陈军院士：自然资源时空信息总体发展思路及3大主要研究方向

相关阅读：

“煤矿智能化物联网技术”专题

“矿区生态损毁监测与评价”专题

自然资源是指天然存在、有使用价值、可提高人类当前和未来福祉的自然环境因素之总和，被称为人类社会的生存之基、生产之源及生态之本，是国家和地方高质量发展最基础、最重要的条件。

　　自然资源时空信息是其资源-资产-资本分布与变化的客观反映与真实表达，既是认知资源供给和人地关系、优化国土空间开发利用格局的科学基础，还是以数字化转型助力高质量发展的重要助推器。将时空信息技术与自然资源业务深度融合，构建新一代自然资源时空信息技术体系，提供动态感知、精准认知和智慧管控等先进手段，推动自然资源治理能力的现代化建设，支撑自然资源科学管理和高质量发展，已成为政府部门、科技界及产业界共同关注的热门话题。

一、主体技术需求

　　自然资源时空信息反映着其资源、资产和资本三大内容的空间分布、时间变化及属性特征。其中：

　　资源内容是指向经济社会发展提供的物质基础与空间载体，主要用类型、数量、质量、结构、分布、变化等时空信息去表征;资产内容主要反映资源的权属或归属，是体现自然资源占有、使用等权能的时空信息;

　　资本内容是关于其经济、社会、生态价值的测度，由资源、资产信息派生得出，属于增值时空信息。

　　自然资源时空信息技术是指资源、资产和资本分布、变化及属性信息采集、处理、分析与服务应用的专门化技术手段，用于摸清家底、监测变化、认清开发利用保护规律、支持国土空间用途科学管控等。就总体而言，自然资源高质量发展对时空信息技术提出的主体需求是，提供高质量时空信息，开展高层次时空分析，实施高水平时空赋能。

二、总体发展思路

　　为了有效支撑自然资源科学管理与高质量发展，应将时空信息与自然资源管理业务有机融合，发展形成以全面动态感知、系统精准认知及全域智慧管控为主线的自然资源时空信息技术，提供高质量的时空信息、高层次的时空分析和高水平时空赋能。自然资源时空信息技术总体发展思路是通过全面动态感知，支撑自然资源要素和人类活动状况等本底与专业信息的有效获取与高效处理，摸清资源家底和及时掌握变化，做到“查的准”；继而通过系统精准认知，开展资源约束条件、国土空间人地关系等时空分析与研究，深化对国土空间格局形成演化机理和时空规律的认识，做到“认得透”;最后通过全域智慧管控，实现时空数据赋能的全过程用途管控、全生命周期管理和全要素耦合管理，做到“管得好”。

　　自然资源时空信息技术的总体发展思路

　　应该指出的是，自然资源管理是一个涉及因素众多、技术工程复杂的系统工程，仅靠单项的技术创新或应用难以奏效。这里借鉴了国际科学联合会“未来地球”研究计划的思路，以整体性、系统性的思维，提出了从全面动态感知、系统精准认知到全域智慧管控的全链条解决方案。

“未来地球”研究计划是从面向全球可持续发展问题，以预测、监测、管制、响应和创新为主线，提出了整体性研究思路。其中预测是要对未来环境状况及其对人类社会的作用后果进行预测，监测是通过整合和强化各类监测系统，提升全球变化本身及相关因素的监测能力，管制则是要对那些具有破坏性的全球环境变化进行预测、识别，提出规避和管控的举措，而响应是要研究建立什么的体制、经济活动以及行为方式，以有效地影响和引导可持续发展的进程。为此，需要打破单一的学科界限或壁垒，推动测绘、土地、海洋、地质、林草等专业之间的深层次融合，以真正地实现提供高质量的时空信息、高层次的时空分析和高水平时空赋能

　　其次，近年来对地观测技术取得了长足进步，遥感卫星获取能力有了大幅提升，但“数据海量、信息爆炸，知识难求”现象愈加突出。自然资源时空信息技术不仅要能够快速获取遥感影像、地面观测等基础数据，更要具备从遥感影像和时空大数据提取有意义信息及或凝练出有用知识的能力，用于指导行动(规划编制，用途管控)和解决实际问题[40]。为此，要以数据-信息-知识-智慧的全链条出发，充分利用全面动态感知的各种数据信息，凝练和提取有关国土空间人地关系、自然资源供需关系等有用知识，通过信息赋能和知识驱动，开展问题诊断、趋势预测、态势预警等智能化应用。

三、主要研究方向

　　经过多年的不断创新与发展，以遥感、GIS和空间定位为核心内涵的时空信息技术得到了迅猛发展，极大地扩展了人类对所居住星球、生存环境的感知、认知与管控能力，为自然资源时空信息技术的研发与应用提供了良好的技术基础。应通过时空信息技术与自然资源主体业务的深度融合，研究发展全面动态感知、系统精准认知、全域科学管控的理论方法、技术手段，设计和构建业务化运行系统。

(一)动态感知技术研究

　　一般说来，感知一词是指意识对内外界信息的观察、感觉、注意、知觉的系列过程。自然资源感知主要是指利用有关的传感器观测或装置，通过观测、处理，获取自然资源及其开发利用的有关分布、结构、质量、变化等数据信息。动态感知是针对自然资源本身及人类开发利用活动往往具有的特定的时间周期、生长节点或其它时空特性，如植被的生长周期、城市居民出行的高峰期等，设计采用实时或准实时的观测模式，以实现数据信息的动态获取。而全面动态感知是指根据全空间用途管控、全生命周期管理等业务需求，去实现“全地域、全方位、全时域、全要素”的感知。

　　自然资源全面动态感知的基本任务

　　航天遥感是实现自然资源全面动态感知的主体手段，但其必须与航空获取、地面观测、专业监测等联合，方可真正地满足“全地域、全方位、全时域、全要素”的要求。

首先，虽然光学遥感卫星的分辨率和观测频度有了很大提高，但任何单一光学遥感卫星的空间覆盖和感知能力都有较大的局限性，必须与其它光学、SAR、激光以及重力等卫星联合，实现多星的协同观测。

其次，对于那些航天遥感覆盖困难、时效性弱的局部区域，无人机倾斜摄影、航空多视立体观测、平流层飞机(艇)驻留观测等可以发挥互补的作用，形成空-天联合的协同观测能力，提供更精准、更高效和更高维度信息的观测保障;

然后，针对水、森林、土壤、生态，以及涉及影响生产生活生态的自然资源要素进行长期、连续、稳定的定位观测，需要建设自然资源观测台网，在特定的点或断面上进行连续观测，用于研判自然资源的变化动因，探索要素间的耦合关系，预判演化趋势等。

再者，目前广泛布设、云络互联的各类摄像头和其它嵌入式电子测量装置，形成了覆盖国土的“电子皮肤”，也为感知自然资源及其开发利用状况提供了实时采集与动态控制的手段;此外，带有定位功能的手机等智能终端和公交卡刷卡、社交网站签到数据、出租车服务等记录了人们出行轨迹等时空信息，形成了具有个体粒度的时空标记大数据，为长时间、高精度、高效地跟踪个体空间移动提供了可能，为感知居民时空间驻留和出行特征、识别城市空间职能结构和分析人口动态分布等提供了新手段；而基于互联网的众包采集等技术，也为从网络空间获取自然资源变化与状态的跨媒体(文本、图像、视频、音频等)属性提供了可能。将这些多模态感知手段有机融合，可以构成天空地网一体的自然资源协同化观测体系，将以往偏重于对“地”的观测感知提升为对“人”和“地”的综合感知，有助于提升空间覆盖、时间同步的能力，更好地实现空间无缝、时间连续的自然资源综合观测。

　　自然资源协同化感知将产出多源异构的图像、图形、视频、文本以及音频等海量数据信息。为了有效支撑后续的分析认知，需要进行高效处理，化繁为简，提取出便于理解和利用的有用信息。例如，将海量居民时空轨迹与多尺度地表覆盖数据相结合，从时空大数据中提取人类移动模式与行为规律等。再如，将各种动态感知信息与自然资源本底信息进行关联聚合，构建起业务要素衔接、专题信息丰富、多尺度融合的自然资源时空数据库，解决多源业务信息的互联互通、动态汇聚、有效整合难题，提高协同处理与聚焦服务的能力。

(二)精准认知技术研究

　　认知是指人们对前面获得的自然资源感知结果，通过高层次的时空认知与加工处理，去获得有关自然资源的时空分布规律。精准认知则是指要采用量化和模拟等手段，从传统的定性描述走向定量计算与情景模拟，实现更深入透彻的认知。而系统精准认知则是将自然资源看作一个有机的整体，采用定性-定量-定位相结合的方法，从整体上对其进行综合集成研究。其首先是进行自然地理的本底认知，继而分析国土空间开发利用的过程与效应，阐明资源供需关系和约束条件，然后进行国土空间人地关系的分析以及自然资源高质量发展的综合研究。

　　自然资源系统精准认识的基本任务

　　自然资源是一个具有特定结构和功能的巨系统，呈现出水平分异、立体交叉和多级嵌套的立体空间结构，提供着资源、资产、生态、场所等诸多功能(如耕地产粮、湿地生态服务等)，是人类国土空间开发利用的最重要生产要素和最基础的发展条件。

而自然资源各要素间存在着十分密切的关系，往往是一荣俱荣、一损俱损，但过去的研究多停留在单要素，对多要素之间的相互作用关注不够。例如，水资源研究是自然与人文经济综合的二元混合过程，涉及到降水、蒸发、产流、植物截留、经济用水等水循环环节，水资源与土地资源相互作用、关联，带来了水土平衡的匹配难题。再如，过去60年中国气候总体增暖，这一单一自然地理要素的变化不仅引发了温度带总体北移和气候区划格局变化，而且导致了水资源、自然生态系统、农业生产的一系列变化，如植物物候提前，柑橘、水稻等作物种植北扩等，从而影响着整体的格局。过去20年来，国内外科学界开展了国际地圈生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)、生物多样性研究计划(DIVERSITAS)、全球环境变化人文因素计划(IHDP)等诸多国际科学计划，将以往以水、土、气、生、人为基本对象的单要素研究，提升为地表过程的综合研究，重点研究多要素间的相互作用机理、动因、趋势以及圈层互馈机制。应充分借鉴这方面的研究成果，开展对自然资源多要素的综合研究，厘清资源禀赋及地域差异，认清其格局、过程与服务，为进一步研究国土空间开发利用、资源供需关系与约束、国土空间人地关系奠定基础。

　　2010年，美国国家科学院研究理事会提出要“理解正在变化的星球”，包括其是如何变化，变化在哪里发生，为什么会发生这些变化，可能产生什么影响等。对自然资源而言，则应研究摸清国土空间开发利用的状况与动态，厘清其时空分异特征，揭示其对生态环境的影响与相互作用，并预估未来陆域开发的生态环境风险。

首先，要解决国土空间开发利用时空过程的定量识别与动态监测问题，包括构建与提取用于反映国土空间开发格局、利用强度与演变过程的因子或特征参数，分析国土空间开发利用典型活动的规模、类型、水平及其时空分异特征与驱动机制;

其次，要构建表征国土空间开发利用时空过程的指标体系，研发其格局、强度与过程等因子的计算与表达方法，借助于现状和历史地表覆盖、遥感及相关专业资料，提取和刻画国土空间开发利用的现状分布与结构特征，重建典型开发类型(耕地开垦与退耕、森林砍伐与造林、城镇化、基础设施建设等)的时空过程。在国土空间开发利用过程和资源供需条件认知的基础上，还应进一步定量化研究国土空间人地关系，包括厘清人类活动的施压强度、资源要素的承压能力、生态环境的约束力度和自然系统的恢复能力等，对国土空间格局的结构冲突进行检测，发现人地关系矛盾的突出地域与过程。

为此，需要综合利用高分辨率、多年度地理空间数据(地表覆盖、土地利用等)、手机信令等多源时空大数据和相关社会经济资料，测定人类活动强度与类型，揭示与自然资源开发利用和国土空间用途管制有关的人类活动分布特征;继而选取人类活动的施压强度、核心资源要素的承压能力、生态环境系统的约束力、自然系统的恢复力以及人地系统的开发程度等表征指标，进行人地关系状态的量化计算与综合评价，以揭示国土空间格局的合理性，辨识国土空间开发利用中的关键问题，发现和解答三生空间的时空耦合-冲突协调-极限约束等问题，进行自然资源开发利用与保护不同场景的模拟与优化调控研究,支撑国土空间规划。

　　2015年，联合国大会通过2030可持续发展议程，提出了到2030年要实现的17项可持续发展目标(简称SDGs)，并要求综合利用统计和地理信息，进行监测评估。其是针对社会-经济-环境三位一体协同发展的要求，采用全球指标框架，进行指标计算、目标评估和领域分析。从自然资源的角度看，应从资源集约节约利用和国土空间用途科学管控的角度，对自然资源自身的高质量(可持续)发展进行监测评估，然后对自然资源支撑社会经济高质量发展的状况进行评估分析。为此，可参照地球系统模式(气候模式、陆面模式、水文模式)的做法，研究和需要构建自然资源系统模式，通过时空大数据和AI等有机融合，对自然资源的供给能力、保障效果等进行模拟计算，实现自然资源高质量(可持续发展)状况的数字孪生、状态诊断、模拟分析、预测预报，进行情景预估和模拟，分析其作用机理，寻求调控机制。

(三)智慧管控技术研究

　　目前全国各地自然资源管理的数字化与信息化水平不一，总体能力不足。从“行政被动监管”迈向“全域智慧管控”，有效支撑全空间国土用途管控、全生命周期管理和全要素耦合管理，乃大势所趋。其是以多尺度国土空间规划为依据，在时空大数据的支持下，开展数据赋能的问题研判、知识驱动的决策处理，实现对各项建设开发活动的许可管理与监管，提高国土空间用途管控的效率与水平。为此，要依据统一的国土空间调查、规划和用途管制用地用海分类标准，充分融合基础测绘、国土“三调”、地理国情监测、海洋监测、地质调查等各类调查监测成果，形成基准统一、覆盖全域、三维立体、权威可靠的国土空间数字化“底板”;继而要做好国土空间总体规划、详细规划和相关专项规划的逐级汇交与集成融合，构建生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界、历史文化保护线、战略性水资源安全保障范围、自然灾害风险控制线等安全底线的空间边界管控规则;然后要建立健全统一调查监测与动态更新机制，加强国土空间数据体系的动态性和连续性，全面提升国土空间数据支撑能力。在此过程中，应致力于打破信息壁垒，加强部门协同、公众参与和社会共享，构建共治共享的“智慧国土”，推动国土空间数据、信息、知识的有效共享，形成国土空间治理的数字化生态。

　　从技术的角度看，国土空间用途管控是以功能管控和参数管控为具体抓手，通过对开发上限与保护下限、国土开发强度等关键阈值的科学测算，实施多尺度、多时序管控，实现“生产-生活-生态”各项建设开发活动的有序、均衡、协调发展。前者是以“三区三线”和主体功能区划为基础，引导、约束、规范有关的建设开发活动;后者是将国土开发强度作为关键目标参数，用于控制开发强度、引导空间调整、约束开发行为等。因此，首先要根据国土空间规划体系的不同层级与尺度差异，研究确定相应的管控对象与途径，实现管控刚性约束与弹性指引相结合的科学管控。其次，要研究时空大数据赋能的管控方法，做好管控指标、规则的法理解析，研发预测模型，发展格局解析、结构诊断、冲突发现、方案优化等智能化手段，构建知识驱动的应对决策系统，实现智能审批、趋势预测、配置优化、方案推演，从“后知后觉”变为“先知先觉”，从静态化的信息管理平台上升到动态化的决策服务平台，从“看见”走向“洞见、预见”。

　　针对国土空间规划实施监督的要求，以规划实施过程中的底线管控、刚性传导、要素配置、结构效率等方面为重点，研究构建规划实施成熟度、匹配度、协同度和居民满意度等关键算法及评估方法，开展对规划实施和国土空间体征的动态定量评估;针对多目标、多尺度、多场景的国土空间单元管控要求，研究建立适应国土空间“三区三线”和人地关系协调发展的关键指标与监测方法，构建数据驱动的动态预警模型，对“三线”管控过程中可能发生的偶发性事件进行及时预警，并对国土空间开发保护、用途管制、生态修复等进行态势分析研判。

　　这项研究得到了国家自然科学基金重点项目、中国工程院战略咨询项目的资金支持。成果以《自然资源时空信息的技术内涵与研究方向》为题于2月25日在《测绘学报》进行了网络首发。

引用格式：陈军,武昊,刘万增,单卫东,张俊,赵鹏军.自然资源时空信息的技术内涵与研究方向[J/OL].测绘学报:1-15[2022-02-25].