国土空间规划监测评估预警关键技术研究及应用*

刘禹麒，钟镇涛，周广明，王强吉，张鸿辉,3，罗伟玲

(1.广东国地规划科技股份有限公司，广东广州510650；2.新疆维吾尔自治区国土空间规划研究中心，新疆乌鲁木齐830002；3.湖南师范大学地理科学学院，湖南长沙410081)

国土空间承载着一切人类生存、生产、生活的物质基础和行为活动，是人类社会发展的重要场所。改革开放以来，中国的城乡经济飞速发展，城市面貌日新月异，而粗放的空间利用形式也导致了土地退化、环境污染、生态破坏等问题，这对国家治理体系与治理能力提出了巨大的挑战[1]。《中共中央国务院关于建立国土空间规划并监督实施的若干意见》（中发〔2019〕18号）明确要求开展国土空间规划动态监测评估预警，为实现可感知、能学习、善治理、自适应的智慧规划提供基础。国土空间规划监测评估预警是指通过信息化技术手段以及配套的监管机制，对空间规划实施过程进行动态监测、及时预警和定期评估，从而约束国土空间开发利用行为、保护国土空间安全。在生态文明新时代建设背景下，开展国土空间规划监测评估预警既是时代发展的必然要求，也是空间规划转型的必经之路。

尽管国土空间规划监测评估预警仍属于新生事物，但社会各界在监测评估预警技术方面早已有一定探索与实践。在监测技术方面，基于遥感的土地覆盖监测一直是热点研究问题，如宫鹏、刘小平等人分别制作了长时间序列的10 m土地覆盖数据集与全球30 m城市用地数据，为国土空间规划中的土地利用变化趋势监测提供了很好的参考依据[2]。在国土空间评估方面，利用大数据方法来进行城市运行状态与空间结构的研究是当前的主流趋势，诸如利用手机信令、百度地图、腾讯街景等评估人口活动特征、城市建成环境、街道绿化水平等[3-4]。对于国土空间预警，近几年飞速发展的神经网络、深度学习技术已初步显露出应用成效，阿里巴巴、百度等互联网公司分别推出了如“城市大脑”、“百度大脑”等AI平台[5]，推进AI 技术在城市精细化治理中的应用。各类研究与实践对监测评估预警技术发展起到一定推进作用，但面对当前复杂环境下国土空间全要素、全周期监督监管需求，传统监测评估预警方法还是存在诸多不足，例如监测手段单一、效率低下；评估要素孤立、周期局限；预警对象静态、缺乏预判等，难以满足国土空间规划动态监测、定期评估、及时预警的需要。

为了响应国家建立国土空间规划监测评估预警机制的重大需求，本文研究形成国土空间规划监测评估预警技术创新以及技术成果应用实践，以期为国土空间规划监测评估预警工作提供借鉴。

1 主要技术创新

国土空间规划监测评估预警是对国土空间规划实施有效监管的手段，既要实现高精度的国土空间要素监测，也要开展全面的规划实施评估，在此基础上，对违反国土空间保护、开发、利用的行为进行及时监管。然而当前在监测评估预警中还存在以下三方面难点：(1)国土空间规划过程中，基础地理空间数据获取所面临的信息变化动态感知能力匮乏、数据获取与信息重构效率低下；(2)国土空间规划实施中开发利用行为和城市发展过程评价中难以有效兼顾空间变化和人类活动以及自然环境的相关作用；(3)国土空间规划底线预警方面，目前常见的监管手段主要还在问题发现层面，即通过对地表覆盖变化监测识别提取建设用地变化情况，属于事后监管，无法对可能的违法或突破底线的行为提前预判进而实现及时预警。

针对上述三大问题，试图通过创新国土空间规划监测评估预警技术体系而得以解决。实现的关键技术创新包括：（1）提出融合多源多尺度数据的国土空间信息动态感知与快速识别技术，实现大范围复杂地理环境下建筑物、道路网和土地利用信息等多要素目标的智能监测；（2）提出耦合人类活动和自然环境作用综合评价方法，为空间发展过程的监测评估提供有效路径，智能分析揭示国土空间演变的复杂规律；（3）构建基于深度学习的模拟预测模型，提高对多元影响因素相互作用的表达和模拟能力，实现对影响底线要素开发利用行为的及时预警。技术创新总体思路如图1所示。

图1 技术创新总体思路Fig.1 General technical innovation approach

1.1 融合多源大数据的空间信息动态感知与快速识别技术

针对快速城镇化建设过程中，基础地理空间数据获取所面临的信息变化动态感知能力匮乏、数据获取与信息重构效率低下等诸多问题，提出融合多源数据的国土空间目标动态感知与快速识别技术，实现大范围复杂地理环境多要素目标的快速监测。例如：传统的建筑物轮廓提取方法存在明显的“椒盐现象”，而且无法准确提取不同尺度的建筑物轮廓。为此，提出了一种新的全卷积神经网络模型(SRI-Net)，该模型通过SRI 模块学习和聚合多尺度上下文信息，以适应于不同尺度建筑物的提取，同时利用“编码器-解码器”的网络结构逐级融合多层次的语义特征，恢复空间细节信息，保留建筑物轮廓的形态等细节信息。通过在Inria 和WHU-I 航摄建筑物分割数据集上与传统的全卷积语义分割模型进行对比，结果表明SR-Net 能够在保留整体和局部形态特征的同时准确地检测易被漏分的大型建筑和细小建筑，显著提高像素级的建筑物识别精度，可以支撑城市建筑群的高精度提取[6]。

1.2 耦合人类活动和自然环境的综合评价技术

城市发展与国土空间开发利用过程是各类主体的行为体现，现有的评价方法难以有效兼顾空间变化和人类活动以及自然环境的相关作用。本研究提出耦合人类活动和自然环境作用综合评价方法，为空间发展过程监测评估提供有效路径，智能分析揭示国土空间演变的复杂规律。例如：针对当前大多数土地利用模拟技术主要专注于城市/非城市二元框架下的用地模拟，对于人类活动与自然土地多元相互作用的表达和模拟能力较为薄弱的问题，提出了一种耦合人类活动和自然作用的多类土地利用变化预测模型(FLUS模型)，将“自顶向下”的系统动力学模型(SD)和“自底向上”的元胞自动机(CA)模型进行紧密耦合，利用一种自适应惯性竞争机制，处理不同土地利用类型之间的复杂竞争关系和相互作用[7]。该模型支持并行计算和空间分异的土地利用转换规则，可以满足大区域土地利用动态模拟的需求，而且能够揭示和深刻理解城市演化过程中的非线性、自组织和涌现性等复杂规律和现象[8]。

1.3 基于深度学习的国土空间模拟预测技术

面向国土空间规划强化底线约束要求，对于管控底线及环境底线要素的精确合理预测是关键。通过融合深度学习技术的综合模型，构建基于深度学习的国土空间模拟预测模型，提高对多元影响因素相互作用的表达和模拟能力，可支持国土空间底线要素及时预警。

国土空间规划实施过程中，非法用地以及生态控制线及时预警都是重要内容。针对预警因素较复杂和具有不确定性，本研究提出一种将元胞自动机(CA)与人工神经网络(ANN)相结合的地理模拟模型，用于预警非法开发所造成的生态风险。通过对城市发展模拟与生态控制线的实验分析发现，该综合模型与CA 或ANN 的单一模型相比，能使缺失报警与所有报警的比率分别提高65.48%和5.17%，证明比单一模型方法具有更好的预警性能，为描述和预测高度非线性、碎片化的非法开发提供强有力的工具[9]。

2 成果应用服务

研究成果在支撑国土空间规划监测评估预警实施路径的前提下，不仅提高了各地监测评估预警工作效率，同时也产生了显著的社会经济效益，以下为部分成果应用案例。

2.1 动态监测：基于GRRNet模型的城市建筑物信息提取

城市建筑物信息在三维城市建模、城市扩张分析、环境调查等方面具有重要应用，也是国土空间变化监测的主要要素之一，因而高精度的建筑物信息识别与提取意义重大。研究提出的端到端门控残差优化网络(GRRNet 模型)，可结合高分辨率航空影像和激光雷达点云数据，实现建筑物信息提取。在对广东省某地区城市建筑物提取中，GRRNet 模型表现良好，可识别出绝大部分研究区内建筑物信息，建筑物轮廓提取总体精度达到95%以上，表明该模型具有巨大的应用潜力，可以辅助高效开展国土空间规划实施中违法建设用地监测，为国土空间规划动态监测提供可靠的决策依据，如图2所示。

图2 建筑物提取结果Fig.2 Extraction results of buildings

2.2 精准评估：基于多源大数据的公服设施可达性评估

公服设施可达性评估常用于衡量城市公共资源(如城市公园绿地、学校、医院、消防设施等)配置均衡性与公平性，是优化城市空间布局的重要参考依据。研究提出了一种以高斯两部移动搜索法为核心，耦合POI、手机信令、交通路网等多源大数据的公服设施可达性分析方法。该评估成果对于支撑城市空间要素配置、城市规划决策起到了良好的作用，体现出通过多源大数据挖掘城市空间发展的隐含规律，辅助国土空间规划现状评估、实施评估等的重要性，如图3所示。

图3 公服设施可达性评估结果Fig.3 Accessibility evaluation results of public service facilities

2.3 及时预警：耦合modified-ACO 与Multi-Model模型的生态保护红线预警

生态保护红线是保障城市基本生态安全，维护生态系统的科学性、完整性和连续性的管控底线。本研究通过结合遥感、GIS 和蚁群智能算法(ACO)等技术方法，提出改进的蚁群智能算法(modified-ACO)，划定了研究区域生态保护红线，并进一步建立Multi-Model 模型，对土地利用格局进行转换规则挖掘，模拟该地区未来城市格局，并与城市生态保护红线进行叠加分析，获取可能被占用的生态保护红线用地，进行预警分析，“防患于未然”，大大提高了国土空间规划预警的主动性和及时性，如图4所示。

图4 生态保护红线内违法用地预警结果Fig.4 Early warning results of illegal land use within the red line for ecological protection

3 结语

本研究创新建立了融合多源多维度多因素监测评估预警技术体系，为国土空间规划动态监测、精准评估与及时预警带来高效、智能的技术支撑。研究成果一方面提高了规划监督监管工作的效率和质量，提升了规划辅助决策能力。另一方面，为建立监测评估预警机制、提升国土空间治理能力提供了支撑。未来，首先，随着物联网、5G 等新一代信息技术所具备的信息实时感知、即时响应、智能分析等技术能力突破，为将来构建多维立体的国土空间监测网提供了更好的支撑环境。其次，随着数字孪生城市建设的推进，需要充分利用三维GIS 与仿真模拟技术，全面实现国土空间三维立体全方位精细化监测预警。