數據驅動的國土空間規劃新技術應用探討*

蔣金亮 陳 軍 席廣亮 孫東琪 JIANG Jinliang, CHEN Jun, XI Guangliang, SUN Dongqi

0 引言

黨的十九屆三中全會以來，我國開展國家機構改革，組建自然資源部負責建立空間規劃體系并監督實施，由一個權威機構統領空間規劃管理職能。隨著“五級三類”規劃體系的確立，“多規合一”的新時代國土空間規劃進入全面編制階段。一方面，粗放的城市蔓延導致生態環境惡化，空氣、水、土壤等環境質量亟待改善[1]。人口向大城市大規模集聚，引發交通擁堵、公共服務供需失衡等城市病。另一方面，軟硬件設施性能快速提升，計算機算力極大增強，為智慧城市建設提供技術基礎[2]。隨著生態環境問題和大城市病的凸顯，生態文明理念為社會經濟發展提供了理論基礎和政策指引，管控約束下的國土空間規劃將更注重城市發展與生態保護之間的協調共生，而新技術應用無疑為國土空間的保護、開發、利用、修復提供研究手段。

長期以來，新技術應用在國土空間領域發揮了重要作用。從CAD制圖走向GIS平臺，提升數據管理效能，為國土空間數據分類和存儲提供基礎。隨著移動互聯技術的興起，手機信令數據、浮動車數據、消費數據、社會網絡數據，包括傳統遙感數據、GIS數據、大規模普查數據等在各種類型規劃里得到廣泛應用[3]。國內外學者采用空間分析、機器學習等模型，在城鎮聯系、城市用地識別、交通設施評價、空間脆弱性、公共設施評價、居民行為分析等方面開展了大量研究[4-7]，對城市空間結構、土地利用變化、交通聯系、生態景觀等進行了模擬和評估。

新時代國土空間規劃應充分運用大數據等手段，提高編制科學性，推動“可感知、能學習、善治理、自適應”的“智慧規劃”或智慧型“生態規劃”，建設“智慧國土”和“美麗中國”[8]。而如何發揮新技術在國土空間規劃調研分析、規劃編制、實施監督過程中的作用，成為擺在規劃師面前不可忽視的客觀需求。既有學者從大數據探索[9]11、基礎數據庫構建[10]、一張圖應用[11-12]、國土空間高質量利用[13]、智慧國土空間規劃[14]等方面對國土空間大數據和新技術應用進行探索和實踐，發揮了信息化方法的支撐作用。但對國土空間規劃的研究、編制、實施和監管還在逐步開展，如何將新技術應用于國土空間規劃仍處于摸索階段。因此，本文在梳理現有研究和實踐的基礎上，提出數據驅動的國土空間規劃新技術應用框架，從調研分析、規劃編制到實施監管各個階段闡釋數據驅動下的新技術應用實踐，探討規劃新技術的應用思考，推動國土空間規劃方法更新，為進一步深入研究提供可供借鑒的理論和實踐基礎。

1 數據驅動的新技術應用實踐

本文考慮調研分析、規劃編制和實施監管的各個階段，具體從基礎數據收集與分析、資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價（以下簡稱“雙評價”）與三區三線劃定、空間結構與功能布局、土地優化利用與生態修復、完善公眾參與、信息平臺建設與規劃督察等方面提出實踐方向，構建數據驅動的國土空間規劃新技術應用框架（見圖1）。

圖1 數據驅動的國土空間規劃新技術應用框架Fig.1 Data-driven new technology application framework for territory spatial planning

1.1 調研分析階段

國土空間規劃需要統籌全域空間，整合人口分布、經濟布局、國土利用、生態環境保護等數據，形成統一的城市基礎數據庫。傳統的國土空間數據來源以土地變更調查、統計年鑒和相關專項調查數據為基礎，數據的幾何粒度、更新頻率難以滿足要求，側重對于空間結構或人口的機械統計[15]13。依靠遙感監測、GIS等技術方法，調研分析階段可獲取不同尺度、精細化的自然資源數據，包括土地利用、氣候、環境、災害等類型，識別監測空間本底狀態和時空規律，評估國土空間現狀[16]。通過監測國土空間現狀，識別城鎮、農業、生態等不同系統變化差異，掌握建設用地、耕地、海洋等內部結構和質量變化趨勢[17]。隨著深度學習技術的應用，建筑物、綠地、水系、道路的識別為城鎮空間內要素的監測提供精細化現狀數據，提高了數據精確度和顆粒度[18]。

除傳統數據外，傳感器感應、網絡行為、個體出行記錄、網絡地圖應用等成為新興空間數據源。一類是大規模調查形成的海量描述性空間數據，包括POI（Point of Interest，興趣點）、空氣質量、房價等數據（見表1）。這類數據多來源于政府或者企業調查，將社會、經濟、環境等屬性投影到地理空間，更新頻率較快，以開源類數據為主。另一類是帶有個人活動屬性的數據，包括公交出行、出租車、手機信令等運營數據，融合個人信息和地理標簽，凸顯個體或者群體在空間位置的實時變化，多為結構化數據，存儲規模大，以非開源數據為主。新興數據的采集并非主動為國土空間規劃提供，但在具體分析中，因其時間積累長、覆蓋范圍廣、更新頻率高，可以彌補傳統數據的缺陷，成為規劃重要的數據來源。

表1 新興數據應用于國土空間規劃Tab.1 Emerging data applied to territory spatial planning

城市基礎數據庫中經濟、交通、文化、社會等空間屬性類數據，通過地理信息編碼到空間位置，形成不同要素類空間數據（見圖2）。繼而將數據庫進行一次加工形成人群、空間、流動空間等畫像數據，構成國土空間規劃現狀分析的重要基礎，描述城鎮、農業、生態等空間載體，促進規劃編制從經驗判斷走向數據驅動。傳統數據和新興數據結合支撐國土空間的現狀研判，促進多學科交叉融合，進一步借助機器學習、人工智能等技術的二次加工，以智慧平臺的方式將進一步推動智慧國土空間規劃。

圖2 國土空間規劃數據應用Fig.2 Data application of territory spatial planning

1.2 規劃編制階段

（1）雙評價與三區三線劃定

國土空間規劃需進行雙評價，科學確定生態、農業、城鎮等3類空間（即“三區”），劃定生態保護紅線、永久基本農田、城鎮開發邊界等3條空間管控邊界（即“三線”），為城市未來可持續發展預留空間。國土空間開發適宜性評價的基本思路是將研究單元劃分為柵格，在柵格內確定評價要素特征，對應最終不同的生態保護等級、農業生產適宜性和城鎮建設適宜性，前兩項所涉及的地表環境中的人類活動區域較少，運用傳統地理信息分析技術輔助完成。城鎮開發適宜性的評價空間為人類活動密集的場所，除涉及自然環境評價，還需考慮區位、文化、經濟社會發展等要素。其中區位優勢評價可采用傳統的可達性模型、引力模型，也可結合POI、房地產、網絡點評等數據，采用核密度等方法分析地塊的活動強度、設施布局均衡度、地價潛力等。文化、經濟社會發展等要素分析可結合手機信令、企業注冊等數據確定地塊經濟活動強度，根據社會網絡分析等確定相互聯系網絡，對評價結果進行修正。

三區劃定是多視角研究、多部門協作獲得科學合理的結果，新技術應用可提供輔助，提高科學性和精確度[19]。借鑒生產、生活、生態3類空間研究方法，可利用土地利用現狀數據分類和歸并，依據主要功能落實空間邊界[20]。此外，在中心城區尺度下，可采用POI數據，依據網格分析、層次分析等方法對3類空間進行識別[21]。三線是三區的重要組成部分，更側重邊界剛性管控[22]。按照水源涵養、水土保持等要素評價生態功能，根據水土流失、土地沙化等評估生態環境敏感性。在空間疊加分析的基礎上，校驗劃定生態紅線區域[23]。永久基本農田劃定是按照多因子綜合評價法，考慮自然、生態等因素，綜合評價基本農田質量等級，結合景觀格局分析，確定保護區域。城鎮開發邊界的劃定主要滿足人類活動所需空間，在規模確定上采用手機信令等數據源，科學探測城市常住人口、流動人口等，模擬并預測城市現狀及未來服務人口，與傳統數據進行校核。在布局上，可借助神經網絡、FLUS-UGB等模型，采用柵格或矢量斑塊元胞自動機的用地演變模擬，預測未來城市增長空間，研判城鎮開發邊界的具體形態[24]。

（2）空間結構與功能布局

在區域和城市層面應加強區域協調，優化城市空間結構和功能布局。在區域聯系和結構分析層面，采集交通流、百度指數、工商企業注冊大數據等流數據，結合社會網絡分析、重力模型等方法，計算城市網絡聯系，確定城市網絡中的節點城市、優勢流等結構特征[25-26]。借助燈光遙感、POI、手機信令等數據源，提取不同城市中用地、設施、人口密度等信息，綜合測度城市等級規模、職能結構。

借助新技術應用，城市內部功能和結構可結合POI、社交網絡、房價數據分析流動空間特征，輔助界定建成區邊界，分析土地開發潛力，整體研究居民活動空間與空間結構。采集手機信令等數據，通過情景模擬等方法分析人口空間分布與活動特征，研究職住平衡、人口出行特征等。在交通體系方面，通過出租車軌跡、公共自行車等數據，識別出行熱點地區、職住地，分析公共交通與用地關系，對綜合交通體系、樞紐選址提出參考建議。通過POI、手機信令等數據分析用地布局，采用主成分分析等方法識別用地類型和功能，滿足國土空間用途管制需求。

總體城市設計是國土空間規劃的基礎工作，貫穿規劃建設管理全過程。近年來，隨著對街景圖片識別研究的深入，除了對二維平面的布局研究，還可借助機器學習算法，實現對街道綠視率、開闊度、色彩、高寬比等形態的研究[27]。利用定位數據，將其與街道空間進行對應，評價街道活力，分析其與城市建成環境之間的關系[28]。依靠海量街景數據，實現對街道美學特征的深度學習，識別老城、新區等不同區域的城市風貌特征，有針對性地提出風貌提升建議，塑造尺度宜人的城市空間形態[29-30]。

除建成區以外，村莊規劃是“五級三類”體系中的詳細規劃，指導鄉村地區國土空間開發利用和用途管制。一方面，借助手機信令等居民活動數據，特別是村民的實際流動規模、方向和結構，識別出真實的空心村，為村莊合理布局提供技術支撐[9]14。另一方面，受制于鄉村研究中個體行為數據獲取的難度，通過采集村民GPS活動軌跡數據，識別村民日常出行停留點、活動路徑和本地承載的功能，分析村民時空活動特征，提出空間改造建議[31]。

（3）土地優化利用與生態修復

土地優化利用與生態修復是國土空間規劃中體現“生態文明”理念的重要抓手，對國土空間進行合理的布局，考慮土地利用對生態環境的影響，構建生態網絡體系推進生態修復。在土地優化利用方面，結合遙感反演、分類等手段，監測城市生態環境指標。結合POI設施等數據反映人類活動，采集遙感影像反演城市地表溫度，分析城市蔓延對地表溫度的影響，識別城市熱島效應空間格局[32]。通過遙感圖像識別綠地、水體等用地，測度生態用地的比例，對藍綠空間結構進行優化。采集現狀土地利用分類數據，計算景觀破碎度、斑塊聚集度等景觀指數，分析城市和區域景觀質量，為生態景觀布局提出優化建議。此外，借助模型分析方法，探析城市用地布局對生態環境質量的關系，改善城市用地結構和布局[33]。

生態空間的斑塊、廊道、基質能促進生物物種遷徙，因此構建生態網絡和廊道可促進生態保護和修復。對生態空間進行生態過程模擬，分析區域生態安全格局，綜合識別景觀生態學中源匯地，結合最小阻力面等方法確定生態空間阻力，構建生態廊道[34]。為緩解熱島效應和優化空氣環境，分析城市地表環境，選取道路、綠廊等作為重要通風廊道；在城區尺度通過迎風面、地表通風潛力分析，識別潛在通風廊道；在街區尺度結合CFD方法，保障城市通風環境[35]。此外，分析城市生態系統的修復能力，根據生態修復潛力的高低有針對性地采取不同的人工干預措施，保障和促進退化的生態系統重新走向良性發展[36]。

1.3 實施監管階段

（1）完善公眾參與

隨著規劃從注重物質空間逐步轉向強調以人為本，公眾參與也成為目前各類空間規劃的重要方向之一[36]。在國土空間規劃中借助大數據、互聯網等技術可以改變公眾參與的信息傳播和參與方式，改善政府、市場和社會多方力量組織和交互方式。

在規劃實施前，采取網絡問卷、訪談等方式收集城市居民對交通、用地、公共服務等發展的意見，促進居民參與國土空間規劃編制[37]。采集整理居民在社交平臺的文本、圖片等非結構化數據，利用語義分析、社會感知等技術，分析其對城市各類設施的改善建議。進一步開發移動端程序以支持居民參與空間環境營造，收集居民對街道環境、交通設施等的改善建議，進而提出實施方案。采用網絡地理信息平臺互動展示規劃設計方案，收集公眾對規劃方案的反饋[38]。依靠移動互聯技術，在規劃方案編制階段進行信息收集、溝通和處理，征集各類規劃設計方案，構建公眾參與規劃的云平臺[39]。共享云平臺形成及時發布信息的窗口，眾籌智慧征集公眾對于關鍵問題的建議，輔助規劃設計[40]。在實施階段，借助信息化平臺收集居民提供的規劃實施相關線索，便于執法部門進行處理，提高行政執行效率。

（2）信息平臺建設與規劃督察

除編制過程科學合理外，國土空間規劃更要建立起“好用管用”的監督實施體系，信息平臺建設和規劃督察則是保證規劃可實施的重要手段。國土空間基礎信息平臺的建立將各類空間管控要素精準落位，推進政府各部門之間、政府與社會之間數據共享和信息交互，構建權威統一、全域覆蓋、動態更新的國土空間規劃“一張圖”系統，協助完成3條控制線的劃定和落地，實現嚴格管控。

基于“一張圖”的國土空間基礎信息平臺囊括地理信息、資源環境、資源權屬等自然資源數據，整合林業、海洋等空間信息，建立涵蓋農田、森林、海洋等多種資源的國土空間基礎信息數據庫。隨著大數據的應用，手機信令等人群畫像數據作為系統平臺的補充，與自然資源數據形成人地關系印證，共同支撐國土空間用途管制、生態保護修復等，為智慧國土空間規劃提供基礎[41]。

為避免城市政府對空間資源管制失效，國土空間規劃強制性內容的管控需要科學化和精細化監管手段[42]。借助新技術手段，規劃實施監管對規劃內容，特別是強制性內容進行嚴格執行和監督。以國土空間基礎信息平臺為基礎，構建覆蓋自然資源的國土空間數據標準體系，搭建從國家到地方縱向貫通、各行業橫向協同的國土空間規劃實施監督信息平臺[15]15。建立監督實施系統，用于審查和管理國土空間規劃，對國土空間開發保護監測評估預警，管理國土空間指標模型。系統完善國土空間用途管制實施效果監督機制，對各類違反國土空間用途管制開發利用的行為進行識別，有效跟蹤取證，嚴格用途管制和依法處理。

2 數據驅動的新技術應用思考

新技術應用在各類空間規劃中發揮重要作用，指導國土空間要素配置和政策制定。特別是近年來對于新興數據、前沿技術方法應用等方面的探索較多，在區域聯系、城市用地布局等方面積累了較好的基礎。新時代國土空間規劃應發揮數據匯集優勢，探索新技術應用方法，但也需要保持對新技術應用的反思，既讓新技術成為規劃的重要支撐手段，也要體現新時代以人為本的規劃理念。

2.1 轉換數據思維

新技術應用已經從初期的數據存儲、可視化等逐步向人工智能、機器學習等技術演進。在技術迭代背景下，國土空間規劃應盡快轉換數據思維，借助新技術賦能規劃的基礎數據收集和調研整理、規劃評估、規劃編制、實施監管各個階段，促使規劃由傳統的經驗案例模式向量化客觀的智慧化模式發展。一方面，收集大范圍、精度高、類型多的數據，多視角、多尺度地掌握國土空間中人地關系；不僅能分析用地、交通等物質空間，更能研究社會經濟、流動空間特征，優化調整國土空間結構和布局，滿足國土空間的人本需求。另一方面，對于全域數據的掌握，在劃定保障糧食安全的農業生產空間和維護生態安全保障空間的基礎上，更應賦能空間管制和生態修復，針對區域發展導向進行適宜的保護和整治。

2.2 注重尺度效應

尺度效應一直受到地理學和城鄉規劃的關注。國土空間規劃涵蓋從國家到鄉鎮不同尺度的規劃，從宏觀戰略到具體設計，對數據精度要求不同。一方面各類傳感器、統計數據記錄不一致導致數據顆粒度差異；另一方面，精細化的規劃對數據精度要求更高。省級、市縣級規劃對數據標準和精度要求不一，省級評價數據應用到市縣級會存在偏差，如地表覆蓋、氣候等數據空間分辨率較大，較難達到市縣級評價精度要求。在城市空間分析中，手機信令和互聯網定位數據均記錄個人活動信息，但是兩者數據精度不同。手機信令數據可用于分析區域聯系及大范圍地塊活動強度，但在小尺度的街道、地塊設計中則難以發揮優勢。因此，在不同尺度規劃編制過程中，對于數據的應用要考慮其精細程度和適用性，宏觀層面的空間要素分析可采用分辨率大、圖斑要求不高的數據，研判整體國土空間格局；中微觀尺度規劃研究則要收集比例尺大、要素信息豐富的空間數據，支撐國土空間開發保護的具體安排。

2.3 推進“以人為本”規劃

新技術應用雖然能夠改進規劃方法，賦能國土空間規劃，但更要注重人文主義關懷，推進以人為本的規劃。工具理性的國土空間規劃綜合大數據、人工智能等技術，應用空間分析、情景模擬等方法，得出科學合理的現狀評估與規劃預測。過多地注重技術方法和物質空間評估的指標設計，易忽略價值理性，缺少對人本感知的測度。國土空間規劃如果仍以耕地、建設用地、生態用地等宏觀指標為核心，評估管控底線和管控分區實施，則會忽略城市運行中的政府、市場、社會等多元主體，忽視空間管控對居民生活生產的影響。以人為本的國土空間規劃除了關注用地、生態、經濟各個層面，也要保證空間環境中人的安全感和舒適感。在空間政策制定過程中，規劃可以采用高精度的大數據，收集人的活動和需求數據，將數據采集尺度精細到人的感官尺度，體現國土空間規劃的社會和人文價值，建設滿足人本需求的高品質國土空間。

3 結語

國土空間規劃是空間治理的重要基礎，雖然目前國家在頂層設計層面指明了國土空間發展藍圖，但對于政府、學者和行業從業人員而言仍是任重道遠。我國機構調整以來，國家和地方政府密集出臺各項政策，國土空間規劃重點和內容日益明晰，但對于數據驅動的國土空間規劃新技術應用仍需不斷探索和研究。隨著新興數據和前沿技術的不斷涌現，新技術應用不僅改變國土空間中人的行為模式，影響國土空間開發和治理模式，也為國土空間規劃提供新方法。新技術應用可在國土空間規劃調研分析階段，輔助構建城市基礎數據庫；在規劃編制階段，完成雙評價和三區三線劃定，分析空間結構與功能布局，優化土地利用，進行生態修復；在規劃實施監管階段，完善公眾參與，建設規劃信息平臺，輔助規劃督察，助力空間規劃治理能力升級。從數據驅動到智慧國土空間規劃體系的建設，需要全面的應用框架體系。這將是一個不斷探索和進步的過程。信息技術日新月異，各種傳感器、數據分析、系統平臺技術不斷更新迭代，都將為國土空間規劃提供越來越多的數據和技術支撐。發揮新技術在國土空間規劃中越來越大的優勢將是未來持續重點關注的方向。