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JOURNAL OF NATURAL RESOURCES >

2022 , Vol. 37 >Issue 11: 2990 - 3004

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20221116

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A Geodesign framework for smart territory spatial planning: A case study for county-level comprehensive territory spatial planning

  • SONG Ming-jie , 1 ,
  • LU Xin-hai , 1 ,
  • PAN Fang-jie 2
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  • 1. College of Public Administration, Central China Normal University, Wuhan 430079, China
  • 2. School of Management, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China

Received date: 2021-11-01

  Revised date: 2022-05-23

  Online published: 2023-01-28

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Abstract

County-level planning is an essential component of China's "five-levels, and three-categories" territory spatial planning system. This paper builds a Geodesign framework for county-level comprehensive territory spatial planning based on the smart territory spatial planning ideology and requirements. The framework is established based on the classical Geodesign framework proposed by Carl Steinitz but with supporting methods and techniques supplemented. It mainly focuses on the procedure (steps), key problems, and methods and techniques for county-level comprehensive spatial planning problem-solving. Models are the core of the Geodesign framework. "Evaluation Model", which is constructed based on the "Ecological Civilization" ideology, focuses on regional ecological risk assessment. "Change Model" converts territory spatial planning to a multi-objective optimization problem to support intelligent decision-making, which combines quota limits with spatial management in county-level planning. "Impact Model" provides an approach for public participation in planning based on the "people-oriented" principle. The framework requires the support and combination of classical methods and novel techniques, including big data, internet, artificial intelligence and decision support system technology. The Geodesign framework contributes to methodological research on smart territory spatial planning and provides practical approaches for the planning ideology of "ecological civilization", "people-orientation", and "intelligent decision-making".

Key words： Geodesign; territory spatial planning; ecological civilization; people-oriented planning; intelligent decision-making

Cite this article

SONG Ming-jie , LU Xin-hai , PAN Fang-jie . A Geodesign framework for smart territory spatial planning: A case study for county-level comprehensive territory spatial planning[J]. JOURNAL OF NATURAL RESOURCES, 2022 , 37(11) : 2990 -3004 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20221116

党的“十九大”报告中明确提出建设“智慧社会”，要求充分利用物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术实现智慧化的产业发展、公共服务、规划建设、社会治理和政府决策[1]。国土空间规划是当前中国空间治理的重要手段。2019年5月，中共中央、国务院发布了《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》（以下简称《若干意见》），提出建立全国统一、责权清晰、科学高效的国土空间规划体系并监督实施。“智慧社会”建设的战略背景和空间规划体系改革的现实背景共同催生了“智慧国土空间规划”研究，使其成为土地、规划、地理、生态、景观和3S等领域关注的热点问题。在地理信息技术迅猛发展的背景下，西方学者提出了Geodesign（译为“地理设计”）的概念。2010年首届国际Geodesign峰会召开，标志着Geodesign作为一个新领域、新学科正式诞生[2]。Geodesign既是一种规划设计理念，也是一种规划支持技术，与中国的智慧国土空间规划存在诸多相似之处。自提出至今的十多年间，国内外学者在Geodesign的理论研究、框架构建、应用系统开发等方面取得了一系列研究成果，为中国智慧国土空间规划的理论研究和实践提供了重要借鉴。
《若干意见》明确了中国“五级三类”的国土空间规划体系。县级国土空间总体规划对县域范围内的国土空间保护、开发、利用和修复做出全局性的安排，它既是国家级、省级、市级规划落实的载体，也是详细规划、专项规划编制的依据[3,4]。县级规划偏重实施性，主要包括两个方面的内容与任务[5]：一是各类规划指标的分解与落地；二是国土空间用途管制分区及管制规则制定。划定“三区三线”是县域国土空间用途管制的核心任务，其划定应细化至地段、甚至是地块上。随着各地省级、市级国土空间总体规划的陆续公布，县级规划的编制与审查成为当前各地自然资源管理部门的工作重点。一方面，自然资源部尚未印发县级国土空间规划编制指南，已印发的省级、市级规划编制指南主要是明确规划内容、提出规划要求，但未提供完整的方法与技术指导；另一方面，学界关于国土空间规划的理论研究仍处于探索阶段，尚缺乏广泛认可并能够有效指导实施性规划编制的方法论[6⇓-8]。
在此背景下，本文面向县级国土空间规划编制的现实需求，在分析智慧国土空间规划与Geodesign异同性的基础上，构建Geodesign国土空间规划框架。该框架将丰富中国国土空间规划的理论与方法体系，为县级国土空间总体规划的编制提供理论、方法与技术支持。

1 智慧国土空间规划与Geodesign研究进展

1.1 智慧国土空间规划研究进展

“智慧社会”和“生态文明”建设的战略背景、空间规划体系改革的现实背景、以及物联网、大数据、云计算、人工智能等迅猛发展的技术背景共同催生了智慧国土空间规划研究。学界和业界主要从内涵解析、框架构建、支撑技术体系研究、系统开发与应用等方面开展了研究与实践（表1）。
表1 智慧国土空间规划研究进展

Table 1 Summary of research on smart territory spatial planning

研究视角 研究内容与文献
内涵解析 ◆ 2018—2019年，国土空间规划一系列学术会议提炼了“可感知、能学习、善治理、自适应”智慧国土空间规划内涵[9]
◆ 甄峰等[10]认为智慧国土空间规划是通过信息技术在国土空间规划的现状分析评价、方案编制、监测管理与评估等全过程中的综合应用，实现人本化、数字化、智能化的规划过程
◆ 张鸿辉等[9]提出智慧国土空间规划是以“生态优先、高效协同、集约发展、精细治理”为原则，覆盖规划编制、审批、实施、监测、评估、预警的全过程
框架构建 ◆ 甄峰等[10]构建了以生态文明为基础、以人为本为核心、以技术集成应用和制度创新为支撑的总体框架（EPTI）
◆ 孔宇等[11]基于“生态文明”和“以人为本”理念，从智能感知与收集、智能分析与处理、智能评估和智能决策四个方面，构建了智能技术辅助市（县）国土空间规划的技术框架
◆ 上海数慧系统技术公司构建了由感知体系、数字空间、学习体系、治理体系和协同生态构成的总体框架
◆ 张鸿辉等[9]提出以指标设计为基础、以规则制定为手段、以算法研制为核心、以模型研究为支撑的框架构建思路
支撑技术体系 ◆ 秦萧等[12]探讨了大数据在国土空间规划中的重点应用领域及在规划编制中的应用方法
◆ 张鸿辉等[9]提出智慧国土空间规划以“ABC”“3S”“3P”技术为支撑
包括业务体系、数据体系、指标模型体系、技术体系和应用体系
系统开发与应用 ◆ 清华同衡与ESRI合作研发国土空间规划“一张图”实施监测信息系统
并进行案例实践

1.2 Geodesign 研究进展

2010年，首届Geodesign峰会在美国召开，标志着Geodesign作为一个集风景园林、建筑设计、城市与区域规划、GIS于大成的新领域、新学科的正式诞生。关于Geodesign的研究包括内涵解析、框架构建和应用系统开发三个方面（表2）。
表2 Geodesign研究进展

Table 2 Summary of research on Geodesign

研究视角 研究内容与文献
内涵解析 ◆ 广义视角：Steinitz[13]认为Geodesign是将规划方案的形成同规划区的环境要素结合起来的规划设计理念，核心是通过设计来改变环境。Goodchild[14]认为Geodesign是建立在空间分析上的规划设计
◆ 狭义视角：Flaxman[15]认为Geodesign是集成环境信息并能提供实时分析和反馈的规划设计方法或支持技术
◆ 综合视角：理念上强调“生态保护，人地和谐”；形式上强调规划设计的全过程评估；技术上借助GIS和计算机技术进行地理分析、场景模拟和影响评价，实现智能决策[16]
框架构建 ◆ Steinitz[13]构建了以“四类人、六模型、三循环”为骨架的经典Geodesign框架
◆ 俞孔坚等[17]构建了区域生态安全格局Geodesign框架
◆ Goodchild[14]基于GIS构建了平衡货物运输和环境保护关系的海洋生态保护Geodesign框架
◆ 金贤锋等[18]面向我国城乡规划的需求，构建了包括地理调查、地理分析、地理评估、地理设计四个环节和地理数据库、地理分析模型库、地理标准规范三个模块的Geodesign框架
◆ Wu等[19]基于“洪水弹性城市”理念，构建了以“三模块、九环节”为骨架的Geodesign框架
应用系统开发 ◆ 亚利桑那大学景观设计研究团队基于Geodesign和ARCGIS平台，开发了保护野生动物的ADM规划设计工具[20]
◆ 新加坡中央商务区复兴规划中，规划部门同ESRI公司合作开发了SSIM平台，用于模拟不同规划场景下的能源消耗及其经济、社会和商业效益[21]
◆ 清华地理设计平台（THGeoDesign）参考Geodesign的架构，提供了基于ArcEngine的城乡规划支持系统[22]

1.3 Geodesign与智慧国土空间规划比较

Geodesign与智慧国土空间规划具有诸多相似性。二者既是规划理念，也是规划支持技术；二者具相似的规划理念，包括“生态文明”“以人为本”“智能决策”等（图1）。
图1 智慧国土空间规划与Geodesign的相似性

Fig. 1 Similarity of smart territory spatial planning and Geodesign

首先，“生态文明”理念是二者共同的基础与出发点。尽管Geodesign正式提出的时间较晚，早在20世纪60年代，一些景观规划、环境规划专家为了应对经济社会发展所带来的环境问题已经提出了“将规划设计与当地环境相结合”的思想[23]。这种思想与中国的“生态文明”建设理念同根同源。智慧国土空间规划以“生态文明”理念为基础，要求在“人与自然和谐共生”的价值准则引导下，统筹国土空间保护与开发，优先保护生态空间，科学安排生产、生活空间，支持国土空间的高质量、可持续发展[6,10]。
其次，“以人为本”是二者共同的目标与落脚点。Geodesign以满足人的需求、特别是利益相关者的需求为规划设计的目标，构建了由利益相关者提出规划需求、参与规划过程、实时反馈意见、审核规划方案的规划流程[13]。“以人为本”是智慧国土空间规划的核心与目标，中国学者提出了两种“人本化”规划理念的实现路径。一是坚持“开门编规划”，构建并不断完善公众参与国土空间规划的机制，让公众参与规划过程、监督规划实施、共享规划成果[24]；二是加快规划方法与技术革新，包括构建人居环境适宜性评价指标体系并应用于国土空间规划[25]，探索将人类活动、行为、情感等大数据应用于国土空间规划的路径与方法等[12,26]。
最后，“智能决策”是二者对实现方法和技术的共同要求。Geodesign的正式产生与迅猛发展得益于现代地理空间技术、特别是GIS技术的应用与推广[14]。基于GIS技术开发Geodesign平台，设计空间分析、场景模拟、影响评价等决策支持工具是Geodesign应用研究的主要方向[20⇓-22]。类似地，实现国土空间规划编制、审批、实施、监测、评估、预警等全过程的智能化决策是中国智慧国土空间规划的长远目标，而基于GIS开发决策支持工具是长远目标实现的基础。
虽然Geodesign与智慧国土空间规划存在诸多相似处，但二者也存在显著差异。
智慧国土空间规划面向中国的现实需求，关注规划编制、审批、实施与监测、评估与预警的全流程。当前，相关研究主要是对涵盖全流程的总体框架以及技术支撑体系的探讨，但对规划各环节的深挖研究尚不足。另外，关于决策支持平台的研究还处于研发和案例实验阶段，尚缺乏可以在全国范围内推广的成果。
Geodesign侧重于规划编制的过程，强调规划过程中的利益相关者参与、地理空间建模、规划影响评估与实时反馈。Geodesign的理论与应用研究几乎同时进行，既有面向不同领域、不同项目需求的应用框架设计与决策支持平台开发[20⇓-22]，也有关于方法论的探索，最具代表性的方法论研究成果是Steinitz[13]构建的经典Geodesign框架。该框架以“四类人、六模型、三循环”为骨架，包括本地居民、地理科学家、信息技术人员和规划设计人员在内的四类人相互协作，通过对“表达模型”“过程模型”“评价模型”“变化模型”“影响模型”和“决策模型”的三次循环，制定规划方案（图2）。该框架对Geodesign规划设计的完整过程进行了系统阐述，可看作一种独立于规划场景与技术的方法论，为“生态文明”“以人为本”“智能决策”理念下的国土空间规划方法论构建提供了参考。但是，从已报道的文献来看，尚缺少Geodesign与智慧国土空间规划的结合和融合研究。
图2 Steinitz[13]提出的经典Geodesign框架

Fig. 2 Classical Geodesign framework proposed by Steinitz[13]

2 Geodesign国土空间规划框架构建

2.1 总体思路

本文面向县级国土空间总体规划编制的需求，在借鉴和拓展经典Geodesign框架的基础上，构建Geodesign国土空间规划框架。
经典Geodesign框架聚焦规划过程，构建了“表达模型”“过程模型”“评价模型”“变化模型”“影响模型”和“决策模型”六个概念模型，讨论了每个模型表达的信息和解决的问题，但未涉及技术与方法体系探讨。本文继承经典框架的“六模型”构建思想，拓展技术与方法体系研究，面向智慧国土空间规划生态化、人本化和智能化的要求，剖析各模型需要解决的关键问题，提出解决问题的具体分析方法与支持技术，探索由概念模型向数学模型的转化路径。
“生态文明”是智慧国土空间规划的基础，优先保护生态空间是规划编制的首要原则。在此原则下，国土空间规划可转化为生态风险评价与管控问题[27⇓-29]：国土空间规划应当尽可能降低人类活动对生态系统带来的负面影响，避免和预防生态风险的发生，保障生态安全。“以人为本”理念下，国土空间规划应面向利益相关者的需求，考虑规划方案对当地居民生产、生活产生的影响。在规划编制过程中应设计公众参与机制，让公众参与规划过程、了解规划方案及其影响并给出实时反馈。“智能决策”要求在规划框架搭建的基础上构建决策分析模型、研制智能算法、开发决策支持系统，实现科学化、智能化的决策过程。

2.2 模型构建

本文继承经典 Geodesign 框架的模型构建思想，构建“表达模型”“过程模型”“评价模型”“变化模型”“影响模型”和“决策模型”六个模型，每个模型对应国土空间规划编制的一个阶段。面向县级国土空间总体规划的特定情景，对各模型需要解决的具体问题、主要任务及分析方法进行探讨（表3）。
表3 Geodesign 国土空间规划框架的“六模型”：关键问题、主要任务与分析方法

Table 3 "Six Models" in the Geodesign framework for territory spatial planning: Questions, tasks and methods

模型 关键问题 主要任务 分析方法
表达模型 如何描述国土空间系统 将国土空间看作是由生态空间、农业空间和城镇空间共同构成的系统，关注各类空间的规模与空间布局 从生态、农业、城镇三类空间的用途角度，对土地利用类型归并分类
过程模型 国土空间系统在过去一段时期内的运行状态如何 研究过去一段时期（10~15年）内，人口增长、经济发展、产业发展的趋势，以及与城镇、农业、生态三类空间规模的配比与演化趋势，对规划期内（中期、长期、远景）人口增长、产业与经济发展的趋势进行预测，并据此估算农业生产、城镇开发的用地需求 时间序列分析、多元回归分析等、系统动力学方法等
评价模型 国土空间系统当前的运行状态如何 基于“生态文明”理念，对国土空间开发与保护现状进行评价，诊断当前国土空间利用中存在的问题。 重点关注农业生产、城镇开发活动，以及自然灾害对生态系统及其服务功能的干扰，并由此产生的生态风险，识别风险源和风险区域，诊断风险成因与强度 GIS空间分析、国土空间生态风险评价
变化模型 国土空间系统可能的变化（优化）方案有哪些 以降低国土空间生态风险（生态风险最小化）、提高国土空间开发适宜性为规划目标（国土空间开发适宜性最大化），并考虑区域资源环境承载力与上级规划的控制性与预期性指标，构建多目标规划模型，求解多目标规划问题，生成国土空间规划备选方案，主要是各规划期限内不同发展与保护情境下，农业、城镇、生态三类空间的布局方案。另外，生态空间连通、农业空间集中连片、城镇空间紧凑集约等空间规划目标也可以转化为目标函数 多目标规划、人工智能优化算法（包括遗传算法、蚁群算法、退火算法等）
影响模型 备选方案将产生怎样的影响 对国土空间规划备选方案可能产生的影响进行评价。基于“以人为本”的理念，重点关注规划方案对当地居民的生产、生活产生的影响 多准则决策分析、GIS空间分析
决策模型 如何做出合理的规划决策 制定国土空间规划方案，主要包括国土空间规划分区图、“三区三线”划定图、生态系统保护规划图、农业空间规划图、城镇（乡）体系规划图等。制定规划编制与实施的保障机制，包括政策、法规、制度与技术保障等

2.3 规划流程设计

规划流程的设计要兼顾“人本化”规划理念与中国现实国情。在经典Geodesign框架中，由利益相关者（公众）提出规划要求、全程参与规划过程、审核规划方案。这种参与方式对公众的规划知识、参与意识以及政府的保障机制均有很高的要求，在中国当前国情下的实施难度较大。本文基于“政府组织、专家主导、公众参与、多元协作、实时反馈”的理念，构建由政府提出规划需求、审核规划方案，由专家主导规划过程，由公众参与方案评估和反馈的工作方式（图3）。
图3 Geodesign国土空间规划框架与决策支持系统原型

Fig. 3 The Geodesign framework for territory spatial planning with the prototype of decision support system

具体来说，政府负责提出规划要求、组织规划实施。专家在“六模型”实施中起主导作用，负责模型实施中的方法设计、参数选择与结果评价与反馈。专家在过程分析、现状评价与问题诊断的基础上，综合考虑区域生态风险管理、资源环境承载力、国土空间开发适宜性等规划目标与资源环境限制，构建多目标规划模型并求取最优解，提出国土空间规划备选方案；对备选方案影响进行评价，并将评价指标与结果呈现给公众。公众参与到“影响模型”的评价与反馈工作中，根据备选方案对自己的生产、生活以及生态环境可能产生的影响对其做出反馈。另外，在“六模型”的实施过程中，采取可逆化的推进方式，“六模型”的输出结果将实时呈现给政府、专家或者公众，并根据其反馈确定是继续向下一阶段推进还是返回上一阶段对模型、方法和参数进行修改。该流程框架一方面充分发挥政府职能、运用专家知识，保障规划的科学性，提高规划编制的效率；另一方面，降低了公众参与的难度，提高了公众参与的有效性。

2.4 决策支持系统原型构建

面向“智能决策”的智慧国土空间规划要求，本文构建由模型库、问题库、数据库、知识库和方法库共同构成的决策支持系统框架原型。模型库是决策支持系统的核心。模型库集成“六模型”，连接问题库、数据库、方法库和知识库，以模型库为媒介，链接流程框架与决策支持系统，搭建Geodesign平台，辅助规划决策，实现智能化的决策过程（图3）。

2.5 方法与技术支撑体系

Geodesign国土空间规划框架需要传统技术与新兴技术的共同支持（图4）。一方面，分析国土空间的运行过程、评价国土空间的利用现状、评价国土空间规划的影响仍然需要传统数据与传统方法的支持，包括统计数据、基础地理信息数据、统计分析方法、GIS空间分析方法、多准则决策分析等。另一方面，大数据、互联网、人工智能、决策支持系统等新兴技术更是Geodesign国土空间规划框架的重要技术支撑。
图4 Geodesign国土空间规划框架的方法与技术支撑体系

Fig. 4 Method and technique support system of the Geodesign framework for territory spatial planning

大数据克服了传统数据时效性差、覆盖面窄、对统计单元依赖性强等缺点，在城镇开发适宜性评价中具有独特优势。借助表征人类活动位置、轨迹、情感的大数据以及企业、商业、公共服务设施等POI数据，评价不同时空尺度下的人地关系及其演化特征，可以更加全面与精准地识别适宜城镇开发的空间。
互联网技术是智慧国土空间规划的核心技术支持。首先，互联网是大数据的主要来源。其次，基于互联网构建国土空间规划“一张图”实施监督信息系统，统一和共享规划基础数据，支持国土空间规划的编制、审批、实施、长期监测与预警，是智慧国土空间规划的重要特征与要求。再次，依托互联网搭建国土空间规划公众参与平台，是落实“以人为本”规划理念的重要途径；公众通过扫二维码等便捷的方式登录平台，表达意见与建议，参与国土空间规划编制与监督。
智能决策是智慧国土空间规划的重要特征，而决策支持系统和人工智能是智能决策实现的技术支撑。决策支持系统技术将人的知识、经验同计算机强大的运算能力相结合，以人机对话的形式解决问题，用户通过交互语言系统把规划问题的要求与相关描述输入系统，系统通过数据库、问题库、模型库、方法库、知识库和会话部件组合与协作，以自动化和流程化的方式给出一类“满意解”，让用户选择与决断，辅助规划决策。在Geodesign国土空间规划框架中，“变化模型”将县级国土空间规划转化为多目标规划问题，问题涉及的决策变量多、数据量大、空间关系复杂，传统的数学算法无法有效地找到“满意解”。在此情况下，需要运用遗传算法、蚁群算法、退火算法等人工智能优化算法搜索多种规划情境下的“满意解”，再由用户对“满意解”进行比较与选择，做出科学的规划决策。

3 结果分析

3.1 Geodesign国土空间规划框架的特色与优势

3.1.1 践行“生态文明”理念，辅助国土空间生态修复规划

人与自然和谐共处的“生态文明”理念是智慧国土空间规划的基础。当前的国土空间规划主要通过资源环境承载力评价和国土空间开发适宜性评价，识别国土空间利用中的冲突与风险[30⇓-32]。该方法没有从理论上梳理人类活动、生态系统与国土空间规划三者的关系，无法对人类活动影响下的生态风险做出全面评估与诊断，并在此基础上提出国土空间优化策略。因此，该方法尚不能满足“生态文明”理念下国土空间规划与国土空间生态修复规划的要求。本文构建了人类活动、生态系统、国土空间规划三者的关系框架（图5），并在此框架基础上构建国土空间生态风险评价模型作为Geodesign框架的“评价模型”（图6）。
图5 人类活动、生态系统与国土空间规划的关系框架

注：图中灰色箭头表达人与自然冲突下的恶性循环模式，黑色箭头表达国土空间规划引导下人与自然和谐共生的良性循环模式。

Fig. 5 The relationship of human activity, ecosystem, and territory spatial planning

图6 国土空间生态风险评价模型

Fig. 6 Spatial ecological risk assessment model

人类社会与生态系统相互依存、相互影响。生态系统服务是链接人类社会系统和生态系统的纽带，人类的生存与发展依赖于生态系统提供的供给、调节、支持、文化等服务[33,34]。人类不合理、高强度的生产、生活活动，如耕作、放牧、工业生产、采矿、城镇建设等，会对生态系统产生负面影响，导致生态系统退化，进而减少生态系统为人类提供的服务，最终对人类社会的发展产生负面的影响。 在“生态文明”的理念下，人类合理利用和保护生态系统，生态系统为人类提供源源不断的服务，人与自然和谐共生。国土空间规划是“生态文明”理念的重要实现路径。国土空间规划通过对人类活动的规划与管理，引导人们科学保护、合理利用生态系统及其所提供的服务。生态风险评价可作为国土空间规划中“生态文明”理念的践行路径，通过生态风险评价，识别风险区域、诊断风险因子、修复受损空间，引导国土空间合理开发、科学保护[35]（图5）。
Geodesign国土空间规划框架将国土空间利用现状评价转化为生态风险评价问题，构建国土空间生态风险评价模型（图6）。以人类活动为风险源，生态系统为风险受体，生态系统服务为评价终点[36-37]。综合风险源的危险性、生态系统的易损性与生态系统服务重要性，评价国土空间生态风险，分析生态风险的时空变化特征与驱动因素，识别风险区域，诊断风险成因，为国土空间格局优化提供基础，也为生态修复项目选址以及修复方案的制定提供依据。生态系统易损性可应用“双评价”中的生态敏感性评价结果，生态系统的潜在损失可应用“双评价”中的生态系统服务功能重要性评价结果。但是，自然资源部发布的“双评价”技术指南只提供了水土流失、沙漠化、石漠化、海岸侵蚀四项生态敏感性评价因子，以及生物多样性维护、水源涵养、水土保持、防风固沙四项生态系统服务评价因子[32]。在国土空间生态风险评价中，应根据县域的具体情况进行选择与增补。

3.1.2 面向“实施性”规划要求，衔接指标约束与空间管制

县级国土空间总体规划有两个中心任务：一是指标落实，即将各类规划指标在县域分解与落地；二是空间管控，包括划定用途管制分区和制定管制规则[5]。划定“三区三线”是国土空间用途管制的主要途径。作为偏重“实施性”的规划，县级国土空间总体规划需要把一定规模的生态、农业、城镇规模指标落实到地段、甚至地块，并且明确生态保护红线、永久基本农田保护红线、城镇开发边界的空间范围和坐标界线。另外，国土空间规划对生态、农业和城镇空间的布局形态也有要求，包括生态空间连通，农业空间集中连片，城镇空间紧凑节约等。对“双评价”结果进行空间叠置分析，并在专家知识的辅助下修正叠置分析的结果是目前划定“三区三线”的主流方法[30,31]。该方法一方面受专家知识和主观意识影响显著，另一方面无法很好地解决指标约束与空间管控的衔接问题。
Geodesign国土空间规划框架中，“变化模型”将国土空间规划转化为多目标规划问题。以地块为基本规划单元，以地块用途类型为决策变量，将国土空间开发适宜性最大化、生态风险最小化等作为目标函数，将生态空间连通、农业空间集中连片、城镇空间紧凑节约等也转化为目标函数，将资源环境承载力、城镇开发规模，永久基本农田面积等规模限制作为约束条件。通过求解多目标规划问题，获得国土空间规划方案。该方法一方面充分利用了“双评价”成果，另一方面弥补了“双评价”叠置分析方法的不足，可以有效地解决指标约束与底线约束的衔接问题，以及生态空间、农业空间、城镇空间的布局形态问题。另外，落实到地块的国土空间规划方案也较好地满足了县级国土空间规划的实施性要求。

3.1.3 落实“以人为本”理念，构建公众参与机制

当前，国土空间规划主要采取政府组织、专家主导的工作方式：由政府提出规划要求、组织规划实施；专家根据国土空间利用现状、区域发展目标与趋势，以及上级政府下达的指标约束编制国土空间规划[10,24]。规划主要着眼于当前国土空间保护与开发格局的优化，以及对未来发展的约束与引导，而对规划方案未来可能产生的影响预见不足。在规划编制过程中，公众参与度不高。一些地方政府也通过听证会的方式组织公众参与规划方案评估。但是，由于公众缺乏专业知识，仅仅依据专业的规划图与规划报告无法全面了解规划方案对他们生产、生活可能产生的影响，因此无法对规划方案做出有效反馈[38,39]。Geodesign框架对国土空间规划的影响进行评价，“变化模型”给出不同发展和保护情境下的国土空间规划备选方案；“影响模型”评价备选方案的社会经济影响与生态影响，特别是对公众生产、生活的影响，并将评价结果呈现给公众。若公众给出负面反馈，专家回到前置模型（“过程模型”“评价模型”“变化模型”） 对方法、参数等进行改进，这种规划方案实时评估和公众参与反馈机制落实了“人本化”的规划理念。另外，规划方案的影响评价结果作为专业规划图与规划报告的补充，降低了公众参与的难度，有助于提高公众参与的有效性。

3.2 Geodesign国土空间规划框架应用的难点

3.2.1 模型的复杂性与智能化权衡

“变化模型”将国土空间规划转化为多目标规划问题，理论上可以将生态空间连通、空间集中连片、城镇空间紧凑节约等问题转化为目标函数，通过数学函数进行表达，并利用人工智能优化算法求解，获得规划方案。相关研究在国内外学术期刊上也多有报道[40⇓⇓⇓⇓-45]。但是，当这些空间规划目标转化为数学函数时，目标函数数量的增加、函数的非线性和决策变量的增多都会增加问题的复杂性。虽然遗传算法、退火算法、蚁群算法、人工免疫算法等人工智能算法在解决空间优化问题中有独特优势，但当涉及空间连通性、紧凑型、破碎度等问题时，需要算法开发人员根据目标函数和规划情景进行“知识化”的运算因子设计，以提高算法的有效性和效率[40⇓⇓⇓⇓-45]。在实际应用中，决策者需要在模型、算法的复杂性与决策智能化之间作权衡。复杂的函数与算法可以减少决策过程对专家知识的依赖，提高决策智能化水平，但函数构造和算法设计需要花费较长时间，算法运行对计算机软件和硬件的要求也更高。

3.2.2 规划影响评价的指标体系构建

“影响模型”对国土空间规划可能产生的经济、社会与生态影响进行评估，评估结果不仅面向政府、专家，也面向公众。政府着眼于国土空间规划方案是否能满足未来一段时期内本县（市、区）社会经济发展与生态保护的总体需求，以及是否符合上级下达的指标约束，主要关注国土空间利用宏观指标及其变化[24]。公众则更关心国土空间规划对个人生产、生活带来的影响，包括能否给生产活动带来便利或提升生活质量，但是对宏观统计指标的感知性不强[38,39]。本文面向政府与公众不同需求与关注点，分别构建面向政府和面向公众的“影响模型”的评价指标体系（表4）。考虑到生态、农业和城镇三类空间的用途管制是县域国土空间规划的核心问题，分别针对三类空间构建评价指标体系。
面向政府的评价指标体系构建主要参考《市级国土空间规划总体规划编制指南》[46]。面向公众的评价指标构建旨在提高公众对指标的感知度和理解度，主要有三种思路：一是缩小指标统计的单元，例如，用人们熟悉的小范围区域（如社区、村等）代替大范围的统计单元（如县、乡镇等）；二是将空间指标转化为“时间+空间指标”，例如，用公园绿地步行5分钟覆盖范围代替绿地覆盖率指标；第三，以“图文并茂”的方式表达指标，例如，制作社区紧急避难场所位置图、公园绿地步行5分钟覆盖范围图等。
表4 国土空间规划影响评价指标体系

Table 4 Indicator system for evaluating the impact of territory spatial planning

指标类型 面向政府的评价指标 面向公众的评价指标
城镇空间 城镇开发边界规模、城镇建设用地总规模、城镇道路网密度、城镇绿地覆盖率、中心城区公园绿地步行5分钟覆盖率、城镇人均应急避难场所面积 各社区人均居住面积、各社区道路网密度、各社区绿地覆盖率、社区紧急避难场所位置与面积（图）、公园绿地步行5分钟覆盖范围（图）、教育、卫生、养老、文化、体育等社区公共服务设施步行15分钟覆盖范围）
农业空间 永久基本农田面积、永久基本农田储备区规模、农村建设用地总规模、人均农村建设用地面积、农村道路网密度、耕地保有量、建设用地占用耕地规模、补充耕地量 各村人均耕地（园地、林地）面积、各村人均永久基本农田面积、各村耕作距离、各村户均宅基地面积、各村集体建设用地规模、各村道路密度、各村公共活动空间面积、各村小公园数量、各村土地复垦（补充耕地）面积
生态空间 生态保护红线面积、森林覆盖率、湿地面积、林地保有量、生态修复国土空间面积 县域内森林公园数量、湿地公园数量、森林（湿地）公园30分钟车程覆盖范围
其他 常住人口规模、用水总量、人口城镇化率、土地城镇化率、国土空间开发强度

4 结论与展望

Geodesign与智慧国土空间规划既是规划理念，也是规划支持技术。本文基于“生态优先”“以人为本”“智能决策”的智慧规划理念，继承经典Geodesign框架的“六模型”设计思想，构建了Geodesign国土空间规划框架，并拓展了方法与技术支撑体系研究，为中国县级国土空间总体规划的编制提供了理论、方法与技术支持，丰富了智慧国土空间规划的方法论研究。Geodesign框架提供了国土空间生态风险评价模型和面向公众的规划影响评价指标体系，贡献了“生态文明”和“以人为本”规划理念的实践路径。
虽然本文构建的Geodesign框架主要服务于县级国土空间总体规划的编制，但是框架提供的规划理念、流程、模型、及决策支持系统原型对其它层级的国土空间总体规划及专项规划、详细规划的编制也具有指导意义。当应用于其他规划情景时，需要对“六模型”解决的关键问题与核心任务进行具体分析。
本研究也有一定局限性。首先，国土空间规划覆盖规划编制、审批、实施、监测、评估、预警的全过程，而本文所构建的Geodesign框架只着眼于规划编制环节，而不能支持其它环节的规划决策。其次，“变化模型”将国土空间规划转化为多目标规划问题，应用人工智能优化算法生成国土空间优化方案。该方法目前只在个别案例研究中有应用，尚未在规划实践中广泛推广，其有效性高度依赖于数学模型的构造与算法的设计，而二者均需要在实践中进一步探索与完善。再次，“影响模型”提供了公众参与国土空间规划的思路与方法。然而，当前中国公众参与规划的意识不强，组织、监督和保障公众参与的机制尚不健全。公众参与意识与能力的培养、相关支持与保障机制的完善是Geodesign国土空间规划框架应用与推广的前提之一。最后，决策支持系统的实现决定Geodesign框架能否在国土空间规划实践中得到广泛应用。本文提出了决策支持系统的框架原型，但是，由于在计算机和信息技术领域的专业知识有限，尚未对系统实现的具体技术进行深入探讨，决策支持系统的开发仍需要自然与社会科学家、规划设计人员、信息技术人员的通力协作。

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