劉禹麒，鐘鎮(zhèn)濤，周廣明，王強吉，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)管機制，對空間規(guī)劃實施過程進行動態(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城市用地數(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)方法來進行城市運行狀態(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AI 技術(shù)在城市精細化治理中的應(yīng)用。各類研究與實踐對監(jiān)測評估預(yù)警技術(shù)發(fā)展起到一定推進作用，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)劃實施有效監(jiān)管的手段，既要實現(xiàn)高精度的國土空間要素監(jiān)測，也要開展全面的規(guī)劃實施評估，在此基礎(chǔ)上，對違反國土空間保護、開發(fā)、利用的行為進行及時監(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：(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)劃實施中開發(fā)利用行為和城市發(fā)展過程評價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)判進而實現(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和模擬能力，實現(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)的國土空間目標動態(tài)感知與快速識別技術(shù)，實現(xiàn)大范圍復(fù)雜地理環(huán)境多要素目標的快速監(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)空間細節(jié)信息，保留建筑物輪廓的形態(tài)等細節(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)特征的同時準確地檢測易被漏分的大型建筑和細小建筑，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(CA)模型進行緊密耦合，利用一種自適應(yīng)慣性競爭機制，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(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。通過對城市發(fā)展模擬與生態(tài)控制線的實驗分析發(fā)現(xiàn)，該綜合模型與CA 或ANN 的單一模型相比，能使缺失報警與所有報警的比率分別提高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點云數(shù)據(jù)，實現(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 精準評估：基于多源大數(shù)據(jù)的公服設(shè)施可達性評估

公服設(shè)施可達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、手機信令、交通路網(wǎng)等多源大數(shù)據(jù)的公服設(shè)施可達性分析方法。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、實施評估等的重要性，如圖3所示。

圖3 公服設(shè)施可達性評估結(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)保護紅線預(yù)警

生態(tài)保護紅線是保障城市基本生態(tài)安全，維護生態(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，提出改進的蟻群智能算法(modified-ACO)，劃定了研究區(qū)域生態(tài)保護紅線，并進一步建立Multi-Model 模型，對土地利用格局進行轉(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)保護紅線進行疊加分析，獲取可能被占用的生態(tài)保護紅線用地，進行預(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，需要充分利用三維GIS 與仿真模擬技術(shù)，全面實現(xiàn)國土空間三維立體全方位精細化監(jiān)測預(yù)警。