大數據在地理國情監測中的應用探索

羅名海

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

地理國情監測包括基礎性監測和專題性監測兩方面，前者主要針對地表覆蓋和地理國情要素開展年度變化更新，定期反映自然資源環境和城鄉建設發展；后者利用基礎性監測成果和各類專題資料，結合地理學、統計學、經濟學等方法，開展一系列跨學科的專項監測和統計分析研究，努力實現從地理數據、地理信息到地理知識的轉變。大數據的蓬勃發展為深化地理國情監測提供了新的契機，在詳實反映土地利用變化的基礎上，開展大數據的收集、爬取、清洗和挖掘分析，可進一步識別和監測土地利用上的人口、經濟、交通等空間分布特征和活動規律，有效克服傳統靜態數據的局限性，突顯地理國情的“情”字，有助于地理國情監測從土地利用走向社會經濟活動，從靜態專業工作走向動態大眾生活，在促進城市精細化管理和經濟社會協調發展方面發揮更好的支撐作用。

1 地理國情普查與監測概況

地理國情是空間化、可視化的國情信息，是從地理的角度分析、研究和描述國情，是重要的基本國情之一。地理國情普查與監測是綜合利用現代測繪技術和各時期已有測繪成果檔案，對地表覆蓋和地理國情要素等進行全面普查和監測，并統計分析其分布特征與差異、變化量和變化頻率以及相互關系等，形成反映各類自然資源、生態環境、社會經濟要素的空間分布及其發展變化規律的地理國情數據、地圖和報告[1-2]。

黨中央、國務院高度重視地理國情普查與監測工作。2011年5月23日，李克強同志在視察中國測繪創新基地時指出，地理國情是重要的基本國情，是搞好宏觀調控、促進可持續發展的重要決策依據，也是建設責任政府、服務政府的重要支撐[3]。2013年2月28日，國務院下發了國發[2013]9號《關于開展第一次全國地理國情普查的通知》；2013～2015年統一部署組織完成了第一次全國地理國情普查，摸清了我國陸地地表自然和人文地理要素的“家底”，2017年4月發布了全國普查公報。

普查之后是監測。2017年4月十二屆全國人大常委會第二十七次會議通過了新修訂的《中華人民共和國測繪法》，要求依法開展地理國情監測。2017年5月和7月，原國家測繪地理信息局先后印發了《關于全面開展地理國情監測的指導意見》和《專題性地理國情監測技術指南（2017～2020年）》，對地理國情監測工作進行了全面部署。2018年1月原國家測繪地理信息局印發了《2018年測繪地理信息工作要點》，要求全力打造地理國情監測品牌，全面開展常態化地理國情監測工作。2018年2月中國測繪科學研究院發布了《中國地理國情藍皮書（2017版）》。2018年5月新組建的自然資源部印發了自然資辦發[2018]12號《關于下達2018年國家地理國情監測項目生產計劃和任務書的通知》，全面部署了2018年國家地理國情監測工作。

武漢市在按要求完成普查任務后，率先實現了由普查到監測的轉段，分別于2016年7、8月下發了武政辦[2016]85號《武漢市“十三五”時期地理國情監測工作方案》和武政辦[2016]104號《武漢市基礎測繪發展“十三五”規劃》，調整市地理國情普查領導小組為監測領導小組，明確了工作目標任務，落實了財政經費保障，基本達到了國家關于地理國情監測“進法律、進預算、進職責、進規劃”的“四進”要求。2016年起武漢市測繪研究院持續按年度組織開展常態化監測工作，在自主完成基礎性監測的基礎上，聯合中國測繪科學研究院、武漢大學、華中師范大學等單位創新開展了一系列跨學科的專題性監測，包括城市空間格局變化監測、開發區規劃實施監測、綜合交通網絡動態監測、濱江濱湖生態環境監測（藍網綠網、低碳城市、海綿城市、資源環境承載力）、基本公共服務監測和綜合地理國情指數等6個方面，并完成了古田老工業區搬遷改造監測和青山海綿型城市建設示范區實施效果監測兩項國家級監測試點項目[4]。

普查與監測期間，武漢市測繪研究院參編國普辦技術規定1部，主編地方規范1部，完成的12個項目先后獲得各級獎勵，其中“武漢市地理國情普查與成果應用”等3個項目連續3 a獲得中國地理信息產業協會優秀工程金獎。2017年4月武漢市測繪研究院出版了首部城市地理國情監測專著，在漢主辦首次“城市地理國情監測高端技術論壇”；2018年1月發布首本城市地理國情普查公報；2017年9月被國普辦表彰為“第一次全國地理國情普查先進集體”，也是全國唯一獲此殊榮的市級測繪單位。

2 大數據在地理國情監測中的應用前景

2.1 地理國情數據的特點和優勢

地理國情監測以每年6月30日為標準時點，對地表覆蓋和地理國情要素進行變化更新。地表覆蓋包括種植土地、林草覆蓋、房屋建筑（區）、鐵路與道路、構筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地和水域，分為伸縮型變化和新生型變化，重點針對正處于變化中的地類、非人工建設變更為人工建設的地類、建造強度發生顯著或根本變化的地類；地理國情要素包括鐵路與道路、水系、構筑物、城鎮功能單元（居住小區、工礦企業、單位院落等），分為伸縮移位型變化、新生型變化和滅失型變化。

地理國情監測以“所見即所得”為原則，以真實、客觀、準確為特點，具有全覆蓋、內外業、年度更新的優勢，也為各類信息的集成管理提供了公共基底。從自然地理要素來看，全面摸清了“山水林田湖草”等自然資源家底，反映了自然資源稟賦、狀態和壓力；從人文地理要素來看，詳實反映了城市空間格局和建設發展情況，定期反映了城市的變化區域、數量、強度和類型，如主城外圍新增的房屋建筑（區）和道路反映了城市外延增長的邊界、規模、速度和軸線，主城內部新增或竣工建設工地反映了城市更新改造和存量增長情況，房屋建筑（區）的密度和高度反映了城市建設集約程度，城鎮綜合功能單元（居住小區、工礦企業、單位院落等）反映了城市功能布局的基本情況，道路密度以及主次支路比例反映了城市道路建設的合理程度。

2.2 大數據的發展和應用

大數據是指無法在一定范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合，是海量、高增長率和多樣化的信息資產。隨著信息技術的發展，互聯網、物聯網、云計算等的興起，全球數據信息量呈幾何指數爆炸增長，大數據應運而生。在新一代信息基礎設施的支撐下，大數據是物理空間運動過程加速向網絡空間映射的結果，表現為規模巨大、種類多樣和內在關聯，具有5V特征：①數據體量（Volume）巨大，從TB級躍升到PB級；②數據生成、存儲、分析、處理的速度（Velocity）非常快；③數據模態多樣（Variety），多源、異構特征突出；④數據真偽難辨（Veracity），由于數據噪音、缺失、不一致性、歧義等引起的數據不確定性顯著；⑤價值密度低、商業價值（Value）高。大數據存在巨大的潛在價值，但與其呈幾何指數爆發式增長相比，某一對象或模塊數據的價值密度較低，給海量數據的挖掘增加了難度和成本[5]。

與地理國情相關的大數據類型繁多，主要包括12類：①地理國情普查與監測數據，包括地表覆蓋分類數據、變化圖斑和變化屬性，具有自然屬性強、年度更新的特點；②基礎地理信息數據，包括數字線劃圖（DLG）、數字高程模型（DEM）、數字柵格地圖（DRG）、數字影像地圖（DOM）和地名數據等，是其他數據定位和集成的公共基礎；③遙感對地觀測數據，主要包括衛星影像、航片、LiDAR點云和夜光遙感等；④地面觀測數據，包括大地測量數據、地表形變監測數據，遙感解譯樣本，氣象、環境、地震、水文、地質災害、森林火災、疫情等在線監測數據；⑤行業普查與調查數據，包括全國性的土壤普查、水利普查、林業普查、污染源普查、經濟普查、地名普查、交通設施普查、營業狀況調查、土地利用現狀調查等，以及區域性或城市范圍的公眾參與問卷調查、交通O-D調查、舊城和文化古跡調查、鄉村地理調查等，具有很強的行業特征和管理屬性；⑥社會經濟統計數據，主要包括以行政區劃為單元定期采集、匯總、整理形成的人口、社會、經濟、城市建設等方面的統計數據，具有定期發布、指標統一、可比性強等特點；⑦行業管理數據，包括人口，公共服務設施，企業，不動產，各類審批信息，居民或企業用水、用電、用氣等數據；⑧志愿者地理數據，是由大量非專業人員利用智能手機、GPS終端、iPad以及各種定位傳感器獲取、標注和上傳的地理空間數據、圖像和視頻等多媒體數據；⑨社交媒體數據，包括博客、微博、微信、維基、社交網站、點評社區、論壇等，反映人們對社會事件的輿情；⑩移動大數據，是由移動GPS設備記錄的用戶活動的原始時空軌跡數據，包括手機信令、百度熱力、公交刷卡、浮動車、共享單車、刷卡消費等，為從微觀層面觀察社會提供了有效手段；互聯網大數據，如新浪、搜狐網的瀏覽信息，百度、谷歌等搜索關鍵詞，房地產掛牌銷售和二手房交易信息等；物聯網大數據和實時監測數據，如路口線圈、監控圖像和視頻、物流數據、電網數據、水網數據等[6]。

大數據增長迅速，應用廣泛，在城市管理、公共服務、商業智能和市場營銷方面具有巨大的應用潛能，特別是關于城市問題的研究層出不窮。大數據以其獨特的視角，通過實時動態觀察城市，為提取潛在信息、挖掘蘊藏知識、開展城市體檢與問題診斷，提供了全新的技術手段，對于最終實現精細化的城市管理具有重要意義。

2.3 “地理國情+大數據”的融合研究潛力

地理國情監測詳實地反映了土地利用分布、結構和變化，但有很大的局限性，未能反映土地利用上的人類活動。統計年鑒包括人口、經濟等資料，但往往是基于一定統計單元（全市、區、街道或鄉鎮）的統計指標，無法反映統計單元上人口、經濟等要素空間分布的非均質性。地理國情以地塊為單元，屬于微觀尺度的物理空間；統計資料以行政區劃為單元，屬于宏觀尺度的社會空間。目前開展的地理國情統計分析往往是利用上述兩種數據，因此出現了尺度上不匹配的問題，結論也往往是宏觀意義上復雜的指標體系，難以生動反映微觀環境下土地利用對應的社會經濟活動，在實際應用上有很大的局限性，難以落地。

大數據的核心之一是人，可以展示微觀層面上社會空間中以個體為尺度的活動、移動和交流，為開展微觀環境下的社會經濟研究和精細化城市模擬提供了可能。大數據具有樣本量大、動態性強、時效性高等特點，可有效反映土地利用上人口、經濟、交通等要素的動態分布、活動規律和相互聯系，是對傳統靜態數據的有益補充，逐漸成為研究城市問題的突破口和熱點[7-8]。

在區域聯系方面，鐵、水、公、空等對外交通設施和GDP、人口規模等傳統數據，只反映了經濟學上城市輻射、吸引的潛在能力；而基于大數據的等時圈則反映了交通影響的范圍，人流、物流、資金流和信息流則深刻揭示了區域范圍內城市經濟聯系，以春運人流為代表的網絡遷徙大數據則反映了城市的人口吸引力。在功能布局方面，房屋建筑區、城鎮綜合功能單元反映了土地利用的功能布局；手機信令、百度熱力、POI等大數據有助于識別商業、商務、休閑娛樂等不同城市功能中心及其邊界，并分析典型區域的活力空間。在職住關系方面，城鎮綜合功能單元反映了居住區、工業區、單位院落的分布；糧食人口調查和統計數據反映了人口分布格局、年齡和學歷結構、人口戶籍遷移；手機信令、百度熱力、社交網絡數據有助于分析人口集聚、流動等行為特征，深刻揭示職住關系。在房屋建筑方面，房屋建筑區數據詳細反映了房屋建筑區和獨立房屋建筑的面積、高度和密度；夜光遙感數據、用水和用電數據則可分析房屋的空置率；房價、職業等數據可反映居住人群的收入差別和住宅區的空間分異。在道路交通方面，地理國情數據詳細反映了城市主次支路、高架立交、橋梁隧道、公共交通、停車場等；公交刷卡、浮動車、百度熱力等大數據可深入分析城市公共交通廊道，識別主要交通樞紐，體現不同區域、不同線路、站點的交通出行壓力。

綜上所述，“地理國情+大數據”融合研究的宗旨為：發揮地理國情、大數據二者的優勢，在利用地理國情數據詳實反映城市土地利用狀況和變化的基礎上，利用大數據挖掘分析其上的人口、經濟、交通等活動特征和規律，并將土地利用與其承載的社會經濟要素進行綜合分析，研究宏觀、微觀層面上物質空間與社會空間各類要素之間的相互關系與作用，評價土地利用效率、城市增長質量、經濟社會發展的協調性。換言之，地理國情數據是只見物、不見人，反映的是微觀、靜態的物理空間；而大數據的核心是人，通過觀察社會空間中眾多的微觀個體活動，挖掘群體性活動規律，反映微觀、動態的社會空間。“地理國情+大數據”的融合研究，是克服一般統計分析宏觀、靜態、難以落地局限性的突破口，有效建立了人與地、物理空間與社會空間的關系，實現了從對地觀測到對人觀測的轉變，建立了真正意義上的社會地理計算體系，為開展城市仿真模擬提供了新路徑[9]。當然，大數據有海量、多源、異構等特點，挖掘分析方法成為其有效利用的關鍵，同時要注意大數據樣本的數量、代表性和穩定性，保證結果的可檢驗性。

3 武漢市試點項目的總體設想

2018年5月自然資源部印發的自然資辦發[2018]12號《關于下達2018年國家地理國情監測項目生產計劃和任務書的通知》明確要求，為持續全面掌握我國陸地范圍內地表自然和人文地理要素的現狀與變化情況，更好地為自然資源管理和生態文明建設提供地理國情信息保障服務，2018年將繼續開展國家地理國情監測工作。其中，“武漢市大數據城市空間格局變化監測試點”（以下簡稱本項目）獲批立項，也是2018年度自然資源部批復立項的國家專題性地理國情監測6大專項中唯一一個城市級監測項目，其他5項為京津冀協同發展重要地理國情監測、國家級新區空間格局變化監測、全國海岸帶開發利用變化監測、洞庭湖生態經濟區地理國情監測和巢湖流域地理國情監測。

3.1 項目目標

本項目以武漢市為試點，開展大數據城市空間格局變化監測，以地理國情成果為基礎，融合基礎地理信息數據、行業專題數據以及手機信令、百度熱力、實時路況、公交刷卡、興趣點等多源大數據，從宏觀到微觀，從區域城市格局、城鄉體系格局和城市空間格局3個方面，圍繞土地利用、人口分布、產業分布、交通出行、公共服務等識別與監測城市空間格局的特征和變化，反映土地利用與其上人類活動的關系，深層揭示空間格局變化的內在規律和機制，為城市科學發展和政府管理提供決策支持。

3.2 總體框架

本項目以地理國情成果為基礎，利用傳統數據與大數據相結合的模型方法，從歷史演變、識別與監測、綜合分析3個層次開展武漢市大數據城市空間格局變化監測，總體框架如圖1所示。

圖1 武漢市大數據監測試點總體框架圖

1）數據獲取與清洗。本項目涉及的數據非常龐雜，其中大數據按獲取渠道分為商業數據、管理數據和網絡爬取數據3類，商業數據包括手機信令數據（聯通）、百度地圖數據（百度遷徙、百度熱力、POI）和工商企業數據，從數據源頭供應商采購；管理數據包括居民用水（電、氣）數據、城鎮職工基本醫療參保數據、軌道交通流量數據、城市貨運物流數據和公共交通刷卡數據，從相關行業管理部門收集；網絡爬取數據包括招聘信息、城市人口遷徙、房價數據和社交網絡（微博、騰訊）等。

大數據具有數據量大、多源異構、語義差異等特點，因此數據清洗與處理非常關鍵。①數據清洗，根據不同類型的大數據，定義相應的清洗規則，設計相應的清洗算法，開展數據清洗，包括有效性清洗、結構清洗和語義清洗；②地理編碼和空間化，對部分非空間化的大數據（如安居客房價數據、居民用水用電數據、社保數據等）進行空間化處理，包括地址匹配、坐標轉換等；③數據質量控制，大數據具有很多不確定性，除在數據處理環節加強質量控制外，還需運用多套數據進行交叉驗證，克服大數據的有偏性。

2）研究思路。本文從歷史演變、識別與監測、綜合分析3個層次展開研究。①歷史演變，從近現代到當代，以定性分析與定量推演相結合的方式，分析城市空間格局要素在長時間序列上的演化規律。②識別與監測，從區域城市格局、城鄉體系格局和城市空間格局3個方面展開。宏觀層面上分析武漢市在全國、東中西部和城市圈中的城市定位與區域聯系；中觀層面上刻畫武漢市中心城區、功能區和新城區之間的城鄉體系差異和圈層特征；微觀層面上重點圍繞主城區的外延擴張和內涵增長，從土地利用、人口分布、產業布局、交通出行和公共服務等方面深入挖掘空間格局變化的內在機理與外部表現。③綜合分析，從不同尺度和視角，分析用地、人口、經濟與交通要素之間的耦合關系以及城市空間格局演變的驅動力因素和相關性。綜合分析就是根據各項研究需要，建立相應的人地關系模型，開展各項專題監測與研究，從海量數據中挖掘、提煉出規律性的知識，切記大數據本質是樣本分析，避免以偏概全；注重實用化，既有圖形的表現效果，又形成定量化的指標；保持連續性，既如實反映現狀，又突出變化分析，體現監測的目的。

3.3 主要研究內容

本項目在不同空間尺度上，選取不同時間顆粒度，構建“地理國情+大數據”研究框架，通過監測城市土地利用靜態地理空間和識別人口、經濟、交通等動態行為空間，從區域城市格局、城鄉體系格局和城市空間格局3個方面研究武漢市空間格局，主要研究內容為：

1）區域城市格局。把城市作為一個點，從戰略格局、交通樞紐、經濟聯系、人口流動和公共服務5個方面開展區域城市格局分析，并與典型城市開展橫向對比，評價武漢市在全國、東中西部和城市圈的區域地位。①結合國家發展政策，分析武漢市的戰略地位；②基于鐵、水、公、空運輸能力，評價武漢市的中部交通樞紐地位；③綜合利用企業產品供銷、貨運出口、投融資等多源大數據，從物流、資金流和信息流等方面分析與其他城市的經濟聯系度及其對周邊城市的輻射影響力；④基于網絡遷徙大數據反映對其他不同區域人口和人才的吸引力；⑤通過不同城市的對比，體現武漢市在科教、醫療、會展、商業等領域的公共服務優勢。

2）城鄉體系格局。從總體格局、城鎮體系、圈層結構和農業農村4個方面開展城鄉體系格局研究。①基于地理國情數據，反映武漢市地形地貌特征以及空間差異，分析“山水林田湖草”等自然地表分布和變化特征，體現“大江、大湖、大武漢”的地域特色和“大建設、大發展、大變化”的建設現狀；②結合歷史和規劃數據，分析行政區劃調整與變遷，基于夜光遙感影像識別城鎮的等級規模；③結合社會經濟數據，從中心城區、功能區和新城區3個圈層分析城鄉人口、產業分布差異；④結合地理調查，開展農村空心村識別和農業種植土地實際利用情況分析。

3）城市空間格局。重點圍繞主城區的外延擴張和內涵增長，從空間格局、土地利用、人口分布、產業布局、交通出行和公共服務等6個方面開展城市空間格局監測和分析。①基于地理國情數據，識別主城區江湖分割、山水軸線、圈層結構（環線、放射線）等空間形態；利用歷史地圖、檔案等資料，定性反映從三鎮時代到長江時代的空間格局演變過程，體現武漢悠久的發展歷史。②開展土地利用格局研究，利用全覆蓋、內外業、年度更新的地理國情數據，識別主城區外延擴張的邊界和軸線，以及內涵增長的區位和類型，分析城市空間擴張規模、方向、速率和結構，客觀、真實、準確地反映城市土地利用變化；利用城市用地轉移矩陣，分析增量與存量增長并存、平面擴張與立體增長共生的空間增長格局；結合國土規劃數據，識別和分析城市功能布局、房屋建筑格局、土地價值格局、舊城更新格局等。③結合人口、經濟、交通、公共服務等專題數據與手機信令、百度熱力、社交網絡、POI、公交刷卡、公共自行車、用水用電等大數據，挖掘城市經濟社會活動特征，包括城市功能中心的范圍和活力，居住分布、收入水平與住房空置率，產業分布、就業格局與樓宇經濟，職住關系、人口流動、交通壓力與公交換乘，公共服務分布、服務區范圍與出行時間成本等，從而分析土地利用與人口、經濟、交通的協調關系，評價城市增長的質量。④利用傳統數據與大數據相融合的方法，運用人工智能、機器學習等技術開展模型研究，建立微觀層面上人與地、物理空間與社會空間的動態關系，開展多尺度、多視角的數據挖掘和社會地理計算，識別與監測土地利用及其上人類活動的特征和變化規律，為最終實現城市仿真、模擬預測和精細化管理提供技術支撐。

4 結 語

“武漢市大數據城市空間格局變化監測試點”項目是一個龐大的系統工程，需在總體設計的指導下分階段推進，不斷豐富數據資源和完善研究方法，發揮地理國情監測和大數據的優勢，開展融合創新研究和實踐應用。一方面客觀、真實、準確地反映“山水林田湖草”等自然資源家底和鐵路與道路、房屋建筑（區）、人工堆掘地、城鎮綜合功能單元等城鄉建設現狀，動態監測自然資源的實際利用狀況和城鄉規劃的實施過程；另一方面融合多源、多尺度、多時態大數據，分析人口、經濟、交通等在城市空間上的集聚和流動，全方位、多視角地識別和展示城市空間格局特征，深入挖掘其內在機理和演變規律，最終實現從對地觀測到對人觀測的轉變，開展社會地理計算[9]，動態反映城市問題，科學揭示發展趨勢，為優化國土空間開發利用、促進城市精細化管理提供決策支撐。

當前，正值新一輪國家機構改革、新組建自然資源部之際，我國自然資源開發利用與保護工作掀開嶄新的一頁，測繪工作正式融入國家自然資源工作大格局。下一步，將以此為契機，圍繞自然資源保護利用、城市更新改造、產業轉型升級、人口結構優化、基礎設施互聯互通等方面，積極探索信息整合、挖掘分析、成果可視化等技術方法，建立大數據城市空間格局變化監測數據體系、技術體系和應用體系，探索打造“地理國情+大數據”的武漢樣板，為推動全國地理國情監測創新應用發揮示范引領作用，為促進城市協調發展提供決策依據，充分發揮地理國情基礎公益智庫的作用。