探討數字技術在土地利用規劃中的創新及應用

蔣瑩瑩

武漢市政工程設計研究院有限責任公司 湖北 武漢 430000

引言

“十四五”規劃中提出加快數字化轉型，建設數字中國建設智慧城市和數字鄉村。以數字化推動治理模式創新和城鄉發展，推進新型智慧城鄉建設[1]。構建可視化信息模型和運行管理服務平臺，搭建城市數據資源體系。探索建設數字孿生城市。

如今，在社會經濟發展向數字化轉型的背景下，新一輪的土地利用與規劃要敢于突破原有的工作經驗，在傳統收集分析的基礎上，利用地理信息系統、計算機、傳感器等來源收集的大量數據，以大數據挖掘技術為基礎的計算機科學和AI（人工智能）為制定大數據平臺能更精細、更實時的推進土地利用規劃提供了更先進的技術手段。

1 土地利用規劃管理工作存在的問題

當前社會經濟發展水平得到進一步提升，社會經濟結構隨之發生改變，需要規劃能適應當前的社會經濟發展，更高效利用土地資源。然而，當前土地規劃還存在諸多問題。需要在合理利用土地資源的基礎上，降低對環境的破壞程度，節約土地資源，協調“人、土地、經濟、生態”之間的關系。

1.1 土地利用前期調研不充分

當前，在土地規劃的編制環節中缺乏前期準備工作，對土地現狀理解不充分，對周邊的社會經濟、自然環境、當地產業轉移及布局了解不足，對現有資源、地方政策了解深度不足。數據來源深度不夠，數據的收集方法單一，導致規劃內容深度不夠?；A數據搜集之后，缺乏對土地現狀的綜合行分析，導致土地規劃編制結論針對性不強，同時在規劃實后缺乏相應的保障措施，缺少相應評價體系。在人口統計中，由于人口流動性大、大環境及疫情變化不能準確的收集到相關的人口數據，導致城鎮規劃失靈。在大數據普及的大背景下，應該建立統一的數據信息平臺，打通基礎數據的共享和更新迭代途徑，發掘潛在的、動態的數據運用。

1.2 土地規劃方法單一

目前土地利用規劃中，傳統的規劃方法局限了規劃編制的思維，土地價值的評判往往停留在土地的表面價值，很多潛在的因素在規劃中被忽視，也忽視了土地承載能力力和土地生態效益的基礎研究，使土地規劃研究趨于流于表面[2]。同時用地分類都是以土地的經濟屬性和利用價值劃分，因此，土地利用往往以土地表面屬性為基礎，以經濟目標為導向，忽視了土地生態系統的功能，導致生態、農田、水體被占用，破壞了區域的平衡與可持續發展。

1.3 規劃體系不健全

目前土地規劃的編制、審批與實施等環節中存在較多不規范現象，致使土地資源利用效率低下。規劃在實施的過程中邊界較模糊，實施細則深度不夠，導致隨意實施規劃的現象嚴重。在規劃實施后缺乏保障措施及相應的監督機制和評價體系。產生同一塊土地重復使用、多頭領導、規劃目標不一致的現象。在大數據普及的大背景下，應該建立統一的空間規劃管理體系，打破多規沖突、規劃條塊分割的規劃體系，推進整體治理能力和管控能力。

1.4 缺乏科學的管理和監管

目前我國的土地利用缺乏有針對性的管理制度。在一些地區，土地利用過于分散和浪費，土地集約管理意識不足。少數地區甚至將土地消費作為增加經濟收入的手段，加劇了農民與城市發展之間的矛盾。同時，目前對土地資源的管理沒有進行詳細的分類，導致管理規劃缺乏針對性，甚至出現土地混合使用的問題，不僅增加了投資成本，而且阻礙了整體的開發規劃。此外，還存在將肥沃的耕地用于工業用途的問題，導致土地資源的過度利用，加劇環境污染，降低了土地的自愈能力。

2 土地利用規劃管理的新思路

土地規劃是有由許多相互關聯的要素組成，這些要素受政府土地政策、人口發展、交通網絡、生態環境、氣候變化、社會經濟等多種因素的影響，同時城鄉土地作為一個不斷擴張的載體具有時空動態的特征。長期以來，中國土地利用規劃多為依據專業人員的經驗進行的定性規劃，這種單一的工作模式對解決土地資源分配、區域協調、可持續發展的復雜問題存在很多缺陷，規劃師們一直缺乏必要的資源和技術來完全利用城市數據進行研究。隨著數字技術的爆發式發展，在5G、大數據、人工智能、區塊鏈、云計算等一系列相關技術的支撐下，土地規劃工作方式正在發生著巨大的變革。在土地利用規劃中引入數字技術，促進數字技術的應用以及標準制定，能更有效的以提高土地規劃利用的精準性、合理性，能更有效的優化土地的利用結構、改善當前土地無序建設的狀態。

3 數字技術在土地利用規劃中的應用

3.1 3S技術

3S技術是遙感技術、地理信息系統和全球定位系統三種技術結合的，多學科高度集成的一體化的技術，它能實現對空間信息進行采集、處理、分析、表達、管理和應用，從而構建一個強大的技術管理體系[3]。

3S技術在土地規劃中首先通過采集數據源和數據更新的手段進行數據收集，可實現進行氣候水文監測、面積監測、空間數據自動更新等功能。大大減少野外控制測量的工作量。數據采集工作完成后，利用地理信息系統的功能，可以對提取的數據信息進行準確的分析，并對數據庫系統進行實時更新。這樣，結合分析得到的數據信息，就可以建立科學完善的數據分析模型。

3.2 傳感器網絡

隨著國家對“新基建”的推動，為傳感器提供了廣闊的應用空間，基礎設施傳感器可監測包括人口、交通、供水、供電、供氣、排水，環保、安全、能源、農業、氣候等各個方面的數據。傳感器網絡的逐步完善為土地利用規劃提供了的大量數據，這些數據不僅準確而且是實時動態的。規劃師可以利用傳感器信息來研究廣泛的網絡、基礎設施和創新項目，以及它們對城市、人口、土地、經濟的影響。在數據收集、數據積累方面引入物聯網、傳感器技術，將進一步細化土地空間研究空間尺度，提高土地利用的效率，提升數據的收集傳遞的速度，實現超大量數據的監測和管理，成為規劃管理決策支撐和輔助。

3.3 大數據挖掘與云計算

隨著大數據挖掘技術的普及，在規劃工作中空間數據的收集被廣泛應用，大量空間數據通過衛星圖像、地理信息系統、遙感、多媒體系統等多種形式的數據源?？臻g數據挖掘（SDM）是指從空間數據庫中提取空間數據的普遍關系、數據特征、空間模式的過程?？捎糜趯臻g數據的提取、空間關系的觀測、空間數據庫的構建、重組與優化。其目的是把原始數據轉換成有價值可交互的知識、發現隱含規律。常用的模型方法有：統計分析法、歸納學習法、空間分析法、空間關聯規則挖掘法、空間特征和趨勢探測、聚類法、神經網絡法、模糊集理論、圖像分析和模式識別、數據可視化方法、地學信息圖譜方法等?；谕恋乩脮r空變化，從建設用地擴張速度、土地利用動態、建設用地擴張空間格局、土地利用綜合效益和未來趨勢等方面獲取、挖掘和整理數據。

云計算是分布式計算方法，它依托于網絡，組建成一個完整的云計算小組，通過對計算對象進行層層分解，從而讓整個計算變得更加的簡單，而計算小組之中的每一個計算機都負責最小的一部分計算，然后通過組合的方式來給出最終的結果。建立基于云計算的土地信息數據管理服務平臺是土地信息化融合發展的高級階段。近年來，土地管理部門積累了超量的土地資源管理數據包括自然資源、人口、交通、水利、管網、經濟、社會、醫療、教育、電力等。土地管理部門迫切需要解決如何有效利用這些數據，使土地規劃規劃編制更加科學的問題。云計算技術為海量信息的土地資源管理問題提供了更科學的解決途徑，為建設智能化土地規劃服務決策支持提供了更低成本、更高效、更人性化的新技術支撐。

3.4 數字孿生城市

數字孿生是利用感知設備實時采集、傳輸物理世界或實體系統的數據，匯聚整合多源數據，利用相關算法完成物理世界到虛擬空間的仿真映射。基于數字孿生技術的智慧城市建設是以數字孿生作為未來智慧城市運轉的理論基礎，通過匯聚整合多源數據；探索梳理業務流程和需求，充分運用不斷涌現的新思路、新方法、新模式，完美搭建與物理世界同步的數字虛擬空間，支持對真實世界進行實時預測、推演、輔助決策，提高城市整體的運行效率，最終實現數字孿生城市的建設。

數字孿生通過對物理世界的仿真進而在土地利用規劃中采用建模、仿真等方式進行虛擬規劃，對城市的地形、建筑、道路交通、水穩、管網等進行模型仿真、數據監測、和分析預測等，從而提出土地用用規劃管理中各種解決方案，通過建模軟件（如GIS、BIM、Unity）、平臺軟件（如3D Experience） 、仿真軟件（如Ansys）的應用，統一數據源，實現土地利用規劃過程的全生命周期管理。

在土地利用規劃過程中，通過在數字孿生城市模型上仿真試錯，提前了解城鄉特性，評估規劃和建設效果，能夠以更低的成本快速推動規劃建設落地，并實現規劃自動修正，城市建設全程可控，城市運行精準呈現，形成規劃一張圖、建設監管一張網、城市治理一盤棋的新格局。

3.5 人工智能

人工神經網絡是一種計算機運算模型，由大量模擬神經元的節點組成，這些節點抽象化模擬人腦神經元，并負責輸入、連接、處理及輸出。人工神經網絡可以處理數據之間的非線性關系，利用算法模型實現對數據的高效利用。利用人工神經網絡的算法優化土地利用規劃管理工作，實現了土地利用規劃中動態規劃和靈活規劃的，解決了土地利用規劃中函數關系的非線性和不確定性問題。

影響土地利用規劃的因素很多，因此土地利用規劃的規劃要素之間存在許多非線性、隱式的功能關系，尤其是在經濟社會迅速轉型時期。利用人工神經網絡技術可以嘗試解決土地利用規劃中的以下問題：①處理土地利用規劃中隱性的、動態的、非線性的函數關系，滿足土地利用規劃中的彈性與動態性需求，以適應復雜的規劃過程的要求。②利用人工神經網絡模型對土地利用規劃中人口、資源消耗量計土地需求量進行預測。③基于人工神經網絡處理土地利用規劃編制過程中的土地利用結構調整與優化布局問題。④利用人工神經網絡構建土地利用規劃方案評價體系，構建更高效、更客觀、更靈活地評價方式。

4 結論

本文探討了數字技術在土地規劃中的主要動因、優勢和劣勢。數據的收集、管理和應用是一個不斷變化更新迭代的過程，數字技術將碎片化數據整理鏈接成龐大的動態系統，力圖在規劃和管理過程中起到從參與、輔助至主導的作用。因此，數字技術在演化和成熟的過程中，需要規劃者在規劃管理當中不斷的實踐、嘗試和完善，以適應和發掘規劃管理過程中的新的應用場景。

5 展望與挑戰

數字技術在地利用規劃中能有效彌補、避免傳統規劃的局限性，為土地利用規劃工作方式提供了新的思路，同時數字技術的應用也還未成熟，在實際運用中還存在挑戰：①應用數字技術進行土地利用規劃管理需要大量專業技術人員，對計算機、軟件的應用技能要求較高，相關人才的培養力度不夠，限制了該領域的發展。②目前公共數據資源跨部門、跨區域、跨層級的融合度和開放程度不夠，人口、經濟、地理空間等基礎數據資源缺乏共享平臺，數據的廣度、深度以及連通性不足。③目前數字技術在土地利用規劃中的應用技術還不普遍，相應的理論體系和分析方法都還不完善，還需要進行大量的實踐和探討，不斷的得出新的結論和方法，并制定相關的技術標準。從實踐經驗中總結和建立更科學得方法體系，需建立更高價值、更集成化、更開放的數據資源及規劃管理技術應用體系。