中國土地信息學30年發展研究

鄭新奇，胡業翠，張春曉，艾 剛，原智遠

（1.中國地質大學（北京）信息工程學院，北京 100083；2.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083）

為系統梳理與歸納中國土地信息學的發展歷程、演進規律和重要成果，明確土地信息學研究對象與內容、理論基礎與核心框架，推動土地信息學學科的發展，完善土地科學的學科體系，本文以《中國土地科學》創刊30年來發表的有關土地信息學研究成果為重點，基于對大量研究文獻的分析、匯總、歸納，探討土地信息學學科研究與發展的主要階段，根據土地時空錐的內涵與框架分析各個階段的形成背景、研究進展、重要成果和突破，探討土地信息學未來研究的方向和重點。

1 土地信息學的內涵與研究內容

1.1 土地信息學的內涵

權籍被人們熟知并被利用，可以追溯到古代人們對土地權屬的認定和分配。無論是井田制還是均田制，首先要掌握與土地有關的各種數據與描述，其次需要對這些數據和描述進行歸類，劃分等級，建立分配規則，動態變更與監管，市場價值評估等。正是因為權籍的特殊性，土地科學中的土地信息必須是以權籍為核心的土地信息。因此，狹義的土地信息實際上就是地籍信息。

廣義的土地信息是有關土地實體的性質、特征、變化狀態及其相互關系的表征，是與土地特征與現象相關的數字、文字、圖像和圖形等的總稱。由于土地是自然、經濟和社會的綜合體，區別于一般的地理實體，所以土地信息不僅包含土地本身的客觀自然信息，而且包含了與土地相關的經濟、法律權屬等信息。

綜上，本文認為土地信息是以地籍信息為核心，并延伸到土地資源、土地資產、土地市場、土地法規和土地監察、土地評價、土地規劃、土地保護、土地整治等的信息。土地信息學是以權籍為核心，以土地開發、利用、規劃、整治和保護為研究對象，研究土地信息獲取、分析、處理、存儲與表達的理論、方法與技術的一門學科。土地信息學既關注土地信息作為特殊研究對象需要的技術本身的理論與方法等基礎性問題，同時也關注針對土地開發、利用、規劃、整治和保護等方面的輔助決策問題，研究土地信息共享與服務、決策支持政策評估等。土地信息學具有權籍信息核心性、空間性、時間性、復雜性和綜合性等特征[1]。權籍是土地信息學的核心信息，是土地信息區別于其他信息的特殊性。

1.2 土地信息學的研究內容

關于土地信息學的研究內容，不同的學者從不同的角度有不同的理解。如馬才學等認為土地信息學的研究內容分為基礎理論、技術體系、應用系統三大領域。基礎理論涉及土地信息技術的定義、內涵、發展歷史和發展方向，土地信息技術的特點、任務、構成和功能等；技術系統分為硬件系統和軟件系統，前者包括硬件的設計和研發，后者包括操作系統、數據結構、數據庫管理、模型庫、應用系統、用戶界面等；應用系統分為土地信息服務和決策支持服務[2]。門葆紅等認為土地信息學的研究內容上可分為基礎部分、理論部分、應用部分、相關研究4個層次。基礎部分指數學基礎和標準建設部分；理論部分是學科相關概念、理論體系和信息機理的研究；應用部分是最主要的部分，其內容與土地科學的各個方面密切相關，以解決土地工作中實際問題為主要目的；由于土地信息學是一個交叉學科，還需要有相關科學的研究，如從信息技術角度來看的土地相關問題等[3]。馮廣京認為，土地科學核心內容是由土地權籍理論、土地租價理論和土地可持續利用理論組成的具有時空遞進關系的核心理論軸構成的三維空間域[4]。這一空間域構成了一個特殊的“人地關系權籍時空系統”。在這一時空系統中，各種影響人地關系及其之上的人與人開展土地利用活動關系的因素和問題，都是其研究的內容和問題[5]。土地信息學作為土地科學的分支學科，其要解決的問題必然也是土地科學研究的核心問題，也應沿著這個思路進行設計和安排，也就是凡是土地科學及其分支學科中可以數字化，尤其是可以信息化的內容，一般也應該是土地信息學的研究內容。

綜上，土地信息學的研究內容是：以提高土地利用效率為前提，實現土地的合理和可持續利用為目的，針對土地工作的各個層面，充分利用和發展現代信息技術，開展土地信息的理論基礎、技術方法和實踐應用等研究，尤其是開展土地信息技術與土地相關有機結合的理論、技術與方法實踐研究。

2 土地信息學的基礎理論與框架

2.1 土地信息學的基礎理論

（1）土地權籍理論。以權籍信息作為主要研究對象，這是土地信息學區別于其他科學的最根本的特點之一，也是土地信息學之所以能夠成為一門獨立學科的最根本的前提。土地權籍理論的基點應該是馮廣京倡導的“人—地—權一體化”理論，由此擴展的地籍管理理論，包括土地權屬調查、地籍測量、土地登記、土地統計、地籍檔案與信息管理等。權屬調查和土地登記是地籍管理的主體內容，權屬調查和地籍測量是地籍管理的基礎性工作，地籍檔案與信息管理是土地登記、土地統計的后續工作，是地籍管理各項工作成果的歸宿，并為土地管理各項工作提供參考和依據。土地信息學在這其中主要研究涉及人的信息、涉及地的信息、涉及給予土地賦予人的權屬信息的獲取、存儲、管理、分析、應用等內容[4-6]。

（2）信息科學理論。信息科學是指以信息為主要研究對象，以信息的運動規律和應用方法為主要研究內容，以計算機等技術為主要研究工具，以擴展人類的信息功能為主要目標的一門綜合性學科。其基礎理論為信息論、系統論和控制論，延伸理論由計算機理論、人工智能理論等。土地信息學以信息科學理論作為基礎理論，主要根據權籍信息之間普遍存在相互聯系、相互作用作為定義信息和理解信息本質概念的基礎，通過深入分析信息與土地權屬關系、信息可傳遞性以及信息形式與信息內容關系來揭示這一信息本質概念的豐富內涵。據此，土地信息學著重分析作為客體的土地與認識層次的權屬這兩類信息在本質概念上的同一性與具體形態上的不同特點，進而可廣泛討論信息科學與系統科學相結合及各種交叉科學在土地信息學中應用的意義與趨勢。

（3）測繪學理論。現代測繪學是研究與地理空間分布有關的信息的采集、處理、管理、表達和利用的科學與技術。土地信息學需要借助或利用該學科的理論和技術開展研究和工作。其中地籍調查和房地產測量是其特有的內容。

土地信息比地籍信息、權籍信息具有更廣泛的內涵和外延，獲取這些信息的途徑和技術也更多依賴測繪學理論和技術。因此，測繪學理論和技術理應成為土地信息學的基礎理論，權籍理論是土地信息學的核心理論。

2.2 土地信息學的基礎框架

基于對土地信息學基礎理論的分析，可以梳理和凝練出土地信息學的基礎框架。主要包括以下三大部分：

（1）核心理論部分。它是土地信息技術必須依托的基礎，屬于核心理論支撐的理論。這個核心理論就是權籍理論，圍繞權籍理論開展的地籍信息的獲取理論與技術、存儲理論與技術、管理理論與技術、分析理論與技術、應用原理與技術等是核心理論的外延研究內容，主要研究地籍信息的數量、質量、分布、關系及其演變規律等。

（2）基礎理論和技術。它是土地信息技術要涉及的專業領域的理論和技術，包括信息科學理論和測繪學理論與技術。信息科學理論主要研究如土地價格信息、土地市場信息、土地監察信息、土地督察信息等，解決這些信息的獲取、度量、變換、存儲、傳遞等問題的基礎理論。測繪學理論與技術主要支持土地信息，尤其是地籍信息的獲取和表述。

（3）延伸理論和技術。這方面主要包括與土地信息關系的密切程度不同而構成的外圍相關理論與技術，如與權籍管理和地籍管理相關的地租地價理論、地籍管理理論、土地市場理論、土地經濟理論等；與信息科學理論相關的信息論、控制論等；與測量學理論相關的遙感遙測技術、全球定位系統、信息融合技術衛星通訊技術、網絡傳輸技術、移動通訊技術等；與新技術相關的多媒體技術、虛擬現實技術、人工智能技術、科學計算等。

3 中國土地信息學的發展階段與特征

土地信息學以權籍信息為核心對象，土地信息學的產生和發展伴隨著地籍管理的發展而發展。土地信息技術是將通過遙感數據、地面測繪、調查等技術方法得到的關于土地利用、權屬等信息輸入計算機，實現對土地數據信息的分類、檢索、排序、綜合時空分析等功能，并根據專家經驗和國家法規政策對土地進行管理、規劃、評價、政策模擬等應用的技術方法的總稱。中國土地信息技術于1980年代被引進，較之其他計算機應用領域而言起步相對較晚。但經過多年的不懈努力，中國土地信息技術的發展規模與速度超過其他許多應用領域，取得了很大進展。

本文以1980年為起點，主要從中國知網（CNKI）全文電子期刊數據庫獲取 1980—2017 年期間的文獻，并通過《中國土地科學》過刊光盤（1987—2017年）收集早期未被 CNKI 收錄的文獻，通過文獻關鍵詞層層梳理，第一層次是土地、信息、技術；第二層次是GIS、RS、GPS；第三層次是CA、GA、ABM，… ；第四層次是算法、技術貢獻等。在此基礎上，根據發文量折線圖劃分研究階段；采用 CiteSpace軟件識別各個時期土地信息學研究熱點，將土地信息學的發展置于由馮廣京構建的時空錐理論模型中，從時間維、空間維以及時空維對土地信息學的產生背景、縱橫擴展、核心凝練、趨勢判斷等進行分析和把握[7-8]。

3.1 第一階段：孕育與起步階段（1980—1995年）

第一階段，中國土地科學信息技術的主要成果包括：利用衛星圖像進行土地利用現狀調查、土地資源評價等[9-14]，計算機輔助的數據處理、數據庫技術、計算模型的應用[15-22]，GPS技術在土地測繪和地籍測量中的應用研究[23-28]，以及GIS和土地信息系統的設計與技術研究[29-34]等。該階段，國家土地管理局的建立和土地管理工作的全面展開，為中國土地信息學的發展創造了有利條件。為實現十分珍惜和保護耕地、合理利用每一寸土地的基本國策，中國開展并完成了第一次全國土地利用調查工作，該工作涉及到諸多土地信息技術的應用，如土地信息的航片轉繪、編圖繪圖、圖件縮編等，同時，《土地利用現狀調查技術規程》（1984年）、《中華人民共和國土地管理法》、《中國1∶100萬土地資源圖》和《中國1∶100萬土地類型圖》等系列編著出版[35]。

根據1980—1995年相關文獻統計結果，“航空像片”、“土地資源調查”、“衛星遙感”、“遙感調查”、“土地利用”、“遙感解譯”、“遙感應用”、“地理信息系統”、“土地類型”等是該階段的土地信息技術的熱點研究領域。中國為了摸清土地資源家底，推進經濟、社會、科技協調發展，歷時10年利用航空航天遙感等新技術對土地利用現狀進行了徹底的調查，查清了各類土地資源的數量以及空間分布狀況和存在的問題。期間，遙感、GIS等新技術新方法在土地科學中得到具體應用[36]。總體來看，土地信息技術在這一階段的活躍和發展，豐富了土地信息學的內容。單就土地信息學本身的權籍核心來講，這一階段仍然處于技術引進、觀念更新、需求導向階段，土地信息學仍屬于孕育與初步發展階段。

3.2 第二階段：關鍵技術應用階段（1996—2006年）

隨著第一次全國土地利用調查工作的完成，國內學者對土地信息學的相關理論與技術掌握程度日益完善[37]。1996年開始，中國土地信息技術進入了快速發展的關鍵技術應用階段。伴隨著“土地資源監測調查工程”、“數字國土工程—縣（市）級土地利用數據庫建設”等國家重大需求項目的啟動，土地信息等新技術方法被廣泛應用[38]。該階段的重要成果有：GIS在土地適宜性評價等方面的應用、基于數學及經濟模型的土地問題分析、“3S”及計算機輔助決策支持系統在土地調查、地籍信息公開、農用地評估等方面研究。全國完成了上千個縣（市）土地利用數據庫建設，為建立和完善土地管理信息系統打下了基礎。

根據1996—2006年的文獻統計，該階段土地信息技術主要應用在“土地利用”、“土地評價”、“土地數據庫”等方面。越來越多的學者利用土地信息學技術方法關注土地的熱點問題研究，如“土地荒漠化”、“土壤侵蝕”、“土地城市化”、“土地利用變化”等與“遙感”、“地理信息系統”等關鍵詞共現，與高頻率的數理模型，如“元胞自動機”、“CLUE-S”、“神經網絡”、“層析分析法”、“馬爾科夫模型”等關鍵詞共現。充分顯示了國內學者將土地科學研究與測繪技術、地理信息技術、計算機技術、遙感、應用數學等理論和技術的結合，使土地科學研究領域得到了進一步拓展，豐富了土地信息技術。

3.3 穩步加速發展階段（2007—2017年）

進入21世紀以來，土地科學研究面臨著由數量管理向質量管護的轉變。耕地保護、低碳經濟與土地利用方式轉變、農村土地綜合整治、土地制度改革創新研究、差別化的建設用地管理、土地生態安全及可持續性評價、土地調查中的技術創新等學科發展和經濟社會需求背景，對進一步促進信息技術發展及其在土地管理中的應用提出了新的要求。土地信息技術在之前的基礎上進入了穩步加速發展階段。該階段土地信息學方面，著重研究適合中國不同區域土地資源管理需求的土地信息技術。在土地整治工程方面，從保護耕地視角出發，探索面向區域與對象的土地工程技術，注重應用性。主要成果包括：“3S”技術和數學模型在土地利用/覆被變化、農村土地流轉、城市化進程中土地集約利用、農村居民點分析、常規土地動態監測中的應用等[39-46]。

根據2007—2017年的文獻統計結果，“土地信息技術”與“土地利用”、“土地城鎮化”、“土地動態監測”、“地理信息系統”、“農村居民點”、“動態監測”的研究呈現強烈的共現關系，說明“3S”技術作為持續熱點，仍然在該階段的研究中發揮著重要作用；其次，數學模型的應用繼續加強，對模型的應用開始向多模型結合應用的方向發展。 “元胞自動機”、“主成分分析”、“CLUE-S模型”、“回歸分析”等占據了有力地位。無人機技術、傾斜測量技術、三維地籍技術等成為“3S”甚至是多S的集中應用，開始引入土地信息領域，進一步豐富了土地信息學的研究內容。

4 土地信息學發展趨勢與重點研究領域

隨著“3S”空間信息技術、互聯網、大數據、云計算、無人機等技術的進步，土地信息技術在土地領域的應用將日漸深入。在國家“十三五”發展規劃及國務院相繼出臺加強信息化建設的軟件、國土空間基礎資源信息平臺建設要求，以及第三次全國土地利用調查即將全面展開的背景下，土地信息學的發展將面臨更多的機遇和挑戰。中國的土地信息系統是在計算機信息科學高度發展的技術環境下發育的，未來將會向兩個方向發展。一個方向是基于網絡的、功能高度集約化的大型土地信息系統，在國家級、省級或直轄市土地管理部門發展起來，這類信息系統不但對于巨額的數據量有強大的存貯、管理與處理功能，而且可以完成國家的土地政策模擬和綜合分析決策的功能。另一個方面是專一而實用的高度智能化的土地信息系統在地市級以下的土地管理部門發展。這類信息系統由一般土地管理人員操縱運行，只需很少數計算機專業人員維護。這類信息系統可以完成地籍管理、土地評估、地產市場管理、土地資源調查等專業性很強的工作。這兩類系統必須能夠連成計算機網絡，實現數據傳遞、數據共享和分級管理的目標。

針對土地信息技術面臨的現實發展需求，未來土地信息學將會重點圍繞以下幾個方面深化研究。

4.1 研究圍繞權籍信息采集、管理以及安全的基本理論

隨著社會的進一步發展，互聯網+、云計算、大數據、人工智能、移動定位等技術發展，關于權籍信息的采集內容、采集形式（異構、同構、同位、異位）、存儲結構、管理模式、服務模式等均面臨各種考驗。但是，無論第一次土地調查、第二次土地調查，甚至正在開展的第三次土地調查，其中關于權籍的內容仍然缺乏面向精細化管理的標準以及具有創新性的理論支撐。這方面的突破，可能有賴于中國特色的權籍管理法規在理論上進行深入而廣泛的研究。

4.2 研究更加快速、豐富、高效、精準的多元國土信息獲取的技術

土地信息屬于空間信息，其來源包括遙感數據、測量數據、調查文檔統計數據等。空間信息的獲取主要是利用遙感技術，而土地信息的獲取，主要也是利用遙感技術，同時也需要使用全球定位系統提供的數據以提高信息解釋的準確度、幾何精度和可信度。當前衛星技術、航天航空遙感技術、無人機技術、GPS技術的發展和進步，為國土信息數據獲取技術的發展帶來了新的發展機遇。將來要進一步研究利用天基、空基、低空及地表的衛星、飛機、無人機、地面平臺等，快速、全方位獲取土地信息的理論；研究利用各種可見光、多光譜、高光譜、激光雷達數據和GPS定位技術，更加準確、高效的獲取地表、地下土地資源數量、質量和狀態的多元信息的技術手段。國家尺度土地資源信息獲取與更新技術體系建設目標，包括建立國家尺度土地資源信息庫、形成國家尺度土地資源信息本底數據庫構建技術體系和多種技術融合下的國家尺度土地資源數據更新技術體系三個方面。

4.3 研究土地信息的標準化、安全組織、數據存儲、數據交換和數據共享管理機制和技術

建立土地信息化標準，是落實國土資源信息化“統一規劃、統一標準、信息共享”建設方針的重要前提。通過土地信息化標準建設，可保證土地信息化建設的順利進行，實現土地信息資源的共享。土地信息數據涉及的數據領域、數據來源、數據語義、數據結構、數據類型、數據形式、數據格式等多種多樣，數據交換、交互的阻力很大，目前已經嚴重制約土地信息數據共享與應用。研究土地信息數據的標準化組織，制定統一數據標準，已成為保障土地信息數據的數據質量、規范數據內容、組織形式、形式轉換共享機制的首要任務。隨著信息技術的發展，對土地資源信息的表達、記錄、處理和發布等，均發生了變化。如多媒體技術、虛擬現實、高分辨率遙感信息、海量數據處理、實時監測技術、網絡技術應用，在很大程度上改變了傳統GIS的概念。海量國土信息數據的快速存儲，數據抽取、數據交換、融合、共享的空間數據庫技術、云技術和大數據管理技術，成為了研究的發展趨勢，由于土地數據的權威性和涉密性，土地數據的傳輸和共享安全技術也成為了急需研究的重點問題。

4.4 研究土地信息數據的深度挖掘分析、綜合表達、集成應用技術

隨著土地信息數據的日趨豐富，“3S”技術、數據挖掘、模型模擬、專家決策系統技術的發展，形成了土地信息技術的深度挖掘、綜合分析。隨著空間信息技術領域中對地觀測技術、數據庫技術、網絡技術等的飛速發展，國土資源信息數據也進入了全面、高速應用階段。作為以空間信息資源管理為明顯特征的行業，空間數據的深度挖掘正日益成為土地領域的熱門課題和攻關重點。智能決策的研究趨勢，對多維土地信息的多維、定量化、可視化、動態化表達技術成為研究重點，隨著土地信息綜合應用和數據交換、共享的深入，跨平臺、跨系統的集成綜合應用技術成為研究趨勢。網絡技術和數據技術實現了硬件、軟件、信息資源更好更快的共享，實現了更大范圍的信息綜合協同處理，把原有的管理信息系統、決策支持系統、各種計算機輔助系統、專家系統提高到了一個新的水平。為有效管理各種土地管理信息，滿足土地事務處理的需要，數據庫系統作為數據管理手段，已經廣泛應用于各種土地管理系統中。土地信息技術獲取方式自動化和現代化、土地評價系統的智能化、土地動態監測手段的現代化以及土地信息管理的網絡化合業務辦公的信息化，均極大程度地促進了土地管理決策的科學化。

5 結論

土地信息學是以權籍為核心的土地信息作為特殊對象，研究其技術本身的理論與方法的學科，并為土地相關問題提供輔助決策與共享服務等，是土地學科的重要組成部分，也是土地管理工作的重要支撐。本文以土地信息學1980—2017年的發展為研究內容，基于30年來土地信息學相關文獻分析，在界定其研究內涵與理論框架的基礎上，就其產生背景、發展階段劃分及其演進規律等進行了詳細梳理，并對土地信息學的發展趨勢和重點研究領域進行了展望。

本文將中國土地信息學的發展劃分為三個階段：（1）起步階段（1980—1995年），是土地信息技術的孕育與初始發展階段，主要在土地調查方面展開應用，涉及航片轉繪、編圖繪圖、圖件縮編等；（2）關鍵技術應用階段（1996—2006年），主要體現為伴隨著“土地資源監測調查工程”、“數字國土工程”等國家重大需求項目的啟動，廣泛應用“3S”等新技術手段開展研究，時空模型也逐漸開始得到關注；（3）穩步加速發展階段（2007—2017年），本階段“3S”技術更加成熟，時空模型的地位更加凸顯。

土地信息學的演進是由信息技術的進步、土地科學的發展與土地管理工作的推進共同促進的。隨著“3S”空間信息技術、互聯網、大數據、云計算、無人機、人工智能、深度學習、機器學習等技術的進步，土地信息技術在土地領域的應用將日漸深入，并在多元土地信息獲取技術、土地信息的標準化與安全共享、土地數據深度挖掘與集成應用等方面取得重要發展。

（致謝：本文寫作過程中吸收了馮廣京、胡振琪、朱道林、林堅、蒙吉軍、詹長根、豐雷、胡守庚等專家的觀點和建議，對他們表示衷心感謝！袁濤、劉宇參與了部分資料收集和整理工作。）

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