國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用*

劉禹麒，鐘鎮(zhèn)濤，周廣明，王強(qiáng)吉，張鴻輝,3，羅偉玲

(1.廣東國地規(guī)劃科技股份有限公司，廣東廣州510650；2.新疆維吾爾自治區(qū)國土空間規(guī)劃研究中心，新疆烏魯木齊830002；3.湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，湖南長沙410081)

國土空間承載著一切人類生存、生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ)和行為活動，是人類社會發(fā)展的重要場所。改革開放以來，中國的城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市面貌日新月異，而粗放的空間利用形式也導(dǎo)致了土地退化、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題，這對國家治理體系與治理能力提出了巨大的挑戰(zhàn)[1]?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院關(guān)于建立國土空間規(guī)劃并監(jiān)督實(shí)施的若干意見》（中發(fā)〔2019〕18號）明確要求開展國土空間規(guī)劃動態(tài)監(jiān)測評估預(yù)警，為實(shí)現(xiàn)可感知、能學(xué)習(xí)、善治理、自適應(yīng)的智慧規(guī)劃提供基礎(chǔ)。國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警是指通過信息化技術(shù)手段以及配套的監(jiān)管機(jī)制，對空間規(guī)劃實(shí)施過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、及時預(yù)警和定期評估，從而約束國土空間開發(fā)利用行為、保護(hù)國土空間安全。在生態(tài)文明新時代建設(shè)背景下，開展國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警既是時代發(fā)展的必然要求，也是空間規(guī)劃轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。

盡管國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警仍屬于新生事物，但社會各界在監(jiān)測評估預(yù)警技術(shù)方面早已有一定探索與實(shí)踐。在監(jiān)測技術(shù)方面，基于遙感的土地覆蓋監(jiān)測一直是熱點(diǎn)研究問題，如宮鵬、劉小平等人分別制作了長時間序列的10 m土地覆蓋數(shù)據(jù)集與全球30 m城市用地?cái)?shù)據(jù)，為國土空間規(guī)劃中的土地利用變化趨勢監(jiān)測提供了很好的參考依據(jù)[2]。在國土空間評估方面，利用大數(shù)據(jù)方法來進(jìn)行城市運(yùn)行狀態(tài)與空間結(jié)構(gòu)的研究是當(dāng)前的主流趨勢，諸如利用手機(jī)信令、百度地圖、騰訊街景等評估人口活動特征、城市建成環(huán)境、街道綠化水平等[3-4]。對于國土空間預(yù)警，近幾年飛速發(fā)展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)已初步顯露出應(yīng)用成效，阿里巴巴、百度等互聯(lián)網(wǎng)公司分別推出了如“城市大腦”、“百度大腦”等AI平臺[5]，推進(jìn)AI 技術(shù)在城市精細(xì)化治理中的應(yīng)用。各類研究與實(shí)踐對監(jiān)測評估預(yù)警技術(shù)發(fā)展起到一定推進(jìn)作用，但面對當(dāng)前復(fù)雜環(huán)境下國土空間全要素、全周期監(jiān)督監(jiān)管需求，傳統(tǒng)監(jiān)測評估預(yù)警方法還是存在諸多不足，例如監(jiān)測手段單一、效率低下；評估要素孤立、周期局限；預(yù)警對象靜態(tài)、缺乏預(yù)判等，難以滿足國土空間規(guī)劃動態(tài)監(jiān)測、定期評估、及時預(yù)警的需要。

為了響應(yīng)國家建立國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警機(jī)制的重大需求，本文研究形成國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警技術(shù)創(chuàng)新以及技術(shù)成果應(yīng)用實(shí)踐，以期為國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警工作提供借鑒。

1 主要技術(shù)創(chuàng)新

國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警是對國土空間規(guī)劃實(shí)施有效監(jiān)管的手段，既要實(shí)現(xiàn)高精度的國土空間要素監(jiān)測，也要開展全面的規(guī)劃實(shí)施評估，在此基礎(chǔ)上，對違反國土空間保護(hù)、開發(fā)、利用的行為進(jìn)行及時監(jiān)管。然而當(dāng)前在監(jiān)測評估預(yù)警中還存在以下三方面難點(diǎn)：(1)國土空間規(guī)劃過程中，基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)獲取所面臨的信息變化動態(tài)感知能力匱乏、數(shù)據(jù)獲取與信息重構(gòu)效率低下；(2)國土空間規(guī)劃實(shí)施中開發(fā)利用行為和城市發(fā)展過程評價(jià)中難以有效兼顧空間變化和人類活動以及自然環(huán)境的相關(guān)作用；(3)國土空間規(guī)劃底線預(yù)警方面，目前常見的監(jiān)管手段主要還在問題發(fā)現(xiàn)層面，即通過對地表覆蓋變化監(jiān)測識別提取建設(shè)用地變化情況，屬于事后監(jiān)管，無法對可能的違法或突破底線的行為提前預(yù)判進(jìn)而實(shí)現(xiàn)及時預(yù)警。

針對上述三大問題，試圖通過創(chuàng)新國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警技術(shù)體系而得以解決。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新包括：（1）提出融合多源多尺度數(shù)據(jù)的國土空間信息動態(tài)感知與快速識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大范圍復(fù)雜地理環(huán)境下建筑物、道路網(wǎng)和土地利用信息等多要素目標(biāo)的智能監(jiān)測；（2）提出耦合人類活動和自然環(huán)境作用綜合評價(jià)方法，為空間發(fā)展過程的監(jiān)測評估提供有效路徑，智能分析揭示國土空間演變的復(fù)雜規(guī)律；（3）構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的模擬預(yù)測模型，提高對多元影響因素相互作用的表達(dá)和模擬能力，實(shí)現(xiàn)對影響底線要素開發(fā)利用行為的及時預(yù)警。技術(shù)創(chuàng)新總體思路如圖1所示。

圖1 技術(shù)創(chuàng)新總體思路Fig.1 General technical innovation approach

1.1 融合多源大數(shù)據(jù)的空間信息動態(tài)感知與快速識別技術(shù)

針對快速城鎮(zhèn)化建設(shè)過程中，基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)獲取所面臨的信息變化動態(tài)感知能力匱乏、數(shù)據(jù)獲取與信息重構(gòu)效率低下等諸多問題，提出融合多源數(shù)據(jù)的國土空間目標(biāo)動態(tài)感知與快速識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大范圍復(fù)雜地理環(huán)境多要素目標(biāo)的快速監(jiān)測。例如：傳統(tǒng)的建筑物輪廓提取方法存在明顯的“椒鹽現(xiàn)象”，而且無法準(zhǔn)確提取不同尺度的建筑物輪廓。為此，提出了一種新的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(SRI-Net)，該模型通過SRI 模塊學(xué)習(xí)和聚合多尺度上下文信息，以適應(yīng)于不同尺度建筑物的提取，同時利用“編碼器-解碼器”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐級融合多層次的語義特征，恢復(fù)空間細(xì)節(jié)信息，保留建筑物輪廓的形態(tài)等細(xì)節(jié)信息。通過在Inria 和WHU-I 航攝建筑物分割數(shù)據(jù)集上與傳統(tǒng)的全卷積語義分割模型進(jìn)行對比，結(jié)果表明SR-Net 能夠在保留整體和局部形態(tài)特征的同時準(zhǔn)確地檢測易被漏分的大型建筑和細(xì)小建筑，顯著提高像素級的建筑物識別精度，可以支撐城市建筑群的高精度提取[6]。

1.2 耦合人類活動和自然環(huán)境的綜合評價(jià)技術(shù)

城市發(fā)展與國土空間開發(fā)利用過程是各類主體的行為體現(xiàn)，現(xiàn)有的評價(jià)方法難以有效兼顧空間變化和人類活動以及自然環(huán)境的相關(guān)作用。本研究提出耦合人類活動和自然環(huán)境作用綜合評價(jià)方法，為空間發(fā)展過程監(jiān)測評估提供有效路徑，智能分析揭示國土空間演變的復(fù)雜規(guī)律。例如：針對當(dāng)前大多數(shù)土地利用模擬技術(shù)主要專注于城市/非城市二元框架下的用地模擬，對于人類活動與自然土地多元相互作用的表達(dá)和模擬能力較為薄弱的問題，提出了一種耦合人類活動和自然作用的多類土地利用變化預(yù)測模型(FLUS模型)，將“自頂向下”的系統(tǒng)動力學(xué)模型(SD)和“自底向上”的元胞自動機(jī)(CA)模型進(jìn)行緊密耦合，利用一種自適應(yīng)慣性競爭機(jī)制，處理不同土地利用類型之間的復(fù)雜競爭關(guān)系和相互作用[7]。該模型支持并行計(jì)算和空間分異的土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以滿足大區(qū)域土地利用動態(tài)模擬的需求，而且能夠揭示和深刻理解城市演化過程中的非線性、自組織和涌現(xiàn)性等復(fù)雜規(guī)律和現(xiàn)象[8]。

1.3 基于深度學(xué)習(xí)的國土空間模擬預(yù)測技術(shù)

面向國土空間規(guī)劃強(qiáng)化底線約束要求，對于管控底線及環(huán)境底線要素的精確合理預(yù)測是關(guān)鍵。通過融合深度學(xué)習(xí)技術(shù)的綜合模型，構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的國土空間模擬預(yù)測模型，提高對多元影響因素相互作用的表達(dá)和模擬能力，可支持國土空間底線要素及時預(yù)警。

國土空間規(guī)劃實(shí)施過程中，非法用地以及生態(tài)控制線及時預(yù)警都是重要內(nèi)容。針對預(yù)警因素較復(fù)雜和具有不確定性，本研究提出一種將元胞自動機(jī)(CA)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)相結(jié)合的地理模擬模型，用于預(yù)警非法開發(fā)所造成的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。通過對城市發(fā)展模擬與生態(tài)控制線的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該綜合模型與CA 或ANN 的單一模型相比，能使缺失報(bào)警與所有報(bào)警的比率分別提高65.48%和5.17%，證明比單一模型方法具有更好的預(yù)警性能，為描述和預(yù)測高度非線性、碎片化的非法開發(fā)提供強(qiáng)有力的工具[9]。

2 成果應(yīng)用服務(wù)

研究成果在支撐國土空間規(guī)劃監(jiān)測評估預(yù)警實(shí)施路徑的前提下，不僅提高了各地監(jiān)測評估預(yù)警工作效率，同時也產(chǎn)生了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，以下為部分成果應(yīng)用案例。

2.1 動態(tài)監(jiān)測：基于GRRNet模型的城市建筑物信息提取

城市建筑物信息在三維城市建模、城市擴(kuò)張分析、環(huán)境調(diào)查等方面具有重要應(yīng)用，也是國土空間變化監(jiān)測的主要要素之一，因而高精度的建筑物信息識別與提取意義重大。研究提出的端到端門控殘差優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)(GRRNet 模型)，可結(jié)合高分辨率航空影像和激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑物信息提取。在對廣東省某地區(qū)城市建筑物提取中，GRRNet 模型表現(xiàn)良好，可識別出絕大部分研究區(qū)內(nèi)建筑物信息，建筑物輪廓提取總體精度達(dá)到95%以上，表明該模型具有巨大的應(yīng)用潛力，可以輔助高效開展國土空間規(guī)劃實(shí)施中違法建設(shè)用地監(jiān)測，為國土空間規(guī)劃動態(tài)監(jiān)測提供可靠的決策依據(jù)，如圖2所示。

圖2 建筑物提取結(jié)果Fig.2 Extraction results of buildings

2.2 精準(zhǔn)評估：基于多源大數(shù)據(jù)的公服設(shè)施可達(dá)性評估

公服設(shè)施可達(dá)性評估常用于衡量城市公共資源(如城市公園綠地、學(xué)校、醫(yī)院、消防設(shè)施等)配置均衡性與公平性，是優(yōu)化城市空間布局的重要參考依據(jù)。研究提出了一種以高斯兩部移動搜索法為核心，耦合POI、手機(jī)信令、交通路網(wǎng)等多源大數(shù)據(jù)的公服設(shè)施可達(dá)性分析方法。該評估成果對于支撐城市空間要素配置、城市規(guī)劃決策起到了良好的作用，體現(xiàn)出通過多源大數(shù)據(jù)挖掘城市空間發(fā)展的隱含規(guī)律，輔助國土空間規(guī)劃現(xiàn)狀評估、實(shí)施評估等的重要性，如圖3所示。

圖3 公服設(shè)施可達(dá)性評估結(jié)果Fig.3 Accessibility evaluation results of public service facilities

2.3 及時預(yù)警：耦合modified-ACO 與Multi-Model模型的生態(tài)保護(hù)紅線預(yù)警

生態(tài)保護(hù)紅線是保障城市基本生態(tài)安全，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)性、完整性和連續(xù)性的管控底線。本研究通過結(jié)合遙感、GIS 和蟻群智能算法(ACO)等技術(shù)方法，提出改進(jìn)的蟻群智能算法(modified-ACO)，劃定了研究區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線，并進(jìn)一步建立Multi-Model 模型，對土地利用格局進(jìn)行轉(zhuǎn)換規(guī)則挖掘，模擬該地區(qū)未來城市格局，并與城市生態(tài)保護(hù)紅線進(jìn)行疊加分析，獲取可能被占用的生態(tài)保護(hù)紅線用地，進(jìn)行預(yù)警分析，“防患于未然”，大大提高了國土空間規(guī)劃預(yù)警的主動性和及時性，如圖4所示。

圖4 生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)違法用地預(yù)警結(jié)果Fig.4 Early warning results of illegal land use within the red line for ecological protection

3 結(jié)語

本研究創(chuàng)新建立了融合多源多維度多因素監(jiān)測評估預(yù)警技術(shù)體系，為國土空間規(guī)劃動態(tài)監(jiān)測、精準(zhǔn)評估與及時預(yù)警帶來高效、智能的技術(shù)支撐。研究成果一方面提高了規(guī)劃監(jiān)督監(jiān)管工作的效率和質(zhì)量，提升了規(guī)劃輔助決策能力。另一方面，為建立監(jiān)測評估預(yù)警機(jī)制、提升國土空間治理能力提供了支撐。未來，首先，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G 等新一代信息技術(shù)所具備的信息實(shí)時感知、即時響應(yīng)、智能分析等技術(shù)能力突破，為將來構(gòu)建多維立體的國土空間監(jiān)測網(wǎng)提供了更好的支撐環(huán)境。其次，隨著數(shù)字孿生城市建設(shè)的推進(jìn)，需要充分利用三維GIS 與仿真模擬技術(shù)，全面實(shí)現(xiàn)國土空間三維立體全方位精細(xì)化監(jiān)測預(yù)警。