探討數(shù)字技術(shù)在土地利用規(guī)劃中的創(chuàng)新及應用

蔣瑩瑩

武漢市政工程設(shè)計研究院有限責任公司 湖北 武漢 430000

引言

“十四五”規(guī)劃中提出加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建設(shè)數(shù)字中國建設(shè)智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村。以數(shù)字化推動治理模式創(chuàng)新和城鄉(xiāng)發(fā)展，推進新型智慧城鄉(xiāng)建設(shè)[1]。構(gòu)建可視化信息模型和運行管理服務平臺，搭建城市數(shù)據(jù)資源體系。探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。

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

1 土地利用規(guī)劃管理工作存在的問題

當前社會經(jīng)濟發(fā)展水平得到進一步提升，社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生改變，需要規(guī)劃能適應當前的社會經(jīng)濟發(fā)展，更高效利用土地資源。然而，當前土地規(guī)劃還存在諸多問題。需要在合理利用土地資源的基礎(chǔ)上，降低對環(huán)境的破壞程度，節(jié)約土地資源，協(xié)調(diào)“人、土地、經(jīng)濟、生態(tài)”之間的關(guān)系。

1.1 土地利用前期調(diào)研不充分

當前，在土地規(guī)劃的編制環(huán)節(jié)中缺乏前期準備工作，對土地現(xiàn)狀理解不充分，對周邊的社會經(jīng)濟、自然環(huán)境、當?shù)禺a(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移及布局了解不足，對現(xiàn)有資源、地方政策了解深度不足。數(shù)據(jù)來源深度不夠，數(shù)據(jù)的收集方法單一，導致規(guī)劃內(nèi)容深度不夠?；A(chǔ)數(shù)據(jù)搜集之后，缺乏對土地現(xiàn)狀的綜合行分析，導致土地規(guī)劃編制結(jié)論針對性不強，同時在規(guī)劃實后缺乏相應的保障措施，缺少相應評價體系。在人口統(tǒng)計中，由于人口流動性大、大環(huán)境及疫情變化不能準確的收集到相關(guān)的人口數(shù)據(jù)，導致城鎮(zhèn)規(guī)劃失靈。在大數(shù)據(jù)普及的大背景下，應該建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)信息平臺，打通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享和更新迭代途徑，發(fā)掘潛在的、動態(tài)的數(shù)據(jù)運用。

1.2 土地規(guī)劃方法單一

目前土地利用規(guī)劃中，傳統(tǒng)的規(guī)劃方法局限了規(guī)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(guī)劃中被忽視，也忽視了土地承載能力力和土地生態(tài)效益的基礎(chǔ)研究，使土地規(guī)劃研究趨于流于表面[2]。同時用地分類都是以土地的經(jīng)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(chǔ)，以經(jīng)濟目標為導向，忽視了土地生態(tài)系統(tǒng)的功能，導致生態(tài)、農(nóng)田、水體被占用，破壞了區(qū)域的平衡與可持續(xù)發(fā)展。

1.3 規(guī)劃體系不健全

目前土地規(guī)劃的編制、審批與實施等環(huán)節(jié)中存在較多不規(guī)范現(xiàn)象，致使土地資源利用效率低下。規(guī)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(guī)劃的現(xiàn)象嚴重。在規(guī)劃實施后缺乏保障措施及相應的監(jiān)督機制和評價體系。產(chǎn)生同一塊土地重復使用、多頭領(lǐng)導、規(guī)劃目標不一致的現(xiàn)象。在大數(shù)據(jù)普及的大背景下，應該建立統(tǒng)一的空間規(guī)劃管理體系，打破多規(guī)沖突、規(guī)劃條塊分割的規(guī)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(jiān)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(qū)，土地利用過于分散和浪費，土地集約管理意識不足。少數(shù)地區(qū)甚至將土地消費作為增加經(jīng)濟收入的手段，加劇了農(nóng)民與城市發(fā)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(guī)劃缺乏針對性，甚至出現(xiàn)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(fā)規(guī)劃。此外，還存在將肥沃的耕地用于工業(yè)用途的問題，導致土地資源的過度利用，加劇環(huán)境污染，降低了土地的自愈能力。

2 土地利用規(guī)劃管理的新思路

土地規(guī)劃是有由許多相互關(guān)聯(lián)的要素組成，這些要素受政府土地政策、人口發(fā)展、交通網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)環(huán)境、氣候變化、社會經(jīng)濟等多種因素的影響，同時城鄉(xiāng)土地作為一個不斷擴張的載體具有時空動態(tài)的特征。長期以來，中國土地利用規(guī)劃多為依據(jù)專業(yè)人員的經(jīng)驗進行的定性規(guī)劃，這種單一的工作模式對解決土地資源分配、區(qū)域協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的復雜問題存在很多缺陷，規(guī)劃師們一直缺乏必要的資源和技術(shù)來完全利用城市數(shù)據(jù)進行研究。隨著數(shù)字技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，在5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、云計算等一系列相關(guān)技術(shù)的支撐下，土地規(guī)劃工作方式正在發(fā)生著巨大的變革。在土地利用規(guī)劃中引入數(shù)字技術(shù)，促進數(shù)字技術(shù)的應用以及標準制定，能更有效的以提高土地規(guī)劃利用的精準性、合理性，能更有效的優(yōu)化土地的利用結(jié)構(gòu)、改善當前土地無序建設(shè)的狀態(tài)。

3 數(shù)字技術(shù)在土地利用規(guī)劃中的應用

3.1 3S技術(shù)

3S技術(shù)是遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)三種技術(shù)結(jié)合的，多學科高度集成的一體化的技術(shù)，它能實現(xiàn)對空間信息進行采集、處理、分析、表達、管理和應用，從而構(gòu)建一個強大的技術(shù)管理體系[3]。

3S技術(shù)在土地規(guī)劃中首先通過采集數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)更新的手段進行數(shù)據(jù)收集，可實現(xiàn)進行氣候水文監(jiān)測、面積監(jiān)測、空間數(shù)據(jù)自動更新等功能。大大減少野外控制測量的工作量。數(shù)據(jù)采集工作完成后，利用地理信息系統(tǒng)的功能，可以對提取的數(shù)據(jù)信息進行準確的分析，并對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行實時更新。這樣，結(jié)合分析得到的數(shù)據(jù)信息，就可以建立科學完善的數(shù)據(jù)分析模型。

3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)

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(chǔ)設(shè)施傳感器可監(jiān)測包括人口、交通、供水、供電、供氣、排水，環(huán)保、安全、能源、農(nóng)業(yè)、氣候等各個方面的數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的逐步完善為土地利用規(guī)劃提供了的大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅準確而且是實時動態(tài)的。規(guī)劃師可以利用傳感器信息來研究廣泛的網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新項目，以及它們對城市、人口、土地、經(jīng)濟的影響。在數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)積累方面引入物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)，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(shù)據(jù)的收集傳遞的速度，實現(xiàn)超大量數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理，成為規(guī)劃管理決策支撐和輔助。

3.3 大數(shù)據(jù)挖掘與云計算

隨著大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的普及，在規(guī)劃工作中空間數(shù)據(jù)的收集被廣泛應用，大量空間數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星圖像、地理信息系統(tǒng)、遙感、多媒體系統(tǒng)等多種形式的數(shù)據(jù)源。空間數(shù)據(jù)挖掘（SDM）是指從空間數(shù)據(jù)庫中提取空間數(shù)據(jù)的普遍關(guān)系、數(shù)據(jù)特征、空間模式的過程?？捎糜趯臻g數(shù)據(jù)的提取、空間關(guān)系的觀測、空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建、重組與優(yōu)化。其目的是把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有價值可交互的知識、發(fā)現(xiàn)隱含規(guī)律。常用的模型方法有：統(tǒng)計分析法、歸納學習法、空間分析法、空間關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘法、空間特征和趨勢探測、聚類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊集理論、圖像分析和模式識別、數(shù)據(jù)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(shè)用地擴張速度、土地利用動態(tài)、建設(shè)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(shù)據(jù)。

云計算是分布式計算方法，它依托于網(wǎng)絡(luò)，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(jié)果。建立基于云計算的土地信息數(shù)據(jù)管理服務平臺是土地信息化融合發(fā)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(shù)據(jù)包括自然資源、人口、交通、水利、管網(wǎng)、經(jīng)濟、社會、醫(yī)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(shù)據(jù)，使土地規(guī)劃規(guī)劃編制更加科學的問題。云計算技術(shù)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(shè)智能化土地規(guī)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(shù)支撐。

3.4 數(shù)字孿生城市

數(shù)字孿生是利用感知設(shè)備實時采集、傳輸物理世界或?qū)嶓w系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，匯聚整合多源數(shù)據(jù)，利用相關(guān)算法完成物理世界到虛擬空間的仿真映射。基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧城市建設(shè)是以數(shù)字孿生作為未來智慧城市運轉(zhuǎn)的理論基礎(chǔ)，通過匯聚整合多源數(shù)據(jù)；探索梳理業(yè)務流程和需求，充分運用不斷涌現(xiàn)的新思路、新方法、新模式，完美搭建與物理世界同步的數(shù)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(xiàn)數(shù)字孿生城市的建設(shè)。

數(shù)字孿生通過對物理世界的仿真進而在土地利用規(guī)劃中采用建模、仿真等方式進行虛擬規(guī)劃，對城市的地形、建筑、道路交通、水穩(wěn)、管網(wǎng)等進行模型仿真、數(shù)據(jù)監(jiān)測、和分析預測等，從而提出土地用用規(guī)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(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)土地利用規(guī)劃過程的全生命周期管理。

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

3.5 人工智能

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種計算機運算模型，由大量模擬神經(jīng)元的節(jié)點組成，這些節(jié)點抽象化模擬人腦神經(jīng)元，并負責輸入、連接、處理及輸出。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以處理數(shù)據(jù)之間的非線性關(guān)系，利用算法模型實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效利用。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法優(yōu)化土地利用規(guī)劃管理工作，實現(xiàn)了土地利用規(guī)劃中動態(tài)規(guī)劃和靈活規(guī)劃的，解決了土地利用規(guī)劃中函數(shù)關(guān)系的非線性和不確定性問題。

影響土地利用規(guī)劃的因素很多，因此土地利用規(guī)劃的規(guī)劃要素之間存在許多非線性、隱式的功能關(guān)系，尤其是在經(jīng)濟社會迅速轉(zhuǎn)型時期。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以嘗試解決土地利用規(guī)劃中的以下問題：①處理土地利用規(guī)劃中隱性的、動態(tài)的、非線性的函數(shù)關(guān)系，滿足土地利用規(guī)劃中的彈性與動態(tài)性需求，以適應復雜的規(guī)劃過程的要求。②利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對土地利用規(guī)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理土地利用規(guī)劃編制過程中的土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化布局問題。④利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建土地利用規(guī)劃方案評價體系，構(gòu)建更高效、更客觀、更靈活地評價方式。

4 結(jié)論

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

5 展望與挑戰(zhàn)

數(shù)字技術(shù)在地利用規(guī)劃中能有效彌補、避免傳統(tǒng)規(guī)劃的局限性，為土地利用規(guī)劃工作方式提供了新的思路，同時數(shù)字技術(shù)的應用也還未成熟，在實際運用中還存在挑戰(zhàn)：①應用數(shù)字技術(shù)進行土地利用規(guī)劃管理需要大量專業(yè)技術(shù)人員，對計算機、軟件的應用技能要求較高，相關(guān)人才的培養(yǎng)力度不夠，限制了該領(lǐng)域的發(fā)展。②目前公共數(shù)據(jù)資源跨部門、跨區(qū)域、跨層級的融合度和開放程度不夠，人口、經(jīng)濟、地理空間等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源缺乏共享平臺，數(shù)據(jù)的廣度、深度以及連通性不足。③目前數(shù)字技術(shù)在土地利用規(guī)劃中的應用技術(shù)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(jié)論和方法，并制定相關(guān)的技術(shù)標準。從實踐經(jīng)驗中總結(jié)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(shù)據(jù)資源及規(guī)劃管理技術(shù)應用體系。