测绘新青年•刘小平｜原创+应用，地理学家的“顶天”与“立地”
【人物名片】刘小平，中山大学地理科学与规划学院教授，国家青拔，国家优青，青年长江，教育部“新世纪优秀人才支持计划”入选者，中山大学“百人计划”引进人才，中国地理信息系统协会理论与方法专业委员会委员，中国海外地理信息科学协会 (CPGIS) 委员。
【研究方向】主要从事地理模拟、空间智能及优化决策方面的研究。
刘小平说，他是土生土长的中大人。“从本科到博士，都是在中大，本科读的是自然地理，硕士读了遥感，博士做地理信息科学，从求学经历来讲，这种交叉的学科背景对我后面的科研起到了很大的帮助，比如，本科的自然地理专业，教会我们怎么用综合的眼光去看待这个世界，除了学习地理科学最基础的一些理论外，也学到了一种综合的思维方式。”而硕士学习遥感，他认为，也教会了他如何获取地理学家所需要的一些数据。他现在做的一部分研究，依然涉及遥感技术及应用。
现在，刘小平的研究方向已经发生了新的转变和调整：从以前在GIS与人工智能的结合中更侧重人工智能算法的研究，转向了更多地关注空间规划、全球尺度的土地利用研究、遥感影像与大数据的结合等。
刘小平在中山大学图书馆
2017年1月，中共中央办公厅国务院办公厅印发了《省级空间规划试点方案》，《方案》提出，要以主体功能区规划为基础，全面摸清并分析国土空间本底条件，划定城镇、农业、生态空间以及生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界（简称“三区三线”），注重开发强度管控和主要控制线落地，统筹各类空间性规划，编制统一的省级空间规划，为实现“多规合一”、建立健全国土空间开发保护制度积累经验、提供示范。空间规划期限设定为2030年，试点范围在原有海南、宁夏试点的基础上，纳入吉林、浙江、福建、江西、河南、广西、贵州，一共9个省份。
“我们目前正在跟长春市规划院合作开展长春市空间规划试点项目，这个合作项目从2017年9月开始启动。简单来说，空间规划是最基本的规划，要给所有的规划限定一个帽子。以往各种规划，如土地利用规划、城市规划、国民经济规划、生态环境规划等存在‘打架’现象，产生较多冲突矛盾，导致有些用地得不到合理利用和及时审批，现在通过制定空间规划作为基底，有助于实现规划间的上下联通。”刘小平打了个形象的比喻：“空间规划”就是一个大盘子，起到统领作用，往后所有的规划，都不能突破这个基底的限制。在空间规划中，有三点很重要：一是城镇开发边界，二是生态保护红线，三是永久基本农田。“这三条线，是后续规划绝对不能突破的底线，城市的未来发展布局，得在三条线的范围内去做功能优化调整。”
据了解，目前国内高校科研团队中，对空间规划的研究并不多，反而是一些规划单位等应用部门根据工作实际需要率先进行了摸索，但是，这些摸索离不开科研的支持。打个比方，如果设定城镇开发边界，这个边界应该怎么设置最合理、对城市未来的功能布局效果达到最优，就需要通过模型和规划方案进行情景推算。刘小平科研团队可以根据不同地区的实际情况，选用针对性的算法、模型和数据等进行测算，从而提供空间利用效益最优化的边界设置方案。
“在生态保护红线方面，做得最早的是深圳，深圳是一个有远见、富于开创性的城市，城市本身土地很少，在城市发展最需要土地时提出了要设立生态控制的边界，突破就是违规，后来这一做法被东莞借鉴，再延伸到整个广东省。”刘小平强调说，以往国家对这块关注较少，导致有些城市发展出现无序、很多土地资源被浪费的现象，近几年开始，空间规划被逐渐重视。“另外，以前基本农田可以通过占补平衡来灵活调整，现在设定的永久基本农田，一旦划定就不能再动，更加严格。我们要做的，就是配合国家重大战略需求、社会需要，提出更有建设性的边界划定和功能布局最优化模拟方案。”
据悉，空间规划在国外并不是新鲜事。英国早在上个世纪三十年代就提出了“绿带”的概念。1938年，英国迫于市郊环境保护组织（Campaign to Protect Rural England）的压力，制定了《绿带法》，用法律形式保护伦敦和附近各郡城市周围的大片地区,限制城市用地的膨胀。通过“绿带”，英国将城市中的公共活动区和住宅区分开，将各个住宅区分开，将母城和卫星城镇分开。而美国则是采取了直接划定城市开发边界的做法，刘小平直言：“目前我们国家主要是借鉴美国的经验。”
除了划线外，未来的土地利用还涉及到更精细化的管理。比如，农田转为居住或商业用地、工业用地转为居住用地、城中村和“三旧改造”用地转化为商业用地和公共空间等，都涉及到怎么转化最合适的问题，因此，还需要纳入人口、交通、基础设施等方面的数据或结合其他模型来模拟测算。
2015年，刘小平在北京大学留影
除了寻求如何为城市找到最佳开发边界外，其实不少规划师更关注：采用不同的边界设置方案，到底会给城市土地利用甚至全球土地环境带来哪些不同的后续影响？
2017年，刘小平科研团队在网络上公开发布了一款最新制作的封装FLUS模型的GeoSOS-FLUS软件，该软件在PC端可供公众免费下载，方便研究者使用FLUS模型进行相关的地学应用。这个模型可以动态模拟未来100年的全球土地利用在不同的场景下如何发生变化，“也可以让不同的规划师看到不同的空间规划决策，会对实际的城市土地利用乃至全球土地环境的变化，带来哪些不同的影响和结果。”刘小平表示，这个也是不少规划师所需求的。
中国国土面积广阔，景观模式非常丰富。近年来，中国正在经历经济、人口及城市化的快速发展，这个趋势可能会在未来几十年内持续。未来土地变化模拟可以提供在不同条件下，土地规划和土地政策的影响与效果的重要评估信息。而基于情景的模拟，已经成为一种分析未来潜在土地利用变化的强有力工具。对城市群未来空间扩张的模拟并划定城市群增长边界，能够帮助预测国家各个重点经济发展圈的演化方向，从而为区域尺度的城乡规划、生态保护、气候变化及碳循环等研究提供有价值的参考。
据介绍，这款FLUS模型软件的功能包含了：城市发展模拟及城市增长边界划定、城市内部高分辨率土地利用变化模拟、环境管理与城市规划、大尺度土地利用变化模拟及其效应分析、区域土地利用类型适宜性分析、农田或自然用地类型损失预警、土地利用分布格局变化及热点分析等多个方面的内容。
“基于FLUS模型方法框架，我们模拟得到了有较高空间分辨率的全球土地利用变化模拟产品，该产品将对水文、气候、生物地球化学、环境评估等方面的研究提供数据支持。”提起为何将这款最新模型软件在网上免费公布，刘小平表示，主要是想把团队科研得出的最新成果，为其他科研项目或社会应用项目提供工具支持。据了解，这款FLUS模型软件研发的另外一个初衷还包括:借助科研工具的支持，将更多人类活动因素考虑进对土地的决策、对土地的影响，从前端辅助政府决策部门做出最优化的城市空间布局方案，从而让未来的人地关系更加和谐。“FLUS模型，可以说是一种耦合人类活动与自然作用的土地利用变化预测模型。”刘小平说，为了制作出这个模型，团队整整花了近3年的时间。
据悉，城市用地的变化对生态系统有显著的影响，但现有的全球模拟产品都因空间分辨率过于粗糙而无法反映城市用地的空间变化，而FLUS模型成功对城市用地的变化进行了模拟，不仅实现了全球1公里分辨率的土地利用变化模拟，相较于已有的产品大大提高了对各类用地的刻画精度，而且能有效防止因粗糙分辨率引起的信息扭曲和丢失。对于FLUS模型的作用，刘小平认为，其对气候变化也有探索作用，“模型的情景模拟分析表明，土地利用变化会受到社会经济与气候自然环境的影响，我们提出的模型能探索气候变化和人类活动对未来土地动态变化的影响。”
刘小平作报告
众多国际科学研究计划一直将土地利用变化作为重要研究内容之一，但是，目前全球尺度的未来土地利用模拟产品缺失，IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会）的全球尺度土地利用模拟产品Image，空间分辨率为50公里左右。这种分辨率是一种粗分辨率，在粗分辨率下，会产生一个问题：占比较大的土地利用类型会“吃掉”部分占比小的用地类型。
能否开发出一种高精度的全球未来土地利用模拟产品？让单类用地的模拟可以扩展到多类土地利用模拟？如何来确定未来各类用地的规模？影响土地利用变化的驱动力有哪些（人类活动、自然影响）? 如何确定驱动力因素和土地利用空间分布的关系？如何解决不同用地类型的竞争关系？这一系列问题的提出，促使了刘小平团队去研究开发FLUS模型。“在土地模拟利用上，我们想做好全球尺度。”
截至目前，刘小平团队已经制作了1980年-2015年这35年间的全球城市用地数据，空间分辨率达到了30米左右，从这个数据中，可以看出每隔5年全球城市用地的前后变化。这个数据有两大亮点：一是从目前来看，GLC2000、GlobCover、IMPSA、MODIS500-m、GRUMP这5种全球主流的城市用地数据产品，空间分辨率都较低，30米的高分辨率达到了此类产品的精度领先水平；二是横跨的时间段长达35年，在目前各类全球城市用地数据中，是横跨时间最长的，FROM-GLC和GlobelLand30这两套基于Landsat TM数据的全球城市用地产品，虽然分辨率也达到了30米的高精度，但时间序列不全，刘小平团队的这一数据正好弥补了这一缺憾。“光做这个数据我们就花了两三年，背后的工作量很大，因为算法既要有普适性，又要适应不同时间段、不同区域之间的差异。”
刘小平说，除了全球城市用地数据外，未来团队还想针对农田、林地、水体、荒漠、草地等不同的用地类型做全球尺度的历史数据，“要做好全球尺度的城市模拟，必须有数据的支撑，这也是我们要做全球高分辨率城市用地数据产品的出发点，我们想知道，在未来，全球城市化究竟会给我们的地球带来什么样的影响。”那么这些数据是如何出炉的？首先，Google Earth Engine包含了海量数据集，其次，利用现有的有高性能计算平台，最后，刘小平团队用自己的算法提取数据后进行整理。
随着生态文明日益受到重视，山水林田湖草系统治理的提出以及自然资源部等机构大部制改革的实施，刘小平认为，团队的研究遇上了更好的时代契机，也有望配合国家重大战略发展需求，做出更好的科研贡献。
近年来，大数据逐渐成为社会关注的热点。刘小平也一直持续关注着大数据的发展，“大数据也是我们研究的一个新方向，如何将遥感影像跟大数据进行结合，更好地为空间规划服务，也是我们想去探索的。”
刘小平觉得，以往的遥感影像数据，更多的是反映物理空间结构的变化，而人类活动的空间轨迹与范围，以往是很难获取的数据，随着大数据的兴起，目前获取人类活动的轨迹方便程度已经大大超过以往。比如，根据手机信令或者腾讯、百度的轨迹数据，凡是涉及到人们在时空上的移动和分布，使用大数据都可以准确分析出来。“如果说遥感影像更多地体现一种‘物’的特性，那大数据就更多体现了一种‘人’的社会特征，两者的有效结合，可以将人类活动的因素更多地纳入到以往的地理信息研究中来。”
刘小平还举例透露了团队目前在做的一项事情：整理全国的房价大数据，用这个数据可以观测房子的租售比，让公众了解不同区域不同时间段的买房和租房收益比等，从而知道采用哪种方式更划算。
“ 做一个地理学家，既要‘顶天’，多做些原创性的研究，又要‘立地’，跟实际应用去结合，两者相辅相成。科研可以转为为应用，同时，在更多的应用中，又会有很多新的需求转化为新的科研课题。”在刘小平看来，要做一个好的青年科技工作者，除了要充分拓展视野、了解世界前沿行业研究讯息外，还要敢于做别人没有做过的东西。“原创的想法是最难的，但是，有了想法后，怎么去实现，尽力去找，总能找到办法。”
看完了刘小平的空间故事后，下一期敬请期待李星星在高精度GNSS领域“燃起”的星星之火。
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