“強基”：國土空間規劃體系下城鄉規劃專業GIS課程教學思考

魯仕維， 黃亞平， 陳錦富

（華中科技大學 建筑與城市規劃學院，湖北 武漢 430074）

2018 年，自然資源部建立了主體功能區規劃、土地利用規劃、城鄉規劃等“多規合一”的國土空間規劃體系并監督實施，是黨中央、國務院關于自然資源工作的方針政策和決策部署。新時代國土空間規劃體系不同于傳統的各類各級空間規劃，國土空間規劃在“五級三類”總體框架及規劃編制審批體系、實施監管體系、法規政策體系和技術標準體系上都進行了關鍵調整［1］。

國土空間規劃需要多學科交叉協力完成［2］。其中，城鄉規劃學科作為國土空間規劃中的重要組成部分，城鄉規劃專業的培養體系需緊密順應國土空間規劃發展總體趨勢［3，4］?！吨泄仓醒搿鴦赵宏P于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》強調規劃需提高科學性，指出要開展資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價（雙評價）基礎研究，并提出需運用城市設計、鄉村營造、大數據等手段，改進規劃方法，提高規劃編制水平。自然資源部發布了一系列指南，如《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南（試行）》《省級國土空間規劃編制指南（試行）》《市級國土空間總體規劃編制指南（試行）》《國土空間調查、規劃、用途管制用地用海分類指南（試行）》《國土空間規劃“一張圖”建設指南（試行）》等，所涉及到的統一數據基礎、“雙評估”“雙評價”“三線劃定”等眾多組成模塊，均依賴大量的GIS（地理信息系統，Geographic Information System）理論和技術。新時代國土空間規劃體系中，GIS課程在城鄉規劃專業培養體系中的重要性愈發凸顯。

由此，筆者認為城鄉規劃專業首先要強化GIS課程的基礎支撐作用；其次，GIS課程必須強化基礎理論和方法的教學，在教學內容、教學方法和教學組織上注重實踐教學轉化；最后，強化學生對空間認知、分析和創新運用的基礎能力。以上三大層級的“強基”應變，旨在探索符合新時代國土空間規劃體系需求的人才培養創新模式。

一、城鄉規劃專業GIS教學現狀

GIS課程是城鄉規劃專業的核心技術基礎課程之一。該課程集理論性與實踐性于一體，融合地理學、地圖學、遙感科學和計算機科學等學科，是用于采集、輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機平臺系統，已經較為成熟應用于城鄉規劃學科，是城鄉規劃師必須掌握的空間分析工具。目前，國內高校設置城鄉規劃專業時，大多數已開通了GIS 相關課程。開設GIS 課程旨在培養學生掌握GIS 基本理論、空間數據基本概念和空間數據分析方法，運用空間分析方法處理多源空間數據的基本能力。部分院校還通過實驗課使學生能夠運用ArcGIS 等專業軟件處理多源空間數據，以加深對所學GIS理論知識的理解。

新時代國土空間規劃體系下，城鄉規劃教育仍存在著自身的“舊疾”與需要面對“新題”［5］，而城鄉規劃GIS課程教學則是當前城鄉規劃教育中“舊疾”的一個縮影，具體體現在以下三大方面。

（一） GIS課程地位薄弱，基礎支撐作用有待強化

國內城鄉規劃專業大多數以建筑學為基礎，核心課程設置更重視城市物質形體、色彩、構圖等物質空間設計思維的培養。而GIS 課程在專業課程體系中相對孤立，空間邏輯串聯與組織能力弱，難以讓學生真正實現知識的融會貫通。

（二） GIS知識體系龐大，基礎理論與方法教學有待強化

前期基礎教學活動安排針對設計類軟件技能訓練較強，對空間數據基本概念以及空間分析理論與模型理解薄弱，導致學生在后期的GIS 相關理論學習積極性不高。不僅如此，GIS 實驗教學環節主要是以“教師示范-學生模仿-教師總結”的模式進行，學生未能充分發揮主觀能動性，導致學生的GIS基礎動手能力較弱。

（三） GIS教學學時有限，基礎創新運用能力有待加強

新時代國土空間規劃要求實現全域覆蓋、全要素管控，需深入分析國土空間自然地理格局，加強對國土空間現狀及未來前瞻性的綜合評估。GIS課程實驗教學課時量有限，課程設計無法做到全面覆蓋到國土空間規劃知識結構的所有模塊，在有限的時間內還需努力提升學生的基礎創新運用能力。

二、國土空間規劃GIS教學新要求

新時代國土空間規劃體系已全過程、全面融入GIS 基礎平臺，城鄉規劃專業GIS 課程教學的重要性愈加凸顯。針對傳統城鄉規劃GIS課程教學存在的前述“舊疾”，提升當前GIS課程對城鄉規劃教育的支撐能力則是急需解決的“新題”。具體而言，對課程教學整體目標、最終學習效果和學生技能提升等都提出了新要求，主要表現在系統邏輯、數據基礎、模型方法、前沿方向四個方面。

（一） 全面掌握GIS系統組織邏輯

以往城鄉規劃基本上依賴于CAD（計算機輔助設計， Computer Aided Design）制圖，新時代國土空間總體規劃編制已從CAD 時代過渡到GIS 工具時代，在國土空間總體規劃、詳細規劃、專項規劃等“五級三類”中均有大量運用。因此，國土空間規劃需全面掌握GIS系統的組織邏輯。

（二） 全面掌握GIS空間基礎數據

以全國第三次土地調查數據作為國土空間規劃的空間“底數底圖”，需統一自然資源調查現狀和規劃分類技術標準，充分認知地理空間多源異構的數據環境，做到全域全要素的資源規劃和管控。

（三） 全面掌握GIS空間分析方法

一方面，以資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價作為規劃前提，分析國土空間自然地理格局，突出問題和目標導向、體現問題診斷功能；另一方面，構建城鄉生活圈識別和規劃方法，優化公共服務設施空間配置等，都需對現行土地利用總體規劃和城市總體規劃實施情況的規模、速度、質量、效應、結構、安全績效等進行評估，均需要GIS空間分析方法作為有力支撐。

（四） 充分了解GIS發展前沿方向

以大數據技術、2D/3D 可視化技術、智能技術等為基礎，建立覆蓋全域、全要素的城鄉國土空間基礎信息平臺，以充分了解GIS發展的前沿方向。

由此，GIS課程教學亦需順應國土空間規劃發展需求，探索更科學合理的教學模式，積極培養與社會發展需求接軌的復合型人才，才能實現教育應有的社會價值。

三、城鄉規劃專業GIS教學“強基”應變

GIS課程的理論性和實踐性強，教學效果成為提高學生專業水平的關鍵因素之一。除了要強化GIS課程的作用和地位外［6］，從理論教學、實驗演練和課程設計三大板塊組織課程體系，致使理論教學和實驗演練的內容與國土空間規劃所需的重要理論和技術相契合。理論教學和實驗演練按照課程進度同步進行，形成“教學指導實驗，實驗優化教學”的有機閉環。另外，每個板塊也可采用多樣化的教學方法或組織形式（表1）。依此構建的“理論、演示、設計、實踐”的教學體系，旨在強化GIS基礎理論和方法教學的同時，不斷提升學生學習的積極性，加強學生對所授知識的融會貫通，構建基于軟件解決問題的邏輯能力，并強化培養學生的基礎動手實操能力和自主思考能力。

表1 課程體系設置

（一） GIS概論

1. 理論教學部分

城鄉規劃專業GIS 課程的概論教學主要圍繞“GIS 是什么”展開，其中基礎知識講授階段，通過時下最關注的地圖或空間來分析和梳理相關話題（如“新冠疫情動態地圖”“美國選舉地圖”“蘇伊士運河大擁堵”等），引入GIS入門知識、介紹GIS基本概念、構成、特點、發展歷史、現狀，以及在城市研究和國土空間規劃中的作用等。結合學生自身接觸到的GIS 應用經歷和教師講解實際應用案例的方式，激發學生對這門課程的學習興趣，并且讓學生充分認識到什么是GIS。

2. 實驗演練部分

課程之前把ArcGIS 10.x 系列軟件和安裝手冊發送給學生，以便安裝過程中出現問題可集中解決，引導學生熟悉和自由大膽探索ArcMap 主界面窗口。主界面中主要有主菜單、標準工具、內容列表、地圖顯示、快捷菜單、狀態欄等窗口。

（二） 空間數據

1. 理論教學部分

空間數據是GIS應用系統最為基礎的組成部分，空間數據是GIS的操作對象。國土空間規劃中需要處理的資源數據具有多樣化、異構性等特點，厘清常見的不同類型、不同尺度數據之間的復雜關系，對于城鄉規劃專業學生來說尤為重要。

理論教學部分主要給學生講解國土空間規劃中常用到的數據基本概念和類型、數據空間分辨率、數據共性與區別、數據優勢和劣勢、數據之間轉換（表格/文本轉矢量、線狀矢量轉面狀矢量、現狀矢量轉點狀矢量等）等內容，引導學生在不同空間尺度下，討論同類空間要素在ArcGIS 平臺中表現形式和存儲類型。如長江在全國尺度或武漢市尺度存儲為線狀矢量還是面狀矢量、華中科技大學在全國尺度或武漢市尺度存儲為點狀矢量還是面狀矢量、不同數據存儲形式可以作何種用途、平日所見/所用數據可以轉為哪種數據類型等開放性問題。將討論結果進行分享，使學生能更好掌握國土空間規劃體系下全要素數據分類和對大數據時代多源數據環境的認知。此外，還可通過微助教網絡平臺進行隨堂測試，以了解學生們實際掌握程度，便于在實驗演練環節更有針對性地讓學生掌握重難點內容。

2. 實驗演練部分

首先，通過直觀演示法引導學生使用ArcMap 來加載不同類型的空間基礎數據和國土空間自然資源類數據，并進行瀏覽、空間和屬性查詢等（表2）。其次，進行cad數據、文本/表格數據到shapefile數據的轉換，以及不同矢量數據之間的轉換。再次，讓學生自己練習加載、瀏覽、查詢等功能，以熟悉不同數據的特點、共性與區別、ArcMap 圖層組織方式，熟練掌握不同類型數據轉換技術方法等，以分小組形式思考數據用途及其他規劃所用數據在ArcMap 中如何存儲等。最后，進一步熟悉Arc-Map制圖功能，利用數據完成簡單的專題圖制作。

表2 課程多源數據類型

（三） 坐標系統

1. 理論教學部分

新一輪國土空間規劃要求統一數據基礎，構建統一基礎信息平臺和強調數據坐標系統的一致性。城鄉規劃專業學生經常使用CAD 軟件來弱化地理坐標系統概念，在使用GIS 時進行空間分析時會因數據不匹配而感到迷惘，因此需加強學生對地圖坐標系統知識的理解。首先，在理論教學環節可以拋出一些問題，如凹凸不平的地球如何規則近似表達、地球的中心在哪里、如何將球面轉換為平面等，讓學生分組自由討論和發言。其次，教師從橢球體、大地基準面、高斯投影等基礎知識入手，逐步講解平面坐標系統、地理坐標系統、投影坐標系統的概念、轉換方式及應用，并以不同坐標系下“中國版圖的形狀有何不同”“哪種坐標系下可以量算距離和計算面積”等為例，進一步夯實學生們對不同坐標系統的理解。最后，通過讓每個學生對所講內容進行歸納總結，完成對CGCS2000坐標系與其他坐標系之間對比分析。

2. 實驗演練部分

要求學生利用ArcMap 來瀏覽不同坐標系統的數據，并著重演示和練習數據坐標系查看、定義坐標系、坐標系統轉換、地理配準和空間校正等，尤其是如何統一數據轉換到CGCS2000國家大地坐標系中，為后期市縣國土空間總體規劃或其他核心課程中所涉及到的數據轉換和地理配準等夯實基礎。在實驗演練環節，注重培養學生養成好習慣：一是拿到數據后要進行檢查，使所有數據都有坐標系統和定義；二是保證所有數據的坐標系統都是正確適用的；三是統一所有數據的坐標系統，利用坐標系轉換實現。

（四） 空間分析

1. 理論教學部分

空間分析是GIS的核心和靈魂，是城鄉規劃專業GIS課程教學的重中之重。此部分的理論教學課時相對較長，主要圍繞空間分析概述、空間查詢、空間量算、空間插值、空間疊置、地形分析、緩沖區分析，以及網絡分析的原理和邏輯等展開，以更好地服務于國土空間規劃。GIS 空間分析強調分析數據、分析方法和分析結果的可視化表達，在課堂上可引入與空間分析相關的視頻、圖片、網站等來輔助加深學生的理解，使抽象的空間分析方法和思維過程能夠具體形象地展現出來。結合最新熱點話題，如“唐人街探案3”中的空間分析案例，根據已知線索初步鎖定犯罪嫌疑地點，就涉及到的數據空間化操作和圖層疊置、識別犯罪活動潛在區域涉及到的緩沖區、確定犯罪活動路徑涉及到的GIS網絡等進行分析。通過實際案例教學，不僅能夠強化學生對空間分析問題剖析和逐層分解的能力，還能快速激發學生的學習興趣。

2. 實驗演練部分

國土空間規劃編制中所用到的GIS空間分析工具很多，側重于空間形態分析、疊置分析、柵格計算、空間連接、數據聯合、重分類、地形分析等重要技術的操作，所選定的演練實驗包括熱力圖分析、地塊容積率計算、三維地形分析、交通網絡分析等。這些實驗在實操的過程中基本上涵蓋了前面所述的重要技術，要求每位學生在演練實驗前，根據自己理解或是操作手冊畫出對應的分析邏輯框架，并標注邏輯框架中每步所用到的空間分析關鍵技術。

（五） GIS在國土空間規劃中主要應用

1.“雙評估”與“雙評價”

規劃實施評估和災害風險評估（“雙評估”）、資源環境承載能力評價和國土空間開發適宜性評價（“雙評價”）是國土空間總體規劃編制前的重要研究基礎。“雙評估”和“雙評價”涉及社會經濟、自然條件、工程設施、資源環境、規劃建設等單因子分析、多因子集成評價和趨勢模擬，全面融合多源異構數據整理、坐標系統轉換，以及空間分析、指標計算等教學模塊。因此，在教學過程中，結合自然資源部和省級指南，深入講授“雙評估”和“雙評價”的邏輯內涵，進一步將麥克哈格生態主義規劃方法中的“千層餅模式”引入課堂，如以城鎮空間開發適宜性評價為例，講解“每層餅”中的數據組織、數據轉換、空間分析技術，以及“多層餅”的集成方法等，引導學生就構建的思維導圖進行單因子分層分析和多因子疊加技術分析，促進學生將已學知識點融會貫通，增強學生分析問題和解決問題的能力。

2.“三區三線”劃定

在國土空間規劃中，需劃定城鎮空間、農業空間、生態空間三類空間，以及分別對應的城鎮開發邊界、永久基本農田保護紅線、生態保護紅線三條控制線?！叭齾^”突出主導功能劃分，“三線”則側重邊界的剛性管控。重點講解如何結合前期“雙評價”結果，以及部委和省里發布的生態保護紅線劃定指南、城鎮開發邊界劃定指南、基本農田劃定技術規程等，指出“三區三線”的理論邏輯和實現方法。在已講授的數據處理和分析方法的基礎之上，“三線”劃定還需補充講解多邊形邊界的整體性和連續性處理、圖斑聚合處理等理論和實現方法，致使最終劃定的“三線”符合規范。

3. 實驗演練部分

“雙評估”“雙評價”“三區三線”劃定等模塊有別于傳統城鄉規劃編制。實驗演練環節作為城鄉規劃本科生較難掌握的部分［7］，實驗系統性較強，且實驗課時有所增加。實驗之前，要求每位學生根據自己理解畫出實驗流程框圖，有序完成生態保護重要性評價、農業生產適宜性評價、城鎮開發適宜性評價等，在此基礎之上進一步完成“三區三線”劃定工作，并養成科學構建“雙評估”“雙評價”數據庫的能力和習慣，避免后續工作中產生的數據混淆和修改不力（圖1）。

圖1 城鄉規劃專業GIS教學的“強基”教學組織結構

（六） 課程設計

課程設計是梳理所學知識、檢驗課程教學成效的重要方式。課程圍繞“GIS 在城鄉規劃中的應用”主題，結合其他課程作業（如城鄉社會調查、交通規劃、區域規劃等）或者感興趣話題展開課程設計，鼓勵學生自行選擇和拓展技術，體驗GIS空間數據分析手段和方法，分享交流空間分析技術和經驗，并匯報課程設計成果。課程設計環節重點考查學生是否掌握空間分析方法和具備逐步細化、分解問題的能力，以及技術串聯與組織的能力。

四、結語

本文從我國當前城鄉規劃專業GIS課程教學的現狀出發，分析了國土空間規劃體系對GIS工具和技術的應用需求，在此基礎上進行了高校城鄉規劃專業GIS課程教學的“強基”應變思考。國土空間規劃體系下GIS 課程的基礎支撐作用需進一步提升，突出城鄉規劃學科的培養目標和專業特點，以“理論、演示、設計、實踐”的教學方法，注重邏輯梳理和實踐教學，密切聯系實際，培養學生創造性獲取知識的能力和綜合運用知識的基本能力。從課程設計作業的效果來看，學生具備了對空間數據操作的基本能力，其中也不乏一些學生，能夠自主拓展技術去體驗更加豐富的GIS 空間數據分析手段和方法。