景，提出以「生態優先、高效協同、集約發展、精細治理」為原則，依託人工智慧、大數據、城市信息模型（AI 、Big Data 、City Information Model，簡稱「ABC」），遙感、全球定位系統、地理信息系統（RS 、GPS 、GIS，簡稱「3S」），以及數字規劃、生態規劃和智能規劃（Digital Planning 、Ecological Planning 、Intelligent Planning，簡稱「3P」）技術，在自然資源本底現狀的全域數位化基礎上，開發以指標設計為基礎、以規則制定為手段、以算法研製為核心、以模型研究為支撐，覆蓋規劃編制、審批、實施、監測、評估、預警全流程的管理系統，助力「一張藍圖管到底」和空間治理能力現代化的智慧國土空間規劃，實現從傳統規劃向「可感知、能學習、善治理和自適應」的智慧型生態規劃轉變。

2.2目標

「多規合一」的實踐雖然解決了各個規劃之間的協調性問題，卻難以解決傳統規劃自身的「重心缺失、籠統僵化」等問題。智慧國土空間規劃的目標應該由「部門分治、重城輕鄉、靜態方案、編管脫節」的傳統物質型協調規劃向「多規合一、全域管控、動態藍圖、編管協同」的智慧人本型整合規劃轉變，通過「智慧國土空間規劃」新模式、新方法，最終實現空間規劃與治理的五個「一」，即空間資源一本帳，空間規劃一張圖，編管協同一張表，空間管控一張網，空間治理一平臺。

2.3邏輯

基於「可感知、能學習、善治理、自適應」的新時期國土空間規劃需求和「ABC」、「3S」、「3P」的科學技術手段，智慧國土空間規劃體系將形成以智能編制、在線審批、精準實施、長期監測、定期評估、及時預警為骨架的貫穿空間規劃全生命周期的橫向生態閉環，以及「上接部、省、市，下達區、鄉、村」的一體化縱向軸線。

圖1智慧國土空間規劃的邏輯思路

通過以自然資源本底現狀及監測、傳統規劃成果和新興數據構成的感知數據體系，融合深度學習等智能算法和模型搭建的學習算法體系，應用到智慧國土空間規劃骨架的各個環節，並藉助智能模擬等形式，收集社會各界的反饋和市場影響，不斷適應社會變化，最終形成一套科學、合理、協同的生態文明的空間治理體系。

2.4路徑

以「ABC+3S」為主的技術方法，以「3P」為主的技術體系，以覆蓋國土空間規劃全業務流程、實現空間規劃一張藍圖與監測評估預警可計算體系互動嵌入、構建集現狀與規劃信息於一體的國土空間規劃信息系統為主的產品工具，使國土空間規劃編制更智能、實施更精準、管控更科學，具體建設路徑如圖2。

圖2智慧國土空間規劃的建設路徑

三、智慧國土空間規劃的方法

智慧國土空間規劃在方法上也應充分符合「可感知、能學習、善治理和自適應」的新時期國土空間規劃特點。在新技術、新數據和新方法的驅動下，提出了以「可感知——數據驅動」為基礎、以「能學習——深度學習」為支撐、以「善治理——協同規劃」為導向、以「自適應——情景模擬」為目標的智慧國土空間規劃方法體系。

3.1數據驅動

數據是規劃的「生態」基礎，取之於規劃，用之於規劃。隨著基於定位功能的移動信息設備和技術的逐漸成熟，空間位置服務數據大量湧現，構成了國土空間規劃的感知體系。多源異構數據的動態可獲取性，實時採集人的行為活動、城市公共服務、社會經濟運行等社會屬性數據，促進國土空間規劃由單一的物理空間規劃轉向為「以人為本」的生態規劃。

藉助雲計算、移動網際網路、GIS等技術，進一步整合各類國土空間要素信息及新興數據，對國土空間要素分布特徵進行挖掘、分析、動態仿真和可視化表達，驅動國土空間規劃方法和模型的創新與優化開發。

利用新興位置服務大數據具有樣本量大、尺度精細的特徵，通過與已有城市數據的結合，可以應用於智能挖掘的智能體（Agent）模型個體行為決策規則和反演其異質屬性特徵表達上，使模型更真實精準反映人地交互關係。實現了國土空間規劃「自下而上」的精準表達，為編制國土空間規劃提供底數、底板、底線支撐。

圖3 多源數據的融合和處理過程

3.2深度學習

深度學習算法因其具備強大的學習能力，在提取大規模多源異構數據之間存在的各種複雜且非線性的關聯特徵方面極為有效，且能靈活應對，因而將規劃分析、預測模型與深度學習結合，共同構成國土空間規劃的學習體系。

珠江三角洲地區的城鎮建設用地、生態用地、農用地由於其自身的光譜、形狀、空間結構等的複雜性，往往很難做到精確識別和提取。採用深度卷積神經網絡 GoogleNet Inception V3 作為深度學習的分類器，通過對珠江三角洲遙感影像進行多尺度分割和標準化處理，選出驗證精度最高的網絡模型，確定各用地單元的用地類型，實現對規劃要素的精準提取。結合三調土地利用現狀、地理國情普查數據等多源數據，完成對珠江三角洲的用地類型進行城鎮建設用地、生態用地和農用地的分類和精準識別。

圖4 基於深度學習的土地利用類型識別技術路線

3.3協同規劃

「協同規劃」平臺基於土地利用規劃、城市總體規劃和經濟社會發展規劃，與產業布局規劃、環境保護規劃等其他專項規劃相融合。

智慧國土空間規劃通過構建基礎數據、目標指標、空間坐標、技術規範統一銜接共享的國土空間規劃協同平臺，提供一套完整的規劃信息服務環境，包含各類數據資源、分析工具及業務協同工具。

平臺具備規劃基期數據處理、空間資源信息管理、空間開發利用分析和輔助編制、項目協同在線審批和監管等功能，進一步強化部門業務的協同聯動，利於規劃在線審批和監督管理工作的開展。

此外，以空間信息數據為基數，通過大場景的GIS數據、小場景的BIM數據和物聯網的有機結合，集成的空間大數據全息平臺，也即城市信息模型CIM平臺，可以實現從表層到深層對空間各系統、各單元，全面、綜合的信息表達與聯動分析，從全過程對國土空間規劃與設計進行嵌合式支持，為新時代國土空間規劃的協同編制、在線審批、組織實施和監督管理提供了有效工具。

3.4智能模擬

空間規劃是一門研究人地關係的學科，要進行科學的國土空間規劃，就必須要理解國土空間的演變機理，並能實現預測。智能模擬是將全局演變與局部行為進行有機融合，實現對複雜人地關係演變的模擬呈現，用智能模擬的方法進行國土空間規劃是一種順勢而為的策略。

通過制定發展目標，從宏觀與微觀兩個尺度分析個體如何發展，使得系統整體朝著生態文明的目標發展，即構成了國土空間規劃的適應體系。

多智能體模型自下而上的模擬特徵十分吻合國土空間智能模擬的需求，可將人或者其他空間要素作為Agent代入到模型中進行模擬。結合學習算法構造Agent的學習模型，以充分體現出Agent的知識獲取能力和適應性。

基於多智能體系統（MAS）和學習算法構建的城市開發邊界精細模擬模型，通過量化和表徵建設用地規模與人口增長、經濟發展等因素的相關關係，預測建設用地規模。通過構建 Agent 協同交互模塊，模擬城市在多智能體行為決策過程中的空間開發過程並協同形成城市開發的「剛性」邊界和「彈性」邊界，得到城市開發邊界對城市空間的管控及反饋機制。

圖5基於多智能體動態交互決策過程模擬的城市開發邊界劃定原型圖

四、智慧國土空間規劃的案例實踐

以下從相關案例實踐經驗角度分別介紹國土空間規劃編制、審批、監測、評估、預警和信息平臺建設的智慧化實踐。

4.1輔助編制

廣東省廉江市的國土空間規劃編制過程案例中，在「雙評價」、現狀分析、用地規劃及空間優化分析等方面引入大數據、深度學習等智能算法進行定量分析，提升了規劃編制的科學性和合理性。

在對廉江市社會、經濟、生態、產業和重大基礎設施等充分調研的基礎上，結合航空攝影技術，採用空間數據分析工具，全面評估了廉江市國土空間及自然資產現狀，在此基礎上採用「短板效應」綜合得出承載能力的強弱等級。

圖6 廉江市「雙評價」過程

基於大數據科學的分析結果，藉助FLUS模型提取、識別城鄉發展影響因子，實現對土地利用變化的多維度、多情景模擬，為科學劃定「三區三線」提供評價方案，形成廉江市空間規劃成果「一張圖」，完善了廉江市國土空間管控機制，為生態安全、陸海統籌發展、自然資源合理利用，提供了有力支撐。

圖7 廉江市空間規劃「三區三線」劃定成果

4.2在線審批

國土空間規劃審批是把控國土空間規劃成果質量關和科學關的一道重要環節，是完善國家治理體系和治理能力的重要手段。

智慧國土空間規劃以信息化手段搭建在線審批平臺，平臺以規劃法律法規、規劃成果和數據標準、信息平臺、組織管理為支撐體系，針對國土空間規劃、專項規劃和重大項目空間規劃業務審批過程中的審批對象、審批方法和審批流程等基礎內容，以審查要素「一張表」、方法「一個庫」、流程「一張圖」的形式呈現，搭建一套完善的新時期國土空間規劃審批工作模式。

圖8 智慧國土空間規劃在線審批總體架構

智慧國土空間規劃在線審批平臺在資料庫和平臺搭建上，融合新興數據和新一代信息化技術，不僅補齊了傳統審批的信息交互、資源共享和業務協同障礙的短板，還實現了數據的智能感知，平臺的多維全景可視，提升了平臺的人性化服務和體驗性能。

4.3動態監測

通過建立國土空間規劃監測系統，可以動態掌握規劃實施和運行情況，為國土空間規劃管理提供有力的支撐。監測範圍包括規劃目標指標監測、規劃實施審批監測、用地變化情況監測。

監測主體將系統獲取各項指標的最新數據，通過對比指標目標值來明確相應政策在實施過程中出現的影響和偏差；通過對比各項指標的歷史數據，分析對應政策在空間上的影響趨勢和潛在變化，對規劃實施做出積極響應、理性調整和科學引導。

藉助遙感等技術手段，從土地利用類型管制分區的角度，對珠江三角洲的國土空間進行用地類型劃分和精準識別，並支持土地利用的長期動態監測，實現國土空間的目標管控、空間管控和指標管控。

圖9 珠江三角洲耕地變化監測 

圖10 珠江三角洲建設用地變化監測

通過對珠江三角洲土地利用類型的時序特徵變化及空間格局演變進行長期監測和追蹤，從用地轉化的角度，明確了不同類型用地之間的轉化數量、轉化特點、轉化的空間分布，比較不同行政單元之間的差異性和關聯性。同時，在大量研究基礎上開發了違法用地智能監測模型，該模型基於元胞自動機CA模型，對違法用地監測預警效果優於單一模型。

4.4定期評估

目前的國土空間規劃評估，主要基於指標體系和長期監測資料庫，通過建立數理模型對國土空間規劃實施情況進行評估，忽視了大數據對國土空間建成環境評價的重要意義和價值。

智慧國土空間規劃引入大數據進行規劃定期評估，更為深入全面地探討國土空間建成環境與居民時空行為的互動關係，為國土空間規劃與治理提供科學依據。

例如以社區單元為單位，利用手機信令數據、網格人口數據結合傳統規劃數據，藉助新的信息化技術和數據融合手段，基於區域現狀和已規劃的文教體衛設施配置水平，根據動態的實際人口分布與需求，對文教體衛設施的供需關係和分布格局進行精細評估。

圖11 區域文教體衛設施精細評估技術路線

利用手機信令的人口年齡信息，結合小學學校的分布數據作為需求點，根據不同年齡階段的人群對教育設施的需求特點，精準匹配設施的實際需求量（如以6歲到12歲的人口規模作為小學設施的需求量）並計算供需水平，對區域小學設施服務覆蓋的現狀水平、規划水平以及缺口區域進行識別和分析。

圖12 區域小學服務覆蓋精細評估結果

4.5預測預警

預警是國土空間規劃實施動態監測和定期評估的一項重要任務。智慧國土空間規劃根據監測指標體系，結合對國土空間感知數據的系統監測，按照數據匯集、規則制定和數位化表達等步驟，通過與規劃目標、指標、戰略導向以及經濟社會發展形勢的對比和預測，全面分析規劃實施評估報告，對規劃實施的方向、進度、程度等情況作出預警，以及時調整規劃實施策略，糾正規劃實施偏差，促進規劃有效實施。

按照「明確警情-尋找警源-分析警兆-預報警度-排警」的預警流程開發的耕地質量預警系統，能夠對區域耕地質量進行預警評價，為區域耕地保護和資源的可持續發展提供了可靠的信息源。

圖13 耕地質量預警流程圖

利用預警信息系統所提供的預測功能，針對不同的警兆指標，選擇合適的預測方法得出各警兆指標的預測值，再用擴散指數對區域耕地質量警情進行外推和預警。

圖14 區域耕地質量警情診斷與預警

4.6系統集成

在國土空間規劃政策施行、編制和實施過程中，需要對國土空間開發利用和資源保護情況進行長期監測、定期評估和及時預警，信息化建設將會是建立國土空間規劃體系，並監督實施的重要內容之一。因此，智慧國土空間規劃需要建立國土空間規劃監測評估預警系統，以作為構建國土空間數位化生態的基礎和抓手。

利用現有的國土空間規劃資料庫和信息化成果，通過GIS與CAD、BIM等技術的有效集成，整合基礎地理信息數據、公共專題數據、智能感知數據等，搭建面向不同需求、不同用戶的國土空間規劃編制和管理技術平臺，以實現規劃智能編制、在線審查、精準實施、長期監測、定期評估和及時預警的無縫銜接。

在國土空間規劃信息平臺建設中，也逐漸增加大數據挖掘功能和智能優化算法，以強化基於大數據開展挖掘分析、決策服務的技術要求，促進其在國土空間規劃編制、審批、實施和監管等方面的智能化應用。

五、結論與展望

本文順應國家時代發展的新要求，依託新技術、新數據和新方法，提出了智慧國土空間規劃的初步理論框架，並根據國土空間規劃編制、審批、實施、監測、評估、預警和平臺建設的科學性、智慧化發展需要，簡要梳理了技術方法及實踐應用案例，為新時期空間規劃的智能化轉型提供了有力的技術支撐，為智慧國土空間規劃的發展和信息化應用奠定了基礎。

展望未來，隨著大數據、雲計算、三維高仿真、移動網際網路等新興數據和信息技術的推廣應用，以及深度學習、圖像識別等AI技術的快速發展，智慧國土空間規劃的各個關鍵環節將會迎來技術的躍升和應用的拓展。

在「可感知」層面，將進一步探索時空大數據的獲取和存儲機制，空間規劃多源時空資料庫構建規則，以及時空大數據整合與標準化技術。探索耦合雲計算、深度學習、網際網路技術的多源時空數據挖掘的關聯融合模式，發掘融合不同業務、數據的關聯知識，為空間規劃的編制與管理提供數據驅動基礎。

在「能學習」層面，人工智慧帶來學習廣度、速度、精度和強度的大幅度提升，藉助人工智慧的深度學習功能，將實現空間形態的智能設計，在生態學和精確理性的支撐下，通過個體的精準計算，將高效完成空間設施的最佳配置量和配置點的空間布局。未來，將探索人工智慧導入城市規律學習和城市規劃決策過程中，助力空間規劃更加強大。

在「善治理」層面，信息平臺是實現空間治理能力現代化、規劃成果智能化的有效工具。未來，新一代信息技術的應用將進一步提升空間規劃各個環節的科學化、智慧化水平。將在規劃成果智能審查、建設項目智能審批、重大項目輔助選址、規劃全程智慧監管、規劃實施動態評估等系統的體系搭建和平臺研發上重點發力。

在「自適應」層面，智能模擬作為國土空間規劃直觀預測和輔助決策的重要手段，今後將重點研究考慮人類活動與自然效應共同作用下的空間演變和資源利用變化規律，具備同步模擬預測多種資源利用變化和相互間複雜作用的影響。探索集成3DGIS、BIM和IOT技術，建立基於CIM的空間規劃管理與應用系統，為智能情景模擬提供可視化技術支撐。

本文來源：中國國土空間規劃