地理信息+空间规划

李满春夏 南陈 探姜朋辉黄秋昊陈 艳林 勇陈 丽贾明超

(1.江苏省地理信息技术重点实验室,江苏 南京210023;2.中国南海研究协同创新中心,江苏 南京210023;3.卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室,江苏 南京210023;4.常州市国土资源局,江苏 常州213003;5.常州市新北区测绘勘察中心,江苏 常州213022;6.深圳市规划国土发展研究中心,广东 深圳518034)

0 引 言

地理信息是一切与地理环境要素相关的结构化、半结构化和非结构化信息的总称,具体表现为区域性(空间)、多维性(结构)和动态性(时序)等特征。地球作为一个庞大的地理信息综合体,自然和人文现象的起源、发展、演变等均可表达为复杂的区域性、多维性、动态性地理信息变化过程[1-2]。因此,集成地理学、测绘科学、数学、计算机科学等多学科理论与技术,实现跨界地理信息的有效衔接、融合,因时因地识别、转换、存储、传输、可视化表达地理信息,可以更为有效地服务人类社会生存发展需求[3-4]。

当前,受“互联网+”热潮推动,地理信息已经被广泛移植应用到智慧城市建设、生态环境保护以及国土空间开发格局优化等经济社会各领域之中[5-6],初步形成了以地理信息为基础工具的新型业态,即“地理信息+”。特别是在我国大力推进的国土空间开发格局优化中,“地理信息+”通过汇聚空间测量信息、对地观测信息、基础地理统计信息和时空地理大数据等,实现对空间规划编制、实施、监督、管理的全过程控制,业已成为该领域的中坚技术力量[7-8]。然而,受限于地理信息体量巨大、时空分异特征显著等影响,如何进一步提升“地理信息+”在经济社会全领域的应用服务能力仍有待深层次探索[9]。对此,众多学者从建设地理信息公共服务平台、研发多尺度自然与人文地理国情监测技术、推动多层次地理信息产品和服务应用等方面,开展了地理信息技术升级、多样化地理信息产品研发等研究,以期通过深化“地理信息+”体系建设,实现地理信息在更高层次、更多维度、更宽领域的创新应用[10]。

本研究以“地理信息+”在空间规划领域的应用为例,通过剖析地理信息内涵,阐述我国地理信息空间规划编制、管理、实施、监督等过程中的实践应用,从而为如何推进“地理信息+”建设,高质量服务国家或区域国土空间开发战略设计与目标实现等提供案例参考。

1 地理信息

地理信息是与地理环境要素相关地理数据所蕴含与表达的地理含义,其显著特征是空间位置和属性信息的相互关联[11]。传统的地理信息主要来源于地球表层,随着深空探测、移动通信、生命科学、大数据等技术的不断发展,地理信息所涉及的范围也正在完成从地球空间拓展到宇宙空间、从室外空间拓展到室内空间、从宏观空间拓展到微观空间、从小数据拓展到大数据的发展[12]。

1.1 空间测量信息

空间测量信息主要通过测量手段获取物体的几何地理信息,包括长度、面积、形状等。传统测量技术主要是利用经纬仪、水准仪、全站仪等仪器对目标进行观测。随着信息化技术的发展,空间测量也从传统全外业人工测量,更多转向了测量信息的加工处理[13]。其中,较为著名的包括数字摄影测量技术、卫星导航技术和激光雷达技术。与空间地理信息结合最早的要属数字摄影测量技术,即通过影像匹配、模式识别和计算机视觉等技术,从二维影像或视频中提取与目标相关的三维空间地理信息[14]。卫星导航技术通过导航卫星构成的网络,实时获取地物的高精度位置信息,从而引导和控制载体航行,如GPS、GLONASS、Galileo和北斗导航系统。随着地理信息获取技术的不断发展,导航卫星与WiFi、重力、磁场、影像等结合的组合导航技术将会为多源地理空间信息的采集提供新手段[15]。激光雷达技术则通过主动向地物发射激光束来探测目标的空间位置、速度、姿态等特征的雷达技术,它能够获取真实地表、地物的高精度三维地理信息,已经被广泛应用于环境监测、海洋探测、地形测绘、军事应用等领域。

1.2 对地观测信息

对地观测主要包括天基、空基和地基三种对地观测技术。天基对地观测技术以卫星为载体,通过航天遥感技术为人类观测地球提供宏观视角,了解人类活动对地球系统造成的影响[16]。随着对地观测卫星的快速发展,对地观测系统由单星模式发展为多星协同的星座模式。对地观测脑是基于时间感知的智能换对地观测系统,以实现智能化空天信息的实时服务[17]。空基对地观测技术主要以飞行器为载体,如探空气球、多普勒雷达、风廓线雷达、探空飞机、无人机观测等。其中以无人机的发展前景最好,其飞行高度一般在几千米以内,能够获取高空间分辨率遥感影像、视频等地理空间信息。地基对地观测主要是一些台站,既可作为天基和空基对地观测系统的补充,也可以通过无线传感网络独立形成地基观测网络[18]。无线传感器网络技术提供的时间连续性数据极大丰富了对地观测数据。随着航空航天技术和信息化技术的发展,空天地一体化的对地观测网将成为未来对地观测技术发展的前沿。

1.3 地理统计信息

统计信息是区域可持续发展中的重要信息资源,地理统计信息涵盖了人口、经济、社会发展、农业、工业等方方面面。2011年,联合国批准成立了一个负责处理全球地理空间信息管理的跨政府机构(UN-GGIM),探讨了统计与地理信息机构在整合数据处理与协议方面的可能性,于2013年正式同意制定一个统计框架,作为“统计信息与地理空间信息整合的全球标准”[19]。对于全球尺度而言,地理统计信息的网格体系最终将可能发展为全球格网,将整个世界划分为标准统一的格网,每个格网都被赋予相应社会经济特征。GIS技术和遥感技术的发展为地理统计信息的格网化提供了技术支撑[20]。例如,通过夜间灯光数据、Landsat等遥感影像数据,可以将人口、经济、能源消耗等地理统计信息进行较为精确的空间格网化[21],从而实现统一粒度下的数据计算、处理与分析。

1.4 地理时空大数据

社交网、传感网、物联网与综合观测系统等发展,使得当代社会进入了大数据时代[12]。大数据的到来使得传统结构化地理信息逐步转变为非结构化、半结构化地理信息。同时,也使得个体的时空移动轨迹获取成为可能,为深度挖掘人类移动模式、审视人类与地理环境之间的相互关系提供了新视角[22]。互联网的普及产生了海量的蕴含丰富地理信息的文本、图片和视频等,形成了具有鲜明特色的地理时空大数据,为地理信息的深度挖掘带来了巨大机遇。地理信息大数据的种类丰富多样,包括互联网舆情、手机定位、车载定位数据、街景数据等,这些数据也被广泛应用于各行各业,产生了丰富的地理发现和地理知识[23]。例如,通过互联网爬虫技术,获取互联网关键词频的搜索频次,通过进行地理时空大数据分析,得到某一事件的互联网关注度时空变化特征[24](图1)。

2 地理信息+空间规划

空间规划是一个综合的概念,结合了时间与空间的整体性,基于空间存在的各类事物和行为的可协调性,是以特定目标为出发点的公共政策[25]。我国的空间规划是以区域可持续发展与空间资源总体利用效率最大化为目标,对空间资源开发行为类型与边界进行管制的重要工具。“地理信息+”以其独有的空间数据采集与编辑、存储与管理、查询与分析、显示与输出等功能,在各类空间规划的编制、管理、实施和监督等方面起到了至关重要的作用。

2.1 规划编制

“地理信息+”丰富的数据源和快捷的空间数据处理技术为规划编制过程中的调查、评价、分析等阶段提供了智能便捷的服务。高分遥感影像、无人机航拍数据、夜间灯光数据等多源遥感影像为空间规划提供了精确的、现实性强的基础数据,同时也宏观地展现地表要素覆盖情况及空间资源使用情况,省去实地考察耗时耗力等诸多问题[26]。“地理信息+”作为采集地表覆盖数据及其变化的重要手段,具有覆盖面广、反映信息及时、适用于长期动态监测等特点,为资源环境承载力综合评价提供了便利条件,同时为自然生态系统和环境保护、国土空间开发格局优化、资源节约集约利用提供了技术支撑。探索经济社会发展规划、城乡规划、土地利用规划、生态环境保护规划等“多规融合”是深化经济体制和生态文明体制改革的重要举措之一。基于“地理信息+”的“多规融合”决策辅助系统突出共享共用的思路,为发改、国土、规划、环保等不同部门人员提供“多规融合”规划编制核心数据、基础数据、规划数据、审批数据等“一张图”浏览查看,最终在“一张图”中划定基本农田保护红线、生态保护红线和城市开发边界,形成完整的空间规划控制线体系。

图1 华东地区黄岩岛舆情时空变化分析

2.2 规划管理

空间规划编制过程中涉及大量的空间信息,有各种比例尺的基础地形图、用地红线图、历史红线、遥感影像等数据。作为空间规划信息化的基础,基于“地理信息+”的空间数据库建设不再是规划编制中一个可有可无的阶段,它在规划过程中扮演着非常重要的角色,为规划决策提供重要依据。基于“地理信息+”的空间数据建库系统应包括创建标准数据库、数据入库、数据检查、数据浏览与编辑、数据统计、图件输出、辅助工具、系统配置等多个功能模块及子模块。基于“地理信息+”的空间数据库具有海量数据的存储和管理功能,支持多种表现形式的空间数据,提供良好的数据维护更新能力,替代了传统文件存储方式,对空间资源规划与管理具有重要意义。

2.3 规划实施

“地理信息+”具有强大的空间分析功能,其中空间叠加分析、邻域分析、数字地形分析、网络分析等功能为规划实施提供了科学的方法与技术支撑[27]。基于“地理信息+”的空间分析功能使得地理分析模型变得简单实用,为空间规划实施过程中的土地整治、项目选址等问题提供了更加方便快捷的手段,实现基于“地理信息+”的土地合理利用[28]。“地理信息+”由于具有数据更新的快捷性,空间分析的实时性等特点,对空间规划的动态调整提供了良好技术支持。借助“地理信息+”,可以对空间规划的实施进行动态监测和反馈。“地理信息+”的公众参与主要研究空间规划决策等复杂问题,为了规划的科学性、合理性,需要公众进行广泛参与。“地理信息+”的公众参与具有以人为中心、基于Web开放性、基于地图可视化技术、信息全面性、现势性和易操作性等特征[29]。总之,“地理信息+”需要为公众提供一个开放、透明的决策环境,降低公众参与决策的难度,让公众能够更方便、有效地参与到城市、国家的一些重大决策和规划中去。

2.4 规划监督

规划监督检查贯穿于规划实施的全过程,它是规划实施管理工作的重要组成部分。“地理信息+”已在土地利用监察和预警等领域发挥着重要作用。例如违法用地在多国快速城市化阶段普遍存在,严重影响城市发展质量,我国土地供需矛盾越发突出,土地违法现象层出不穷。然而我国开展违法用地监察的手段仍然滞后。基于“地理信息+”的智能模拟预测技术不断发展,使得预警违法用地成为可能。智能模拟预测建模方法日渐成熟,并有学者开始运用元胞自动机(CA)及人工神经网络(ANN)、多智能体系统(MAS)开展违法用地的预警模拟[30]。基于“地理信息+”模拟违法用地潜在发生区域,可为日常监察执法提供有效工程科技支撑,维护正常的土地市场秩序,保护耕地和生态资源,一方面可以保障城市可持续发展,另一方面可以有效减少后期执法成本和国有资产流失。

3 应用实践

3.1 多规融合

开展“多规融合”是解决各空间规划之间地理信息(如空间基准、规划时序、基础用地分类体系)不协调问题的重要手段,其编制阶段涵盖了时空地理信息整合协调的过程[8]。因此,“多规融合”的编制对于优化空间布局、提高土地资源配置效率、提升空间管控水平和治理能力具有重要意义。

“地理信息+”在“多规融合”中的应用可集中概括为:统一数据的空间基础与统一规划的空间管控目标。其中:① 统一数据的空间基础方面,主要指统一空间数据的来源、空间数据坐标、空间分辨率、基础用地分类体系、规划语义转换、规划图斑概括与规划指标等[8];② 统一规划的空间管控目标则主要面向国家重大国土空间开发与保护战略需求,通过生态敏感性分析、生态系统服务价值评价、生态脆弱性评价等确定生态保护红线,并以此作为各类空间规划编制的底线。在此基础上,通过协调土地规划与农业规划之间的耕地保护目标,融合地理信息空间分析技术和遥感技术等,从立地条件评价、块、片、区识别等视角出发,划定永久基本农田保护边界[31-32]。最后,衔接生态保护红线和永久基本农田保护边界,协调发展规划、土地规划、城市规划之间的目标、指标和坐标差异,集成遥感技术、空间分析技术和地理过程模拟技术,按照城镇建设用地现状与时序变化特征提取与分析—理论边界识别—开发边界修正的多层次分析过程,划定城镇开发边界[33],从而构成生态保护、耕地保护与城镇扩展约束等目标相统一的一张蓝图(图2)。

3.2 规划管理信息系统

空间规划管理方面,“地理信息+”以其显著的区域性、多维性和动态性,可以有效实现规划的实时动态管控。集中表现为研发集资料管理、业务办理、辅助决策、查询统计等功能于一体的规划业务办公平台,从而使用户方便地进行基础数据管理、规划图件管理、规划实施管理、计划指标管理、专题查询与分析和公众参与,能够对规划的实施情况、土地利用现状与历史进行实时跟踪,提高县(市)级国土资源管理部门工作效率,方便公众参与规划编制与实施管理。

以土地规划管理信息系统(LUPMIS)为例,该系统通过嵌入GIS图形操作和空间分析功能,集成综合地理信息和基础规划信息,开发了包括基础数据管理、规划图件管理、规划实施管理、计划指标管理、专题查询与分析、系统维护和公众参与7个功能模块,27个子模块,提供了对土地利用规划基础数据、规划成果数据的录入、修改、查询、浏览和打印等管理功能(图3)。具体到规划实施管理方面,系统主要通过汇聚空间地理信息、动态时序变化信息等,结合地理信息空间分析技术,开发建设用地初(预)审、报批管理、建设用地跟踪监测、规划修改项目管理等模块,实现规划实施的定位、定量和定序管理。

图3 土地利用规划管理信息系统总体架构

3.3 土地整治规划

土地整治规划是开展土地整治和建设旱涝保收高标准基本农田的基本依据,是保障土地整治科学、有序开展的重要前提[34]。同时,土地整治规划也是土地利用总体规划的重要实践部分。

以溧阳市土地整治规划为例,阐述“地理信息+”在土地整治规划中的应用。土地整治的前提是土地潜力测算,即通过遥感和GIS手段构建土地整治潜力评价体系,查清各类可供整治的土地资源的类型、数量、质量和分布,绘制有关图件,量算面积,进行适宜性评价。土地整治重点区域划分是按照土地利用总体规划及主体功能区划所确定的土地利用目标及重点,依据土地整治潜力评价结果及土地整治基础条件的差异性,采用叠置分析法、主导标志法等科学方法,划分出整治潜力较大、基础条件较好的区域。重点工程的布局则应落实国家战略,对溧阳市发展战略提供支撑与保障,建成连东接西、承南启北的区域性枢纽城市以及以人为本、人与自然和谐共存的生态城市(图4)。重点项目的安排则应采用GIS空间分析技术,考虑集中连片、规模化且具有较好资源和基础设施条件,同时,也应该具备良好的经济社会生态效益及示范性。

图4 溧阳市土地整治项目规划图(2011-2015年)

3.4 违法用地监测预警

高度的时空属性统一是“地理信息+”的重要特征之一,这使得其在空间规划的动态监督方面具有得天独厚的优势,即通过对历史时序信息分析—现状地理信息提取—未来空间属性预测,从而实现空间规划的全过程监控。

以深圳市违法用地的监测预警为例,首先根据历史违法用地的地理空间集聚规律可以发现,深圳市违法用地的集聚度自西北向东南方向依次递减。这与深圳市西北部地形起伏低、东南部起伏度高,西北部生态红线范围小、东南部生态红线范围小,西部人口密度高、东部人口密度相对低等综合地理信息高度一致。这表明,违法用地发生区域的地理特征显著表现为高经济活跃度、优越的工程建设条件以及相对宽松的国土空间管控力度等。因此,仅就深圳市地理本底基础而言,可预见在未来一段时间内,深圳市的西北部地区将是违法用地的集中分布区域(图5)。据此,可分析出地形、政策管制以及经济地理格局空间分异等是违法用地发生发展的核心动力因素,进而可以为违法用地反生发展的演变过程模拟奠定转换规则基础,实现违法用地的监测预警[35]。

图5 深圳市违法用地预警区域空间分布

4 结 语

(1)“互联网+”是互联网思维的实践成果,而“地理信息+”则是地理信息思维的初步实践。随着地理信息技术、互联网技术的不断发展,“地理信息+”已逐步实现了高层次、多维度、宽领域的应用与服务,爆发出了强大生命力。空间规划作为“地理信息+”的重要应用服务方向,在规划编制、管理、实施、监督等阶段均实现了与地理信息的高度融合,无论是当前国家大力推进的“多规融合”,还是具体到规划管理信息系统研发、土地整治规划编制、违法用地监测预警等多个规划业务方面,“地理信息+”已全过程参与到了空间规划的各个阶段,推动了各空间规划打破信息壁垒,由冲突转向融合,由各行其是逐步聚同化异,转向体系化。

(2)未来伴随着地理学、数学、测绘科学、计算机科学等多学科的深度融合以及各类信息技术的快速发展,“地理信息+”将在更高层次、更多维度、更宽领域内发挥极大应用服务价值,从而推动人类信息技术革命时代深度发展,人类或将迎接一个地理信息革命时代的到来。

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