人物簡(jiǎn)介：趙翔，武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院博士、副教授、碩士生導(dǎo)師，中國(guó)自然資源大數(shù)據(jù)分會(huì)委員、中國(guó)地理學(xué)會(huì)會(huì)員、美國(guó)地理學(xué)家協(xié)會(huì)（The American Association of Geographers）會(huì)員和IEEE會(huì)員。他致力于將地理信息、時(shí)空大數(shù)據(jù)、人工智能和空間優(yōu)化決策支持技術(shù)應(yīng)用到自然資源管理中，服務(wù)于國(guó)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(duì)我國(guó)土地資源可持續(xù)利用規(guī)劃管理和城鄉(xiāng)建設(shè)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(píng)價(jià)和規(guī)劃決策的系列決策支持模型和軟件工具，為我國(guó)國(guó)土資源管理事業(yè)的信息化、智能化做出了重要貢獻(xiàn)。

 

　　趙翔

 

　　一、高精度、高性能地理空間分析計(jì)算技術(shù)和地理國(guó)情分析決策

 

　　地理國(guó)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(guān)系，是我國(guó)基本國(guó)情的重要組成部分。2013年5月，第一次地理國(guó)情普查正式開(kāi)展，并由原國(guó)家測(cè)繪地理信息局（現(xiàn)已并入自然資源部）負(fù)責(zé)具體實(shí)施。在全體測(cè)繪和地理信息人的辛勤努力下，歷時(shí)3年我國(guó)全面完成了全覆蓋、無(wú)縫隙、高精度的地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)采集，并首次建成了 的地理國(guó)情數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)總量達(dá)770TB。如何基于海量地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析我國(guó)地理國(guó)情要素的分布特征和地理國(guó)情總體態(tài)勢(shì)以服務(wù)于國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展決策，是地理國(guó)情成果應(yīng)用中亟待解決的重要難題。受地理國(guó)情普查領(lǐng)導(dǎo)小組和國(guó)家測(cè)繪地理信息局的委托，在歐亞科學(xué)院院士、導(dǎo)師劉耀林教授的帶領(lǐng)下，趙翔作為技術(shù)研發(fā)骨干，對(duì)地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)成果的高精度高性能計(jì)算難題展開(kāi)了技術(shù)攻關(guān)。

 

　　圖1.高精度的地理國(guó)情要素三維表面面積和長(zhǎng)度計(jì)算原理

 

　　針對(duì)地理國(guó)情分析決策的基本要求，趙翔設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了高精度的地理國(guó)情要素橢球長(zhǎng)度、面積和三維表面長(zhǎng)度、面積計(jì)算算法。經(jīng)原國(guó)家測(cè)繪地理信息局、國(guó)家測(cè)繪地理信息大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心和國(guó)家測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的聯(lián)合測(cè)試，該算法對(duì)地理國(guó)情要素在地球橢球上的理論橢球長(zhǎng)度和面積的計(jì)算誤差可以控制在百萬(wàn)分之一以內(nèi)；三維地表真實(shí)面積誤差可控制在十萬(wàn)分之一以內(nèi)，表面長(zhǎng)度誤差在百萬(wàn)分之一以內(nèi)。計(jì)算精度完全滿足地理國(guó)情數(shù)據(jù)分析和成果應(yīng)用、決策支持的精度要求。

 

　　針對(duì) 海量地理國(guó)情數(shù)據(jù)分析處理的現(xiàn)實(shí)需求，趙翔提出了基于分布式高性能計(jì)算技術(shù)的地理國(guó)情數(shù)據(jù)并行化分析計(jì)算算法。通過(guò)數(shù)據(jù)分解和計(jì)算任務(wù)分解等策略，將海量數(shù)據(jù)和計(jì)算任務(wù)分發(fā)到不同計(jì)算集群中的不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，充分發(fā)揮高性能集群的計(jì)算能力，提高 地理國(guó)情數(shù)據(jù)分析效率。在有限的計(jì)算機(jī)硬件支持下，趙翔提出的算法僅用16臺(tái)8核工作站集群，基于目前我國(guó) 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(fèi)5天時(shí)間即完成了全國(guó)陸地地理國(guó)情要素三維表面面積等基本統(tǒng)計(jì)特征指標(biāo)的高效率計(jì)算。

 

　　地理國(guó)情統(tǒng)計(jì)分析軟件

 

　　為了更好的服務(wù)于地理國(guó)情普查、監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)的分析和決策應(yīng)用，由趙翔設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的地理國(guó)情統(tǒng)計(jì)分析軟件系統(tǒng)被第一次地理國(guó)情普查辦公室采用，并應(yīng)用于全國(guó)第一次地理國(guó)情普查統(tǒng)計(jì)分析工作中。該軟件完成了對(duì)全國(guó)第一次地理國(guó)情普查成果數(shù)據(jù)庫(kù)中2.7億個(gè)復(fù)雜地理國(guó)情要素的統(tǒng)計(jì)和全國(guó)2849個(gè)縣級(jí)行政單元、4萬(wàn)多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地理國(guó)情要素?cái)?shù)據(jù)的高精度、高性能匯總與分析；有效保障了我國(guó)第一次地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的精度和可靠性，并獲得了相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的高度評(píng)價(jià)。該項(xiàng)工作也是我國(guó)首次利用高精度數(shù)字地形數(shù)據(jù)，完成對(duì)全國(guó)陸地國(guó)土要素三維表面面積的高精度量算，為國(guó)土空間規(guī)劃管理決策提供了 、權(quán)威的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 

　　為表彰武漢大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)在地理國(guó)情統(tǒng)計(jì)分析與決策支持方面所做出的貢獻(xiàn)，劉耀林院士團(tuán)隊(duì)獲得了2016年度的測(cè)繪科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。趙翔由于其在高性能、高精度地理國(guó)情分析算法和軟件開(kāi)發(fā)方面的貢獻(xiàn)，在該獎(jiǎng)項(xiàng)獲獎(jiǎng)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(jìn)教育、醫(yī)療等基本公共服務(wù)設(shè)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(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)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(wù)的數(shù)量和質(zhì)量，并直接關(guān)系到社會(huì)公平。

 

　　針對(duì)城鄉(xiāng)規(guī)劃中的設(shè)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(jié)合地理信息技術(shù)，提出了一個(gè)通用的地理空間優(yōu)化建�？蚣�。該框架包括了許多可擴(kuò)展算法和工具，能夠根據(jù)規(guī)劃決策目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算自動(dòng)獲取面向特定設(shè)施規(guī)劃選址決策問(wèn)題的最優(yōu)設(shè)施布局方案，從而幫助城鄉(xiāng)規(guī)劃師尋找到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益最大而建設(shè)和運(yùn)營(yíng)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(gòu)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)靈活、可擴(kuò)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(chǔ) API 輕松開(kāi)發(fā)自己的特定問(wèn)題應(yīng)用程序插件，將自己的模型和知識(shí)集成到工具中，以解決他們遇到的特定空間優(yōu)化問(wèn)題。

 

　　面向設(shè)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(dǎo)下，武漢大學(xué)的4名本科學(xué)生將該軟件應(yīng)用到5G通信基站的選址布局優(yōu)化研究中。通過(guò)對(duì)通用空間優(yōu)化模型框架的改進(jìn)，學(xué)生們成功的開(kāi)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(dòng)搜索能夠使通信基站有效服務(wù)覆蓋最大化的選址方案。在最大化通信基站有效服務(wù)覆蓋的同時(shí)可以有效降低5G通信基站的部署和運(yùn)營(yíng)成本。該項(xiàng)成果于2019年獲得第十七屆全國(guó)高校GIS大賽分析組 的一等獎(jiǎng)，并獲得國(guó)家發(fā)明專利和澳大利亞專利授權(quán)。研究成果同時(shí)發(fā)表在國(guó)際權(quán)威刊物上。

 

　　三、土地利用主體的智能化建模仿真與國(guó)土空間規(guī)劃

 

　　長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)由于缺乏科學(xué)、合理的空間規(guī)劃體系，土地資源利用和國(guó)土空間開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了城鎮(zhèn)無(wú)序擴(kuò)張、耕地持續(xù)減少、土地利用低效，土地質(zhì)量退化和忽視農(nóng)民等主體意愿等問(wèn)題。相關(guān)問(wèn)題的出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅了國(guó)家糧食安全、生態(tài)文明建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

 

　　趙翔與團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的國(guó)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(shí)踐的基本共識(shí)。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(diào)查問(wèn)卷或者規(guī)劃專家經(jīng)驗(yàn)等途徑來(lái)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(wèn)題。

 

　　趙翔提出的基于土地利用時(shí)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(guó)當(dāng)前國(guó)土空間規(guī)劃編制的現(xiàn)實(shí)需求，趙翔提出了利用土地利用時(shí)空大數(shù)據(jù)和人工智能方法自動(dòng)提取土地利用過(guò)程中不同類型主體（農(nóng)民、開(kāi)發(fā)商、政府部門等）對(duì)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(yīng)用，不僅提高了國(guó)土空間規(guī)劃編制的工作效率，同時(shí)也有效增強(qiáng)規(guī)劃方案的合理性與可行性。相關(guān)研究成果目前也在湖北、廣東、山東和湖南等多個(gè)地方的國(guó)土空間規(guī)劃編制工作中得到了實(shí)際推廣和應(yīng)用；為國(guó)土空間規(guī)劃中的“三區(qū)三線劃定”和國(guó)土空間開(kāi)發(fā)格局的優(yōu)化提供了科學(xué)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(píng)。

 

　　針對(duì)我國(guó)鄉(xiāng)村振興國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施要求，當(dāng)前趙翔正帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)積極的將智能決策模型應(yīng)用于我國(guó)生態(tài)修復(fù)與全域土地綜合整治和耕地保護(hù)決策應(yīng)用中。通過(guò)智能模型的模擬與仿真，以期為我國(guó)快速城鎮(zhèn)化背景下的鄉(xiāng)村土地集約利用、耕地保護(hù)、鄉(xiāng)村人居環(huán)境整治提供科學(xué)、合理的決策依據(jù)，服務(wù)于國(guó)家鄉(xiāng)村振興、糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)。

 

　　四、智能化評(píng)價(jià)模型與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)

 

　　實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合國(guó)2030議程中最重要的目標(biāo)之一。因此，綜合評(píng)價(jià)區(qū)域土地利用和發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)規(guī)劃和管理決策具有重要意義。針對(duì)區(qū)域可持續(xù)評(píng)價(jià)中數(shù)據(jù)獲取難、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)難和缺少自動(dòng)化評(píng)價(jià)工具等問(wèn)題，趙翔分別從評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)獲取、智能化土地評(píng)價(jià)模型和自動(dòng)化評(píng)價(jià)軟件三個(gè)方面開(kāi)展了研究工作。

 

　　針對(duì)土地評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)獲取難題，趙翔充分利用武漢大學(xué)在遙感和地理信息方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別提出了基于衛(wèi)星遙感圖像、無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放大數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。通過(guò)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，有效緩解了針對(duì)大區(qū)域或者農(nóng)村區(qū)域土地評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏的問(wèn)題，為準(zhǔn)確、全面把握區(qū)域發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)價(jià)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

 

　　針對(duì)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)模型主觀性太強(qiáng)等問(wèn)題，趙翔提出了利用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法，自動(dòng)構(gòu)建土地利用影響因素和土地評(píng)價(jià)結(jié)果非線性評(píng)價(jià)規(guī)則，從而克服了依賴專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行土地評(píng)價(jià)帶來(lái)的主觀性和不確定性強(qiáng)的不足。

 

　　針對(duì)土地評(píng)價(jià)自動(dòng)化程度低，評(píng)價(jià)結(jié)果不方便使用等問(wèn)題，趙翔設(shè)計(jì)和研發(fā)了面向不同土地利用評(píng)價(jià)目的和決策場(chǎng)景的自動(dòng)化土地評(píng)價(jià)和評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)據(jù)管理軟件工具。通過(guò)插件技術(shù)集成不同類型的專業(yè)評(píng)價(jià)模型，用戶可以根據(jù)特定的評(píng)價(jià)場(chǎng)景從模型庫(kù)中選擇合適的模型，自定義評(píng)價(jià)過(guò)程，由軟件自動(dòng)完成評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)處理和分析。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)內(nèi)土地科學(xué)行業(yè) 權(quán)威的影響期刊《中國(guó)土地科學(xué)》上，該論文也被北京大學(xué)的林堅(jiān)教授認(rèn)為是2012年在土地利用與規(guī)劃信息領(lǐng)域的重要技術(shù)進(jìn)展之一。

 

　　五、科研成效和學(xué)術(shù)影響

 

　　趙翔長(zhǎng)期以來(lái)專注于國(guó)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(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和規(guī)劃開(kāi)發(fā)了系列自動(dòng)化和智能化的決策支持模型和軟件工具。2013年從武漢大學(xué)土地資源管理專業(yè)博士畢業(yè)后進(jìn)入武漢大學(xué)人文地理博士后流動(dòng)站工作，2015年正式入職武漢大學(xué)。2016年到美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)夏特洛分校的應(yīng)用地理中心訪問(wèn)，在美國(guó)合作導(dǎo)師的支持下，與美國(guó)林業(yè)部在高性能計(jì)算和紅樹(shù)林碳儲(chǔ)量等方面展開(kāi)了合作研究。

 

　　圍繞研究方向，趙翔先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題1項(xiàng)，中國(guó)博士后基金一等資助項(xiàng)目1項(xiàng)；此外，他還作為項(xiàng)目研發(fā)骨干，參與了導(dǎo)師劉耀林院士主持的多項(xiàng)國(guó)家863計(jì)劃，國(guó)家科技支撐計(jì)劃等 重大科研項(xiàng)目。另一方面，面向地方國(guó)土資源規(guī)劃管理和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展決策的現(xiàn)實(shí)要求，趙翔也在湖北、山東、廣東等多個(gè)省（市）承擔(dān)了地方自然資源與規(guī)劃管理部門的國(guó)土空間規(guī)劃、城鎮(zhèn)低效用地再開(kāi)發(fā)規(guī)劃、城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤等項(xiàng)目；通過(guò)承擔(dān)相關(guān)項(xiàng)目，將科研成果直接服務(wù)于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

 

　　在科研成果方面，趙翔在國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域權(quán)威刊物發(fā)表SCI/SSCI/EI/CSSCI等高水平論文30多篇，獲得國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利授權(quán)20件，申請(qǐng)軟件著作權(quán)登記10多項(xiàng)。趙翔的研究工作也在國(guó)際上得到了同行的關(guān)注和認(rèn)可。來(lái)自英國(guó)牛津大學(xué)的學(xué)者Tania認(rèn)為趙翔提出的利用人工智能方法自適應(yīng)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(guó)訪學(xué)期間開(kāi)展的關(guān)于紅樹(shù)林碳儲(chǔ)量估算的合作研究工作，被國(guó)際同行多次引用。經(jīng)相關(guān)同行的驗(yàn)證，他們的研究結(jié)果具有較高的精度。

 

　　在學(xué)術(shù)兼職和社會(huì)服務(wù)方面，趙翔是中國(guó)自然資源學(xué)會(huì)、中國(guó)地理學(xué)會(huì)、美國(guó)地理學(xué)家協(xié)會(huì)和IEEE等多個(gè)國(guó)內(nèi)外專業(yè)協(xié)會(huì)的會(huì)員，并于2019年被推選為中國(guó)自然資源大數(shù)據(jù)分會(huì)委員；他擔(dān)任了國(guó)家自然科學(xué)基金通訊評(píng)審專家，同時(shí)也獲邀為10多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊審稿。

 

　　鑒于趙翔在國(guó)土調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和規(guī)劃決策方面的貢獻(xiàn)，2014年來(lái)，他先后獲得由中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)頒發(fā)的國(guó)家測(cè)繪科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1次，中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)頒發(fā)的國(guó)家測(cè)繪地理信息科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1次、一等獎(jiǎng)1次、二等獎(jiǎng)1次，中國(guó)土地學(xué)會(huì)頒發(fā)的國(guó)土資源科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1次，河南省人民政府頒發(fā)的河南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次。

 

　　六、總結(jié)與展望

 

　　消除貧困和饑餓、減少居民在基本公共服務(wù)獲得方面的不平等、保障地球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的永續(xù)供給，實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)利用是聯(lián)合國(guó)2030可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要內(nèi)容，也是全人類在21世紀(jì)所共同面對(duì)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(hù)則是中國(guó)2035年社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展遠(yuǎn)景目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要支撐和保障，也對(duì)我國(guó)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(lái)，趙翔躊躇滿志：“人工智能、時(shí)空大數(shù)據(jù)、新型傳感器、數(shù)字孿生等新型技術(shù)的興起，為國(guó)土資源管理事業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。過(guò)去10年我國(guó)的國(guó)土資源管理在信息化方面取得了重要成就。展望未來(lái)，國(guó)土資源調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和規(guī)劃等工作在新興技術(shù)的推動(dòng)下將出現(xiàn)重大變革。我和我的團(tuán)隊(duì)，有信心在這個(gè)領(lǐng)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(wù)和支持”。（作者：陳明）