时空大数据和人工智能助力土地资源可持续利用

　　人物简介：赵翔，武汉大学资源与环境科学学院博士、副教授、硕士生导师，中国自然资源大数据分会委员、中国地理学会会员、美国地理学家协会（The American Association of Geographers）会员和IEEE会员。他致力于将地理信息、时空大数据、人工智能和空间优化决策支持技术应用到自然资源管理中，服务于国家土地资源的可持续利用规划管理和乡村振兴战略。针对我国土地资源可持续利用规划管理和城乡建设发展中面临的难题和挑战，先后研发了面向土地资源评价和规划决策的系列决策支持模型和软件工具，为我国国土资源管理事业的信息化、智能化做出了重要贡献。

 

　　赵翔

 

　　一、高精度、高性能地理空间分析计算技术和地理国情分析决策

 

　　地理国情是指地表自然和人文地理要素的空间分布、特征及相互关系，是我国基本国情的重要组成部分。2013年5月，第一次地理国情普查正式开展，并由原国家测绘地理信息局（现已并入自然资源部）负责具体实施。在全体测绘和地理信息人的辛勤努力下，历时3年我国全面完成了全覆盖、无缝隙、高精度的地理国情要素数据采集，并首次建成了 的地理国情数据库，数据总量达770TB。如何基于海量地理国情普查数据，准确分析我国地理国情要素的分布特征和地理国情总体态势以服务于国家宏观经济发展决策，是地理国情成果应用中亟待解决的重要难题。受地理国情普查领导小组和国家测绘地理信息局的委托，在欧亚科学院院士、导师刘耀林教授的带领下，赵翔作为技术研发骨干，对地理国情普查数据成果的高精度高性能计算难题展开了技术攻关。

 

　　图1.高精度的地理国情要素三维表面面积和长度计算原理

 

　　针对地理国情分析决策的基本要求，赵翔设计和开发了高精度的地理国情要素椭球长度、面积和三维表面长度、面积计算算法。经原国家测绘地理信息局、国家测绘地理信息大地测量数据处理中心和国家测绘产品质量检验测试中心的联合测试，该算法对地理国情要素在地球椭球上的理论椭球长度和面积的计算误差可以控制在百万分之一以内；三维地表真实面积误差可控制在十万分之一以内，表面长度误差在百万分之一以内。计算精度完全满足地理国情数据分析和成果应用、决策支持的精度要求。

 

　　针对 海量地理国情数据分析处理的现实需求，赵翔提出了基于分布式高性能计算技术的地理国情数据并行化分析计算算法。通过数据分解和计算任务分解等策略，将海量数据和计算任务分发到不同计算集群中的不同计算节点上，充分发挥高性能集群的计算能力，提高 地理国情数据分析效率。在有限的计算机硬件支持下，赵翔提出的算法仅用16台8核工作站集群，基于目前我国 精度的数字地形数据（10米空间分辨率的DEM数据），耗费5天时间即完成了全国陆地地理国情要素三维表面面积等基本统计特征指标的高效率计算。

 

　　地理国情统计分析软件

 

　　为了更好的服务于地理国情普查、监测成果数据的分析和决策应用，由赵翔设计和开发的地理国情统计分析软件系统被第一次地理国情普查办公室采用，并应用于全国第一次地理国情普查统计分析工作中。该软件完成了对全国第一次地理国情普查成果数据库中2.7亿个复杂地理国情要素的统计和全国2849个县级行政单元、4万多个乡镇的地理国情要素数据的高精度、高性能汇总与分析；有效保障了我国第一次地理国情普查数据统计分析结果的精度和可靠性，并获得了相关领导的高度评价。该项工作也是我国首次利用高精度数字地形数据，完成对全国陆地国土要素三维表面面积的高精度量算，为国土空间规划管理决策提供了 、权威的基础数据。

 

　　为表彰武汉大学相关团队在地理国情统计分析与决策支持方面所做出的贡献，刘耀林院士团队获得了2016年度的测绘科技进步一等奖。赵翔由于其在高性能、高精度地理国情分析算法和软件开发方面的贡献，在该奖项获奖人员中位列第三。

 

　　二、智能空间优化与“以人为本”城乡发展决策支持

 

　　推进教育、医疗等基本公共服务设施的均等化是以人为本新型城镇化的基本要求。如何以尽可能小的设施建设和运营成本，实现公共服务覆盖人群的最大化，不仅是城乡规划中经常遇到的难题，也影响到城乡居民所能享有的公共服务的数量和质量，并直接关系到社会公平。

 

　　针对城乡规划中的设施选址布局优化难题，赵翔利用人工免疫和遗传算法等智能化的“仿生”优化算法，结合地理信息技术，提出了一个通用的地理空间优化建模框架。该框架包括了许多可扩展算法和工具，能够根据规划决策目标，通过优化计算自动获取面向特定设施规划选址决策问题的最优设施布局方案，从而帮助城乡规划师寻找到社会、经济和生态效益最大而建设和运营成本最小的 解决方案。为了更好地支持城乡规划决策，赵翔还基于“宿主-插件”架构，开发了一个灵活、可扩展、通用的空间优化软件。研究人员可以基于该软件提供的基础 API 轻松开发自己的特定问题应用程序插件，将自己的模型和知识集成到工具中，以解决他们遇到的特定空间优化问题。

 

　　面向设施规划选址决策支持的地理空间优化模型

 

　　在赵翔的指导下，武汉大学的4名本科学生将该软件应用到5G通信基站的选址布局优化研究中。通过对通用空间优化模型框架的改进，学生们成功的开发5G通信基站地理空间规划布局优化算法。该算法能够根据城市建筑物和人口密度分布特征，利用人工免疫优化算法，自动搜索能够使通信基站有效服务覆盖最大化的选址方案。在最大化通信基站有效服务覆盖的同时可以有效降低5G通信基站的部署和运营成本。该项成果于2019年获得第十七届全国高校GIS大赛分析组 的一等奖，并获得国家发明专利和澳大利亚专利授权。研究成果同时发表在国际权威刊物上。

 

　　三、土地利用主体的智能化建模仿真与国土空间规划

 

　　长期以来，我国由于缺乏科学、合理的空间规划体系，土地资源利用和国土空间开发出现了城镇无序扩张、耕地持续减少、土地利用低效，土地质量退化和忽视农民等主体意愿等问题。相关问题的出现，严重威胁了国家粮食安全、生态文明建设和国民经济的高质量可持续发展。

 

　　赵翔与团队开发的国土空间优化决策支持系统

 

　　反映和兼顾不同群体的土地利用诉求，是现代空间规划研究和实践的基本共识。在传统的空间规划决策研究中，规划师们往往依赖调查问卷或者规划专家经验等途径来间接反映土地利用主体的利益诉求，存在效率低、成本高和不确定性太大等问题。

 

　　赵翔提出的基于土地利用时空数据和人工智能方法的土地利用主体行为意愿模拟仿真建模框架

 

　　面向我国当前国土空间规划编制的现实需求，赵翔提出了利用土地利用时空大数据和人工智能方法自动提取土地利用过程中不同类型主体（农民、开发商、政府部门等）对土地利用的利益诉求和行为偏好。人工智能方法在规划中的应用，不仅提高了国土空间规划编制的工作效率，同时也有效增强规划方案的合理性与可行性。相关研究成果目前也在湖北、广东、山东和湖南等多个地方的国土空间规划编制工作中得到了实际推广和应用；为国土空间规划中的“三区三线划定”和国土空间开发格局的优化提供了科学合理的决策依据，获得了地方自然资源和规划管理部门的一致好评。

 

　　针对我国乡村振兴国家战略实施要求，当前赵翔正带领他的团队积极的将智能决策模型应用于我国生态修复与全域土地综合整治和耕地保护决策应用中。通过智能模型的模拟与仿真，以期为我国快速城镇化背景下的乡村土地集约利用、耕地保护、乡村人居环境整治提供科学、合理的决策依据，服务于国家乡村振兴、粮食安全和生态文明建设。

 

　　四、智能化评价模型与区域可持续发展评价

 

　　实现区域可持续发展联合国2030议程中最重要的目标之一。因此，综合评价区域土地利用和发展状况，对实现可持续规划和管理决策具有重要意义。针对区域可持续评价中数据获取难、准确评价难和缺少自动化评价工具等问题，赵翔分别从评价数据获取、智能化土地评价模型和自动化评价软件三个方面开展了研究工作。

 

　　针对土地评价数据获取难题，赵翔充分利用武汉大学在遥感和地理信息方面的技术优势，联合研发团队分别提出了基于卫星遥感图像、无人机航测数据和互联网开放大数据的评价基础数据获取技术。通过相关技术的研发，有效缓解了针对大区域或者农村区域土地评价基础数据匮乏的问题，为准确、全面把握区域发展状态评价提供了重要的基础数据支撑。

 

　　针对传统评价模型主观性太强等问题，赵翔提出了利用机器学习等人工智能方法，自动构建土地利用影响因素和土地评价结果非线性评价规则，从而克服了依赖专家经验进行土地评价带来的主观性和不确定性强的不足。

 

　　针对土地评价自动化程度低，评价结果不方便使用等问题，赵翔设计和研发了面向不同土地利用评价目的和决策场景的自动化土地评价和评价结果数据管理软件工具。通过插件技术集成不同类型的专业评价模型，用户可以根据特定的评价场景从模型库中选择合适的模型，自定义评价过程，由软件自动完成评价数据处理和分析。相关研究成果发表在国内土地科学行业 权威的影响期刊《中国土地科学》上，该论文也被北京大学的林坚教授认为是2012年在土地利用与规划信息领域的重要技术进展之一。

 

　　五、科研成效和学术影响

 

　　赵翔长期以来专注于国土规划管理决策的信息化与智能化研究，围绕土地资源的调查、监测、评价和规划开发了系列自动化和智能化的决策支持模型和软件工具。2013年从武汉大学土地资源管理专业博士毕业后进入武汉大学人文地理博士后流动站工作，2015年正式入职武汉大学。2016年到美国北卡罗莱纳大学夏特洛分校的应用地理中心访问，在美国合作导师的支持下，与美国林业部在高性能计算和红树林碳储量等方面展开了合作研究。

 

　　围绕研究方向，赵翔先后主持国家自然科学基金项目2项，国家重点研发计划项目子课题1项，中国博士后基金一等资助项目1项；此外，他还作为项目研发骨干，参与了导师刘耀林院士主持的多项国家863计划，国家科技支撑计划等 重大科研项目。另一方面，面向地方国土资源规划管理和区域经济可持续发展决策的现实要求，赵翔也在湖北、山东、广东等多个省（市）承担了地方自然资源与规划管理部门的国土空间规划、城镇低效用地再开发规划、城乡建设用地增减挂钩等项目；通过承担相关项目，将科研成果直接服务于地方经济发展。

 

　　在科研成果方面，赵翔在国内外领域权威刊物发表SCI/SSCI/EI/CSSCI等高水平论文30多篇，获得国内外发明专利授权20件，申请软件著作权登记10多项。赵翔的研究工作也在国际上得到了同行的关注和认可。来自英国牛津大学的学者Tania认为赵翔提出的利用人工智能方法自适应提取土地利用主体行为规则的方法为土地利用空间优化决策提供了有效支持。他在美国访学期间开展的关于红树林碳储量估算的合作研究工作，被国际同行多次引用。经相关同行的验证，他们的研究结果具有较高的精度。

 

　　在学术兼职和社会服务方面，赵翔是中国自然资源学会、中国地理学会、美国地理学家协会和IEEE等多个国内外专业协会的会员，并于2019年被推选为中国自然资源大数据分会委员；他担任了国家自然科学基金通讯评审专家，同时也获邀为10多个国际学术期刊审稿。

 

　　鉴于赵翔在国土调查、监测、评价和规划决策方面的贡献，2014年来，他先后获得由中国测绘学会颁发的国家测绘科技进步一等奖1次，中国地理信息产业协会颁发的国家测绘地理信息科技进步特等奖1次、一等奖1次、二等奖1次，中国土地学会颁发的国土资源科技进步一等奖1次，河南省人民政府颁发的河南省科技进步二等奖1次。

 

　　六、总结与展望

 

　　消除贫困和饥饿、减少居民在基本公共服务获得方面的不平等、保障地球生态系统服务的永续供给，实现土地资源的可持续利用是联合国2030可持续发展目标的重要内容，也是全人类在21世纪所共同面对的挑战。另一方面，城镇化、乡村振兴、粮食安全、生态环境保护则是中国2035年社会和经济发展远景目标实现的重要支撑和保障，也对我国土地资源的可持续利用规划管理提出了更高的要求。展望未来，赵翔踌躇满志：“人工智能、时空大数据、新型传感器、数字孪生等新型技术的兴起，为国土资源管理事业带来了新的发展机遇。过去10年我国的国土资源管理在信息化方面取得了重要成就。展望未来，国土资源调查、监测、评价和规划等工作在新兴技术的推动下将出现重大变革。我和我的团队，有信心在这个领域取得更大的成就，为土地资源的可持续利用规划管理和乡村振兴提供更好的服务和支持”。（作者：陈明）