佳文欣赏 | 面向“可感知、能学习、善治理、自适应”的 智慧国土空间规划理论框架构建与实践探索研究

摘要

在国家提出治理体系构建和能力提升的背景下，国土空间规划作为国家现代化空间治理体系的重要工具，急需在生态文明的制度体系下，基于国家层面的顶层设计和科学引领，不断探索提升空间治理能力的科学化、精准化和智慧化水平。

本文在对国土空间规划编制和信息平台深入研究和实践的基础上，尝试构建智慧国土空间规划的理论框架（包括内涵、方法、目标、路径等），涉及国土空间规划的编制、审批、实施、监测、评估、预警等关键环节，以期为新时期空间规划的智能编制与精准实施提供技术支撑。 

（作者信息：张鸿辉，工学博士，理学博士后，教授级高级工程师，广东省“智慧空间规划”工程技术研究中心主任。）

1、引  言

国土空间规划迈入生态文明新时代。自中央将空间规划改革纳入《生态文明改革总体方案》以及国家自然资源部成立，国土空间开发利用和管理方面都要求国土空间规划体系进行适应性调整，即意味着国土空间规划进入了生态文明的新时代。以生态保护为导向，以用途管制为抓手，逐渐实现高效协同、集约发展、精细治理的国土空间规划新模式。

规划矛盾非一日之寒，急需新方法解决。合理地开发利用国土空间，建设美好家园，是每个国家空间战略与政策的最高目标。长期以来，由于我国各个规划之间在空间和内容上矛盾突出，总结为“底图不一、底数不清、底线不明、编管不衔”的四个“不”之困，严重影响了规划效力和部门效能，难以适应新时期“全国统一、相互衔接、分级管理”和全域、全要素用途管制的空间规划体系构建新要求。

新技术开启解决传统规划问题新思路。近年来，随着移动网络、区块链、大数据、人工智能等新技术、新数据的迅猛发展，带来了发展方式、生活方式乃至治理方式的转变。规划行业数据和知识得到快速膨胀与汇集，核心技术和智能算法也日渐成熟，从“人工智能”到“机器智能”，从“智慧城市”到“城市大脑”，技术和方法的变革促使空间治理模式和服务模式的不断突破，赋予了国土空间规划智慧化的新动能。

国土空间数字化生态奠定智慧化根基。2019年1月，中央全面深化改革委员会第六次会议审议通过了《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》，为此，利用大数据和新技术，推进国土空间全域全要素的数字化和信息化，构建国土空间数字化生态，逐步形成数据精准化、业务协同化、监管全程化、预警实时化、决策科学化、服务一体化的智慧国土空间规划。

2、智慧国土空间规划的理论框架

智慧国土空间规划的内涵、方法和实践，要顺应国家生态文明体制改革和空间规划体系重构，实现国家治理体系和治理能力现代化的新要求，形成以管控为导向、以信息平台建设为基础、从编管脱节向编管协同转变的智慧型国土空间规划。

2.1内涵

结合国家全面深化规划体制改革系列要求和新发展理念的战略背景，提出以“生态优先、高效协同、集约发展、精细治理”为原则，依托人工智能、大数据、城市信息模型（AI 、Big Data 、City Information Model，简称“ABC”），遥感、全球定位系统、地理信息系统（RS 、GPS 、GIS，简称“3S”），以及数字规划、生态规划和智能规划（Digital Planning 、Ecological Planning 、Intelligent Planning，简称“3P”）技术，在自然资源本底现状的全域数字化基础上，开发以指标设计为基础、以规则制定为手段、以算法研制为核心、以模型研究为支撑，覆盖规划编制、审批、实施、监测、评估、预警全流程的管理系统，助力“一张蓝图管到底”和空间治理能力现代化的智慧国土空间规划，实现从传统规划向“可感知、能学习、善治理和自适应”的智慧型生态规划转变。

2.2目标

“多规合一”的实践虽然解决了各个规划之间的协调性问题，却难以解决传统规划自身的“重心缺失、笼统僵化”等问题。智慧国土空间规划的目标应该由“部门分治、重城轻乡、静态方案、编管脱节”的传统物质型协调规划向“多规合一、全域管控、动态蓝图、编管协同”的智慧人本型整合规划转变，通过“智慧国土空间规划”新模式、新方法，最终实现空间规划与治理的五个“一”，即空间资源一本账，空间规划一张图，编管协同一张表，空间管控一张网，空间治理一平台。

2.3逻辑

基于“可感知、能学习、善治理、自适应”的新时期国土空间规划需求和“ABC”、“3S”、“3P”的科学技术手段，智慧国土空间规划体系将形成以智能编制、在线审批、精准实施、长期监测、定期评估、及时预警为骨架的贯穿空间规划全生命周期的横向生态闭环，以及“上接部、省、市，下达区、乡、村”的一体化纵向轴线。

图1 智慧国土空间规划的逻辑思路

通过以自然资源本底现状及监测、传统规划成果和新兴数据构成的感知数据体系，融合深度学习等智能算法和模型搭建的学习算法体系，应用到智慧国土空间规划骨架的各个环节，并借助智能模拟等形式，收集社会各界的反馈和市场影响，不断适应社会变化，最终形成一套科学、合理、协同的生态文明的空间治理体系。

2.4路径

以“ABC+3S”为主的技术方法，以“3P”为主的技术体系，以覆盖国土空间规划全业务流程、实现空间规划一张蓝图与监测评估预警可计算体系互动嵌入、构建集现状与规划信息于一体的国土空间规划信息系统为主的产品工具，使国土空间规划编制更智能、实施更精准、管控更科学，具体建设路径如图2。

图2 智慧国土空间规划的建设路径

3、智慧国土空间规划的方法

智慧国土空间规划在方法上也应充分符合“可感知、能学习、善治理和自适应”的新时期国土空间规划特点。在新技术、新数据和新方法的驱动下，提出了以“可感知——数据驱动”为基础、以“能学习——深度学习”为支撑、以“善治理——协同规划”为导向、以“自适应——情景模拟”为目标的智慧国土空间规划方法体系。

3.1数据驱动

数据是规划的“生态”基础，取之于规划，用之于规划。随着基于定位功能的移动信息设备和技术的逐渐成熟，空间位置服务数据大量涌现，构成了国土空间规划的感知体系。多源异构数据的动态可获取性，实时采集人的行为活动、城市公共服务、社会经济运行等社会属性数据，促进国土空间规划由单一的物理空间规划转向为“以人为本”的生态规划。

借助云计算、移动互联网、GIS等技术，进一步整合各类国土空间要素信息及新兴数据，对国土空间要素分布特征进行挖掘、分析、动态仿真和可视化表达，驱动国土空间规划方法和模型的创新与优化开发。

利用新兴位置服务大数据具有样本量大、尺度精细的特征，通过与已有城市数据的结合，可以应用于智能挖掘的智能体（Agent）模型个体行为决策规则和反演其异质属性特征表达上，使模型更真实精准反映人地交互关系。实现了国土空间规划“自下而上”的精准表达，为编制国土空间规划提供底数、底板、底线支撑。

图3 多源数据的融合和处理过程

3.2深度学习

深度学习算法因其具备强大的学习能力，在提取大规模多源异构数据之间存在的各种复杂且非线性的关联特征方面极为有效，且能灵活应对，因而将规划分析、预测模型与深度学习结合,共同构成国土空间规划的学习体系。

珠江三角洲地区的城镇建设用地、生态用地、农用地由于其自身的光谱、形状、空间结构等的复杂性，往往很难做到精确识别和提取。采用深度卷积神经网络 GoogleNet Inception V3 作为深度学习的分类器，通过对珠江三角洲遥感影像进行多尺度分割和标准化处理，选出验证精度最高的网络模型，确定各用地单元的用地类型，实现对规划要素的精准提取。结合三调土地利用现状、地理国情普查数据等多源数据，完成对珠江三角洲的用地类型进行城镇建设用地、生态用地和农用地的分类和精准识别。

图4 基于深度学习的土地利用类型识别技术路线

3.3协同规划

“协同规划”平台基于土地利用规划、城市总体规划和经济社会发展规划，与产业布局规划、环境保护规划等其他专项规划相融合。

智慧国土空间规划通过构建基础数据、目标指标、空间坐标、技术规范统一衔接共享的国土空间规划协同平台，提供一套完整的规划信息服务环境，包含各类数据资源、分析工具及业务协同工具。

平台具备规划基期数据处理、空间资源信息管理、空间开发利用分析和辅助编制、项目协同在线审批和监管等功能，进一步强化部门业务的协同联动，利于规划在线审批和监督管理工作的开展。

此外，以空间信息数据为基数，通过大场景的GIS数据、小场景的BIM数据和物联网的有机结合，集成的空间大数据全息平台，也即城市信息模型CIM平台，可以实现从表层到深层对空间各系统、各单元，全面、综合的信息表达与联动分析，从全过程对国土空间规划与设计进行嵌合式支持，为新时代国土空间规划的协同编制、在线审批、组织实施和监督管理提供了有效工具。

3.4智能模拟

空间规划是一门研究人地关系的学科，要进行科学的国土空间规划，就必须要理解国土空间的演变机理，并能实现预测。智能模拟是将全局演变与局部行为进行有机融合，实现对复杂人地关系演变的模拟呈现，用智能模拟的方法进行国土空间规划是一种顺势而为的策略。

通过制定发展目标，从宏观与微观两个尺度分析个体如何发展，使得系统整体朝着生态文明的目标发展，即构成了国土空间规划的适应体系。

多智能体模型自下而上的模拟特征十分吻合国土空间智能模拟的需求，可将人或者其他空间要素作为Agent代入到模型中进行模拟。结合学习算法构造Agent的学习模型，以充分体现出Agent的知识获取能力和适应性。

基于多智能体系统（MAS）和学习算法构建的城市开发边界精细模拟模型，通过量化和表征建设用地规模与人口增长、经济发展等因素的相关关系，预测建设用地规模。通过构建 Agent 协同交互模块，模拟城市在多智能体行为决策过程中的空间开发过程并协同形成城市开发的“刚性”边界和“弹性”边界，得到城市开发边界对城市空间的管控及反馈机制。

图5 基于多智能体动态交互决策过程模拟的城市开发边界划定原型图

4、智慧国土空间规划的案例实践

以下从相关案例实践经验角度分别介绍国土空间规划编制、审批、监测、评估、预警和信息平台建设的智慧化实践。

4.1辅助编制

广东省廉江市的国土空间规划编制过程案例中，在“双评价”、现状分析、用地规划及空间优化分析等方面引入大数据、深度学习等智能算法进行定量分析，提升了规划编制的科学性和合理性。

在对廉江市社会、经济、生态、产业和重大基础设施等充分调研的基础上，结合航空摄影技术，采用空间数据分析工具，全面评估了廉江市国土空间及自然资产现状，在此基础上采用“短板效应”综合得出承载能力的强弱等级。

图6 廉江市“双评价”过程

基于大数据科学的分析结果，借助FLUS模型提取、识别城乡发展影响因子，实现对土地利用变化的多维度、多情景模拟，为科学划定“三区三线”提供评价方案，形成廉江市空间规划成果“一张图”，完善了廉江市国土空间管控机制，为生态安全、陆海统筹发展、自然资源合理利用，提供了有力支撑。

图7 廉江市空间规划“三区三线”划定成果

4.2在线审批

国土空间规划审批是把控国土空间规划成果质量关和科学关的一道重要环节，是完善国家治理体系和治理能力的重要手段。

智慧国土空间规划以信息化手段搭建在线审批平台，平台以规划法律法规、规划成果和数据标准、信息平台、组织管理为支撑体系，针对国土空间规划、专项规划和重大项目空间规划业务审批过程中的审批对象、审批方法和审批流程等基础内容，以审查要素“一张表”、方法“一个库”、流程“一张图”的形式呈现，搭建一套完善的新时期国土空间规划审批工作模式。

图8 智慧国土空间规划在线审批总体架构

智慧国土空间规划在线审批平台在数据库和平台搭建上，融合新兴数据和新一代信息化技术，不仅补齐了传统审批的信息交互、资源共享和业务协同障碍的短板，还实现了数据的智能感知，平台的多维全景可视，提升了平台的人性化服务和体验性能。

4.3动态监测

通过建立国土空间规划监测系统，可以动态掌握规划实施和运行情况，为国土空间规划管理提供有力的支撑。监测范围包括规划目标指标监测、规划实施审批监测、用地变化情况监测。

监测主体将系统获取各项指标的最新数据，通过对比指标目标值来明确相应政策在实施过程中出现的影响和偏差；通过对比各项指标的历史数据，分析对应政策在空间上的影响趋势和潜在变化，对规划实施做出积极响应、理性调整和科学引导。

借助遥感等技术手段，从土地利用类型管制分区的角度，对珠江三角洲的国土空间进行用地类型划分和精准识别，并支持土地利用的长期动态监测，实现国土空间的目标管控、空间管控和指标管控。

图9 珠江三角洲耕地变化监测 

图10 珠江三角洲建设用地变化监测

通过对珠江三角洲土地利用类型的时序特征变化及空间格局演变进行长期监测和追踪，从用地转化的角度，明确了不同类型用地之间的转化数量、转化特点、转化的空间分布，比较不同行政单元之间的差异性和关联性。同时，在大量研究基础上开发了违法用地智能监测模型，该模型基于元胞自动机CA模型，对违法用地监测预警效果优于单一模型。

4.5定期评估

目前的国土空间规划评估，主要基于指标体系和长期监测数据库，通过建立数理模型对国土空间规划实施情况进行评估，忽视了大数据对国土空间建成环境评价的重要意义和价值。

智慧国土空间规划引入大数据进行规划定期评估，更为深入全面地探讨国土空间建成环境与居民时空行为的互动关系，为国土空间规划与治理提供科学依据。

例如以社区单元为单位，利用手机信令数据、网格人口数据结合传统规划数据，借助新的信息化技术和数据融合手段，基于区域现状和已规划的文教体卫设施配置水平，根据动态的实际人口分布与需求，对文教体卫设施的供需关系和分布格局进行精细评估。

图11 区域文教体卫设施精细评估技术路线

利用手机信令的人口年龄信息，结合小学学校的分布数据作为需求点，根据不同年龄阶段的人群对教育设施的需求特点，精准匹配设施的实际需求量（如以6岁到12岁的人口规模作为小学设施的需求量）并计算供需水平，对区域小学设施服务覆盖的现状水平、规划水平以及缺口区域进行识别和分析。

图12 区域小学服务覆盖精细评估结果

4.6预测预警

预警是国土空间规划实施动态监测和定期评估的一项重要任务。智慧国土空间规划根据监测指标体系，结合对国土空间感知数据的系统监测，按照数据汇集、规则制定和数字化表达等步骤，通过与规划目标、指标、战略导向以及经济社会发展形势的对比和预测，全面分析规划实施评估报告，对规划实施的方向、进度、程度等情况作出预警，以及时调整规划实施策略，纠正规划实施偏差，促进规划有效实施。

按照“明确警情-寻找警源-分析警兆-预报警度-排警”的预警流程开发的耕地质量预警系统，能够对区域耕地质量进行预警评价，为区域耕地保护和资源的可持续发展提供了可靠的信息源。

图13 耕地质量预警流程图

利用预警信息系统所提供的预测功能，针对不同的警兆指标，选择合适的预测方法得出各警兆指标的预测值，再用扩散指数对区域耕地质量警情进行外推和预警。

图14 区域耕地质量警情诊断与预警

4.7系统集成

在国土空间规划政策施行、编制和实施过程中，需要对国土空间开发利用和资源保护情况进行长期监测、定期评估和及时预警，信息化建设将会是建立国土空间规划体系，并监督实施的重要内容之一。因此，智慧国土空间规划需要建立国土空间规划监测评估预警系统，以作为构建国土空间数字化生态的基础和抓手。

利用现有的国土空间规划数据库和信息化成果，通过GIS与CAD、BIM等技术的有效集成，整合基础地理信息数据、公共专题数据、智能感知数据等，搭建面向不同需求、不同用户的国土空间规划编制和管理技术平台，以实现规划智能编制、在线审查、精准实施、长期监测、定期评估和及时预警的无缝衔接。

在国土空间规划信息平台建设中，也逐渐增加大数据挖掘功能和智能优化算法，以强化基于大数据开展挖掘分析、决策服务的技术要求，促进其在国土空间规划编制、审批、实施和监管等方面的智能化应用。

5、结论与展望

本文顺应国家时代发展的新要求，依托新技术、新数据和新方法，提出了智慧国土空间规划的初步理论框架，并根据国土空间规划编制、审批、实施、监测、评估、预警和平台建设的科学性、智慧化发展需要，简要梳理了技术方法及实践应用案例，为新时期空间规划的智能化转型提供了有力的技术支撑，为智慧国土空间规划的发展和信息化应用奠定了基础。

展望未来，随着大数据、云计算、三维高仿真、移动互联网等新兴数据和信息技术的推广应用，以及深度学习、图像识别等AI技术的快速发展，智慧国土空间规划的各个关键环节将会迎来技术的跃升和应用的拓展。

在“可感知”层面，将进一步探索时空大数据的获取和存储机制，空间规划多源时空数据库构建规则，以及时空大数据整合与标准化技术。探索耦合云计算、深度学习、互联网技术的多源时空数据挖掘的关联融合模式，发掘融合不同业务、数据的关联知识，为空间规划的编制与管理提供数据驱动基础。

在“能学习”层面，人工智能带来学习广度、速度、精度和强度的大幅度提升，借助人工智能的深度学习功能，将实现空间形态的智能设计，在生态学和精确理性的支撑下，通过个体的精准计算，将高效完成空间设施的最佳配置量和配置点的空间布局。未来，将探索人工智能导入城市规律学习和城市规划决策过程中，助力空间规划更加强大。

在“善治理”层面，信息平台是实现空间治理能力现代化、规划成果智能化的有效工具。未来，新一代信息技术的应用将进一步提升空间规划各个环节的科学化、智慧化水平。将在规划成果智能审查、建设项目智能审批、重大项目辅助选址、规划全程智慧监管、规划实施动态评估等系统的体系搭建和平台研发上重点发力。

在“自适应”层面，智能模拟作为国土空间规划直观预测和辅助决策的重要手段，今后将重点研究考虑人类活动与自然效应共同作用下的空间演变和资源利用变化规律，具备同步模拟预测多种资源利用变化和相互间复杂作用的影响。探索集成3DGIS、BIM和IOT技术，建立基于CIM的空间规划管理与应用系统，为智能情景模拟提供可视化技术支撑。

-THE END-

图文编辑：张琦琦

责任编辑：罗冬梅

审核：任飞宇 王冠 王波涛

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