陳 軍，武 昊，劉萬增，單衛(wèi)東，張 俊，趙鵬軍

1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830; 2. 自然資源部時空信息與智能服務(wù)重點實驗室，北京 100830; 3. 自然資源部科技發(fā)展司，北京 100812; 4. 北京大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055; 5. 自然資源部陸表系統(tǒng)與人地關(guān)系重點實驗室，廣東 深圳 518055

自然資源是指天然存在、有使用價值、可提高人類當(dāng)前和未來福祉的自然環(huán)境因素之總和，被稱為人類社會的生存之基、生產(chǎn)之源及生態(tài)之本，是國家和地方高質(zhì)量發(fā)展最基礎(chǔ)、最重要的條件[1-5]。自然資源時空信息是其資源、資產(chǎn)、資本分布與變化的客觀反映與真實表達(dá)，既是認(rèn)知資源供給和人地關(guān)系，優(yōu)化國土空間開發(fā)利用格局的科學(xué)基礎(chǔ)，還是以數(shù)字化轉(zhuǎn)型助力高質(zhì)量發(fā)展的重要助推器。將時空信息技術(shù)與自然資源業(yè)務(wù)深度融合，構(gòu)建新一代自然資源時空信息技術(shù)體系，提供動態(tài)感知、精準(zhǔn)認(rèn)知和智慧管控等先進(jìn)手段，推動自然資源治理能力的現(xiàn)代化建設(shè)，支撐自然資源科學(xué)管理和高質(zhì)量發(fā)展，已成為政府部門、科技界及產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的熱門話題[6-8]。

近些年來，以空間定位、對地觀測、地理信息系統(tǒng)為核心的時空信息技術(shù)取得了長足進(jìn)步，與相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的交叉融合漸成常態(tài)，獲取、處理、服務(wù)能力大幅提升。但就整體而言，尚難以完全滿足自然資源高質(zhì)量發(fā)展對時空信息的迫切需求。一是在長期基礎(chǔ)測繪、工程測量、遙感調(diào)查生產(chǎn)實踐中形成了一大批行之有效的時空信息技術(shù)與方法，但難以有效解決自然資源基礎(chǔ)和專項調(diào)查監(jiān)測面臨的科技難題，如數(shù)據(jù)保障的實時化、調(diào)查監(jiān)測的智能化、信息服務(wù)的知識化等；二是以往空間分析技術(shù)方法較為單一，多停留在單要素或單點研究上，缺乏自然資源多要素分析和整體性研究所需的時空綜合分析手段與能力，難以科學(xué)地揭示和闡述自然資源開發(fā)利用與保護(hù)的整體規(guī)律、國土空間格局的形成演化機(jī)理；三是缺乏國土空間格局解析、結(jié)構(gòu)診斷、過程辨識、趨勢預(yù)測、態(tài)勢預(yù)警、方案優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)手段，難以有效支撐數(shù)據(jù)賦能的問題研判和知識驅(qū)動的決策應(yīng)對。這表明，自然資源科學(xué)管理對時空信息技術(shù)的服務(wù)內(nèi)容、方式和能力提出了一系列的新要求，亟待研究破解[9]。因此，要深入分析自然資源科學(xué)管理對時空信息的技術(shù)需求，查找存在的差距，厘清待解決的核心科技問題，提出研究發(fā)展方向，促進(jìn)時空信息與自然資源業(yè)務(wù)的深度融合，切實提升服務(wù)支撐能力。

本文針對這一問題，首先分析討論了自然資源科學(xué)管理與高質(zhì)量發(fā)展對時空信息提出的主要技術(shù)需求，包括提供高質(zhì)量的時空信息、開展高層次的時空分析、實施高水平的時空賦能等；然后，討論了自然資源時空信息技術(shù)的發(fā)展思路，凝練提出了以“全面動態(tài)感知、系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)知、全域智慧管控”為主線的總體發(fā)展方向；最后，從動態(tài)感知、精準(zhǔn)認(rèn)知、智慧管控等方面，分析討論了其技術(shù)內(nèi)涵與研究任務(wù)。

1 主體技術(shù)需求

自然資源時空信息反映資源、資產(chǎn)和資本三大內(nèi)容的空間分布、時間變化及屬性特征。其中資源內(nèi)容是指向經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供的物質(zhì)基礎(chǔ)與空間載體，主要用類型、數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、分布、變化等時空信息去表征；資產(chǎn)內(nèi)容主要反映資源的權(quán)屬或歸屬，是體現(xiàn)自然資源占有、使用等權(quán)能的時空信息；資本內(nèi)容是關(guān)于經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)價值的測度，由資源、資產(chǎn)信息派生得出，屬于增值時空信息[10-11]。自然資源時空信息技術(shù)是指資源、資產(chǎn)和資本分布、變化及屬性信息采集、處理、分析與服務(wù)應(yīng)用的專門化技術(shù)手段，用于摸清家底、監(jiān)測變化、認(rèn)清開發(fā)利用保護(hù)規(guī)律，支持國土空間用途科學(xué)管控等?？傮w而言，自然資源高質(zhì)量發(fā)展對時空信息技術(shù)提出的主體需求是，提供高質(zhì)量時空信息，開展高層次時空分析，實施高水平時空賦能。

1.1 高質(zhì)量時空信息

我國幅員遼闊，自然環(huán)境要素豐富多樣，地域分異顯著，區(qū)域特色獨特[12-13]。在對自然資源開發(fā)、利用與保護(hù)的長期實踐中，人們打造了各式各樣的生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間，逐步塑造出一個賴以生存與發(fā)展的國土空間格局[14]。全面摸清各類自然資源、資產(chǎn)、資本的狀況和家底，及時監(jiān)測其隨時間的動態(tài)變化，對于科學(xué)編制國土空間規(guī)劃、開展山水林田湖草沙海的整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理、保障國家生態(tài)安全、推進(jìn)生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)具有重要意義。

遙感、空間定位、GIS等時空信息技術(shù)是自然資源時空信息獲取的重要手段。其中遙感技術(shù)可用于測定資源的空間分布、狀態(tài)信息、時間變化，反演其物理參數(shù)；空間定位可用于野外輔助資源類型的核定、精確測定資產(chǎn)的空間點位；GIS技術(shù)可用于資本價值的綜合分析評價、時空信息的管理等[15-16]。通過第三次國土資源調(diào)查、地理國情監(jiān)測、自然資源確權(quán)登記等重大工程，我國已基本掌握了各類自然資源的類型、數(shù)量、質(zhì)量、分布、結(jié)構(gòu)、變化[17-18]；基本查清了各類自然資源的占有、使用等權(quán)能，正逐步實現(xiàn)地表、地下、地上、地籍的全覆蓋[19]；并在上述工作的基礎(chǔ)上開展了自然資源資產(chǎn)負(fù)債表編制、自然資源資產(chǎn)清查等工作[20-21]，為推進(jìn)構(gòu)建生態(tài)產(chǎn)品動態(tài)監(jiān)測體系和價值實現(xiàn)機(jī)制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

應(yīng)該指出的是，當(dāng)前的時空信息技術(shù)尚難以完全滿足自然資源“資產(chǎn)-資本”調(diào)查監(jiān)測的需要，離“全地域、全方位、全時域、全要素”[22]的高質(zhì)量時空信息保障尚有較大差距。例如，目前仍難以實現(xiàn)亞米級分辨率遙感影像的大范圍快速覆蓋，對大氣、土壤、生態(tài)等多要素物理、化學(xué)、生物與人文等耦合過程的動態(tài)觀測依然受限，地下空間、地表基質(zhì)、生物多樣性等調(diào)查監(jiān)測的工程化技術(shù)方法尚有待完善，自然資源調(diào)查監(jiān)測信息處理的集成化、智能化問題未能得到根本解決。

1.2 高層次時空分析

人類對自然資源開發(fā)利用與保護(hù)深刻地改變著所在地域的空間格局和社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，而所塑造出的國土空間新格局又反過來影響或制約著人類的生產(chǎn)實踐與建設(shè)開發(fā)，表現(xiàn)為突出的相互依存、相互制約關(guān)系，如自然資源的供需約束關(guān)系、國土空間的人地關(guān)系等[23]。對這些問題進(jìn)行高層次時空分析，有助于深化對自然資源開發(fā)利用與保護(hù)的時空規(guī)律認(rèn)識，有利于辨析空間受限、環(huán)境影響、災(zāi)害風(fēng)險等問題的根源，對于做好自然資源開發(fā)利用與保護(hù)、促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展十分重要[24-25]。

實際上，自然資源部門劃定和保護(hù)生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田紅線等，以確定保障生態(tài)產(chǎn)品與服務(wù)、耕地安全底線持續(xù)供給的最小空間范圍或質(zhì)量控制范圍，正是屬于供需約束關(guān)系的重大舉措[26]。其意義在于將土地、生態(tài)、水資源、能源等資源作為重要限制因素和約束手段，去調(diào)控地區(qū)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長方式與規(guī)模，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展[27]。而此前我國組織開展的資源環(huán)境承載能力評價和國土空間開發(fā)適宜性評價(簡稱“雙評價”)，則是衡量一個區(qū)域人地關(guān)系的重要判據(jù)[28]。前者是根據(jù)資源環(huán)境稟賦，對空間約束下的“最大承載規(guī)?！?如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或城鎮(zhèn)建設(shè))進(jìn)行預(yù)判，自下而上地去理解國土空間的開發(fā)保護(hù)格局；而后者屬于空間結(jié)構(gòu)解析，側(cè)重于分析有條件支撐人類活動的空間范圍及其適宜的開發(fā)利用方式，是自上而下認(rèn)知國土空間開發(fā)保護(hù)格局[29]。

但就整體上看，以往這方面的研究較為單薄，多聚焦于傳統(tǒng)單要素和單尺度的供需約束關(guān)系研究，或靜態(tài)的國土空間人地協(xié)調(diào)關(guān)系解析分析，對“要素—結(jié)構(gòu)—功能—調(diào)控”機(jī)理[27-29]、開發(fā)強(qiáng)度與要素供給、“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”關(guān)系等認(rèn)識不透，對不同類型區(qū)域和不同尺度系統(tǒng)相互作用的復(fù)雜效應(yīng)認(rèn)知不清。

1.3 高水平時空賦能

在全面摸清自然資源“資產(chǎn)-資本”家底、掌握自然資源開發(fā)利用與保護(hù)的時空規(guī)律的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步通過國土空間用途管控，實現(xiàn)自然資源綜合管理、國土空間格局優(yōu)化與資源合理配置[30]。主要是依據(jù)統(tǒng)一編制的國土空間規(guī)劃，對各類自然資源開發(fā)和建設(shè)活動進(jìn)行行政許可與監(jiān)督管理，包括從規(guī)劃編制實施到監(jiān)督評估的全生命周期管理，從宏觀到微觀的全空間用途管控，有機(jī)“全要素的耦合管理”[10,31-33]。為此，需提供宏觀與微觀相結(jié)合的時空信息和數(shù)據(jù)賦能的問題研判，對國土空間規(guī)劃實施與開發(fā)保護(hù)狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測、評估、預(yù)警，實現(xiàn)高水平的時空賦能。

就國家或省級宏觀層面的用途管控而言，其主要側(cè)重于功能定位、格局、規(guī)模及目標(biāo)管控，往往需要準(zhǔn)確掌握所關(guān)心區(qū)域內(nèi)用地總量是否平衡、建設(shè)用地剩余空間有多少、布局是否優(yōu)化合理、規(guī)劃實施難度有多大，從而做出趨勢預(yù)測、態(tài)勢預(yù)警，進(jìn)行方案推演，形成評估報告、決策知識[34]。而在市縣級及以下的微觀層面，則更側(cè)重功能邊界、過程、質(zhì)量及用途管控，如在項目審批、規(guī)劃實施監(jiān)測過程中，結(jié)合規(guī)劃約束指標(biāo)、用地布局、用途管制要求，對地塊進(jìn)行穿透核查、時空對比，輔助項目審批、監(jiān)管等?！笆濉币詠?，我國在原國土資源“一張圖”和綜合監(jiān)管取得顯著成效的基礎(chǔ)上，全面推進(jìn)了以“國土資源云”為核心的信息技術(shù)體系及基于大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的管理決策與服務(wù)體系建設(shè)，以及現(xiàn)代對地觀測與信息技術(shù)集成為支撐的全覆蓋全天候的資源調(diào)查監(jiān)測及監(jiān)管體系建設(shè)，為國土空間用途管控提供了有力支撐[35-36]。

但就總體而言，目前尚缺乏結(jié)構(gòu)診斷、態(tài)勢預(yù)警、方案優(yōu)化等手段，國土空間格局解析與問題診斷的理論框架、指標(biāo)體系和評價方法尚未完全建立，在國土空間用途管控實際工作中往往處于“后知后覺”的被動狀態(tài)。因此，需要開展時空賦能的國土空間管控系統(tǒng)科學(xué)研究，解決國土空間時空數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化匯聚與智能化處理、基于約束性和預(yù)期性指標(biāo)的動態(tài)化監(jiān)測與綜合性評估、數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時性預(yù)警與場景化管控等問題，以遵循國土空間演變規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，擺脫“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳、治標(biāo)不治本”的管理困境。

2 總體發(fā)展思路

為了有效支撐自然資源科學(xué)管理與高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)將時空信息與自然資源管理業(yè)務(wù)有機(jī)融合，發(fā)展形成以全面動態(tài)感知、系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)知及全域智慧管控為主線的自然資源時空信息技術(shù)，提供高質(zhì)量的時空信息、高層次的時空分析和高水平時空賦能。圖1給出了自然資源時空信息技術(shù)的總體發(fā)展思路，首先，通過全面動態(tài)感知，支撐自然資源要素和人類活動狀況等本底與專業(yè)信息的有效獲取與高效處理，摸清資源家底和及時掌握變化，做到“查得準(zhǔn)”；然后，通過系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)知，開展資源約束條件、國土空間人地關(guān)系等時空分析與研究，深化對國土空間格局形成演化機(jī)理和時空規(guī)律的認(rèn)識，做到“認(rèn)得透”；最后，通過全域智慧管控，實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)賦能的全過程用途管控、全生命周期管理和全要素耦合管理，做到“管得好”。

圖1 自然資源時空信息技術(shù)的總體發(fā)展思路

應(yīng)該指出的是，自然資源管理是一個涉及因素眾多、技術(shù)工程復(fù)雜的系統(tǒng)工程，僅靠單項的技術(shù)創(chuàng)新或應(yīng)用難以奏效。這里借鑒了國際科學(xué)聯(lián)合會“未來地球”研究計劃的思路，提出了從全面動態(tài)感知、系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)知到全域智慧管控的全鏈條解決方案。“未來地球”研究計劃是從面向全球可持續(xù)發(fā)展問題，以預(yù)測、監(jiān)測、管制、響應(yīng)和創(chuàng)新為主線，提出了整體性研究思路。其中預(yù)測(forecasting)是要對未來環(huán)境狀況及其對人類社會的作用后果進(jìn)行預(yù)測，監(jiān)測(observing)是通過整合和強(qiáng)化各類監(jiān)測系統(tǒng)，提升全球變化本身及相關(guān)因素的監(jiān)測能力，管制(confining)則是要對那些具有破壞性的全球環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)測、識別，提出規(guī)避和管控的舉措，而響應(yīng)(responding)是要研究建立什么的體制、經(jīng)濟(jì)活動以及行為方式，以有效地影響和引導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程[37-39]。為此，需要打破單一的學(xué)科界限或壁壘，推動測繪、土地、海洋、地質(zhì)、林草等專業(yè)之間的深層次融合，以真正地實現(xiàn)提供高質(zhì)量的時空信息、高層次的時空分析和高水平時空賦能。

近年來對地觀測技術(shù)取得了長足進(jìn)步，遙感衛(wèi)星獲取能力有了大幅提升，但“數(shù)據(jù)海量、信息爆炸、知識難求”現(xiàn)象愈加突出。自然資源時空信息技術(shù)不僅要能夠快速獲取遙感影像、地面觀測等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更要具備從遙感影像和時空大數(shù)據(jù)提取有意義信息及或凝練出有用知識的能力，用于指導(dǎo)行動(規(guī)劃編制，用途管控)和解決實際問題[40]。為此，要從“數(shù)據(jù)-信息-知識-智慧”的全鏈條出發(fā)，充分利用全面動態(tài)感知的各種數(shù)據(jù)信息，凝練和提取有關(guān)國土空間人地關(guān)系、自然資源供需關(guān)系等有用知識，通過信息賦能和知識驅(qū)動，開展問題診斷、趨勢預(yù)測、態(tài)勢預(yù)警等智能化應(yīng)用。

3 主要研究方向

經(jīng)過多年的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，以遙感、GIS和空間定位為核心內(nèi)涵的時空信息技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，極大地擴(kuò)展了人類對所居住星球、生存環(huán)境的感知、認(rèn)知與管控能力，為自然資源時空信息技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)通過時空信息技術(shù)與自然資源主體業(yè)務(wù)的深度融合，研究發(fā)展全面動態(tài)感知、系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)知、全域科學(xué)管控的理論方法和技術(shù)手段，設(shè)計和構(gòu)建業(yè)務(wù)化運行系統(tǒng)。

3.1 動態(tài)感知技術(shù)研究

感知一詞是指意識對內(nèi)外界信息的觀察、感覺、注意、知覺的系列過程。自然資源感知主要是指利用有關(guān)的傳感器或裝置，通過觀測、處理，獲取自然資源及其開發(fā)利用的有關(guān)分布、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、變化等數(shù)據(jù)信息。動態(tài)感知是針對自然資源本身及人類開發(fā)利用活動往往具有的特定的時間周期、生長節(jié)點或其他時空特性，如植被的生長周期、城市居民出行的高峰期等，設(shè)計采用實時或準(zhǔn)實時的觀測模式，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的動態(tài)獲取。而全面動態(tài)感知是指根據(jù)全空間用途管控、全生命周期管理等業(yè)務(wù)需求，去實現(xiàn)“全地域、全方位、全時域、全要素”的感知，如圖2所示。

圖2 自然資源全面動態(tài)感知的基本任務(wù)

航天遙感是實現(xiàn)自然資源全面動態(tài)感知的主體手段，但其必須與航空獲取、地面觀測、專業(yè)監(jiān)測等聯(lián)合，方可真正地滿足“全地域、全方位、全時域、全要素”的要求。首先，雖然光學(xué)遙感衛(wèi)星的分辨率和觀測頻度有了很大提高，但任何單一光學(xué)遙感衛(wèi)星的空間覆蓋和感知能力都有較大的局限性，必須與其他光學(xué)、SAR、激光及重力等衛(wèi)星聯(lián)合，實現(xiàn)多星的協(xié)同觀測。其次，對于那些航天遙感覆蓋困難、時效性弱的局部區(qū)域，無人機(jī)傾斜攝影、航空多視立體觀測、平流層飛機(jī)(艇)駐留觀測等可以發(fā)揮互補(bǔ)的作用，形成空-天聯(lián)合的協(xié)同觀測能力，提供更精準(zhǔn)、更高效和更高維度信息的觀測保障。然后，針對水、森林、土壤、生態(tài)，以及涉及影響生產(chǎn)生活生態(tài)的自然資源要素進(jìn)行長期、連續(xù)、穩(wěn)定的定位觀測，需要建設(shè)自然資源觀測臺網(wǎng)，在特定的點或斷面上進(jìn)行連續(xù)觀測，用于研判自然資源的變化動因，探索要素間的耦合關(guān)系，預(yù)判演化趨勢等[41]。再者，目前廣泛布設(shè)、云互聯(lián)的各類攝像頭和其他嵌入式電子測量裝置，形成了覆蓋國土的“電子皮膚”，也為感知自然資源及其開發(fā)利用狀況提供了實時采集與動態(tài)控制的手段[42]。此外，帶有定位功能的手機(jī)等智能終端和公交卡刷卡、社交網(wǎng)站簽到數(shù)據(jù)、出租車服務(wù)等記錄了人們出行軌跡等時空信息，形成了具有個體粒度的時空標(biāo)記大數(shù)據(jù)，為長時間、高精度、高效地跟蹤個體空間移動提供了可能，為感知居民時空間駐留和出行特征、識別城市空間職能結(jié)構(gòu)和分析人口動態(tài)分布等提供了新手段[43-44]。而基于互聯(lián)網(wǎng)的眾包采集等技術(shù)，也為從網(wǎng)絡(luò)空間獲取自然資源變化與狀態(tài)的跨媒體(文本、圖像、視頻、音頻等)屬性提供了可能。將這些多模態(tài)感知手段有機(jī)融合，可以構(gòu)成天空地網(wǎng)一體的自然資源協(xié)同化觀測體系，將以往偏重對“地”的觀測感知提升為對“人”和“地”的綜合感知，有助于提升空間覆蓋、時間同步的能力，更好地實現(xiàn)空間無縫、時間連續(xù)的自然資源綜合觀測。

自然資源協(xié)同化感知將產(chǎn)出多源異構(gòu)的圖像、圖形、視頻、文本及音頻等海量數(shù)據(jù)信息。為了有效支撐后續(xù)的分析認(rèn)知，需要進(jìn)行高效處理，化繁為簡，提取出便于理解和利用的有用信息。例如，將海量居民時空軌跡與多尺度地表覆蓋數(shù)據(jù)相結(jié)合，從時空大數(shù)據(jù)中提取人類移動模式與行為規(guī)律等[43,45]。再如，將各種動態(tài)感知信息與自然資源本底信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)聚合，構(gòu)建起業(yè)務(wù)要素銜接、專題信息豐富、多尺度融合的自然資源時空數(shù)據(jù)庫，解決多源業(yè)務(wù)信息的互聯(lián)互通、動態(tài)匯聚、有效整合難題，提高協(xié)同處理與聚焦服務(wù)的能力[46-47]。

3.2 精準(zhǔn)認(rèn)知技術(shù)研究

認(rèn)知是指人們對前面獲得的自然資源感知結(jié)果，通過高層次的時空認(rèn)知與加工處理，獲得有關(guān)自然資源的時空分布規(guī)律。精準(zhǔn)認(rèn)知則是指要采用量化和模擬等手段，從傳統(tǒng)的定性描述走向定量計算與情景模擬，實現(xiàn)更深入透徹的認(rèn)知[48]。而系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)知則是將自然資源看作一個有機(jī)的整體，采用“定性-定量-定位”相結(jié)合的方法，從整體上對其進(jìn)行綜合集成研究，如圖3所示。首先，進(jìn)行自然地理的本底認(rèn)知；然后，分析國土空間開發(fā)利用的過程與效應(yīng)，闡明資源供需關(guān)系和約束條件；最后，進(jìn)行國土空間人地關(guān)系的分析以及自然資源高質(zhì)量發(fā)展的綜合研究。

圖3 自然資源系統(tǒng)精準(zhǔn)認(rèn)識的基本任務(wù)

自然資源是一個具有特定結(jié)構(gòu)和功能的巨系統(tǒng)，呈現(xiàn)出水平分異、立體交叉和多級嵌套的立體空間結(jié)構(gòu)，提供著資源、資產(chǎn)、生態(tài)、場所等諸多功能(如耕地產(chǎn)糧、濕地生態(tài)服務(wù)等)，是人類國土空間開發(fā)利用的最重要生產(chǎn)要素和最基礎(chǔ)的發(fā)展條件[49]。而自然資源各要素間存在著十分密切的關(guān)系，往往是一榮俱榮、一損俱損，但過去的研究多停留在單要素，對多要素之間的相互作用關(guān)注不夠[4,7]。例如，水資源研究是自然與人文經(jīng)濟(jì)綜合的二元混合過程，涉及降水、蒸發(fā)、產(chǎn)流、植物截留、經(jīng)濟(jì)用水等水循環(huán)環(huán)節(jié)，水資源與土地資源相互作用、關(guān)聯(lián)，帶來了水土平衡的匹配難題[50-51]。再如，過去60年中國氣候總體增暖，這一單一自然地理要素的變化不僅引發(fā)了溫度帶總體北移和氣候區(qū)劃格局變化，而且導(dǎo)致了水資源、自然生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一系列變化，如植物物候提前，柑橘、水稻等作物種植北擴(kuò)等，從而影響著整體的格局[52]。過去20年來，國內(nèi)外科學(xué)界開展了國際地圈生物圈計劃(IGBP)、世界氣候研究計劃(WCRP)、生物多樣性研究計劃(DIVERSITAS)、全球環(huán)境變化人文因素計劃(IHDP)等諸多國際科學(xué)計劃，將以往以水、土、氣、生、人為基本對象的單要素研究，提升為地表過程的綜合研究，重點研究多要素間的相互作用機(jī)理、動因、趨勢以及圈層互饋機(jī)制[51-54]。應(yīng)充分借鑒這方面的研究成果，開展對自然資源多要素的綜合研究，厘清資源稟賦及地域差異，認(rèn)清其格局、過程與服務(wù)，為進(jìn)一步研究國土空間開發(fā)利用、資源供需關(guān)系與約束、國土空間人地關(guān)系奠定基礎(chǔ)[7,55]。

2010年，美國國家科學(xué)院研究理事會提出要“理解正在變化的星球”，包括其是如何變化，變化在哪里發(fā)生，為什么會發(fā)生這些變化，可能產(chǎn)生什么影響等[56]。對自然資源而言，則應(yīng)研究摸清國土空間開發(fā)利用的狀況與動態(tài)，厘清其時空分異特征，揭示其對生態(tài)環(huán)境的影響與相互作用，并預(yù)估未來陸域開發(fā)的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。首先，要解決國土空間開發(fā)利用時空過程的定量識別與動態(tài)監(jiān)測問題，包括構(gòu)建與提取用于反映國土空間開發(fā)格局、利用強(qiáng)度與演變過程的因子或特征參數(shù)，分析國土空間開發(fā)利用典型活動的規(guī)模、類型、水平及其時空分異特征與驅(qū)動機(jī)制；其次，要構(gòu)建表征國土空間開發(fā)利用時空過程的指標(biāo)體系，研發(fā)其格局、強(qiáng)度與過程等因子的計算與表達(dá)方法，借助于現(xiàn)狀和歷史地表覆蓋、遙感及相關(guān)專業(yè)資料，提取和刻畫國土空間開發(fā)利用的現(xiàn)狀分布與結(jié)構(gòu)特征，重建典型開發(fā)類型(耕地開墾與退耕、森林砍伐與造林、城鎮(zhèn)化、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等)的時空過程。

在國土空間開發(fā)利用過程和資源供需條件認(rèn)知的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步定量化研究國土空間人地關(guān)系，包括厘清人類活動的施壓強(qiáng)度、資源要素的承壓能力、生態(tài)環(huán)境的約束力度和自然系統(tǒng)的恢復(fù)能力等，對國土空間格局的結(jié)構(gòu)沖突進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)人地關(guān)系矛盾的突出地域與過程[57]。為此，需要綜合利用高分辨率、多年度地理空間數(shù)據(jù)(地表覆蓋、土地利用等)，以及人類活動等多源時空大數(shù)據(jù)和相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)資料，測定人類活動強(qiáng)度與類型，揭示與自然資源開發(fā)利用和國土空間用途管制有關(guān)的人類活動分布特征；繼而選取人類活動的施壓強(qiáng)度、核心資源要素的承壓能力、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的約束力、自然系統(tǒng)的恢復(fù)力以及人地系統(tǒng)的開發(fā)程度等表征指標(biāo)，進(jìn)行人地關(guān)系狀態(tài)的量化計算與綜合評價，以揭示國土空間格局的合理性，辨識國土空間開發(fā)利用中的關(guān)鍵問題，發(fā)現(xiàn)和解答三生空間的“時空耦合-沖突協(xié)調(diào)-極限約束”等問題，進(jìn)行自然資源開發(fā)利用與保護(hù)不同場景的模擬與優(yōu)化調(diào)控研究,支撐國土空間規(guī)劃[57-59]。

2015年，聯(lián)合國大會通過2030可持續(xù)發(fā)展議程，提出了到2030年要實現(xiàn)的17項可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(簡稱“SDGs”),并要求綜合利用統(tǒng)計和地理信息，進(jìn)行監(jiān)測評估[60]。于是，針對“社會-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境”三位一體協(xié)同發(fā)展的要求，必須采用全球指標(biāo)框架，進(jìn)行指標(biāo)計算、目標(biāo)評估和領(lǐng)域分析[61-62]。從自然資源的角度看，應(yīng)從資源集約節(jié)約利用和國土空間用途科學(xué)管控的角度，對自然資源自身的高質(zhì)量(可持續(xù))發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測評估，然后對自然資源支撐社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的狀況進(jìn)行評估分析。為此，可參照地球系統(tǒng)模式(氣候模式、陸面模式、水文模式)的做法，研究構(gòu)建自然資源系統(tǒng)模式，通過時空大數(shù)據(jù)和AI等有機(jī)融合，對自然資源的供給能力、保障效果等進(jìn)行模擬計算，實現(xiàn)自然資源高質(zhì)量(可持續(xù)發(fā)展)狀況的數(shù)字孿生、狀態(tài)診斷、模擬分析、預(yù)測預(yù)報，進(jìn)行情景預(yù)估和模擬，分析其作用機(jī)理，尋求調(diào)控機(jī)制。

3.3 智慧管控技術(shù)研究

目前全國各地自然資源管理的數(shù)字化與信息化水平不一，總體能力不足。從“行政被動監(jiān)管”邁向“全域智慧管控”，有效支撐全空間國土用途管控、全生命周期管理和全要素耦合管理，乃大勢所趨。于是，應(yīng)該以多尺度國土空間規(guī)劃為依據(jù)，在時空大數(shù)據(jù)的支持下，開展數(shù)據(jù)賦能的問題研判、知識驅(qū)動的決策處理，實現(xiàn)對各項建設(shè)開發(fā)活動的許可管理與監(jiān)管，提高國土空間用途管控的效率與水平。此外，要依據(jù)統(tǒng)一的國土空間調(diào)查、規(guī)劃和用途管制用地用海分類標(biāo)準(zhǔn)，充分融合基礎(chǔ)測繪、國土“三調(diào)”、地理國情監(jiān)測、海洋監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查等各類調(diào)查監(jiān)測成果，形成基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋全域、三維立體、權(quán)威可靠的國土空間數(shù)字化“底板”；基于此，才要做好國土空間總體規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃和相關(guān)專項規(guī)劃的逐級匯交與集成融合，構(gòu)建生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界、歷史文化保護(hù)線、戰(zhàn)略性水資源安全保障范圍、自然災(zāi)害風(fēng)險控制線等安全底線的空間邊界管控規(guī)則；最后，要建立健全統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測與動態(tài)更新機(jī)制，加強(qiáng)國土空間數(shù)據(jù)體系的動態(tài)性和連續(xù)性，全面提升國土空間數(shù)據(jù)支撐能力。在此過程中，應(yīng)致力于打破信息壁壘，加強(qiáng)部門協(xié)同、公眾參與和社會共享，構(gòu)建共治共享的“智慧國土”，推動國土空間數(shù)據(jù)、信息、知識的有效共享，形成國土空間治理的數(shù)字化生態(tài)。

從技術(shù)的角度看，國土空間用途管控是以功能管控和參數(shù)管控為具體抓手，通過對開發(fā)上限與保護(hù)下限、國土開發(fā)強(qiáng)度等關(guān)鍵閾值的科學(xué)測算，實施多尺度、多時序管控，實現(xiàn)“生產(chǎn)-生活-生態(tài)”各項建設(shè)開發(fā)活動的有序、均衡、協(xié)調(diào)發(fā)展[32]。前者是以“三區(qū)三線”和主體功能區(qū)劃為基礎(chǔ)，引導(dǎo)、約束、規(guī)范有關(guān)的建設(shè)開發(fā)活動；后者是將國土開發(fā)強(qiáng)度作為關(guān)鍵目標(biāo)參數(shù)，用于控制開發(fā)強(qiáng)度、引導(dǎo)空間調(diào)整、約束開發(fā)行為等。因此，首先要根據(jù)國土空間規(guī)劃體系的不同層級與尺度差異，研究確定相應(yīng)的管控對象與途徑，實現(xiàn)管控剛性約束與彈性指引相結(jié)合的科學(xué)管控。其次，要研究時空大數(shù)據(jù)賦能的管控方法，做好管控指標(biāo)、規(guī)則的法理解析，研發(fā)預(yù)測模型，發(fā)展格局解析、結(jié)構(gòu)診斷、沖突發(fā)現(xiàn)、方案優(yōu)化等智能化手段，構(gòu)建知識驅(qū)動的應(yīng)對決策系統(tǒng)，實現(xiàn)智能審批、趨勢預(yù)測、配置優(yōu)化、方案推演，從“后知后覺”變?yōu)椤跋戎扔X”，從靜態(tài)化的信息管理平臺上升到動態(tài)化的決策服務(wù)平臺，從“看見”走向“洞見”“預(yù)見”。

針對國土空間規(guī)劃實施監(jiān)督的要求，以規(guī)劃實施過程中的底線管控、剛性傳導(dǎo)、要素配置、結(jié)構(gòu)效率等方面為重點，研究構(gòu)建規(guī)劃實施成熟度、匹配度、協(xié)同度和居民滿意度等關(guān)鍵算法及評估方法，開展對規(guī)劃實施和國土空間體征的動態(tài)定量評估；針對多目標(biāo)、多尺度、多場景的國土空間單元管控要求，研究建立適應(yīng)國土空間“三區(qū)三線”和人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)與監(jiān)測方法，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)預(yù)警模型，對“三線”管控過程中可能發(fā)生的偶發(fā)性事件進(jìn)行及時預(yù)警，并對國土空間開發(fā)保護(hù)、用途管制、生態(tài)修復(fù)等進(jìn)行態(tài)勢分析研判。

4 結(jié) 語

推動時空信息與自然資源主責(zé)主業(yè)的深度融合，用時空信息說話，在三維空間研判，憑科學(xué)事實決策，是提升自然資源管理水平、推動自然資源治理體系現(xiàn)代化建設(shè)的一項重要舉措。為此，應(yīng)加大自然資源時空信息技術(shù)的研究與應(yīng)用力度，破解面臨的科技難題，努力地提供所需的高質(zhì)量的時空信息、高層次的時空分析和高水平時空賦能。

在總體發(fā)展戰(zhàn)略和頂層設(shè)計的指導(dǎo)下，應(yīng)盡快組織開展相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、重大裝備研制，努力打造全鏈條的創(chuàng)新布局。其一，要深入分析自然資源感知、認(rèn)知與管控面臨的深層次科技問題，推動自然資源時空信息的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，發(fā)展時空信息感知、時空場景認(rèn)知、時空知識服務(wù)等方面的模型、算法，提出自然資源時空信息的總體知識框架，為構(gòu)建自然資源時空信息技術(shù)體系及其應(yīng)用系統(tǒng)提供新思路、新方法；其二，應(yīng)推動“動態(tài)感知-精準(zhǔn)認(rèn)知-智慧管控”核心技術(shù)的研發(fā)，努力解決自然資源數(shù)據(jù)保障實時化、調(diào)查監(jiān)測精準(zhǔn)化、監(jiān)管服務(wù)知識化、決策治理智慧化等技術(shù)難題；其三，要針對自然資源“兩統(tǒng)一、一加強(qiáng)”的主責(zé)主業(yè)，組織研發(fā)統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測、智能化測繪、國土空間用途管控、生態(tài)環(huán)境修復(fù)及全球地理信息等方面的業(yè)務(wù)技術(shù)體系，形成一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化裝備。此外，還應(yīng)積極推進(jìn)這一領(lǐng)域的國家重點實驗室、工程創(chuàng)新中心和野外觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

致謝：楊元喜院士、閆利教授、張繼賢研究員、王東華研究員、尤淑撐研究員等對本文的形成提出了寶貴意見，在此一并感謝。