中国土地信息学30年发展研究

2018-02-07郑新奇胡业翠张春晓原智远

中国土地科学 2018年1期

郑新奇，胡业翠，张春晓，艾刚，原智远

（1.中国地质大学（北京）信息工程学院，北京 100083；2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083）

为系统梳理与归纳中国土地信息学的发展历程、演进规律和重要成果，明确土地信息学研究对象与内容、理论基础与核心框架，推动土地信息学学科的发展，完善土地科学的学科体系，本文以《中国土地科学》创刊30年来发表的有关土地信息学研究成果为重点，基于对大量研究文献的分析、汇总、归纳，探讨土地信息学学科研究与发展的主要阶段，根据土地时空锥的内涵与框架分析各个阶段的形成背景、研究进展、重要成果和突破，探讨土地信息学未来研究的方向和重点。

1 土地信息学的内涵与研究内容

1.1 土地信息学的内涵

权籍被人们熟知并被利用，可以追溯到古代人们对土地权属的认定和分配。无论是井田制还是均田制，首先要掌握与土地有关的各种数据与描述，其次需要对这些数据和描述进行归类，划分等级，建立分配规则，动态变更与监管，市场价值评估等。正是因为权籍的特殊性，土地科学中的土地信息必须是以权籍为核心的土地信息。因此，狭义的土地信息实际上就是地籍信息。

广义的土地信息是有关土地实体的性质、特征、变化状态及其相互关系的表征，是与土地特征与现象相关的数字、文字、图像和图形等的总称。由于土地是自然、经济和社会的综合体，区别于一般的地理实体，所以土地信息不仅包含土地本身的客观自然信息，而且包含了与土地相关的经济、法律权属等信息。

综上，本文认为土地信息是以地籍信息为核心，并延伸到土地资源、土地资产、土地市场、土地法规和土地监察、土地评价、土地规划、土地保护、土地整治等的信息。土地信息学是以权籍为核心，以土地开发、利用、规划、整治和保护为研究对象，研究土地信息获取、分析、处理、存储与表达的理论、方法与技术的一门学科。土地信息学既关注土地信息作为特殊研究对象需要的技术本身的理论与方法等基础性问题，同时也关注针对土地开发、利用、规划、整治和保护等方面的辅助决策问题，研究土地信息共享与服务、决策支持政策评估等。土地信息学具有权籍信息核心性、空间性、时间性、复杂性和综合性等特征[1]。权籍是土地信息学的核心信息，是土地信息区别于其他信息的特殊性。

1.2 土地信息学的研究内容

关于土地信息学的研究内容，不同的学者从不同的角度有不同的理解。如马才学等认为土地信息学的研究内容分为基础理论、技术体系、应用系统三大领域。基础理论涉及土地信息技术的定义、内涵、发展历史和发展方向，土地信息技术的特点、任务、构成和功能等；技术系统分为硬件系统和软件系统，前者包括硬件的设计和研发，后者包括操作系统、数据结构、数据库管理、模型库、应用系统、用户界面等；应用系统分为土地信息服务和决策支持服务[2]。门葆红等认为土地信息学的研究内容上可分为基础部分、理论部分、应用部分、相关研究4个层次。基础部分指数学基础和标准建设部分；理论部分是学科相关概念、理论体系和信息机理的研究；应用部分是最主要的部分，其内容与土地科学的各个方面密切相关，以解决土地工作中实际问题为主要目的；由于土地信息学是一个交叉学科，还需要有相关科学的研究，如从信息技术角度来看的土地相关问题等[3]。冯广京认为，土地科学核心内容是由土地权籍理论、土地租价理论和土地可持续利用理论组成的具有时空递进关系的核心理论轴构成的三维空间域[4]。这一空间域构成了一个特殊的“人地关系权籍时空系统”。在这一时空系统中，各种影响人地关系及其之上的人与人开展土地利用活动关系的因素和问题，都是其研究的内容和问题[5]。土地信息学作为土地科学的分支学科，其要解决的问题必然也是土地科学研究的核心问题，也应沿着这个思路进行设计和安排，也就是凡是土地科学及其分支学科中可以数字化，尤其是可以信息化的内容，一般也应该是土地信息学的研究内容。

综上，土地信息学的研究内容是：以提高土地利用效率为前提，实现土地的合理和可持续利用为目的，针对土地工作的各个层面，充分利用和发展现代信息技术，开展土地信息的理论基础、技术方法和实践应用等研究，尤其是开展土地信息技术与土地相关有机结合的理论、技术与方法实践研究。

2 土地信息学的基础理论与框架

2.1 土地信息学的基础理论

（1）土地权籍理论。以权籍信息作为主要研究对象，这是土地信息学区别于其他科学的最根本的特点之一，也是土地信息学之所以能够成为一门独立学科的最根本的前提。土地权籍理论的基点应该是冯广京倡导的“人—地—权一体化”理论，由此扩展的地籍管理理论，包括土地权属调查、地籍测量、土地登记、土地统计、地籍档案与信息管理等。权属调查和土地登记是地籍管理的主体内容，权属调查和地籍测量是地籍管理的基础性工作，地籍档案与信息管理是土地登记、土地统计的后续工作，是地籍管理各项工作成果的归宿，并为土地管理各项工作提供参考和依据。土地信息学在这其中主要研究涉及人的信息、涉及地的信息、涉及给予土地赋予人的权属信息的获取、存储、管理、分析、应用等内容[4-6]。

（2）信息科学理论。信息科学是指以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门综合性学科。其基础理论为信息论、系统论和控制论，延伸理论由计算机理论、人工智能理论等。土地信息学以信息科学理论作为基础理论，主要根据权籍信息之间普遍存在相互联系、相互作用作为定义信息和理解信息本质概念的基础，通过深入分析信息与土地权属关系、信息可传递性以及信息形式与信息内容关系来揭示这一信息本质概念的丰富内涵。据此，土地信息学着重分析作为客体的土地与认识层次的权属这两类信息在本质概念上的同一性与具体形态上的不同特点，进而可广泛讨论信息科学与系统科学相结合及各种交叉科学在土地信息学中应用的意义与趋势。

（3）测绘学理论。现代测绘学是研究与地理空间分布有关的信息的采集、处理、管理、表达和利用的科学与技术。土地信息学需要借助或利用该学科的理论和技术开展研究和工作。其中地籍调查和房地产测量是其特有的内容。

土地信息比地籍信息、权籍信息具有更广泛的内涵和外延，获取这些信息的途径和技术也更多依赖测绘学理论和技术。因此，测绘学理论和技术理应成为土地信息学的基础理论，权籍理论是土地信息学的核心理论。

2.2 土地信息学的基础框架

基于对土地信息学基础理论的分析，可以梳理和凝练出土地信息学的基础框架。主要包括以下三大部分：

（1）核心理论部分。它是土地信息技术必须依托的基础，属于核心理论支撑的理论。这个核心理论就是权籍理论，围绕权籍理论开展的地籍信息的获取理论与技术、存储理论与技术、管理理论与技术、分析理论与技术、应用原理与技术等是核心理论的外延研究内容，主要研究地籍信息的数量、质量、分布、关系及其演变规律等。

（2）基础理论和技术。它是土地信息技术要涉及的专业领域的理论和技术，包括信息科学理论和测绘学理论与技术。信息科学理论主要研究如土地价格信息、土地市场信息、土地监察信息、土地督察信息等，解决这些信息的获取、度量、变换、存储、传递等问题的基础理论。测绘学理论与技术主要支持土地信息，尤其是地籍信息的获取和表述。

（3）延伸理论和技术。这方面主要包括与土地信息关系的密切程度不同而构成的外围相关理论与技术，如与权籍管理和地籍管理相关的地租地价理论、地籍管理理论、土地市场理论、土地经济理论等；与信息科学理论相关的信息论、控制论等；与测量学理论相关的遥感遥测技术、全球定位系统、信息融合技术卫星通讯技术、网络传输技术、移动通讯技术等；与新技术相关的多媒体技术、虚拟现实技术、人工智能技术、科学计算等。

3 中国土地信息学的发展阶段与特征

土地信息学以权籍信息为核心对象，土地信息学的产生和发展伴随着地籍管理的发展而发展。土地信息技术是将通过遥感数据、地面测绘、调查等技术方法得到的关于土地利用、权属等信息输入计算机，实现对土地数据信息的分类、检索、排序、综合时空分析等功能，并根据专家经验和国家法规政策对土地进行管理、规划、评价、政策模拟等应用的技术方法的总称。中国土地信息技术于1980年代被引进，较之其他计算机应用领域而言起步相对较晚。但经过多年的不懈努力，中国土地信息技术的发展规模与速度超过其他许多应用领域，取得了很大进展。

本文以1980年为起点，主要从中国知网（CNKI）全文电子期刊数据库获取 1980—2017 年期间的文献，并通过《中国土地科学》过刊光盘（1987—2017年）收集早期未被 CNKI 收录的文献，通过文献关键词层层梳理，第一层次是土地、信息、技术；第二层次是GIS、RS、GPS；第三层次是CA、GA、ABM，… ；第四层次是算法、技术贡献等。在此基础上，根据发文量折线图划分研究阶段；采用 CiteSpace软件识别各个时期土地信息学研究热点，将土地信息学的发展置于由冯广京构建的时空锥理论模型中，从时间维、空间维以及时空维对土地信息学的产生背景、纵横扩展、核心凝练、趋势判断等进行分析和把握[7-8]。

3.1 第一阶段：孕育与起步阶段（1980—1995年）

第一阶段，中国土地科学信息技术的主要成果包括：利用卫星图像进行土地利用现状调查、土地资源评价等[9-14]，计算机辅助的数据处理、数据库技术、计算模型的应用[15-22]，GPS技术在土地测绘和地籍测量中的应用研究[23-28]，以及GIS和土地信息系统的设计与技术研究[29-34]等。该阶段，国家土地管理局的建立和土地管理工作的全面展开，为中国土地信息学的发展创造了有利条件。为实现十分珍惜和保护耕地、合理利用每一寸土地的基本国策，中国开展并完成了第一次全国土地利用调查工作，该工作涉及到诸多土地信息技术的应用，如土地信息的航片转绘、编图绘图、图件缩编等，同时，《土地利用现状调查技术规程》（1984年）、《中华人民共和国土地管理法》、《中国1∶100万土地资源图》和《中国1∶100万土地类型图》等系列编著出版[35]。

根据1980—1995年相关文献统计结果，“航空像片”、“土地资源调查”、“卫星遥感”、“遥感调查”、“土地利用”、“遥感解译”、“遥感应用”、“地理信息系统”、“土地类型”等是该阶段的土地信息技术的热点研究领域。中国为了摸清土地资源家底，推进经济、社会、科技协调发展，历时10年利用航空航天遥感等新技术对土地利用现状进行了彻底的调查，查清了各类土地资源的数量以及空间分布状况和存在的问题。期间，遥感、GIS等新技术新方法在土地科学中得到具体应用[36]。总体来看，土地信息技术在这一阶段的活跃和发展，丰富了土地信息学的内容。单就土地信息学本身的权籍核心来讲，这一阶段仍然处于技术引进、观念更新、需求导向阶段，土地信息学仍属于孕育与初步发展阶段。

3.2 第二阶段：关键技术应用阶段（1996—2006年）

随着第一次全国土地利用调查工作的完成，国内学者对土地信息学的相关理论与技术掌握程度日益完善[37]。1996年开始，中国土地信息技术进入了快速发展的关键技术应用阶段。伴随着“土地资源监测调查工程”、“数字国土工程—县（市）级土地利用数据库建设”等国家重大需求项目的启动，土地信息等新技术方法被广泛应用[38]。该阶段的重要成果有：GIS在土地适宜性评价等方面的应用、基于数学及经济模型的土地问题分析、“3S”及计算机辅助决策支持系统在土地调查、地籍信息公开、农用地评估等方面研究。全国完成了上千个县（市）土地利用数据库建设，为建立和完善土地管理信息系统打下了基础。

根据1996—2006年的文献统计，该阶段土地信息技术主要应用在“土地利用”、“土地评价”、“土地数据库”等方面。越来越多的学者利用土地信息学技术方法关注土地的热点问题研究，如“土地荒漠化”、“土壤侵蚀”、“土地城市化”、“土地利用变化”等与“遥感”、“地理信息系统”等关键词共现，与高频率的数理模型，如“元胞自动机”、“CLUE-S”、“神经网络”、“层析分析法”、“马尔科夫模型”等关键词共现。充分显示了国内学者将土地科学研究与测绘技术、地理信息技术、计算机技术、遥感、应用数学等理论和技术的结合，使土地科学研究领域得到了进一步拓展，丰富了土地信息技术。

3.3 稳步加速发展阶段（2007—2017年）

进入21世纪以来，土地科学研究面临着由数量管理向质量管护的转变。耕地保护、低碳经济与土地利用方式转变、农村土地综合整治、土地制度改革创新研究、差别化的建设用地管理、土地生态安全及可持续性评价、土地调查中的技术创新等学科发展和经济社会需求背景，对进一步促进信息技术发展及其在土地管理中的应用提出了新的要求。土地信息技术在之前的基础上进入了稳步加速发展阶段。该阶段土地信息学方面，着重研究适合中国不同区域土地资源管理需求的土地信息技术。在土地整治工程方面，从保护耕地视角出发，探索面向区域与对象的土地工程技术，注重应用性。主要成果包括：“3S”技术和数学模型在土地利用/覆被变化、农村土地流转、城市化进程中土地集约利用、农村居民点分析、常规土地动态监测中的应用等[39-46]。

根据2007—2017年的文献统计结果，“土地信息技术”与“土地利用”、“土地城镇化”、“土地动态监测”、“地理信息系统”、“农村居民点”、“动态监测”的研究呈现强烈的共现关系，说明“3S”技术作为持续热点，仍然在该阶段的研究中发挥着重要作用；其次，数学模型的应用继续加强，对模型的应用开始向多模型结合应用的方向发展。 “元胞自动机”、“主成分分析”、“CLUE-S模型”、“回归分析”等占据了有力地位。无人机技术、倾斜测量技术、三维地籍技术等成为“3S”甚至是多S的集中应用，开始引入土地信息领域，进一步丰富了土地信息学的研究内容。

4 土地信息学发展趋势与重点研究领域

随着“3S”空间信息技术、互联网、大数据、云计算、无人机等技术的进步，土地信息技术在土地领域的应用将日渐深入。在国家“十三五”发展规划及国务院相继出台加强信息化建设的软件、国土空间基础资源信息平台建设要求，以及第三次全国土地利用调查即将全面展开的背景下，土地信息学的发展将面临更多的机遇和挑战。中国的土地信息系统是在计算机信息科学高度发展的技术环境下发育的，未来将会向两个方向发展。一个方向是基于网络的、功能高度集约化的大型土地信息系统，在国家级、省级或直辖市土地管理部门发展起来，这类信息系统不但对于巨额的数据量有强大的存贮、管理与处理功能，而且可以完成国家的土地政策模拟和综合分析决策的功能。另一个方面是专一而实用的高度智能化的土地信息系统在地市级以下的土地管理部门发展。这类信息系统由一般土地管理人员操纵运行，只需很少数计算机专业人员维护。这类信息系统可以完成地籍管理、土地评估、地产市场管理、土地资源调查等专业性很强的工作。这两类系统必须能够连成计算机网络，实现数据传递、数据共享和分级管理的目标。

针对土地信息技术面临的现实发展需求，未来土地信息学将会重点围绕以下几个方面深化研究。

4.1 研究围绕权籍信息采集、管理以及安全的基本理论

随着社会的进一步发展，互联网+、云计算、大数据、人工智能、移动定位等技术发展，关于权籍信息的采集内容、采集形式（异构、同构、同位、异位）、存储结构、管理模式、服务模式等均面临各种考验。但是，无论第一次土地调查、第二次土地调查，甚至正在开展的第三次土地调查，其中关于权籍的内容仍然缺乏面向精细化管理的标准以及具有创新性的理论支撑。这方面的突破，可能有赖于中国特色的权籍管理法规在理论上进行深入而广泛的研究。

4.2 研究更加快速、丰富、高效、精准的多元国土信息获取的技术

土地信息属于空间信息，其来源包括遥感数据、测量数据、调查文档统计数据等。空间信息的获取主要是利用遥感技术，而土地信息的获取，主要也是利用遥感技术，同时也需要使用全球定位系统提供的数据以提高信息解释的准确度、几何精度和可信度。当前卫星技术、航天航空遥感技术、无人机技术、GPS技术的发展和进步，为国土信息数据获取技术的发展带来了新的发展机遇。将来要进一步研究利用天基、空基、低空及地表的卫星、飞机、无人机、地面平台等，快速、全方位获取土地信息的理论；研究利用各种可见光、多光谱、高光谱、激光雷达数据和GPS定位技术，更加准确、高效的获取地表、地下土地资源数量、质量和状态的多元信息的技术手段。国家尺度土地资源信息获取与更新技术体系建设目标，包括建立国家尺度土地资源信息库、形成国家尺度土地资源信息本底数据库构建技术体系和多种技术融合下的国家尺度土地资源数据更新技术体系三个方面。

4.3 研究土地信息的标准化、安全组织、数据存储、数据交换和数据共享管理机制和技术

建立土地信息化标准，是落实国土资源信息化“统一规划、统一标准、信息共享”建设方针的重要前提。通过土地信息化标准建设，可保证土地信息化建设的顺利进行，实现土地信息资源的共享。土地信息数据涉及的数据领域、数据来源、数据语义、数据结构、数据类型、数据形式、数据格式等多种多样，数据交换、交互的阻力很大，目前已经严重制约土地信息数据共享与应用。研究土地信息数据的标准化组织，制定统一数据标准，已成为保障土地信息数据的数据质量、规范数据内容、组织形式、形式转换共享机制的首要任务。随着信息技术的发展，对土地资源信息的表达、记录、处理和发布等，均发生了变化。如多媒体技术、虚拟现实、高分辨率遥感信息、海量数据处理、实时监测技术、网络技术应用，在很大程度上改变了传统GIS的概念。海量国土信息数据的快速存储，数据抽取、数据交换、融合、共享的空间数据库技术、云技术和大数据管理技术，成为了研究的发展趋势，由于土地数据的权威性和涉密性，土地数据的传输和共享安全技术也成为了急需研究的重点问题。

4.4 研究土地信息数据的深度挖掘分析、综合表达、集成应用技术

随着土地信息数据的日趋丰富，“3S”技术、数据挖掘、模型模拟、专家决策系统技术的发展，形成了土地信息技术的深度挖掘、综合分析。随着空间信息技术领域中对地观测技术、数据库技术、网络技术等的飞速发展，国土资源信息数据也进入了全面、高速应用阶段。作为以空间信息资源管理为明显特征的行业，空间数据的深度挖掘正日益成为土地领域的热门课题和攻关重点。智能决策的研究趋势，对多维土地信息的多维、定量化、可视化、动态化表达技术成为研究重点，随着土地信息综合应用和数据交换、共享的深入，跨平台、跨系统的集成综合应用技术成为研究趋势。网络技术和数据技术实现了硬件、软件、信息资源更好更快的共享，实现了更大范围的信息综合协同处理，把原有的管理信息系统、决策支持系统、各种计算机辅助系统、专家系统提高到了一个新的水平。为有效管理各种土地管理信息，满足土地事务处理的需要，数据库系统作为数据管理手段，已经广泛应用于各种土地管理系统中。土地信息技术获取方式自动化和现代化、土地评价系统的智能化、土地动态监测手段的现代化以及土地信息管理的网络化合业务办公的信息化，均极大程度地促进了土地管理决策的科学化。

5 结论

土地信息学是以权籍为核心的土地信息作为特殊对象，研究其技术本身的理论与方法的学科，并为土地相关问题提供辅助决策与共享服务等，是土地学科的重要组成部分，也是土地管理工作的重要支撑。本文以土地信息学1980—2017年的发展为研究内容，基于30年来土地信息学相关文献分析，在界定其研究内涵与理论框架的基础上，就其产生背景、发展阶段划分及其演进规律等进行了详细梳理，并对土地信息学的发展趋势和重点研究领域进行了展望。

本文将中国土地信息学的发展划分为三个阶段：（1）起步阶段（1980—1995年），是土地信息技术的孕育与初始发展阶段，主要在土地调查方面展开应用，涉及航片转绘、编图绘图、图件缩编等；（2）关键技术应用阶段（1996—2006年），主要体现为伴随着“土地资源监测调查工程”、“数字国土工程”等国家重大需求项目的启动，广泛应用“3S”等新技术手段开展研究，时空模型也逐渐开始得到关注；（3）稳步加速发展阶段（2007—2017年），本阶段“3S”技术更加成熟，时空模型的地位更加凸显。

土地信息学的演进是由信息技术的进步、土地科学的发展与土地管理工作的推进共同促进的。随着“3S”空间信息技术、互联网、大数据、云计算、无人机、人工智能、深度学习、机器学习等技术的进步，土地信息技术在土地领域的应用将日渐深入，并在多元土地信息获取技术、土地信息的标准化与安全共享、土地数据深度挖掘与集成应用等方面取得重要发展。

（致谢：本文写作过程中吸收了冯广京、胡振琪、朱道林、林坚、蒙吉军、詹长根、丰雷、胡守庚等专家的观点和建议，对他们表示衷心感谢！袁涛、刘宇参与了部分资料收集和整理工作。）

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第三，制度自信是根本保障。根本保障在于坚持和发展中国特色社会主义制度。社会制度实际运行合理与否，并不能简单地将“个体生活”的好坏作为评判标准。西方现代文明的一个根本性缺陷就是简单地将“社会制度”还原为“个体制度”，而彻底地遗忘了社会属性。当代中国是一个有着近14亿人口的大国，中国共产党实现自己的执政理念与执政目标，面对的国际国内环境越来越复杂，肩负的繁重历史使命远超出现代西方选举类型政党。可以说，这个制度是对西方制度的超越。

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