人物簡介：趙翔，武漢大學資源與環(huán)境科學學院博士、副教授、碩士生導師，中國自然資源大數(shù)據(jù)分會委員、中國地理學會會員、美國地理學家協(xié)會（The American Association of Geographers）會員和IEEE會員。他致力于將地理信息、時空大數(shù)據(jù)、人工智能和空間優(yōu)化決策支持技術應用到自然資源管理中，服務于國家土地資源的可持續(xù)利用規(guī)劃管理和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。針對我國土地資源可持續(xù)利用規(guī)劃管理和城鄉(xiāng)建設發(fā)展中面臨的難題和挑戰(zhàn)，先后研發(fā)了面向土地資源評價和規(guī)劃決策的系列決策支持模型和軟件工具，為我國國土資源管理事業(yè)的信息化、智能化做出了重要貢獻。

 

　　趙翔

 

　　一、高精度、高性能地理空間分析計算技術和地理國情分析決策

 

　　地理國情是指地表自然和人文地理要素的空間分布、特征及相互關系，是我國基本國情的重要組成部分。2013年5月，第一次地理國情普查正式開展，并由原國家測繪地理信息局（現(xiàn)已并入自然資源部）負責具體實施。在全體測繪和地理信息人的辛勤努力下，歷時3年我國全面完成了全覆蓋、無縫隙、高精度的地理國情要素數(shù)據(jù)采集，并首次建成了 的地理國情數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)總量達770TB。如何基于海量地理國情普查數(shù)據(jù)，準確分析我國地理國情要素的分布特征和地理國情總體態(tài)勢以服務于國家宏觀經(jīng)濟發(fā)展決策，是地理國情成果應用中亟待解決的重要難題。受地理國情普查領導小組和國家測繪地理信息局的委托，在歐亞科學院院士、導師劉耀林教授的帶領下，趙翔作為技術研發(fā)骨干，對地理國情普查數(shù)據(jù)成果的高精度高性能計算難題展開了技術攻關。

 

　　圖1.高精度的地理國情要素三維表面面積和長度計算原理

 

　　針對地理國情分析決策的基本要求，趙翔設計和開發(fā)了高精度的地理國情要素橢球長度、面積和三維表面長度、面積計算算法。經(jīng)原國家測繪地理信息局、國家測繪地理信息大地測量數(shù)據(jù)處理中心和國家測繪產(chǎn)品質量檢驗測試中心的聯(lián)合測試，該算法對地理國情要素在地球橢球上的理論橢球長度和面積的計算誤差可以控制在百萬分之一以內(nèi)；三維地表真實面積誤差可控制在十萬分之一以內(nèi)，表面長度誤差在百萬分之一以內(nèi)。計算精度完全滿足地理國情數(shù)據(jù)分析和成果應用、決策支持的精度要求。

 

　　針對 海量地理國情數(shù)據(jù)分析處理的現(xiàn)實需求，趙翔提出了基于分布式高性能計算技術的地理國情數(shù)據(jù)并行化分析計算算法。通過數(shù)據(jù)分解和計算任務分解等策略，將海量數(shù)據(jù)和計算任務分發(fā)到不同計算集群中的不同計算節(jié)點上，充分發(fā)揮高性能集群的計算能力，提高 地理國情數(shù)據(jù)分析效率。在有限的計算機硬件支持下，趙翔提出的算法僅用16臺8核工作站集群，基于目前我國 精度的數(shù)字地形數(shù)據(jù)（10米空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)），耗費5天時間即完成了全國陸地地理國情要素三維表面面積等基本統(tǒng)計特征指標的高效率計算。

 

　　地理國情統(tǒng)計分析軟件

 

　　為了更好的服務于地理國情普查、監(jiān)測成果數(shù)據(jù)的分析和決策應用，由趙翔設計和開發(fā)的地理國情統(tǒng)計分析軟件系統(tǒng)被第一次地理國情普查辦公室采用，并應用于全國第一次地理國情普查統(tǒng)計分析工作中。該軟件完成了對全國第一次地理國情普查成果數(shù)據(jù)庫中2.7億個復雜地理國情要素的統(tǒng)計和全國2849個縣級行政單元、4萬多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地理國情要素數(shù)據(jù)的高精度、高性能匯總與分析；有效保障了我國第一次地理國情普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結果的精度和可靠性，并獲得了相關領導的高度評價。該項工作也是我國首次利用高精度數(shù)字地形數(shù)據(jù)，完成對全國陸地國土要素三維表面面積的高精度量算，為國土空間規(guī)劃管理決策提供了 、權威的基礎數(shù)據(jù)。

 

　　為表彰武漢大學相關團隊在地理國情統(tǒng)計分析與決策支持方面所做出的貢獻，劉耀林院士團隊獲得了2016年度的測繪科技進步一等獎。趙翔由于其在高性能、高精度地理國情分析算法和軟件開發(fā)方面的貢獻，在該獎項獲獎人員中位列第三。

 

　　二、智能空間優(yōu)化與“以人為本”城鄉(xiāng)發(fā)展決策支持

 

　　推進教育、醫(yī)療等基本公共服務設施的均等化是以人為本新型城鎮(zhèn)化的基本要求。如何以盡可能小的設施建設和運營成本，實現(xiàn)公共服務覆蓋人群的最大化，不僅是城鄉(xiāng)規(guī)劃中經(jīng)常遇到的難題，也影響到城鄉(xiāng)居民所能享有的公共服務的數(shù)量和質量，并直接關系到社會公平。

 

　　針對城鄉(xiāng)規(guī)劃中的設施選址布局優(yōu)化難題，趙翔利用人工免疫和遺傳算法等智能化的“仿生”優(yōu)化算法，結合地理信息技術，提出了一個通用的地理空間優(yōu)化建�？蚣堋Ｔ摽蚣馨�括了許多可擴展算法和工具，能夠根據(jù)規(guī)劃決策目標，通過優(yōu)化計算自動獲取面向特定設施規(guī)劃選址決策問題的最優(yōu)設施布局方案，從而幫助城鄉(xiāng)規(guī)劃師尋找到社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益最大而建設和運營成本最小的 解決方案。為了更好地支持城鄉(xiāng)規(guī)劃決策，趙翔還基于“宿主-插件”架構，開發(fā)了一個靈活、可擴展、通用的空間優(yōu)化軟件。研究人員可以基于該軟件提供的基礎 API 輕松開發(fā)自己的特定問題應用程序插件，將自己的模型和知識集成到工具中，以解決他們遇到的特定空間優(yōu)化問題。

 

　　面向設施規(guī)劃選址決策支持的地理空間優(yōu)化模型

 

　　在趙翔的指導下，武漢大學的4名本科學生將該軟件應用到5G通信基站的選址布局優(yōu)化研究中。通過對通用空間優(yōu)化模型框架的改進，學生們成功的開發(fā)5G通信基站地理空間規(guī)劃布局優(yōu)化算法。該算法能夠根據(jù)城市建筑物和人口密度分布特征，利用人工免疫優(yōu)化算法，自動搜索能夠使通信基站有效服務覆蓋最大化的選址方案。在最大化通信基站有效服務覆蓋的同時可以有效降低5G通信基站的部署和運營成本。該項成果于2019年獲得第十七屆全國高校GIS大賽分析組 的一等獎，并獲得國家發(fā)明專利和澳大利亞專利授權。研究成果同時發(fā)表在國際權威刊物上。

 

　　三、土地利用主體的智能化建模仿真與國土空間規(guī)劃

 

　　長期以來，我國由于缺乏科學、合理的空間規(guī)劃體系，土地資源利用和國土空間開發(fā)出現(xiàn)了城鎮(zhèn)無序擴張、耕地持續(xù)減少、土地利用低效，土地質量退化和忽視農(nóng)民等主體意愿等問題。相關問題的出現(xiàn)，嚴重威脅了國家糧食安全、生態(tài)文明建設和國民經(jīng)濟的高質量可持續(xù)發(fā)展。

 

　　趙翔與團隊開發(fā)的國土空間優(yōu)化決策支持系統(tǒng)

 

　　反映和兼顧不同群體的土地利用訴求，是現(xiàn)代空間規(guī)劃研究和實踐的基本共識。在傳統(tǒng)的空間規(guī)劃決策研究中，規(guī)劃師們往往依賴調查問卷或者規(guī)劃專家經(jīng)驗等途徑來間接反映土地利用主體的利益訴求，存在效率低、成本高和不確定性太大等問題。

 

　　趙翔提出的基于土地利用時空數(shù)據(jù)和人工智能方法的土地利用主體行為意愿模擬仿真建�？蚣�

 

　　面向我國當前國土空間規(guī)劃編制的現(xiàn)實需求，趙翔提出了利用土地利用時空大數(shù)據(jù)和人工智能方法自動提取土地利用過程中不同類型主體（農(nóng)民、開發(fā)商、政府部門等）對土地利用的利益訴求和行為偏好。人工智能方法在規(guī)劃中的應用，不僅提高了國土空間規(guī)劃編制的工作效率，同時也有效增強規(guī)劃方案的合理性與可行性。相關研究成果目前也在湖北、廣東、山東和湖南等多個地方的國土空間規(guī)劃編制工作中得到了實際推廣和應用；為國土空間規(guī)劃中的“三區(qū)三線劃定”和國土空間開發(fā)格局的優(yōu)化提供了科學合理的決策依據(jù)，獲得了地方自然資源和規(guī)劃管理部門的一致好評。

 

　　針對我國鄉(xiāng)村振興國家戰(zhàn)略實施要求，當前趙翔正帶領他的團隊積極的將智能決策模型應用于我國生態(tài)修復與全域土地綜合整治和耕地保護決策應用中。通過智能模型的模擬與仿真，以期為我國快速城鎮(zhèn)化背景下的鄉(xiāng)村土地集約利用、耕地保護、鄉(xiāng)村人居環(huán)境整治提供科學、合理的決策依據(jù)，服務于國家鄉(xiāng)村振興、糧食安全和生態(tài)文明建設。

 

　　四、智能化評價模型與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價

 

　　實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合國2030議程中最重要的目標之一。因此，綜合評價區(qū)域土地利用和發(fā)展狀況，對實現(xiàn)可持續(xù)規(guī)劃和管理決策具有重要意義。針對區(qū)域可持續(xù)評價中數(shù)據(jù)獲取難、準確評價難和缺少自動化評價工具等問題，趙翔分別從評價數(shù)據(jù)獲取、智能化土地評價模型和自動化評價軟件三個方面開展了研究工作。

 

　　針對土地評價數(shù)據(jù)獲取難題，趙翔充分利用武漢大學在遙感和地理信息方面的技術優(yōu)勢，聯(lián)合研發(fā)團隊分別提出了基于衛(wèi)星遙感圖像、無人機航測數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)開放大數(shù)據(jù)的評價基礎數(shù)據(jù)獲取技術。通過相關技術的研發(fā)，有效緩解了針對大區(qū)域或者農(nóng)村區(qū)域土地評價基礎數(shù)據(jù)匱乏的問題，為準確、全面把握區(qū)域發(fā)展狀態(tài)評價提供了重要的基礎數(shù)據(jù)支撐。

 

　　針對傳統(tǒng)評價模型主觀性太強等問題，趙翔提出了利用機器學習等人工智能方法，自動構建土地利用影響因素和土地評價結果非線性評價規(guī)則，從而克服了依賴專家經(jīng)驗進行土地評價帶來的主觀性和不確定性強的不足。

 

　　針對土地評價自動化程度低，評價結果不方便使用等問題，趙翔設計和研發(fā)了面向不同土地利用評價目的和決策場景的自動化土地評價和評價結果數(shù)據(jù)管理軟件工具。通過插件技術集成不同類型的專業(yè)評價模型，用戶可以根據(jù)特定的評價場景從模型庫中選擇合適的模型，自定義評價過程，由軟件自動完成評價數(shù)據(jù)處理和分析。相關研究成果發(fā)表在國內(nèi)土地科學行業(yè) 權威的影響期刊《中國土地科學》上，該論文也被北京大學的林堅教授認為是2012年在土地利用與規(guī)劃信息領域的重要技術進展之一。

 

　　五、科研成效和學術影響

 

　　趙翔長期以來專注于國土規(guī)劃管理決策的信息化與智能化研究，圍繞土地資源的調查、監(jiān)測、評價和規(guī)劃開發(fā)了系列自動化和智能化的決策支持模型和軟件工具。2013年從武漢大學土地資源管理專業(yè)博士畢業(yè)后進入武漢大學人文地理博士后流動站工作，2015年正式入職武漢大學。2016年到美國北卡羅萊納大學夏特洛分校的應用地理中心訪問，在美國合作導師的支持下，與美國林業(yè)部在高性能計算和紅樹林碳儲量等方面展開了合作研究。

 

　　圍繞研究方向，趙翔先后主持國家自然科學基金項目2項，國家重點研發(fā)計劃項目子課題1項，中國博士后基金一等資助項目1項；此外，他還作為項目研發(fā)骨干，參與了導師劉耀林院士主持的多項國家863計劃，國家科技支撐計劃等 重大科研項目。另一方面，面向地方國土資源規(guī)劃管理和區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展決策的現(xiàn)實要求，趙翔也在湖北、山東、廣東等多個�。ㄊ校┏袚�了地方自然資源與規(guī)劃管理部門的國土空間規(guī)劃、城鎮(zhèn)低效用地再開發(fā)規(guī)劃、城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤等項目；通過承擔相關項目，將科研成果直接服務于地方經(jīng)濟發(fā)展。

 

　　在科研成果方面，趙翔在國內(nèi)外領域權威刊物發(fā)表SCI/SSCI/EI/CSSCI等高水平論文30多篇，獲得國內(nèi)外發(fā)明專利授權20件，申請軟件著作權登記10多項。趙翔的研究工作也在國際上得到了同行的關注和認可。來自英國牛津大學的學者Tania認為趙翔提出的利用人工智能方法自適應提取土地利用主體行為規(guī)則的方法為土地利用空間優(yōu)化決策提供了有效支持。他在美國訪學期間開展的關于紅樹林碳儲量估算的合作研究工作，被國際同行多次引用。經(jīng)相關同行的驗證，他們的研究結果具有較高的精度。

 

　　在學術兼職和社會服務方面，趙翔是中國自然資源學會、中國地理學會、美國地理學家協(xié)會和IEEE等多個國內(nèi)外專業(yè)協(xié)會的會員，并于2019年被推選為中國自然資源大數(shù)據(jù)分會委員；他擔任了國家自然科學基金通訊評審專家，同時也獲邀為10多個國際學術期刊審稿。

 

　　鑒于趙翔在國土調查、監(jiān)測、評價和規(guī)劃決策方面的貢獻，2014年來，他先后獲得由中國測繪學會頒發(fā)的國家測繪科技進步一等獎1次，中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會頒發(fā)的國家測繪地理信息科技進步特等獎1次、一等獎1次、二等獎1次，中國土地學會頒發(fā)的國土資源科技進步一等獎1次，河南省人民政府頒發(fā)的河南省科技進步二等獎1次。

 

　　六、總結與展望

 

　　消除貧困和饑餓、減少居民在基本公共服務獲得方面的不平等、保障地球生態(tài)系統(tǒng)服務的永續(xù)供給，實現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用是聯(lián)合國2030可持續(xù)發(fā)展目標的重要內(nèi)容，也是全人類在21世紀所共同面對的挑戰(zhàn)。另一方面，城鎮(zhèn)化、鄉(xiāng)村振興、糧食安全、生態(tài)環(huán)境保護則是中國2035年社會和經(jīng)濟發(fā)展遠景目標實現(xiàn)的重要支撐和保障，也對我國土地資源的可持續(xù)利用規(guī)劃管理提出了更高的要求。展望未來，趙翔躊躇滿志：“人工智能、時空大數(shù)據(jù)、新型傳感器、數(shù)字孿生等新型技術的興起，為國土資源管理事業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。過去10年我國的國土資源管理在信息化方面取得了重要成就。展望未來，國土資源調查、監(jiān)測、評價和規(guī)劃等工作在新興技術的推動下將出現(xiàn)重大變革。我和我的團隊，有信心在這個領域取得更大的成就，為土地資源的可持續(xù)利用規(guī)劃管理和鄉(xiāng)村振興提供更好的服務和支持”。（作者：陳明）