探讨数字技术在土地利用规划中的创新及应用

蒋莹莹

武汉市政工程设计研究院有限责任公司 湖北 武汉 430000

引言

“十四五”规划中提出加快数字化转型，建设数字中国建设智慧城市和数字乡村。以数字化推动治理模式创新和城乡发展，推进新型智慧城乡建设[1]。构建可视化信息模型和运行管理服务平台，搭建城市数据资源体系。探索建设数字孪生城市。

如今，在社会经济发展向数字化转型的背景下，新一轮的土地利用与规划要敢于突破原有的工作经验，在传统收集分析的基础上，利用地理信息系统、计算机、传感器等来源收集的大量数据，以大数据挖掘技术为基础的计算机科学和AI（人工智能）为制定大数据平台能更精细、更实时的推进土地利用规划提供了更先进的技术手段。

1 土地利用规划管理工作存在的问题

当前社会经济发展水平得到进一步提升，社会经济结构随之发生改变，需要规划能适应当前的社会经济发展，更高效利用土地资源。然而，当前土地规划还存在诸多问题。需要在合理利用土地资源的基础上，降低对环境的破坏程度，节约土地资源，协调“人、土地、经济、生态”之间的关系。

1.1 土地利用前期调研不充分

当前，在土地规划的编制环节中缺乏前期准备工作，对土地现状理解不充分，对周边的社会经济、自然环境、当地产业转移及布局了解不足，对现有资源、地方政策了解深度不足。数据来源深度不够，数据的收集方法单一，导致规划内容深度不够。基础数据搜集之后，缺乏对土地现状的综合行分析，导致土地规划编制结论针对性不强，同时在规划实后缺乏相应的保障措施，缺少相应评价体系。在人口统计中，由于人口流动性大、大环境及疫情变化不能准确的收集到相关的人口数据，导致城镇规划失灵。在大数据普及的大背景下，应该建立统一的数据信息平台，打通基础数据的共享和更新迭代途径，发掘潜在的、动态的数据运用。

1.2 土地规划方法单一

目前土地利用规划中，传统的规划方法局限了规划编制的思维，土地价值的评判往往停留在土地的表面价值，很多潜在的因素在规划中被忽视，也忽视了土地承载能力力和土地生态效益的基础研究，使土地规划研究趋于流于表面[2]。同时用地分类都是以土地的经济属性和利用价值划分，因此，土地利用往往以土地表面属性为基础，以经济目标为导向，忽视了土地生态系统的功能，导致生态、农田、水体被占用，破坏了区域的平衡与可持续发展。

1.3 规划体系不健全

目前土地规划的编制、审批与实施等环节中存在较多不规范现象，致使土地资源利用效率低下。规划在实施的过程中边界较模糊，实施细则深度不够，导致随意实施规划的现象严重。在规划实施后缺乏保障措施及相应的监督机制和评价体系。产生同一块土地重复使用、多头领导、规划目标不一致的现象。在大数据普及的大背景下，应该建立统一的空间规划管理体系，打破多规冲突、规划条块分割的规划体系，推进整体治理能力和管控能力。

1.4 缺乏科学的管理和监管

目前我国的土地利用缺乏有针对性的管理制度。在一些地区，土地利用过于分散和浪费，土地集约管理意识不足。少数地区甚至将土地消费作为增加经济收入的手段，加剧了农民与城市发展之间的矛盾。同时，目前对土地资源的管理没有进行详细的分类，导致管理规划缺乏针对性，甚至出现土地混合使用的问题，不仅增加了投资成本，而且阻碍了整体的开发规划。此外，还存在将肥沃的耕地用于工业用途的问题，导致土地资源的过度利用，加剧环境污染，降低了土地的自愈能力。

2 土地利用规划管理的新思路

土地规划是有由许多相互关联的要素组成，这些要素受政府土地政策、人口发展、交通网络、生态环境、气候变化、社会经济等多种因素的影响，同时城乡土地作为一个不断扩张的载体具有时空动态的特征。长期以来，中国土地利用规划多为依据专业人员的经验进行的定性规划，这种单一的工作模式对解决土地资源分配、区域协调、可持续发展的复杂问题存在很多缺陷，规划师们一直缺乏必要的资源和技术来完全利用城市数据进行研究。随着数字技术的爆发式发展，在5G、大数据、人工智能、区块链、云计算等一系列相关技术的支撑下，土地规划工作方式正在发生着巨大的变革。在土地利用规划中引入数字技术，促进数字技术的应用以及标准制定，能更有效的以提高土地规划利用的精准性、合理性，能更有效的优化土地的利用结构、改善当前土地无序建设的状态。

3 数字技术在土地利用规划中的应用

3.1 3S技术

3S技术是遥感技术、地理信息系统和全球定位系统三种技术结合的，多学科高度集成的一体化的技术，它能实现对空间信息进行采集、处理、分析、表达、管理和应用，从而构建一个强大的技术管理体系[3]。

3S技术在土地规划中首先通过采集数据源和数据更新的手段进行数据收集，可实现进行气候水文监测、面积监测、空间数据自动更新等功能。大大减少野外控制测量的工作量。数据采集工作完成后，利用地理信息系统的功能，可以对提取的数据信息进行准确的分析，并对数据库系统进行实时更新。这样，结合分析得到的数据信息，就可以建立科学完善的数据分析模型。

3.2 传感器网络

随着国家对“新基建”的推动，为传感器提供了广阔的应用空间，基础设施传感器可监测包括人口、交通、供水、供电、供气、排水，环保、安全、能源、农业、气候等各个方面的数据。传感器网络的逐步完善为土地利用规划提供了的大量数据，这些数据不仅准确而且是实时动态的。规划师可以利用传感器信息来研究广泛的网络、基础设施和创新项目，以及它们对城市、人口、土地、经济的影响。在数据收集、数据积累方面引入物联网、传感器技术，将进一步细化土地空间研究空间尺度，提高土地利用的效率，提升数据的收集传递的速度，实现超大量数据的监测和管理，成为规划管理决策支撑和辅助。

3.3 大数据挖掘与云计算

随着大数据挖掘技术的普及，在规划工作中空间数据的收集被广泛应用，大量空间数据通过卫星图像、地理信息系统、遥感、多媒体系统等多种形式的数据源。空间数据挖掘（SDM）是指从空间数据库中提取空间数据的普遍关系、数据特征、空间模式的过程。可用于对空间数据的提取、空间关系的观测、空间数据库的构建、重组与优化。其目的是把原始数据转换成有价值可交互的知识、发现隐含规律。常用的模型方法有：统计分析法、归纳学习法、空间分析法、空间关联规则挖掘法、空间特征和趋势探测、聚类法、神经网络法、模糊集理论、图像分析和模式识别、数据可视化方法、地学信息图谱方法等。基于土地利用时空变化，从建设用地扩张速度、土地利用动态、建设用地扩张空间格局、土地利用综合效益和未来趋势等方面获取、挖掘和整理数据。

云计算是分布式计算方法，它依托于网络，组建成一个完整的云计算小组，通过对计算对象进行层层分解，从而让整个计算变得更加的简单，而计算小组之中的每一个计算机都负责最小的一部分计算，然后通过组合的方式来给出最终的结果。建立基于云计算的土地信息数据管理服务平台是土地信息化融合发展的高级阶段。近年来，土地管理部门积累了超量的土地资源管理数据包括自然资源、人口、交通、水利、管网、经济、社会、医疗、教育、电力等。土地管理部门迫切需要解决如何有效利用这些数据，使土地规划规划编制更加科学的问题。云计算技术为海量信息的土地资源管理问题提供了更科学的解决途径，为建设智能化土地规划服务决策支持提供了更低成本、更高效、更人性化的新技术支撑。

3.4 数字孪生城市

数字孪生是利用感知设备实时采集、传输物理世界或实体系统的数据，汇聚整合多源数据，利用相关算法完成物理世界到虚拟空间的仿真映射。基于数字孪生技术的智慧城市建设是以数字孪生作为未来智慧城市运转的理论基础，通过汇聚整合多源数据；探索梳理业务流程和需求，充分运用不断涌现的新思路、新方法、新模式，完美搭建与物理世界同步的数字虚拟空间，支持对真实世界进行实时预测、推演、辅助决策，提高城市整体的运行效率，最终实现数字孪生城市的建设。

数字孪生通过对物理世界的仿真进而在土地利用规划中采用建模、仿真等方式进行虚拟规划，对城市的地形、建筑、道路交通、水稳、管网等进行模型仿真、数据监测、和分析预测等，从而提出土地用用规划管理中各种解决方案，通过建模软件（如GIS、BIM、Unity）、平台软件（如3D Experience） 、仿真软件（如Ansys）的应用，统一数据源，实现土地利用规划过程的全生命周期管理。

在土地利用规划过程中，通过在数字孪生城市模型上仿真试错，提前了解城乡特性，评估规划和建设效果，能够以更低的成本快速推动规划建设落地，并实现规划自动修正，城市建设全程可控，城市运行精准呈现，形成规划一张图、建设监管一张网、城市治理一盘棋的新格局。

3.5 人工智能

人工神经网络是一种计算机运算模型，由大量模拟神经元的节点组成，这些节点抽象化模拟人脑神经元，并负责输入、连接、处理及输出。人工神经网络可以处理数据之间的非线性关系，利用算法模型实现对数据的高效利用。利用人工神经网络的算法优化土地利用规划管理工作，实现了土地利用规划中动态规划和灵活规划的，解决了土地利用规划中函数关系的非线性和不确定性问题。

影响土地利用规划的因素很多，因此土地利用规划的规划要素之间存在许多非线性、隐式的功能关系，尤其是在经济社会迅速转型时期。利用人工神经网络技术可以尝试解决土地利用规划中的以下问题：①处理土地利用规划中隐性的、动态的、非线性的函数关系，满足土地利用规划中的弹性与动态性需求，以适应复杂的规划过程的要求。②利用人工神经网络模型对土地利用规划中人口、资源消耗量计土地需求量进行预测。③基于人工神经网络处理土地利用规划编制过程中的土地利用结构调整与优化布局问题。④利用人工神经网络构建土地利用规划方案评价体系，构建更高效、更客观、更灵活地评价方式。

4 结论

本文探讨了数字技术在土地规划中的主要动因、优势和劣势。数据的收集、管理和应用是一个不断变化更新迭代的过程，数字技术将碎片化数据整理链接成庞大的动态系统，力图在规划和管理过程中起到从参与、辅助至主导的作用。因此，数字技术在演化和成熟的过程中，需要规划者在规划管理当中不断的实践、尝试和完善，以适应和发掘规划管理过程中的新的应用场景。

5 展望与挑战

数字技术在地利用规划中能有效弥补、避免传统规划的局限性，为土地利用规划工作方式提供了新的思路，同时数字技术的应用也还未成熟，在实际运用中还存在挑战：①应用数字技术进行土地利用规划管理需要大量专业技术人员，对计算机、软件的应用技能要求较高，相关人才的培养力度不够，限制了该领域的发展。②目前公共数据资源跨部门、跨区域、跨层级的融合度和开放程度不够，人口、经济、地理空间等基础数据资源缺乏共享平台，数据的广度、深度以及连通性不足。③目前数字技术在土地利用规划中的应用技术还不普遍，相应的理论体系和分析方法都还不完善，还需要进行大量的实践和探讨，不断的得出新的结论和方法，并制定相关的技术标准。从实践经验中总结和建立更科学得方法体系，需建立更高价值、更集成化、更开放的数据资源及规划管理技术应用体系。