新基建条件下数据赋能国土空间规划模式创新探索

何宗耀，杨 斌，赵东升

(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)

2019年政府工作报告明确要求：“加快5G商用步伐和IPv6(互联网协议第6版)规模部署，加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设和融合应用”。2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会强调：“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)。新型基础设施建设将加快推进数字经济、智慧城市、数字社会的协同发展。2019年5月，中共中央、国务院发布《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》，明确提出：“国土空间规划是国家空间发展的指南、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”。国土空间规划战略性的体现、科学性的提高、协调性的增强要以自然资源调查监测数据为基础，采用国家统一的测绘基准和测绘系统，整合各类空间关联数据，需要建立全国统一的国土空间基础信息平台来实现。新基建政策的发布为以大数据为代表的IT和DT技术与国土空间规划的业务需求的紧密结合提供了机遇和支持。

1 国土空间规划的现实需求

《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》的正式印发标志着我国正式确立了“五级三类”的新时代国土空间规划体系。2019年6月，自然资源部出台了《关于全面开展国土空间规划工作的通知》，标志着国土空间规划编制工作正式开始。国土空间规划的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和改革工作过程[1]。

新时期的国土空间规划体系在IT和DT技术的加持下将面临新思路、新模式、新任务和新挑战，比如：针对规划类型过多、内容重叠冲突，审批流程复杂、周期过长，地方规划朝令夕改等管理问题，如何建立全国统一、责权清晰、科学高效的国土空间规划体系的问题？如何综合考虑人口分布、经济布局、国土利用、生态环境保护等因素，科学布局生产空间、生活空间、生态空间的问题等等。左为[1]针对新时期我国管理和实施统一的国土空间规划的基础逻辑从认知层、对象层与方法层 3个哲学维度进行了分析，探讨基础逻辑对国土空间规划运作的影响及价值建构，为国土空间规划科学实施提供了方法论；位欣[2]在分析我国各类空间规划现状特征、空间规划体系构建的关键问题、借鉴国外空间规划体系经验的基础上，提出了建立统一的标准体系、上下衔接的接口体系、国土空间用途管制体系和有效的责权体系的建议；龙瀛提出了规划支持系统的设计原则逐渐由“工具驱动转向数据支持”或者说“由工具辅助转向数据增强”，规划系统和模型开发跨到了量化城市研究与数据增强设计[3](Data Augment Design,DAD)。

2 新基建引领模式创新

新基建战略的提出大大加快了5G、数据中心等数字基础设施建设的发展，将促进以人工智能(AI)、区块链(Block Chain)、云计算(Cloud Computing)、数据科学(DS，Data Science)和5G技术等为主体的DT技术的发展。海量数据的产生带动了数据科学技术的进步，算法、算力、网络通讯的进步为大数据的采集、处理和应用提供了发展的动力，为数字社会、智慧城市和数字经济的发展提供了新基础、新范式、新思路。

2.1 新基建的基础支撑

“新基建”主要指以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[4]。支撑传统产业向网络化、数字化、智能化方向发展的信息基础设施，包括新一轮的光纤宽带、窄带物联网、大数据中心以及信息和网络的安全保障等，必将成为我国“新基建”的核心所在。“新基建”不仅能够提升效率和模式创新，为新技术的发展，新产业、新模式和新业态的形成与大规模商业化提供必要支撑，同时“新基建”也为智慧城市、数字社会的发展提供基础支撑。

2.2 科学思维范式创新

图灵奖获得者Jim Gray曾提出：人类科学研究活动已经历过3种不同范式的演变过程(原始社会的“实验科学范式”、以模型和归纳为特征的“理论科学范式”和以模拟仿真为特征的“计算科学范式”)，目前正从“计算科学范式”转向第四范式，即“数据密集型科学发现范式”[5]。它的主要特点是科学研究人员只需要从大数据中查找和挖掘所需要的信息和知识，无须直接面对所研究的物理对象。第四范式的提出反映了人们对世界的固有认识发生了根本性的变化——从二元认识(精神世界/物理世界)转向三元认识(精神世界/数据世界/物理世界)，即在原有的“精神世界”和“物理世界”之间出现了一个新的世界——“数据世界”。

2.3 方法论的优化

DIKW[6]体系(见图1)是关于数据、信息、知识及智慧的体系，可以追溯至托马斯·斯特尔那斯·艾略特所写的诗——《岩石》：“我们在哪里丢失了知识中的智慧？又在哪里丢失了信息中的知识？”1982年美国教育家哈蓝·克利夫兰的《未来主义者》提出了“信息即资源”的主张。1989年，管理思想家罗素·艾科夫撰写了《从数据到智慧》，明确了数据和智慧的逻辑关系。2018年孙九林提出“作为国家重要的战略资源，科学数据非常有意义，数据资源共享后如何进行整合、应用，值得各领域的科学家进一步加强研究”[7]。DIKW体系为大数据时代数据资源的整合应用提供了方法和路径，即“数据—信息—知识—智慧”。

图1 DIKW体系图

大数据时代，网民数量的增加、数字经济的发展、政府数据的开放、工业物联网的建设将导致海量数据飞速产生。传统的基于小数据、小样本的研究范式、研究方法和工程技术相对落后，传统的科学试错理论在当前海量数据的数据量度、数据维度、数据粒度飞速变化时在一定程度上缺乏解释依据[8]。国土空间规划作为具有典型“问题导向”和“实践推动”性质的复杂巨系统，基于其战略性、科学性和协调性的总体要求，应该充分考虑宏观数据、中观数据、微观数据基本完备的情况下实现由传统“目标驱动”与新型“数据驱动”融合转变(见图2)。

图2 目标驱动与数据驱动模式关系图[8]

3 数据赋能国土空间规划

在新基建条件下，国土空间规划系统的建设实施具备了数字基础设施和基于数字密集型科学思维以及数字驱动的实现路径，许多学者和规划编制工程技术人员都在探讨系统的技术实现方法和技术路径。

3.1 国土空间规划研究现状

万方数据库文献检索结果表明：对“国土空间规划”与“大数据”研究的关注度不断提高，数量不断提升，新技术的应用更加广泛(见图3)。

图3 国土空间规划与大数据的研究趋势图

从研究的主题分布统计来看，“国土空间规划”、“大数据”、“信息平台”、“基础信息平台”等已经成为项目的研究热点或技术应用的新趋势(见图4)。

图4 主题分布图

从研究分类上来看，主要有三个方向：第一，以智慧城市建设为主题，把国土空间规划作为智慧城市的基础信息平台和重要组成部分，为智慧城市提供宏观视角；第二，以大数据在国土空间规划中的应用、分析评价的中观视角，以龙瀛的量化城市研究与数据增强设计[3](Data Augment Design,DAD)为代表；第三，以基于IT和DT技术或地理信息数据为基础，构思国土空间规划系统设计实现的技术路线。但囿于大数据、云计算、物联网和区块链等技术的快速发展，相关系统设计具有明显的代际特征。

3.2 基于数字孪生的国土空间规划系统框架设计

在新基建前提下，以大数据、物联网、云计算、人工智能、区块链等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，物理世界和与之相对应的数字世界平行发展、相互作用，数字孪生技术应运而生。

数字孪生的概念模型由Michael Grieves在2002年的美国制造工程协会论坛上提出，在NASA、GE的引领和DT技术的支撑下，已经于2017-2019年连续三年入选Gartner十大战略技术趋势，在工业制造、智慧城市、数字政府、智慧社会领域快速拓展应用广度和深度。

典型的数字孪生系统参考框架[8]包含用户域、数字孪生体、测量与控制实体、现实物理域和跨域功能实体共五个层次(见图5)。其中，用户域为人机接口或应用软件；数字孪生体是与物理世界相对应的数字模型，实现建模管理、仿真服务；第三层实现物理世界相关对象的状态感知和控制；第四层物理世界，实现与上层之间的数据流和控制信息流的传递。物联网是数字孪生体的底层伴生技术，而云计算/雾计算/边缘计算、大数据/数据湖、数据中台、人工智能、区块链和虚拟现实则是数字孪生体的外围技术。

图5 数字孪生系统参考框架图[9]

综合相关学者的空间规划和数字孪生的相关研究成果，结合《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》关于国土空间规划层级与“五级三类”体系：“五级”包括国家、省、市、县、乡镇，体现“纵向到底”的空间资源管控策略；“三类”涵盖总体规划(偏重“生产生活生态”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)以及战略性、科学性和协调性的总体要求，本文提出了基于数字中台的国土空间规划体系结构(见图6)。

图6 基于数据中台的国土空间规划体系结构

本体系结构参照数字孪生体的参考架构，共分为四层：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、社会经济活动、人口、交通、BIM等；第二层为测量与控制实体，通过GIS/ArcGIS、物联网以及网络爬虫等技术对物理与相关实体属性数据和动态行为进行采集和数字化，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[10]，该层采用数据湖进行存储，并为第三层提供数据支持；第三层为数字孪生体层，在海量数据的采集、处理、存储和应用的基础上，数字中台能够在数据跨域共享、价值发现、数据响应度和数据驱动等方面为系统提供更为有力的支持[11-12]。本层中，考虑到业务需求的数据共享、系统响应、资源利用、数据安全等问题把数字中台通过容器/微服务和人工智能等技术分为数据中台和业务中台[13]，实现数据和业务分离、业务的快速部署和响应；第四层为人机接口层，通过PC、APP和VR/AR/MR等方式，实现多种智能终端的数据可视化。

4 结论

在领会“新基建”内涵的前提下，结合当前信息技术的发展趋势和应用，分析国土空间规划体系的需求，思考并提出数据驱动的设计方法和基于数字中台的国土空间规划体系参考架构。希望能够对国土空间规划编制、审批、管理、实施、监督、运营的全业务过程提供指导。由于当前数字中台、数据湖等技术尚处于技术成熟度曲线的过高期望的峰值(Peak of Inflated Expectations)，同时国土空间规划体系的建构还处在起步阶段，因此还需要进一步深入研究。