新基建條件下數(shù)據(jù)賦能?chē)?guó)土空間規(guī)劃模式創(chuàng)新探索

何宗耀，楊 斌，趙東升

(河南城建學(xué)院 河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)工程研究中心，河南 平頂山 467036)

2019年政府工作報(bào)告明確要求：“加快5G商用步伐和IPv6(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版)規(guī)模部署，加強(qiáng)人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和融合應(yīng)用”。2020年3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)強(qiáng)調(diào)：“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度”(簡(jiǎn)稱(chēng)新基建)。新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將加快推進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、智慧城市、數(shù)字社會(huì)的協(xié)同發(fā)展。2019年5月，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見(jiàn)》，明確提出：“國(guó)土空間規(guī)劃是國(guó)家空間發(fā)展的指南、可持續(xù)發(fā)展的空間藍(lán)圖，是各類(lèi)開(kāi)發(fā)保護(hù)建設(shè)活動(dòng)的基本依據(jù)”。國(guó)土空間規(guī)劃戰(zhàn)略性的體現(xiàn)、科學(xué)性的提高、協(xié)調(diào)性的增強(qiáng)要以自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用國(guó)家統(tǒng)一的測(cè)繪基準(zhǔn)和測(cè)繪系統(tǒng)，整合各類(lèi)空間關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，需要建立全國(guó)統(tǒng)一的國(guó)土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。新基建政策的發(fā)布為以大數(shù)據(jù)為代表的IT和DT技術(shù)與國(guó)土空間規(guī)劃的業(yè)務(wù)需求的緊密結(jié)合提供了機(jī)遇和支持。

1 國(guó)土空間規(guī)劃的現(xiàn)實(shí)需求

《關(guān)于建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見(jiàn)》的正式印發(fā)標(biāo)志著我國(guó)正式確立了“五級(jí)三類(lèi)”的新時(shí)代國(guó)土空間規(guī)劃體系。2019年6月，自然資源部出臺(tái)了《關(guān)于全面開(kāi)展國(guó)土空間規(guī)劃工作的通知》，標(biāo)志著國(guó)土空間規(guī)劃編制工作正式開(kāi)始。國(guó)土空間規(guī)劃的編制及實(shí)施將成為一個(gè)更加龐大的自組織與他組織共存的巨型系統(tǒng)工程和改革工作過(guò)程[1]。

新時(shí)期的國(guó)土空間規(guī)劃體系在IT和DT技術(shù)的加持下將面臨新思路、新模式、新任務(wù)和新挑戰(zhàn)，比如：針對(duì)規(guī)劃類(lèi)型過(guò)多、內(nèi)容重疊沖突，審批流程復(fù)雜、周期過(guò)長(zhǎng)，地方規(guī)劃朝令夕改等管理問(wèn)題，如何建立全國(guó)統(tǒng)一、責(zé)權(quán)清晰、科學(xué)高效的國(guó)土空間規(guī)劃體系的問(wèn)題？如何綜合考慮人口分布、經(jīng)濟(jì)布局、國(guó)土利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等因素，科學(xué)布局生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間的問(wèn)題等等。左為[1]針對(duì)新時(shí)期我國(guó)管理和實(shí)施統(tǒng)一的國(guó)土空間規(guī)劃的基礎(chǔ)邏輯從認(rèn)知層、對(duì)象層與方法層 3個(gè)哲學(xué)維度進(jìn)行了分析，探討基礎(chǔ)邏輯對(duì)國(guó)土空間規(guī)劃運(yùn)作的影響及價(jià)值建構(gòu)，為國(guó)土空間規(guī)劃科學(xué)實(shí)施提供了方法論；位欣[2]在分析我國(guó)各類(lèi)空間規(guī)劃現(xiàn)狀特征、空間規(guī)劃體系構(gòu)建的關(guān)鍵問(wèn)題、借鑒國(guó)外空間規(guī)劃體系經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系、上下銜接的接口體系、國(guó)土空間用途管制體系和有效的責(zé)權(quán)體系的建議；龍瀛提出了規(guī)劃支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則逐漸由“工具驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)支持”或者說(shuō)“由工具輔助轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)增強(qiáng)”，規(guī)劃系統(tǒng)和模型開(kāi)發(fā)跨到了量化城市研究與數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)[3](Data Augment Design,DAD)。

2 新基建引領(lǐng)模式創(chuàng)新

新基建戰(zhàn)略的提出大大加快了5G、數(shù)據(jù)中心等數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，將促進(jìn)以人工智能(AI)、區(qū)塊鏈(Block Chain)、云計(jì)算(Cloud Computing)、數(shù)據(jù)科學(xué)(DS，Data Science)和5G技術(shù)等為主體的DT技術(shù)的發(fā)展。海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生帶動(dòng)了數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，算法、算力、網(wǎng)絡(luò)通訊的進(jìn)步為大數(shù)據(jù)的采集、處理和應(yīng)用提供了發(fā)展的動(dòng)力，為數(shù)字社會(huì)、智慧城市和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了新基礎(chǔ)、新范式、新思路。

2.1 新基建的基礎(chǔ)支撐

“新基建”主要指以5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新型基礎(chǔ)設(shè)施，本質(zhì)上是信息數(shù)字化的基礎(chǔ)設(shè)施[4]。支撐傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的信息基礎(chǔ)設(shè)施，包括新一輪的光纖寬帶、窄帶物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心以及信息和網(wǎng)絡(luò)的安全保障等，必將成為我國(guó)“新基建”的核心所在?！靶禄ā辈粌H能夠提升效率和模式創(chuàng)新，為新技術(shù)的發(fā)展，新產(chǎn)業(yè)、新模式和新業(yè)態(tài)的形成與大規(guī)模商業(yè)化提供必要支撐，同時(shí)“新基建”也為智慧城市、數(shù)字社會(huì)的發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。

2.2 科學(xué)思維范式創(chuàng)新

圖靈獎(jiǎng)獲得者Jim Gray曾提出：人類(lèi)科學(xué)研究活動(dòng)已經(jīng)歷過(guò)3種不同范式的演變過(guò)程(原始社會(huì)的“實(shí)驗(yàn)科學(xué)范式”、以模型和歸納為特征的“理論科學(xué)范式”和以模擬仿真為特征的“計(jì)算科學(xué)范式”)，目前正從“計(jì)算科學(xué)范式”轉(zhuǎn)向第四范式，即“數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)范式”[5]。它的主要特點(diǎn)是科學(xué)研究人員只需要從大數(shù)據(jù)中查找和挖掘所需要的信息和知識(shí)，無(wú)須直接面對(duì)所研究的物理對(duì)象。第四范式的提出反映了人們對(duì)世界的固有認(rèn)識(shí)發(fā)生了根本性的變化——從二元認(rèn)識(shí)(精神世界/物理世界)轉(zhuǎn)向三元認(rèn)識(shí)(精神世界/數(shù)據(jù)世界/物理世界)，即在原有的“精神世界”和“物理世界”之間出現(xiàn)了一個(gè)新的世界——“數(shù)據(jù)世界”。

2.3 方法論的優(yōu)化

DIKW[6]體系(見(jiàn)圖1)是關(guān)于數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)及智慧的體系，可以追溯至托馬斯·斯特爾那斯·艾略特所寫(xiě)的詩(shī)——《巖石》：“我們?cè)谀睦飦G失了知識(shí)中的智慧？又在哪里丟失了信息中的知識(shí)？”1982年美國(guó)教育家哈藍(lán)·克利夫蘭的《未來(lái)主義者》提出了“信息即資源”的主張。1989年，管理思想家羅素·艾科夫撰寫(xiě)了《從數(shù)據(jù)到智慧》，明確了數(shù)據(jù)和智慧的邏輯關(guān)系。2018年孫九林提出“作為國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源，科學(xué)數(shù)據(jù)非常有意義，數(shù)據(jù)資源共享后如何進(jìn)行整合、應(yīng)用，值得各領(lǐng)域的科學(xué)家進(jìn)一步加強(qiáng)研究”[7]。DIKW體系為大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)資源的整合應(yīng)用提供了方法和路徑，即“數(shù)據(jù)—信息—知識(shí)—智慧”。

圖1 DIKW體系圖

大數(shù)據(jù)時(shí)代，網(wǎng)民數(shù)量的增加、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、政府?dāng)?shù)據(jù)的開(kāi)放、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)飛速產(chǎn)生。傳統(tǒng)的基于小數(shù)據(jù)、小樣本的研究范式、研究方法和工程技術(shù)相對(duì)落后，傳統(tǒng)的科學(xué)試錯(cuò)理論在當(dāng)前海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量度、數(shù)據(jù)維度、數(shù)據(jù)粒度飛速變化時(shí)在一定程度上缺乏解釋依據(jù)[8]。國(guó)土空間規(guī)劃作為具有典型“問(wèn)題導(dǎo)向”和“實(shí)踐推動(dòng)”性質(zhì)的復(fù)雜巨系統(tǒng)，基于其戰(zhàn)略性、科學(xué)性和協(xié)調(diào)性的總體要求，應(yīng)該充分考慮宏觀數(shù)據(jù)、中觀數(shù)據(jù)、微觀數(shù)據(jù)基本完備的情況下實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)“目標(biāo)驅(qū)動(dòng)”與新型“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”融合轉(zhuǎn)變(見(jiàn)圖2)。

圖2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式關(guān)系圖[8]

3 數(shù)據(jù)賦能?chē)?guó)土空間規(guī)劃

在新基建條件下，國(guó)土空間規(guī)劃系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)施具備了數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和基于數(shù)字密集型科學(xué)思維以及數(shù)字驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)路徑，許多學(xué)者和規(guī)劃編制工程技術(shù)人員都在探討系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)路徑。

3.1 國(guó)土空間規(guī)劃研究現(xiàn)狀

萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)文獻(xiàn)檢索結(jié)果表明：對(duì)“國(guó)土空間規(guī)劃”與“大數(shù)據(jù)”研究的關(guān)注度不斷提高，數(shù)量不斷提升，新技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛(見(jiàn)圖3)。

圖3 國(guó)土空間規(guī)劃與大數(shù)據(jù)的研究趨勢(shì)圖

從研究的主題分布統(tǒng)計(jì)來(lái)看，“國(guó)土空間規(guī)劃”、“大數(shù)據(jù)”、“信息平臺(tái)”、“基礎(chǔ)信息平臺(tái)”等已經(jīng)成為項(xiàng)目的研究熱點(diǎn)或技術(shù)應(yīng)用的新趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)。

圖4 主題分布圖

從研究分類(lèi)上來(lái)看，主要有三個(gè)方向：第一，以智慧城市建設(shè)為主題，把國(guó)土空間規(guī)劃作為智慧城市的基礎(chǔ)信息平臺(tái)和重要組成部分，為智慧城市提供宏觀視角；第二，以大數(shù)據(jù)在國(guó)土空間規(guī)劃中的應(yīng)用、分析評(píng)價(jià)的中觀視角，以龍瀛的量化城市研究與數(shù)據(jù)增強(qiáng)設(shè)計(jì)[3](Data Augment Design,DAD)為代表；第三，以基于IT和DT技術(shù)或地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)思國(guó)土空間規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線(xiàn)。但囿于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有明顯的代際特征。

3.2 基于數(shù)字孿生的國(guó)土空間規(guī)劃系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

在新基建前提下，以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)為代表的數(shù)字浪潮席卷全球，物理世界和與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字世界平行發(fā)展、相互作用，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

數(shù)字孿生的概念模型由Michael Grieves在2002年的美國(guó)制造工程協(xié)會(huì)論壇上提出，在NASA、GE的引領(lǐng)和DT技術(shù)的支撐下，已經(jīng)于2017-2019年連續(xù)三年入選Gartner十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)，在工業(yè)制造、智慧城市、數(shù)字政府、智慧社會(huì)領(lǐng)域快速拓展應(yīng)用廣度和深度。

典型的數(shù)字孿生系統(tǒng)參考框架[8]包含用戶(hù)域、數(shù)字孿生體、測(cè)量與控制實(shí)體、現(xiàn)實(shí)物理域和跨域功能實(shí)體共五個(gè)層次(見(jiàn)圖5)。其中，用戶(hù)域?yàn)槿藱C(jī)接口或應(yīng)用軟件；數(shù)字孿生體是與物理世界相對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)建模管理、仿真服務(wù)；第三層實(shí)現(xiàn)物理世界相關(guān)對(duì)象的狀態(tài)感知和控制；第四層物理世界，實(shí)現(xiàn)與上層之間的數(shù)據(jù)流和控制信息流的傳遞。物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字孿生體的底層伴生技術(shù)，而云計(jì)算/霧計(jì)算/邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)/數(shù)據(jù)湖、數(shù)據(jù)中臺(tái)、人工智能、區(qū)塊鏈和虛擬現(xiàn)實(shí)則是數(shù)字孿生體的外圍技術(shù)。

圖5 數(shù)字孿生系統(tǒng)參考框架圖[9]

綜合相關(guān)學(xué)者的空間規(guī)劃和數(shù)字孿生的相關(guān)研究成果，結(jié)合《關(guān)于建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見(jiàn)》關(guān)于國(guó)土空間規(guī)劃層級(jí)與“五級(jí)三類(lèi)”體系：“五級(jí)”包括國(guó)家、省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，體現(xiàn)“縱向到底”的空間資源管控策略；“三類(lèi)”涵蓋總體規(guī)劃(偏重“生產(chǎn)生活生態(tài)”空間的總體管控)、專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃(偏重多種類(lèi)型的發(fā)展需求)、詳細(xì)規(guī)劃(偏重城鄉(xiāng)建設(shè)的具體實(shí)施)以及戰(zhàn)略性、科學(xué)性和協(xié)調(diào)性的總體要求，本文提出了基于數(shù)字中臺(tái)的國(guó)土空間規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)。

圖6 基于數(shù)據(jù)中臺(tái)的國(guó)土空間規(guī)劃體系結(jié)構(gòu)

本體系結(jié)構(gòu)參照數(shù)字孿生體的參考架構(gòu)，共分為四層：第一層為物理域，關(guān)注國(guó)土空間規(guī)劃體系中的相關(guān)物理實(shí)體，包括地理信息、地質(zhì)與災(zāi)害、城鄉(xiāng)規(guī)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、人口、交通、BIM等；第二層為測(cè)量與控制實(shí)體，通過(guò)GIS/ArcGIS、物聯(lián)網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)等技術(shù)對(duì)物理與相關(guān)實(shí)體屬性數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行采集和數(shù)字化，形成結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，考慮到數(shù)據(jù)的異構(gòu)、海量、價(jià)值密度等需求[10]，該層采用數(shù)據(jù)湖進(jìn)行存儲(chǔ)，并為第三層提供數(shù)據(jù)支持；第三層為數(shù)字孿生體層，在海量數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，數(shù)字中臺(tái)能夠在數(shù)據(jù)跨域共享、價(jià)值發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)響應(yīng)度和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等方面為系統(tǒng)提供更為有力的支持[11-12]。本層中，考慮到業(yè)務(wù)需求的數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)響應(yīng)、資源利用、數(shù)據(jù)安全等問(wèn)題把數(shù)字中臺(tái)通過(guò)容器/微服務(wù)和人工智能等技術(shù)分為數(shù)據(jù)中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)[13]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)分離、業(yè)務(wù)的快速部署和響應(yīng)；第四層為人機(jī)接口層，通過(guò)PC、APP和VR/AR/MR等方式，實(shí)現(xiàn)多種智能終端的數(shù)據(jù)可視化。

4 結(jié)論

在領(lǐng)會(huì)“新基建”內(nèi)涵的前提下，結(jié)合當(dāng)前信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用，分析國(guó)土空間規(guī)劃體系的需求，思考并提出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法和基于數(shù)字中臺(tái)的國(guó)土空間規(guī)劃體系參考架構(gòu)。希望能夠?qū)?guó)土空間規(guī)劃編制、審批、管理、實(shí)施、監(jiān)督、運(yùn)營(yíng)的全業(yè)務(wù)過(guò)程提供指導(dǎo)。由于當(dāng)前數(shù)字中臺(tái)、數(shù)據(jù)湖等技術(shù)尚處于技術(shù)成熟度曲線(xiàn)的過(guò)高期望的峰值(Peak of Inflated Expectations)，同時(shí)國(guó)土空間規(guī)劃體系的建構(gòu)還處在起步階段，因此還需要進(jìn)一步深入研究。