基于数字中台的国土空间规划系统探索与分析

何宗耀，赵东升，杨 斌

(河南城建学院 河南省城乡规划大数据应用技术工程研究中心，河南 平顶山 467036)

1 国土空间规划

1.1 国土空间规划的政策与目标

习近平总书记讲到“规划科学是最大的效益，规划失误是最大的浪费，规划折腾是最大的忌讳”。2019年5月，《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》发布，标志着国土空间规划体系顶层设计和“四梁八柱”基本形成。国土空间规划是国家空间发展的指南，是可持续发展的空间蓝图，是各类开发保护建设活动的基本依据，要“体现战略性、提高科学性、强化权威性、加强协调性、注重操作性”。目标是通过建立“多规合一”的规划编制审批体系、实施监督体系、法规政策体系和技术标准体系，形成全国国土空间开发保护“一张图”，基本形成生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀、安全和谐、富有竞争力和可持续发展的国土空间格局。

1.2 国土空间规划的“五级三类四体系”总体框架

国土空间规划的构建是按照国家空间治理现代化要求进行的系统性、整体性、重构性构建，简单归纳为“五级三类四体系”[1]，如图1所示。

图1 “五级三类四体系”总体框架图

“五级”是从纵向对我国的行政管理体系划分五个层级——国家级、省级、市级、县级、乡镇级,体现“纵向到底”的空间资源管控策略。其中，国家级规划侧重战略性，省级规划侧重协调性，市县级和乡镇级规划侧重实施性。

“三类”是指规划的类型：分为总体规划(偏重“三生”空间的总体管控)、专项规划(偏重多种类型的发展需求)、详细规划(偏重城乡建设的具体实施)。

“四体系”是从规划运行方面，按照规划流程分成规划编制审批体系、规划实施监督体系、法规政策体系和技术标准体系。其中，规划编制审批体系重在治理能力提升和管理流程优化，规划实施监督体系包含了资源环境承载力评价和国土空间适宜性评价等双评价内容；从支撑规划运行角度有法规政策体系和技术标准体系两个技术性体系，其中包含智慧城市时空大数据平台建设技术大纲、电子政务标准化、智慧城市(数据融合)及信息技术(安全)等相关的规范和标准。

2 数字基础设施建设与发展

2020年3月，中共中央政治局常务委员会召开会议提出，加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度(简称新基建)。新型基础设施建设指以5G、人工智能、工业互联网、物联网为代表的新型基础设施，本质上是信息数字化的基础设施。新基建的赋能将成为智慧城市、数字社会以及提升现代化治理能力的有力抓手。

2.1 数字孪生

数字孪生(数字孪生体，Digital Twin)的概念最早起源于2009年美国空军实验室提出的“机体数字孪生体(AirFrame Digital Twin)”。2010年NASA在《建模、仿真、信息技术和处理》与《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中直接使用了“数字孪生”。2013年美国将数字孪生列入《全球科技愿景》[2]。2017年佐治亚理工学院提出数字孪生城市，标志着数字孪生技术由制造领域进入智慧城市建设领域。2018年信通院发布《数字孪生城市研究报告》。2019年ISO成立数字孪生特别工作组并发布了《数字孪生体技术趋势》，标志着数字孪生技术进入扩展应用期。

佐治亚理工学院定义智慧城市数字孪生体为：一个智能的、支持物联网、数据丰富的城市虚拟平台，可用于复制和模拟真实城市中的变化，以提升城市的弹复性、可持续发展和宜居性[2]。智慧城市数字孪生体提出了一种通过物联网、云计算、人工智能、大数据和5G等技术智慧城市的物理世界和信息世界的映射模式，为智慧城市框架下的各种智慧项目实施明确了方向和技术框架。

2.2 数据采集之物联网

智慧城市是一个以海量数据为支撑的巨系统，国土空间规划作为其中的一个智慧项目，其编制及实施将成为一个更加庞大的自组织与他组织共存的巨型系统工程[3]，其所依赖的自然资源数据、测绘数据、经济数据、社会活动数据的采集成为其智慧的基础。来源于政务公开、开放共享和遥感遥测等途径的数据不在本论文关注之列，论文主要探讨和分析基于物联网的数据采集。

物联网(IoT)是数字孪生体的载体，为数字孪生体的数据流和信息流提供参考框架。数字孪生体是物联网的底层逻辑和发展应用新阶段，能降低物联网生态系统复杂性并提高效率。物联网通过传感器、RFID、GPS、激光扫描器等实时采集和监控相关实体和过程，实现对实体和过程的智能化感知、识别和管理。在4G时代囿于组网方式、覆盖度、大连接、低功耗等需求的技术能力，物联网的应用场景尚未得到充分的扩展。在5G时代，随着超密集型网络架构、自组织网络、内容分发网络(CDN)等核心技术的发展以及移动宽带增强(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)、超高可靠超低时延通信(uRLLC)三大应用场景的实现，将带动物联网的加速落地和应用扩展。

2.3 数据存储之数据湖

数据湖(Data Lake)概念首次于 2010年被James Dixon在其博客帖子(https：/jamesdixon.wordpress.com/2010/10/14/pentahohadoop-and-data-lakes/)中提及，其把数据集比喻为瓶装水，经过清洗、包装和构造化处理后便于饮用，与之相反，数据湖则管理从各类数据援引接汇聚来的原生态数据[4]。

数据湖是一个能够将多源、异构、海量的原始数据、模拟数据、应用数据、文本数据和文档数据以原生态的方式进行存储的数据存储系统[5]。数据湖提供从异构数据源中提取数据和元数据、数据集转换、清洗数据集以及用于检索和查询数据湖数据和元数据的接口。

2.4 数据治理之数字中台

在数据治理迭代过程中，面临着数据集开发重复、存储和计算资源浪费、数据资源沉淀机制缺乏、数据割据、数据质量低下、数据产品灵敏度不够等问题[6]。数字中台是在市场、技术、需求多方面综合影响下，IT治理自然演进的结果。目前尚未有统一的定义，艾瑞咨询定义为：数字中台是将企业的共性需求进行抽象，并打造为平台化、组件化的系统能力，以接口、组件等形式共享给各业务单元使用[7]，使企业可以针对特定问题，快速灵活地调用资源构建解决方案，为业务的创新和迭代赋能。简言之，数字中台是企业数字能力共享平台，是平台的平台，与平台相比数字中台具有面向业务、响应敏捷、高内聚低耦合、以API方式提供服务的重在数据治理、资产管理和统一服务等特点和优势。

图2 数字中台体系结构图

当前华为、阿里均在部署自己的数字中台，并成功运用到相关应用中。艾瑞咨询报告显示：数字中台包含业务中台和数据中台，业务中台为数据中台提供业务数据支持，数据中台定位为数据资产化管理和数据价值转化的承载平台，通过聚合和治理跨域数据，将数据抽象封装成服务，为业务中台提供数据资产并赋能前台服务[8]，相关关系如图2所示。

基于多源异构数据共享的要求、数据驱动的业务需求和数据响应敏捷度的要求，在数字中台建设过程中一般会优先考虑数据中台，以便为业务的敏捷部署提供支持和服务。

2.5 数据可视化之虚拟现实

数据资产的价值通过人机交互实现传递和增值。所以人机交互界面的设计和实现成为系统设计的重点之一。HTML5规范实现了异构智能终端的可适应性显示和便携显示，WebGL规范和3D-GIS与VR/AR/MR的推广应用等让数据从二维界面显示拓展到三维空间。而虚拟现实(VR)、增强现实(AR)及混合现实(MR)等技术所具有的交互性、沉浸性、多感知性和自主性技术特征使三维场景的可视化变得可行。通过对规划设计成果、工程建设模型、建筑信息模型(BIM)、实景三维模型等有机整合形成三维城市信息模型(3D-CIM)，实现城市三维可视化规划设计、建设管理、分析评估、运营治理等全生命周期的信息化管理，让传统的仪表盘、驾驶舱等可视化方式变得更加直观、可感知、可交互，使其成为城市“仪表盘”、规划“预演室”和城市仿真决策的智慧“大脑”，其不仅能够提高规划管理效率，而且可以提升规划管理的科学性[1]。

3 国土空间规划系统研究

3.1 新基建条件下国土空间规划的研究现状

国土空间规划作为国家的重大部署，众多研究者和工程技术人员在国土空间规划领域的技术体系、方法体系和服务体系方面进行了有益的研究和探索。李德仁院士引领大数据和地理信息在智慧城市的应用，构建了时空信息云平台；王鹏探讨了大数据在城市规划和空间治理的技术路径(2016)；龙瀛提出了数据增强设计(DAD，Data Augmented Design)全数字化城市设计(All-Digital Urban Design)的概念，并应用于城市规划和城市空间研究。从中国知网的统计分析来看，“国土空间规划”建设与“大数据”正相关且关联度达到0.4左右，如图3所示，且处于快速上升阶段。

图3 国土空间规划与大数据相关度

3.2 基于数字中台的国土空间规划系统架构设计

论文提出了参考数字孪生系统参考框架[2]：基于数据中台的国土空间规划体系结构，如图4所示。

图4 基于数据中台的国土空间规划体系结构

第一层为物理域，关注国土空间规划体系中的相关物理实体，包括地理信息、地质与灾害、城乡规划、资源环境、社会经济活动、人口、交通、BIM、CIM等。

第二层为测量与控制实体，通过GIS/ArcGIS、IoT(RFID、基于5G的移动宽带增强(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)、超高可靠超低时延通信(uRLLC)以及3G停用后释放的频段所支持的LTE CAT1等)等对物理与相关实体属性数据和动态行为进行感知、定位、采集和数字化，形成结构化、非结构化和半结构化等相关基础数据和业务数据。考虑到数据的异构、海量、价值密度等需求，该层采用数据湖[9]进行存储,为第三层提供数据支持。数据湖体系结构如图5所示。

第三层为数字孪生体层，采用数字中台构建，如图6所示，实现数据和业务分离以及业务的快速部署和响应。

图5 数据湖体系结构图

图6 数字中台体系结构图

第四层为人机接口层，通过HTML5、WebGL、3D-GIS和广义虚拟现实(VR/AR/MR)等技术，实现国土空间规划业务跨平台、多维度、可感知的可视化。

4 结论

在分析相关DT技术发展的基础上，参照数字孪生体结构体系，提出了基于数字中台的国土空间规划系统架构，并对架构中的数据湖和数字中台体系结构进行了分析和探索。鉴于数字孪生体在智慧城市建设领域的发展和成熟度还不够充分，数据湖多在电商和电信行业应用，尚未形成一致标准和规范，因此架构的设计尚处于探索阶段。另外，考虑到国产替代化的需求等客观实际，具体系统实现还有待于进一步细化和深入研究。