自然資源與規劃智慧化建設的技術探索與實踐
——以武漢市為例

熊 偉，張 瑤，劉金榜

（1.自然資源部國土空間大數據工程技術創新中心武漢分中心，武漢 430014；2.武漢市自然資源和規劃信息中心，武漢 430014；3.武漢市規劃研究院，武漢 430014）

0 引言

中共中央、國務院印發的《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》明確了“一張藍圖干到底”的總體思路，這為探索超大城市現代化治理體系提供了依據。當前，中國的城市建設正處于快速發展時期，影響城市發展的要素復雜多變，需要在“一張藍圖”總目標的指導下，對城市建設活動進行實時評估，對階段目標和分項目標適時進行細化、優化和合理調整，強化城市建設的過程控制。相關部門需要整合城市發展的全部信息資源，對城市進行整體性、綜合性的研判和宏觀管理，找準城市的痛點、癥結和關鍵，精準施策，達到治理效果。如何對城市信息資源進行融合關聯，全景呈現城市運轉過程，并進行實時診斷和規律發現，是當前自然資源與規劃智慧化的重要課題。

武漢市是全國較早探索開展信息化支撐規劃管理升級的城市之一，形成了規劃數據體系、數字城市基礎設施、“多規合一”平臺、三維數字城市等一批信息化成果。在規劃數據體系方面，2007 年武漢市啟動武漢市規劃“一張圖”建設，并于2009年建成規劃“一張圖”。通過對城市規劃相關的各類空間信息進行系統性的收集與整理，有效解決了不同層級、不同時間、不同范圍規劃之間的銜接問題[1-2]。在數字城市基礎設施方面，武漢市于2009 年提出數字武漢建設總體框架，建立了基礎層、管理層、應用層3 個層次9 個組成部分的總體框架，形成了城市空間數據基礎設施、城市信息基礎設施及一系列數字應用[3]。在“多規合一”平臺方面，武漢市在“三規合一”探索的同時，開展了武漢市“多規合一”信息平臺建設，為規劃編制提供輔助決策支撐，對規劃實施進行數字化監測評估，實現各類投資項目并聯審批核準[4-5]。在三維數字城市方面，自2006 年起，武漢市全面啟動了三維數字地圖建設工作，并于2009 年全面建成了城市建成區三維現狀模型，實現了建筑管理審批從傳統二維方式向三維虛擬方式的飛躍，這在規劃管理工作中發揮了重要作用[6-7]。

隨著國土空間規劃體系與實施監督體系的重構，目前相關工作仍存在一系列問題。以數字化轉型為核心的國土空間治理需求日益迫切，而國土空間治理系統性創新相對滯后，各類新型信息技術的綜合統籌應用效果不明顯。支撐國土空間治理數字化轉型的基礎數據建設也存在系統性不強、關聯性不夠、標準不統一、機制不健全等問題。國土空間規劃多目標的相互融合與相互協調工作相對復雜，缺少便捷高效的技術手段和決策機制。這需要對現有信息化成果進行升級重構并向智慧化轉型。本文從數據、規則和規律3 個角度，研究城市多源數據融合關聯方法、管理規則數字化方法和城市規律挖掘方法，并建立一系列智慧工具，對自然資源和規劃智慧化的升級轉型進行探索，高效支撐了武漢市國土空間規劃編制和自然資源業務管理。

1 技術思路

武漢市依托自然資源部城市仿真重點實驗室，采用數字化思維和信息化技術，通過數據連接、規則連接和規律連接，建立現狀、規劃和實施之間的數字化路徑，實時接入規劃管理審批業務數據，開展指標實時計算，實現及時發現、預警城市問題的目標，如圖1 所示。數據連接基于統一的空間基準，進行多源數據空間關聯、融合，將各時序、各層次、各領域的數據打通融合，量化展示城市發展工作。規則連接通過建立機器審查規則庫，將體檢評估工作植入規劃工作的各個環節，以研判城市發展風險，強化提前預警和實施監督。規律連接通過研究城市要素規律挖掘方法，對城市各項要素運行規律進行模擬，打通微觀許可和宏觀管理，實現城市發展的精準把握，提升城市治理能力。

圖1 自然資源和規劃智慧化技術思路

2 數據連接驅動國土空間數據治理

數據具有對象多源、結構多種、應用多變、更新多樣、融合多類的特點，因此數據連接既是一項系統性工作又是一項基礎性工作，對自然資源和規劃智慧化具有深遠的影響。武漢市通過“現狀底圖”“規劃藍圖”和“實施動圖”的建設開展國土空間數據治理，實現國土空間數據的融合流轉。

2.1 “現狀底圖”

“現狀底圖”以第三次全國國土調查（以下簡稱“三調”）及年度變更調查數據為基底，融合人口、社會、經濟、公共設施、交通運輸等多領域數據，作為規劃編制的底圖和城市體檢評估的起點。“現狀底圖”分為基礎層、專項層、專業層和流動層四個層級，如圖2 所示。基礎層以“三調”數據為基礎，進行地類轉換和細化，同時融合基礎信息。專項層研究城市運行要素的數據提取規則，補充、融合其單項屬性。專業層選取若干專項數據，拓展專業屬性，支撐城市運行專業模塊的計算、模擬。流動層以資金流、信息流等要素為主，為城市研究提供全新視角[8]。

圖2 “現狀底圖”數據框架

2.2 “規劃藍圖”

“規劃藍圖”融合了全市各級各類法定規劃，形成戰略引領、有效傳導、同級唯一、管控清晰的數據體系，作為用途管制和實施監督的法定依據，如圖3 所示。

圖3 “規劃藍圖”數據框架示意圖

2.3 “實施動圖”

“實施動圖”是數據連接的重點，對城市進行動態計算和精準感知，需要動態呈現規劃實施的全過程。串聯了全市自然資源領域的規劃策劃、計劃準備、產權許可、建設生產、監督核實、登記變更6 個階段、43 個環節、89 個審批事項，按照相應的流程進行系統串聯，建立規則統一、有序關聯、實時更新的規劃實施數據庫。具體包括以下內容。

（1）開展數據梳理。梳理審批數據的屬性字段、數據更新等情況，明確數據建設標準，建立數據動態更新機制，進行全市域審批數據優化和完善，建成全域、全空間要素的“實施動圖”數據庫。

（2）引入圖數據庫技術，建立知識圖譜。圖數據庫以圖論為理論基礎，運用圖模型，將關聯數據的實體作為頂點存儲、關系作為邊存儲，解決了數據復雜關聯帶來的嚴重隨機訪問問題。利用圖數據庫技術能夠存儲不同來源數據的關聯關系，打破了傳統圖層式理論的數據組織方法，實現“實施動圖”的數據存儲和相互關聯。

（3）開展流程回溯，實現數據關聯。基于“實施動圖”數據框架，從地理空間位置、時間序列和項目屬性等角度，運用空間匹配和語義技術，實現流程回溯，重建項目審批環節的關聯。設計數據邏輯“米字關系”，形成規劃實施過程中的前后關聯，形成全周期的“實施動圖”。

在“現狀底圖”“規劃藍圖”和“實施動圖”建設的基礎上，建立“現狀底圖”“規劃藍圖”和“實施動圖”之間的“數據轉換器”，建立“現狀底圖”與“實施動圖”的有效閉環回饋與動態更新機制、融合機制，如圖4 所示。

圖4 “現狀底圖”“規劃藍圖”與“實施動圖”的融合機制

2.4 實時體檢

實時體檢是在“實施動圖”的框架上，實時接入行政審批數據，實現數據動態更新和指標實時計算。武漢結合城市仿真實驗室建立了1 000余項的城市計算指標，梳理城區建筑面積、各類公共服務設施覆蓋率等可實時計算的指標清單。從規劃全周期出發，實現數據和計算模型的變化自動觸發指標計算和指標更新。同時，根據應用需求，選取特定指標體系或指標項，按照預設模版生成評估體檢報告。

3 規則連接驅動實時體檢評估

數據連接可支撐準實時體檢。動態快速體檢的實現關鍵在于如何將規劃實施數據在審批或許可前參與空間計算、及時預警和提前應對，如圖5所示。

圖5 準實時體檢評估向實時體檢評估轉變

武漢市通過構建各類行政許可管理規則的知識圖譜、開發智慧工具，對管理規則進行數字化轉譯，采用“機器代人”的思路，上線一批智慧工具。這些智慧工具既能提高審批效能，也能預防人為犯錯，還能有效規范數據格式、參與空間計算。包括國土空間規劃“機審”工具、建筑規劃方案“圖審”工具和規劃設計條件自動提取工具以及尚在開發的國土空間規劃選址工具等。

3.1 國土空間規劃“機審”工具

根據各級各類規劃的定位和成果特點，該工具圍繞成果規范性、規劃符合性、指標合規性和方案合理性4 個方面梳理審查規則。審查規則分為技術性規則和管理性規則。技術性規則是編制的規劃方案與上位規劃的比對規則，管理性規則涉及“機審”判斷依據的政策法規及相關內容。

該工具已形成人工判斷的57 條原則性規則及機器識別的1.2 萬余條規則。可將編制完成的空間規劃方案通過計算機快速比對，輸出審查報告。這種方法不僅可使審批工作更加快捷準確，還能減少人為干預。

3.2 建筑規劃方案“圖審”工具

本文利用人工智能（artificial intelligence，AI）識別、語義理解和數據關聯等技術，對涉及建筑規劃方案審查的政策法規和規范性文件中的核心要素和規則進行自動提取，建立規劃管理規則庫，形成規劃管理知識圖譜并轉譯為機器語言。基于此，開發“機器代人”相關工具，實現建筑規劃方案各項指標高效、精準校核和智能化審查，并生成審查報告，如圖6 所示。“圖審”工具主要用于建筑規劃方案審查。

圖6 “圖審”工具界面及流程

（1）審查規則整理。按照審查內容梳理相關法規文件77 本。其中，國家法律、法規、標準25 本，地方性法規9本，政府規章14本，規范性文件29本。

（2）審查要點。對審查規范可量化內容采用機器自動審查，對需要專業知識判斷的內容采用人工審核。

（3）數據制圖標準。根據《總圖制圖標準》，結合審查要素，確定建筑規劃方案的成果制圖標準，提高數據的規范化、標準化程度，實現方案的快速機器審查和直接入庫歸檔。

（4）數據規整工具。利用規整工具，可對圖紙進行規范性檢查和整理，滿足機器審查的需要。將方案成果轉換為標準數據格式并直接入庫，支持統計配套設施數量、面積、容積率等信息，服務規劃管理精細化，實現圖紙數據從數據向信息的轉化。

（5）方案審查工具。基于提取的規則庫，按照審查要點，經規則轉譯后，建立數學模型，實現建筑規劃方案智能審查。

3.3 規劃設計條件提取工具

根據不同類型建設項目的特點，從規劃用地情況、土地利用強度、公共服務設施配套等方面，梳理規劃設計條件的條目和內容，形成規劃設計條件要素清單，明確每項要素的數據來源和計算規則，建立依據庫、規則庫和流程庫。自動計算形成“初始”設計條件，與建設項目訴求自動比對并找出不一致內容，提供管理決策。

（1）梳理相關政策法規。從規劃用地情況、土地利用強度、公共服務設施、建筑與城市設計、市政與交通控制、地下空間、特殊要求等方面，梳理形成7 個板塊內容。

（2）要素數字化轉譯。形成包含7 類40 項指標的分區、分類要素清單。

（3）規劃設計條件提取。按照梳理要素和管控規則，建立提取規則，自動提取并形成規劃設計條件。

4 規律連接驅動空間治理

對于城市而言，宏觀和微觀研判存在很大差異。宏觀指標細微變化會導致微觀層面的巨大變化，而微觀指標細微變化可能引起宏觀層面的誤判，這迫切要求通過數字化方法連通宏觀與微觀管理，關鍵在于對城市規律的認知、模擬計算和仿真測試。武漢市在數據連接和規則連接的基礎上，建立一系列城市要素評估模型，如圖7 所示，研判現狀并進行規劃方案推演，將問題反饋到規劃源頭。

圖7 規律連接、規則連接與數據連接關系

4.1 排水防澇模塊

排水防澇模塊綜合運用雨洪模型和全市地表覆蓋、地下管網、泵站等數據，模擬雨水降落、進入地下管網、抽排出江的完整過程，預測漬水區域滯水時間、滯水地點、積水深度。目前，武漢市構建了約1 000 km2的排水防澇高精度模型，以城市現狀降雨、排水模擬為基礎，對城市漬水風險進行評估，對規劃方案和建設活動進行預演，輔助城市管理。

4.2 公共服務設施空間承載力模塊

公共服務設施空間承載力模塊通過數據空間關聯，結合城市設施建設標準，針對設施運行特征，構建空間數學模型，實現設施承載力的現狀評估、規劃模擬和過程預警。

（1）人口或建筑量變化時的動態評估預演功能將人口或建筑量的變化輸入機器算法，在空間上重新計算，判斷影響范圍內的設施空間承載力變化。

（2）設施變化時的動態評估預演功能將發生變化的設施輸入機器算法，在空間上進行重新計算，重新分配設施的空間服務范圍，計算范圍內的人均指標，生成設施服務能力的空間分布圖，判斷設施變化帶來的空間承載力變化。

4.3 碳達峰與碳中和仿真模塊

碳達峰與碳中和仿真模塊通過研究各類城市活動引起的碳排放，建立碳排放清單。利用碳排放理論和方法，進行碳排放的量化計算，實現碳排放現狀評估、規劃比較和過程預警。首先，面向自然資源全要素，開展碳達峰與碳中和要素識別；然后，系統梳理各要素的計算方法，搭建國土空間規劃碳達峰與碳中和計算框架；最后，針對各層級規劃搭建碳影響評估的計算模型。利用該模型，本文初步測算了武漢市過去幾年的現狀碳排放和碳匯量，估算了2035 年的碳排放和碳匯的規劃值，以此研判碳達峰與碳中和的實現路徑。

4.4 數字化城市設計模塊

武漢市以數字化空間管控為目標，按照“要素譜系、數字化轉譯、管理平臺”的思路，建立數字化的城市設計平臺，將其直接用于規劃管理，實現城市空間形態的數字化、智慧化管控。按照總體城市設計、分區城市設計、地段/地塊城市設計不同層次的管控要求，梳理管控要素，形成公共空間、建筑設計、交通體系、地下空間四大類管控要素體系，并根據臨山片區、濱水片區、歷史片區、都市片區等不同的風貌區形成各自管控規則。同時，結合三維數字城市平臺，建成數字化城市設計平臺。目前，正在推行可視化向可計算式的升級工作。

5 展望

自然資源和規劃智慧化工作，既需要對自然資源全要素管理和城市綜合運行進行系統性、可量化的空間研判，也需要運用現代化信息技術手段實施動態計算、實時感知與精準治理。武漢市通過綜合運用地理信息、大數據、人工智能、城市仿真等信息技術，開展了數據連接、規則連接和規律連接三個角度的嘗試和探索，動態監測、識別和預警城市空間治理問題，及時優化國土空間規劃，提高城市空間治理能力。數據連接、規則連接和規律連接的建設思路對探索智慧規劃、智慧治理具有重要意義，還需要結合具體業務不斷實踐與創新。