我國自然資源信息化的發展演化與展望

鄭新奇，鄭敏睿，肖 飛，4

（1.自然資源部國土空間大數據工程技術創新中心，北京 140083 ；2.中國地質大學（北京）信息工程學院，北京 140083；3.中國人民大學 公共管理學院，北京 100872；4.自然資源部信息中心，北京 100812）

0 引言

人類社會的發展，經歷了從物質支撐、能量催化到信息助力的過程，反映了人類從初級智能到高級智能的不斷進化。雖然信息是泛在的，但并非所有信息都能稱為信息資源。從信息論的角度看，信息用于消除不確定性，信息的價值體現在不確定性的消除程度，這類有價值的信息才能構成資源。發揮信息效用、實現信息價值是信息共享和開發利用的目標。自然資源從物質到信息的轉變經歷了信息化的過程。信息化代表了信息技術被高度應用、信息資源被高度共享，同時，信息化也是信息技術產業發展與信息技術在社會經濟各部門應用的基礎上，不斷改造傳統的經濟、社會結構從而通往理想狀態的一段持續過程[1]。

筆者參與自然資源信息化相關工作至今已有30 余年。1984—1997 年，完成第一次全國土地調查（以下簡稱“一調”）；2007—2009 年，完成第二次全國土地調查（以下簡稱“二調”）[2]；2017—2020 年，完成第三次全國國土調查（以下簡稱“三調”）[3]。隨著三次全國性大調查的開展，管理機構也實現從土地、國土資源到自然資源（與規劃）的變化。近30 年來，信息技術發生了幾次革命性的變化，從最初的單機版個人機、局域網到互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能、數字孿生、區塊鏈以及現在熱度很高的元宇宙等。機構變化、資源數據化、技術智能化、管理人本化等構成了一幅錯綜復雜的自然資源信息化圖景。鑒于筆者的經歷和對自然資源信息化的理解與感悟，本文從歷史視角，圍繞自然資源物質信息化到信息資源利用重大事件，總結討論關于自然資源信息化的演化和展望。

國土資源信息化與土地信息學的發展密不可分，土地信息學是以權籍為核心、土地信息為對象，研究土地信息獲取、分析、處理、存儲與表達的理論、方法與技術，支撐土地調查、評價、規劃、利用、整治和保護等信息共享與決策支持應用。中國國土資源信息化始于土地資源信息化，經歷了起步、關鍵技術應用與穩步加速發展三個階段[4]。本文對應將其分為土地資源信息化、國土資源信息化和自然資源信息化三個階段并分別加以總結。

1 土地資源信息化：管理引導，積木式搭建，孤島壁壘式探索

20 世紀50 年代末和60 年代初，隨著計算機技術應用，數字地圖開始出現，工作人員能夠利用計算機對地圖要素進行分析、處理。數字地圖的應用從建立土地利用規劃等自然資源管理信息系統開始。奧地利測繪部門于1956 年首先在計算機上建立了地籍管理數據庫，隨后其他國家測繪和土地管理部門都逐步開發了土地信息系統。土地信息系統的快速發展與政府部門利用計算機技術高效管理和分析大量空間屬性的公共信息的迫切需求密不可分，也就是說，土地資源信息化從開始就被資源管理和規劃等部門重視，并逐步投入應用。

由于計算機應用剛剛起步，“一調”的很多信息化工作先靠人工操作，如航片轉繪、編圖繪圖、圖件縮編等薄膜成圖，再通過數字化板轉到電腦。豐富多樣的計算機應用程序，增加了后續各級數據匯總、圖件縮編的難度。但是，這些信息化成果成為積木式搭建信息資源的重要里程碑。國家土地管理局從1986 年設立到1998 年被撤銷，剛好是中國土地資源信息化的起步階段。這個階段可以說是群雄逐鹿的階段，圍繞土地資源信息化進行了大量的孤島壁壘式探索，形成了各種各樣數據格式的信息化成果。這樣的結果也成為第二階段重點解決的信息化難題之一。這個階段起步雖然缺乏頂層設計和戰略規劃，但為土地資源信息化工作打開了一扇大門。

2 國土資源信息化：頂層設計，一體化夯實，多源異構可視化

1998 年，國土資源部成立，主體業務仍然以土地資源管理為主。筆者在國土資源系統工作期間，經歷了“金土工程”、國土資源“一張圖”工程和“二調”。

由于土地資源信息化過程形成了多樣的數據格式，依托這些數據的管理成為孤島式管理，不能實現共享并發揮最大效益。2004 年，“金土工程”啟動，為國土資源信息化的“一張圖”工程奠定了堅實的基礎[4]?！敖鹜凉こ獭痹趪临Y源電子政務建設總體框架下，圍繞國土資源管理的中心工作，選取耕地保護、地質災害防治、礦產資源管理等重要業務，在流程梳理、整合再造的基礎上，建立了覆蓋國家、省、市、縣四級的國土資源電子政務管理信息化系統。國土資源“一張圖”工程集成了遙感、土地利用現狀、土地變更調查和基礎地理等多源空間數據，并實現了與國土資源的規劃、審批、補充、開發利用、執法督查等行政監管系統協同調用、共同構建的統一綜合監管平臺。

國土資源信息化建設從1998 年國土資源部成立開始，開展“數字國土”和“金土工程”建設，實施國土資源“一張圖”工程，國土資源信息化建設取得了豐碩成果[5-6]。國土資源部從1998 年成立到2018 年被撤銷，實現了國土資源信息化頂層設計，其中，數據格式一體化夯實了國土資源“一張圖”，實現了數據和信息共享、多源異構數據的可視化服務。

相較歷經10 年的“一調”，“二調”所用時間縮短為不到4 年。這次調查以航空、航天遙感影像為主要數據源，采用內外業相結合的調查方法及統一標準的土地利用數據庫建設和基于網絡的信息共享及社會化服務等技術方法，建立了四級土地利用數據庫、市縣地籍信息系統和土地資源變化信息統計、監測與快速更新機制等，實現了調查信息的互聯共享。

國土資源信息化建設歷經20 年，取得突破性進展。這個階段完成了全國國土資源“一張圖”的巨大工程，實現了國土資源核心業務“地籍信息”的系統化管理，為后期的資源資產管理奠定了堅實基礎。

3 自然資源信息化：智慧賦能，前瞻型大腦，預測預警評估

2018 年，自然資源部成立，2017 年啟動的第三次全國土地調查也改為第三次全國國土調查。調查要求充分利用遙感、衛星定位、地理信息系統及移動互聯網、云計算、無人機等技術，全面應用“互聯網+調查”新機制，最大限度減少人為干預。這些基本的技術規定，反映了自然資源信息化建設已經發展到新階段。國土調查云以移動應用軟件的方式服務國土調查和自然資源管理工作，具有遙感影像、基本農田、土地規劃、土地調查和自然保護區等數據實時查詢功能，提高了外業調查的工作效率，提升自然資源調查監測的信息化水平[7]。

自然資源部成立后，另外一個重大工程是全國國土空間規劃編制。圍繞國土空間規劃，進一步促進了空間規劃信息化水平。其中，通過學習歐盟宏觀經濟與土地利用政策綜合評估項目（SENSoR）、歐盟2030—2050 年城市空間預測與國土影響評價[8-9]為中國國土空間規劃提供了積極借鑒。研究人員對人與環境之間的互動進行了全面而深入的觀察，利用新興技術和公眾共享信息收集健壯的數據集。根據收集的事實和數據，將關鍵的地理空間測量轉換為數據驅動的計算機模型，以評估潛在風險并比較緩解方法，利用領先的地理可視化技術將這些計算機模擬演化為交互式工具，為解決環境和社會挑戰、推進地理空間分析發展提供了指導。

筆者團隊在20 多年的探索中，提出了基于時空動力學的國土空間規劃集成技術框架，如圖1所示[10]，從定界、定勢、定量、定位、定事、定序、定施、定效八個方面進行空間規劃框架設計，集成地理信息系統-系統動力學-元胞自動機-基于智能體的建模模型（GIS-SD-CA-ABM），構建了原型系統[11-12]，主要解決了長期以來空間規劃要素分割的線性思維方式問題，建立的原型系統應用于2017 年的《全國國土規劃綱要（2016—2030）》編制。目前，如何快速進行規劃方案的情景模擬和政策評估的信息化仍然是國土空間規劃中的薄弱環節。

圖1 時空動力學模型算法原理示意圖

4 自然資源信息化展望：權籍、人本、集成、大腦化

人類智能包括兩個方面：一是對自然界和人類社會內在規律的預知能力；二是按照客觀世界的內在規律和人的自身需要，對物質、能量和信息進行重新轉化與組合的能力[13]。在大數據場景下，人腦機能的預知能力難以處理大量信息，而必須借助智能化的分析工具和分析系統，實現“智”和“能”的統一。國土資源信息化初期創新多立足于物質思維，創新活動圍繞物質實體直接變換或改造成信息展開，忽視了信息對物質的能動作用，信息化創新顯現一定的封閉性、邊界性、控制性等特征。而信息思維下的物質、能量、信息應該是“等量齊觀”，沿著“信息-能量-物質”路徑，三者共同參與實體價值與虛擬價值協同互動過程，創新顯現開放性、聯系性、自然涌現性等特征[14]?；谶@樣的思維邏輯，自然資源信息化應該在物質實體信息加工后，遵循“智”和“能”的統一，通過智慧賦能，建設前瞻性自然資源大腦，實現預測預警安全管理，為切實履行“兩統一”職責提供信息技術支撐。

4.1 城鄉數字孿生權籍信息化

地籍是土地資源信息化的核心，是土地信息區別于其他信息的特殊性。隨著社會和經濟的發展，地籍不但為土地稅收和土地產權保護服務，還要為自然資源利用規劃和管理提供基礎資料，是國家監管、以土地權屬為核心、以地塊為基礎的土地及其附著物的權屬、位置、數量、質量和利用現狀等土地信息的集合，具有顯著的空間特征、豐富的屬性描述和強烈的時態，是自然資源管理的基礎。目前，地籍已經發展成為多用途權籍系統[15]。隨著城鄉一體化建設的推進，尤其是鄉村振興戰略的貫徹實施，多用途權籍的內涵和外延更加豐富，且慢慢轉變到自然資源資產信息等更為廣泛的含義。鑒于此，本文認為土地信息的核心是地籍信息，地籍信息的核心是權籍信息，地籍信息外圍是土地資源利用信息，最終是廣義的土地信息及自然資源多功能權籍信息，如圖2 所示。

圖2 權籍信息及其多用途演變示意圖

數字孿生技術的產生與發展，為權籍信息化再次賦能，讓多功能權籍信息成為自然資源管理和國土空間規劃與用途管制的新智能?！丁笆奈濉眹倚畔⒒巹潯贰丁笆奈濉睌底纸洕l展規劃》等國家總體規劃確認將因地制宜探索構建數字孿生城市。北京、河南、山東、四川、廣東等地政府陸續出臺數字孿生城市相關政策和行動實施方案。此處的數字孿生城市是一個大概念，權籍數字孿生應該是其中的重要內容。在這樣的數字孿生城市建設大背景下，城鄉數字孿生權籍信息化將是未來自然資源信息化的趨勢之一。當然，其前提是在“一張圖”基礎上實現物質（物理）性資源的信息化，包括各種自然資源信息的年度更新。未來自然資源信息化應樹立大權籍觀，開展自然資源信息的深度挖掘分析、綜合表達、集成應用技術，探索大數據、云計算、人工智能在自然資源信息化中的應用。

4.2 “自然資源大腦”創建

物質性思維限制了人們對信息智能化的挖掘和知識發現。隨著自然資源信息化發展，研究人員應該由初期的物質思維向信息對物質的能動作用轉變，沿著“信息-能量-物質”路徑強化自然資源信息化建設工作，“自然資源大腦”創建成為主要趨勢之一。

類腦智能[16]有助于提升自然資源信息化認知非線性復雜問題的能力，實現自然資源信息化由物質數據驅動到信息資源驅動的轉變，解決可視化主題多變、形式多樣、快速、易理解、強交互等一系列難題。以位置為基礎，全面反映位置本身及與位置相關的各種特征、事件或事物的全息位置地圖，將多層次、多粒度、全方位反映空間位置和權籍信息的各種關聯關系，形成多種場景，并以多種方式呈現給用戶[17]。這樣的智能化人本思維將對自然資源信息化產生跨越性甚至顛覆性的變化，如圖3 所示。

圖3 “自然資源類大腦”原理示意圖[17]

4.3 國土空間規劃與治理智能服務機器人

未來時空信息將與自然資源管理業務緊密融合，發展形成以全面動態感知、系統精準認知及全域智慧管控為主線的自然資源時空信息技術，為自然資源管理提供高質量的時空信息、高層次的時空分析和高水平的時空賦能[18]。強化時空信息賦能自然資源管理和國土空間智慧治理，基于“一張圖”和國土空間基礎信息平臺，統籌建設智能分析決策“知識中臺”，以算法庫、模型庫、知識庫為核心，為智能分析決策提供地理空間感知、自然資源認知、管理決策預知支撐。形成基于“感知、傳輸、融合、分析、決策”五要素閉合鏈路的土地資源智能管控技術體系，從而實現土地資源的精確感知、全網共享、多維融合、精明利用、精準調控[19]，實現人、物在任何時間、地點之間的連接和交互，實現物理世界實時監測、管理和決策。隨著空間數據挖掘能力的逐步發展及自然資源科學決策需求的不斷強化，“數據+知識”的服務模式將逐步成為主流[20]。

4.4 政策方案的信息化預評估

土地資源信息化、國土資源信息化到自然資源信息化，走過了物質-能量-信息的正向信息化路徑。未來，信息-能量-物質的思維范式將取代物質數據驅動模式。這樣，以人為本的需求結合各種前瞻性的智能政策方案情景預測、更加全面的全樣本分析范式，基于規則的預測機制，實現全息時空自然資源信息化綜合集成研討廳模式[21-22]。通過人工智能進一步解決海量數據存儲成本高、數據管理分析難、數據使用效率低、數據挖掘難等問題[23]，滿足人力服務與機器人服務的共同需求，解決從空間感知向空間認知等科學技術問題[24]，轉變認知方式，重構自然資源信息化范式，賦予自然資源信息化新內涵。

4.5 綜合集成技術應用

現有的信息化演進過程不斷出現新技術，一些新技術在自然資源信息化過程中持續發揮作用，一些技術則曇花一現。歸納起來，目前自然資源信息化主要依托較成熟的技術，新技術的創造性研發，也就是0-1 的技術，實際上并不多見。但是基于已有較成熟的技術，無論是單體技術還是多種技術的集成應用都有比較好的生命力。因此，自然資源信息化技術通常會滯后前沿信息技術5 年以上。當前，自然資源信息化面臨的主要問題之一就是如何鑒別和優選用于自然資源信息化的成熟技術和集成原理。因此，自然資源信息化技術需求與預測是當前乃至今后相當長一段時間需要重點關注的發展趨勢。

5 結語

本文總結了中國經歷的土地資源信息化、國土資源信息化和自然資源信息化的路徑，闡述了每個階段都伴隨中國的機構調整和全國土地（國土）調查，并且信息化也在這幾十年不斷完善，從積木式搭建、一體化夯實到智慧賦能，不斷推進自然資源信息技術迭代升級。隨著信息技術的發展進步，自然資源信息化也將迎來城鄉數字孿生權籍信息化、提升人本智能思維的自然資源大腦化、服務機器人及政策研判新范式，總體發展定位在綜合集成技術應用。

自然資源信息化將進一步依據自然資源信息化的物質、能量和信息的轉化與演化過程，以系統論和信息論為理論基礎、新的信息技術為重要工具，集成各種技術，探索業務需求和技術需求互動關系的機理、融合、挖掘、集成以及大數據、感知、數字孿生、元宇宙技術引進與應用、資源環境承載力模型研究、資源環境虛擬綜合集成研討廳、國土空間規劃與治理服務機器人研制等問題[25-26]。