我國自然資源信息化的發(fā)展演化與展望

鄭新奇，鄭敏睿，肖 飛，4

（1.自然資源部國土空間大數(shù)據(jù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 140083 ；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 140083；3.中國人民大學(xué) 公共管理學(xué)院，北京 100872；4.自然資源部信息中心，北京 100812）

0 引言

人類社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)歷了從物質(zhì)支撐、能量催化到信息助力的過程，反映了人類從初級智能到高級智能的不斷進(jìn)化。雖然信息是泛在的，但并非所有信息都能稱為信息資源。從信息論的角度看，信息用于消除不確定性，信息的價(jià)值體現(xiàn)在不確定性的消除程度，這類有價(jià)值的信息才能構(gòu)成資源。發(fā)揮信息效用、實(shí)現(xiàn)信息價(jià)值是信息共享和開發(fā)利用的目標(biāo)。自然資源從物質(zhì)到信息的轉(zhuǎn)變經(jīng)歷了信息化的過程。信息化代表了信息技術(shù)被高度應(yīng)用、信息資源被高度共享，同時(shí)，信息化也是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與信息技術(shù)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)各部門應(yīng)用的基礎(chǔ)上，不斷改造傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)結(jié)構(gòu)從而通往理想狀態(tài)的一段持續(xù)過程[1]。

筆者參與自然資源信息化相關(guān)工作至今已有30 余年。1984—1997 年，完成第一次全國土地調(diào)查（以下簡稱“一調(diào)”）；2007—2009 年，完成第二次全國土地調(diào)查（以下簡稱“二調(diào)”）[2]；2017—2020 年，完成第三次全國國土調(diào)查（以下簡稱“三調(diào)”）[3]。隨著三次全國性大調(diào)查的開展，管理機(jī)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)從土地、國土資源到自然資源（與規(guī)劃）的變化。近30 年來，信息技術(shù)發(fā)生了幾次革命性的變化，從最初的單機(jī)版?zhèn)€人機(jī)、局域網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈以及現(xiàn)在熱度很高的元宇宙等。機(jī)構(gòu)變化、資源數(shù)據(jù)化、技術(shù)智能化、管理人本化等構(gòu)成了一幅錯(cuò)綜復(fù)雜的自然資源信息化圖景。鑒于筆者的經(jīng)歷和對自然資源信息化的理解與感悟，本文從歷史視角，圍繞自然資源物質(zhì)信息化到信息資源利用重大事件，總結(jié)討論關(guān)于自然資源信息化的演化和展望。

國土資源信息化與土地信息學(xué)的發(fā)展密不可分，土地信息學(xué)是以權(quán)籍為核心、土地信息為對象，研究土地信息獲取、分析、處理、存儲(chǔ)與表達(dá)的理論、方法與技術(shù)，支撐土地調(diào)查、評價(jià)、規(guī)劃、利用、整治和保護(hù)等信息共享與決策支持應(yīng)用。中國國土資源信息化始于土地資源信息化，經(jīng)歷了起步、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與穩(wěn)步加速發(fā)展三個(gè)階段[4]。本文對應(yīng)將其分為土地資源信息化、國土資源信息化和自然資源信息化三個(gè)階段并分別加以總結(jié)。

1 土地資源信息化：管理引導(dǎo)，積木式搭建，孤島壁壘式探索

20 世紀(jì)50 年代末和60 年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，數(shù)字地圖開始出現(xiàn)，工作人員能夠利用計(jì)算機(jī)對地圖要素進(jìn)行分析、處理。數(shù)字地圖的應(yīng)用從建立土地利用規(guī)劃等自然資源管理信息系統(tǒng)開始。奧地利測繪部門于1956 年首先在計(jì)算機(jī)上建立了地籍管理數(shù)據(jù)庫，隨后其他國家測繪和土地管理部門都逐步開發(fā)了土地信息系統(tǒng)。土地信息系統(tǒng)的快速發(fā)展與政府部門利用計(jì)算機(jī)技術(shù)高效管理和分析大量空間屬性的公共信息的迫切需求密不可分，也就是說，土地資源信息化從開始就被資源管理和規(guī)劃等部門重視，并逐步投入應(yīng)用。

由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用剛剛起步，“一調(diào)”的很多信息化工作先靠人工操作，如航片轉(zhuǎn)繪、編圖繪圖、圖件縮編等薄膜成圖，再通過數(shù)字化板轉(zhuǎn)到電腦。豐富多樣的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，增加了后續(xù)各級數(shù)據(jù)匯總、圖件縮編的難度。但是，這些信息化成果成為積木式搭建信息資源的重要里程碑。國家土地管理局從1986 年設(shè)立到1998 年被撤銷，剛好是中國土地資源信息化的起步階段。這個(gè)階段可以說是群雄逐鹿的階段，圍繞土地資源信息化進(jìn)行了大量的孤島壁壘式探索，形成了各種各樣數(shù)據(jù)格式的信息化成果。這樣的結(jié)果也成為第二階段重點(diǎn)解決的信息化難題之一。這個(gè)階段起步雖然缺乏頂層設(shè)計(jì)和戰(zhàn)略規(guī)劃，但為土地資源信息化工作打開了一扇大門。

2 國土資源信息化：頂層設(shè)計(jì)，一體化夯實(shí)，多源異構(gòu)可視化

1998 年，國土資源部成立，主體業(yè)務(wù)仍然以土地資源管理為主。筆者在國土資源系統(tǒng)工作期間，經(jīng)歷了“金土工程”、國土資源“一張圖”工程和“二調(diào)”。

由于土地資源信息化過程形成了多樣的數(shù)據(jù)格式，依托這些數(shù)據(jù)的管理成為孤島式管理，不能實(shí)現(xiàn)共享并發(fā)揮最大效益。2004 年，“金土工程”啟動(dòng)，為國土資源信息化的“一張圖”工程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。“金土工程”在國土資源電子政務(wù)建設(shè)總體框架下，圍繞國土資源管理的中心工作，選取耕地保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害防治、礦產(chǎn)資源管理等重要業(yè)務(wù)，在流程梳理、整合再造的基礎(chǔ)上，建立了覆蓋國家、省、市、縣四級的國土資源電子政務(wù)管理信息化系統(tǒng)。國土資源“一張圖”工程集成了遙感、土地利用現(xiàn)狀、土地變更調(diào)查和基礎(chǔ)地理等多源空間數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)了與國土資源的規(guī)劃、審批、補(bǔ)充、開發(fā)利用、執(zhí)法督查等行政監(jiān)管系統(tǒng)協(xié)同調(diào)用、共同構(gòu)建的統(tǒng)一綜合監(jiān)管平臺(tái)。

國土資源信息化建設(shè)從1998 年國土資源部成立開始，開展“數(shù)字國土”和“金土工程”建設(shè)，實(shí)施國土資源“一張圖”工程，國土資源信息化建設(shè)取得了豐碩成果[5-6]。國土資源部從1998 年成立到2018 年被撤銷，實(shí)現(xiàn)了國土資源信息化頂層設(shè)計(jì)，其中，數(shù)據(jù)格式一體化夯實(shí)了國土資源“一張圖”，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和信息共享、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的可視化服務(wù)。

相較歷經(jīng)10 年的“一調(diào)”，“二調(diào)”所用時(shí)間縮短為不到4 年。這次調(diào)查以航空、航天遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，采用內(nèi)外業(yè)相結(jié)合的調(diào)查方法及統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的土地利用數(shù)據(jù)庫建設(shè)和基于網(wǎng)絡(luò)的信息共享及社會(huì)化服務(wù)等技術(shù)方法，建立了四級土地利用數(shù)據(jù)庫、市縣地籍信息系統(tǒng)和土地資源變化信息統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測與快速更新機(jī)制等，實(shí)現(xiàn)了調(diào)查信息的互聯(lián)共享。

國土資源信息化建設(shè)歷經(jīng)20 年，取得突破性進(jìn)展。這個(gè)階段完成了全國國土資源“一張圖”的巨大工程，實(shí)現(xiàn)了國土資源核心業(yè)務(wù)“地籍信息”的系統(tǒng)化管理，為后期的資源資產(chǎn)管理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 自然資源信息化：智慧賦能，前瞻型大腦，預(yù)測預(yù)警評估

2018 年，自然資源部成立，2017 年啟動(dòng)的第三次全國土地調(diào)查也改為第三次全國國土調(diào)查。調(diào)查要求充分利用遙感、衛(wèi)星定位、地理信息系統(tǒng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、無人機(jī)等技術(shù)，全面應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+調(diào)查”新機(jī)制，最大限度減少人為干預(yù)。這些基本的技術(shù)規(guī)定，反映了自然資源信息化建設(shè)已經(jīng)發(fā)展到新階段。國土調(diào)查云以移動(dòng)應(yīng)用軟件的方式服務(wù)國土調(diào)查和自然資源管理工作，具有遙感影像、基本農(nóng)田、土地規(guī)劃、土地調(diào)查和自然保護(hù)區(qū)等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢功能，提高了外業(yè)調(diào)查的工作效率，提升自然資源調(diào)查監(jiān)測的信息化水平[7]。

自然資源部成立后，另外一個(gè)重大工程是全國國土空間規(guī)劃編制。圍繞國土空間規(guī)劃，進(jìn)一步促進(jìn)了空間規(guī)劃信息化水平。其中，通過學(xué)習(xí)歐盟宏觀經(jīng)濟(jì)與土地利用政策綜合評估項(xiàng)目（SENSoR）、歐盟2030—2050 年城市空間預(yù)測與國土影響評價(jià)[8-9]為中國國土空間規(guī)劃提供了積極借鑒。研究人員對人與環(huán)境之間的互動(dòng)進(jìn)行了全面而深入的觀察，利用新興技術(shù)和公眾共享信息收集健壯的數(shù)據(jù)集。根據(jù)收集的事實(shí)和數(shù)據(jù)，將關(guān)鍵的地理空間測量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模型，以評估潛在風(fēng)險(xiǎn)并比較緩解方法，利用領(lǐng)先的地理可視化技術(shù)將這些計(jì)算機(jī)模擬演化為交互式工具，為解決環(huán)境和社會(huì)挑戰(zhàn)、推進(jìn)地理空間分析發(fā)展提供了指導(dǎo)。

筆者團(tuán)隊(duì)在20 多年的探索中，提出了基于時(shí)空動(dòng)力學(xué)的國土空間規(guī)劃集成技術(shù)框架，如圖1所示[10]，從定界、定勢、定量、定位、定事、定序、定施、定效八個(gè)方面進(jìn)行空間規(guī)劃框架設(shè)計(jì)，集成地理信息系統(tǒng)-系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-元胞自動(dòng)機(jī)-基于智能體的建模模型（GIS-SD-CA-ABM），構(gòu)建了原型系統(tǒng)[11-12]，主要解決了長期以來空間規(guī)劃要素分割的線性思維方式問題，建立的原型系統(tǒng)應(yīng)用于2017 年的《全國國土規(guī)劃綱要（2016—2030）》編制。目前，如何快速進(jìn)行規(guī)劃方案的情景模擬和政策評估的信息化仍然是國土空間規(guī)劃中的薄弱環(huán)節(jié)。

圖1 時(shí)空動(dòng)力學(xué)模型算法原理示意圖

4 自然資源信息化展望：權(quán)籍、人本、集成、大腦化

人類智能包括兩個(gè)方面：一是對自然界和人類社會(huì)內(nèi)在規(guī)律的預(yù)知能力；二是按照客觀世界的內(nèi)在規(guī)律和人的自身需要，對物質(zhì)、能量和信息進(jìn)行重新轉(zhuǎn)化與組合的能力[13]。在大數(shù)據(jù)場景下，人腦機(jī)能的預(yù)知能力難以處理大量信息，而必須借助智能化的分析工具和分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“智”和“能”的統(tǒng)一。國土資源信息化初期創(chuàng)新多立足于物質(zhì)思維，創(chuàng)新活動(dòng)圍繞物質(zhì)實(shí)體直接變換或改造成信息展開，忽視了信息對物質(zhì)的能動(dòng)作用，信息化創(chuàng)新顯現(xiàn)一定的封閉性、邊界性、控制性等特征。而信息思維下的物質(zhì)、能量、信息應(yīng)該是“等量齊觀”，沿著“信息-能量-物質(zhì)”路徑，三者共同參與實(shí)體價(jià)值與虛擬價(jià)值協(xié)同互動(dòng)過程，創(chuàng)新顯現(xiàn)開放性、聯(lián)系性、自然涌現(xiàn)性等特征[14]?；谶@樣的思維邏輯，自然資源信息化應(yīng)該在物質(zhì)實(shí)體信息加工后，遵循“智”和“能”的統(tǒng)一，通過智慧賦能，建設(shè)前瞻性自然資源大腦，實(shí)現(xiàn)預(yù)測預(yù)警安全管理，為切實(shí)履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)提供信息技術(shù)支撐。

4.1 城鄉(xiāng)數(shù)字孿生權(quán)籍信息化

地籍是土地資源信息化的核心，是土地信息區(qū)別于其他信息的特殊性。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地籍不但為土地稅收和土地產(chǎn)權(quán)保護(hù)服務(wù)，還要為自然資源利用規(guī)劃和管理提供基礎(chǔ)資料，是國家監(jiān)管、以土地權(quán)屬為核心、以地塊為基礎(chǔ)的土地及其附著物的權(quán)屬、位置、數(shù)量、質(zhì)量和利用現(xiàn)狀等土地信息的集合，具有顯著的空間特征、豐富的屬性描述和強(qiáng)烈的時(shí)態(tài)，是自然資源管理的基礎(chǔ)。目前，地籍已經(jīng)發(fā)展成為多用途權(quán)籍系統(tǒng)[15]。隨著城鄉(xiāng)一體化建設(shè)的推進(jìn)，尤其是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的貫徹實(shí)施，多用途權(quán)籍的內(nèi)涵和外延更加豐富，且慢慢轉(zhuǎn)變到自然資源資產(chǎn)信息等更為廣泛的含義。鑒于此，本文認(rèn)為土地信息的核心是地籍信息，地籍信息的核心是權(quán)籍信息，地籍信息外圍是土地資源利用信息，最終是廣義的土地信息及自然資源多功能權(quán)籍信息，如圖2 所示。

圖2 權(quán)籍信息及其多用途演變示意圖

數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，為權(quán)籍信息化再次賦能，讓多功能權(quán)籍信息成為自然資源管理和國土空間規(guī)劃與用途管制的新智能?！丁笆奈濉眹倚畔⒒?guī)劃》《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》等國家總體規(guī)劃確認(rèn)將因地制宜探索構(gòu)建數(shù)字孿生城市。北京、河南、山東、四川、廣東等地政府陸續(xù)出臺(tái)數(shù)字孿生城市相關(guān)政策和行動(dòng)實(shí)施方案。此處的數(shù)字孿生城市是一個(gè)大概念，權(quán)籍?dāng)?shù)字孿生應(yīng)該是其中的重要內(nèi)容。在這樣的數(shù)字孿生城市建設(shè)大背景下，城鄉(xiāng)數(shù)字孿生權(quán)籍信息化將是未來自然資源信息化的趨勢之一。當(dāng)然，其前提是在“一張圖”基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)物質(zhì)（物理）性資源的信息化，包括各種自然資源信息的年度更新。未來自然資源信息化應(yīng)樹立大權(quán)籍觀，開展自然資源信息的深度挖掘分析、綜合表達(dá)、集成應(yīng)用技術(shù)，探索大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能在自然資源信息化中的應(yīng)用。

4.2 “自然資源大腦”創(chuàng)建

物質(zhì)性思維限制了人們對信息智能化的挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)。隨著自然資源信息化發(fā)展，研究人員應(yīng)該由初期的物質(zhì)思維向信息對物質(zhì)的能動(dòng)作用轉(zhuǎn)變，沿著“信息-能量-物質(zhì)”路徑強(qiáng)化自然資源信息化建設(shè)工作，“自然資源大腦”創(chuàng)建成為主要趨勢之一。

類腦智能[16]有助于提升自然資源信息化認(rèn)知非線性復(fù)雜問題的能力，實(shí)現(xiàn)自然資源信息化由物質(zhì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到信息資源驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變，解決可視化主題多變、形式多樣、快速、易理解、強(qiáng)交互等一系列難題。以位置為基礎(chǔ)，全面反映位置本身及與位置相關(guān)的各種特征、事件或事物的全息位置地圖，將多層次、多粒度、全方位反映空間位置和權(quán)籍信息的各種關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成多種場景，并以多種方式呈現(xiàn)給用戶[17]。這樣的智能化人本思維將對自然資源信息化產(chǎn)生跨越性甚至顛覆性的變化，如圖3 所示。

圖3 “自然資源類大腦”原理示意圖[17]

4.3 國土空間規(guī)劃與治理智能服務(wù)機(jī)器人

未來時(shí)空信息將與自然資源管理業(yè)務(wù)緊密融合，發(fā)展形成以全面動(dòng)態(tài)感知、系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)知及全域智慧管控為主線的自然資源時(shí)空信息技術(shù)，為自然資源管理提供高質(zhì)量的時(shí)空信息、高層次的時(shí)空分析和高水平的時(shí)空賦能[18]。強(qiáng)化時(shí)空信息賦能自然資源管理和國土空間智慧治理，基于“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)，統(tǒng)籌建設(shè)智能分析決策“知識(shí)中臺(tái)”，以算法庫、模型庫、知識(shí)庫為核心，為智能分析決策提供地理空間感知、自然資源認(rèn)知、管理決策預(yù)知支撐。形成基于“感知、傳輸、融合、分析、決策”五要素閉合鏈路的土地資源智能管控技術(shù)體系，從而實(shí)現(xiàn)土地資源的精確感知、全網(wǎng)共享、多維融合、精明利用、精準(zhǔn)調(diào)控[19]，實(shí)現(xiàn)人、物在任何時(shí)間、地點(diǎn)之間的連接和交互，實(shí)現(xiàn)物理世界實(shí)時(shí)監(jiān)測、管理和決策。隨著空間數(shù)據(jù)挖掘能力的逐步發(fā)展及自然資源科學(xué)決策需求的不斷強(qiáng)化，“數(shù)據(jù)+知識(shí)”的服務(wù)模式將逐步成為主流[20]。

4.4 政策方案的信息化預(yù)評估

土地資源信息化、國土資源信息化到自然資源信息化，走過了物質(zhì)-能量-信息的正向信息化路徑。未來，信息-能量-物質(zhì)的思維范式將取代物質(zhì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式。這樣，以人為本的需求結(jié)合各種前瞻性的智能政策方案情景預(yù)測、更加全面的全樣本分析范式，基于規(guī)則的預(yù)測機(jī)制，實(shí)現(xiàn)全息時(shí)空自然資源信息化綜合集成研討廳模式[21-22]。通過人工智能進(jìn)一步解決海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成本高、數(shù)據(jù)管理分析難、數(shù)據(jù)使用效率低、數(shù)據(jù)挖掘難等問題[23]，滿足人力服務(wù)與機(jī)器人服務(wù)的共同需求，解決從空間感知向空間認(rèn)知等科學(xué)技術(shù)問題[24]，轉(zhuǎn)變認(rèn)知方式，重構(gòu)自然資源信息化范式，賦予自然資源信息化新內(nèi)涵。

4.5 綜合集成技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)有的信息化演進(jìn)過程不斷出現(xiàn)新技術(shù)，一些新技術(shù)在自然資源信息化過程中持續(xù)發(fā)揮作用，一些技術(shù)則曇花一現(xiàn)。歸納起來，目前自然資源信息化主要依托較成熟的技術(shù)，新技術(shù)的創(chuàng)造性研發(fā)，也就是0-1 的技術(shù)，實(shí)際上并不多見。但是基于已有較成熟的技術(shù)，無論是單體技術(shù)還是多種技術(shù)的集成應(yīng)用都有比較好的生命力。因此，自然資源信息化技術(shù)通常會(huì)滯后前沿信息技術(shù)5 年以上。當(dāng)前，自然資源信息化面臨的主要問題之一就是如何鑒別和優(yōu)選用于自然資源信息化的成熟技術(shù)和集成原理。因此，自然資源信息化技術(shù)需求與預(yù)測是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長一段時(shí)間需要重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

本文總結(jié)了中國經(jīng)歷的土地資源信息化、國土資源信息化和自然資源信息化的路徑，闡述了每個(gè)階段都伴隨中國的機(jī)構(gòu)調(diào)整和全國土地（國土）調(diào)查，并且信息化也在這幾十年不斷完善，從積木式搭建、一體化夯實(shí)到智慧賦能，不斷推進(jìn)自然資源信息技術(shù)迭代升級。隨著信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，自然資源信息化也將迎來城鄉(xiāng)數(shù)字孿生權(quán)籍信息化、提升人本智能思維的自然資源大腦化、服務(wù)機(jī)器人及政策研判新范式，總體發(fā)展定位在綜合集成技術(shù)應(yīng)用。

自然資源信息化將進(jìn)一步依據(jù)自然資源信息化的物質(zhì)、能量和信息的轉(zhuǎn)化與演化過程，以系統(tǒng)論和信息論為理論基礎(chǔ)、新的信息技術(shù)為重要工具，集成各種技術(shù)，探索業(yè)務(wù)需求和技術(shù)需求互動(dòng)關(guān)系的機(jī)理、融合、挖掘、集成以及大數(shù)據(jù)、感知、數(shù)字孿生、元宇宙技術(shù)引進(jìn)與應(yīng)用、資源環(huán)境承載力模型研究、資源環(huán)境虛擬綜合集成研討廳、國土空間規(guī)劃與治理服務(wù)機(jī)器人研制等問題[25-26]。