基于市政綜合監管信息的城市生態系統復雜性分析

董仁才，茍亞青，劉 昕

(中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085)

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市生態環境問題日益突出［1-3］。城市管理者亟需找出有效的城市管理途徑，以在急速增長的人口、經濟壓力下維持城市生態系統的健康、可持續發展。作為管理對象的城市生態系統是由城市居民與其周圍環境組成的一種特殊的人工生態系統，它是以人類生活和生產為中心，由居民和城市環境組成的社會-經濟-自然復合生態系統［4-6］。隨著城市的不斷發展，城市生態系統中息息相關、緊密相連的社會、經濟、自然三個子系統的關系日益復雜，城市生態系統管理的內容也更趨繁雜。

城市生態系統從組成上來看，是城市居民與其環境相互作用形成的復雜網絡結構，從格局、過程與功能關系上來看同樣具有高度的復雜性。在這樣一個復雜巨系統中，人工生態環境與城市生態系統其它組分間通過生命代謝作用、投入產出鏈、生產消費鏈進行物質交換、能量流動、信息傳遞等相互作用、互相制約，從而產生各種尺度上的生態環境問題［7-8］。隨著我國城市建設突飛猛進，人類活動對生態系統的干擾范圍、強度和頻率不斷擴大。因為對現代城市系統性、復雜性認識的不足與管理的不當，帶來了一系列“城市病”問題，城市環境管理的相對滯后幾乎成為各個國家、各個城市廣泛面臨的巨大挑戰［9-10］。一個保持良性循環的城市生態系統，其城市建設、經濟建設和環境建設也呈現出協調發展的格局，反之亦然。如何辨識、簡化和調控城市生態關系，把生態關系的復雜性轉化為人類社會的可持續性，以實現城市生態系統管理的精細化、標準化和動態化已成為全球關注的焦點［11］。城市生態系統的復雜性不但直接體現在其自然、經濟和社會三個子系統的結構和過程中，也通過許多市政綜合管理要素和過程被體現出來。

有效的城市生態系統管理體系需要建立在對城市生態系統復雜性的充分了解和深入研究基礎上。對城市生態系統復雜性進行研究，能為研究城市生態系統演化機制、城市生態系統模擬和評價、城市生態系統恢復與規劃等提供理論基礎，是城市生態系統管理科學性、有效性的保證［8］。目前對城市生態系統復雜性理論的研究多涉及城市空間結構、某一子系統(如交通子系統)，其應用主要包括城市生態系統模型的構建、城市生態健康評價、土地利用生態適宜性評價、河流綠地生態規劃等方面［12-14］。

“數字城市”理論、遙感、地理信息系統、全球定位系統、網絡信息技術、地理編碼技術和移動信息技術等現代信息技術的急速發展，為研究城市生態系統復雜性、突破目前城市生態管理面臨的種種問題和局限，提供了強大的技術支持［15］。其中，基于“數字城管”理論、技術與標準體系開展的市政綜合監管信息平臺表現的尤為突出。北京市東城區于2003年底開始了網格化城市管理體制的創新，推出了覆蓋全區域、全時段的東城區市政綜合監管信息系統。雖然該系統著眼于市政管理，但包含部分人類活動與城市生態系統相關聯的信息。本文通過數據挖掘，提取城市管理中出現的生態環境問題，分析城市生態系統與人類活動的主要關系，探索東城區城市生態系統復雜性和規律性，以期為城市生態系統管理提供借鑒。

1 研究區域與研究方法

1.1 東城區市政綜合監管信息系統

北京市東城區市政綜合監管信息系統以萬米單元網格為基礎，將東城區25.38 km2劃分成10個街道、137個社區、1593個網格單元。該系統將城市管理內容詳細劃分為六大類56種城市管理部件和七大類33種城市事件;并由350名城市管理監督員對所分管的萬米單元實施全時段監控，同時開放了公眾參與電話平臺、短信平臺和網上平臺，鼓勵公眾參與城市環境管理。該系統集成基礎地理、單元網格、部件和事件、地理編碼等多種數據資源，通過多部門信息共享、協同工作，實現對城市市政工程設施、市政公用設施、市容環境與環境秩序的監督管理［16］。該模式對城市管理空間、管理對象、管理方式和管理主體進行了科學詳細的劃分，創新了城市管理信息實時采集傳輸手段，不僅實現了城市管理的信息化、標準化、精細化、動態化，提高了資源的整合與共享效率與城市管理水平，也實現了對市民的意見、心聲進行實時的收集與反饋［17］。東城區城市市政監管系統從2003年建立至今，積累了海量數據，從微觀上反映了人類活動與城市生態環境的相互關系［17］。

1.2 數據來源與分析方法

本文用于分析和挖掘的數據資源主要來自以下3個方面(表1)。

(1)城市綜合監管系統監測數據 本文工作主要依托東城區市政綜合監管信息中的部件問題數據庫開展。城市管理部件是指城市市政管理公共區域內的各項設施，包括公用設施類、道路交通類、市容環境類、園林綠化類、房屋土地類等市政工程設施和市政公用設施［18］。東城區市政綜合監管信息所涵蓋的城市管理內容，包括對市政工程設施和市政公用設施的規劃、建設、管理、養護與維修(包括城市道路、橋涵、排水設施、照明設施及其附屬設施等);以及對市容環境與環境秩序的監督與管理［19］。一般來說，該監管系統所獲取的上報條目包含以下5個方面的信息:a)問題基本信息:問題編號、上報時間、上報人員、問題來源;b)問題描述:詳細描述、問題狀態、問題類型;c)問題位置:問題所在城區，街道，社區、地理坐標;d)責任區劃與處理部門:單元與責任網格、派遣處理人員、處理部門、舉報人信息、是否需要專業部門;e)問題核查、處置與反饋:問題延期時長、核查反饋。

(2)東城區綜合監管系統的空間數據基礎 為將2009年的市政綜合監管系統所監測的屬性數據匹配到相應的空間位置，本文采用原東城區(尚未與崇文區合并)的行政邊界數據與相關地形圖，將所有監管系統條目所涉及的地理坐標全部轉換成矢量數據并制作成圖。

(3)實地調查和復核數據 為準確分析城市綜合監管信息條目中所反映的城市管理問題發生的現場場景，及其與城市生態系統各要素的對應關系，本研究于2011年6—10月間在研究區域內對隨機抽取的200多個相關條目進行了實地調查和復核，對其周邊的生態環境要素進行了調查，以便就某一具體城市管理部件與事件的生態學意義進行分析。

表1 東城區生態系統復雜性分析所用數據信息Table 1 Detailed information of the data used in analysis

1.3 數據分析方法

1.3.1 基本思路

由于城市生態系統是一種特殊的人工生態系統，人類活動不但受制于這一系統，也對其組成和功能有著直接和深遠的影響。雖然市政監管信息著眼于對市政管理，但其服務的對象是城市生態系統的關鍵因素——人。因此，本研究假設海量的城市綜合監管數據，能從微觀上反映了人類活動與城市生態環境的相互影響，體現人類活動與城市生態系統間的相互摩擦的焦灼點(表現在各類部件、事件問題)，而各獨立、微觀的部件、事件問題通過逐步累積和放大導致城市生態環境問題的涌現;反之，如果城市人類活動與城市生態環境要素處于科學配置、和諧運行狀態，則城市趨于其可持續發展和運行模式(圖1)。北京市東城區市政監管系統從2003年運行至今，積累了海量數據，每一條上報信息均帶有詳細的問題描述、空間地理坐標、管理責任者、處理時長等信息，隱含著大量該區域能量流、物質流和信息流的信息，能有效支持對東城區城市生態系統復雜性和規律性的研究。

1.3.2 歸類分析法

結合市政監管信息每一條上報條目的詳細屬性，深入挖掘城市生態環境問題產生原因的復雜性、管理部件的復雜性、以及與人類活動關系的復雜性。采用歸類分析法并將其劃分為七大類:水、土、氣、聲、視覺污染、固體廢棄物和城市綠地系統退化，并結合所發生城市管理部件與事件的場景和東城區城市生態系統復雜性特點進行分析。

圖1 基本思路Fig.1 The thought flow of this study

1.3.3 空間關聯關系分析

在ERDAS 2011軟件平臺下對北京市東城區遙感影像進行預處理，包括數據的配準、裁切等，遙感影像主要作為背景圖直觀反映城市管理部件和事件所處的空間位置與綠地系統和水系的關系。同時，在ArcGIS 10.0平臺下，導入東城區市政綜合監管數據自身所帶的地理坐標信息，將其與轉化為矢量數據，并與地形圖、專題圖和預處理后的遙感影像進行疊加分析，以探討東城區城市生態環境問題發生的時空分布規律。

2 結果與分析

2.1 城市管理部件發生問題的規律性

數據統計表明，2009年6月1日至11月30日的183d時間內，北京市東城區共發生部件問題5028起，每天約27起，每天每平方公里約發生1起。其內容也涵蓋了公用設施類、道路交通類、市容環境類、園林綠化類和房屋土地類5個大類、54個亞類(表2)。這五大類城市管理部件中，有以下特點:

(1)公用設施類產生問題的數量占54%，遠高于其他4類部件，其中各類電力、雨水、污水、通訊井蓋的缺失占45%。我國城市中很多市政基礎設施同時也是城市環境基礎設施，如其中雨水箅子堵塞問題占了22%，這一問題更直接反映了城市水環境污染、噪聲污染和城市內澇等問題的根源;

(2)市容環境類部件問題數量約占總數量的20%，種類集中在垃圾收集設施和公廁等，從城市生態環境角度分析來看包括固體廢棄物堆放、污水外溢、異味，及對景觀環境視覺污染等影響，間接體現出能量流和物質流過程中的不通暢;

(3)園林綠化類的部件問題占總數量的17.1%，涉及的問題包括植被枯死對城市景觀的影響、枝條斷落產生的安全隱患，從某一側面反映城市綠地系統所面臨的風險和退化問題;

表2 城市管理部件問題Table 2 Number and percentage of problems collected by the information system for each urban management component class

(4)道路交通類的部件產生的問題占8.38%，但其亞類型較多，產生的環境影響主要是在城市景觀視覺方面，以及少量污水外溢等環境問題;

(5)房屋土地類部件產生的問題最少，且只涉及一種管理部件，反映的環境影響主要是宣傳欄破損、脫落等對城市景觀環境視覺的破壞。

2.2 城市管理部件異常所影射的城市生態系統復雜性

2.2.1 城市管理問題類型的多樣化源于城市生態系統的復雜性

城市生態系統在人類高度控制下，其結構、過程與功能受到人類活動干擾極為強烈。城市市政綜合監管系統中每一條微觀的、與城市生態系統和人類生活息息相關的部件問題，都可視作“城市病”的癥狀，為根治城市環境問題病灶，提供了寶貴的思路和方向。例如，城市水環境污染問題可由城市部件中自然或人工河流、湖泊的清潔度，有無發臭水體，有無水華等現象反映出來;城市洪澇問題多源于雨水箅子、污水井蓋的堵塞，可由平時或雨后雨水箅子是否堵塞、街面是否有積水現象反映，同時城市綠地可以起到滯洪的作用;園林綠化部件中的行道樹能有效滯塵，改善城市大氣環境質量，并有效減弱交通噪聲;城市固體廢棄物問題的嚴重性可由垃圾箱數量、滿溢程度、是否能及時清理等體現;城市光污染問題可由公用設施部件中路燈、景觀燈、地燈等部件反映;城市景觀視覺污染主要來自破損的市政設施，如宣傳欄、垃圾箱、以及堵塞的化糞池等。

按照這種規則，本文歸類了東城區綜合監管信息所體現的生態環境問題。結果表明，東城區市政綜合監管系統中有44.95%的部件問題直接涉及城市生態系統的關鍵要素，這里將其初步劃分為水、土、氣、噪聲、光污染或視覺污染、固體廢棄物和綠地生態系統退化等七大類要素。而進一步通過上報條目的內容描述，或最終解決這一問題的職能部門來看，其他問題也全部間接涉及到城市自然、社會和經濟這三個子系統的關鍵要素。圖2直觀描述了東城區2009年6—11月間，5028條城市部件問題中2260條所直接映射的上述七類生態環境問題的對應關系，這種相似的比例關系，體現了城市管理問題類型的多樣化與城市生態系統的復雜性密切相關。

2.2.2 城市管理部件的復雜關聯關系導致城市生態系統復雜化

市政綜合監管信息能綜合體現城市生態系統結構上的多層次性、時空上的多尺度性、控制參量的復雜性和作用過程的多樣性特點。如城市水務系統的市政管理中，不僅涉及原有河湖等自然生態系統，也涉及排污河道、水閘等人工生態系統，還需綜合考慮城市其他基礎設施系統，甚至是隨供排水一起鋪設的各類電力、通訊、熱力等地下管線，以及化糞池等。城市內澇問題的產生，不僅源于不透水地表增加，綠地系統減少，更源于雨水篦子的堵塞和管網系統的老化等。又如城市綠地系統管理中，市政監管信息多反映的是行道樹部件的樹枝阻礙交通、遮擋信號燈等負面效應，無法將其滯塵作用、減小大氣污染和降低交通噪音的正面生態系統服務效應列為管理目標。從市政監管信息中對行道樹部件的問題認識，充分體現了城市生態系統要素在城市市政管理工作中的多義性和復雜性。

2.2.3 城市管理部件問題的空間分布差異性體現其生態系統復雜性

城市景觀格局影響城市生態系統過程和功能，也導致各種城市生態環境問題分布的空間異質性。東城區城市環境管理部件問題在空間上分布雖較為雜亂，但仍然體現出一些與東城區自然、社會、經濟系統密切相關的規律性(圖3)，這些特點通過空間疊加與目視分析，表現出如下特點:

圖2 涉及城市生態系統問題的市政部件所占比例Fig.2 Number and percentage of problems collected by the information system under different urban environmental management categories

圖3 城市環境管理部件問題的空間分布Fig.3 Spatial pattern of urban environmental management components problems

(1)從整體來看，城市管理部件問題呈現沿交通網絡分布擴散的趨勢，使得城市生態系統也呈現復雜的線狀網絡。如在東華門街道辦，管理部件問題較為集中地分布在南北向和東西向道路上。從我國目前城市結構來看，道路網絡承載著物質流、能量流和信息流的大部分功能，包括交通運輸、給水排水、供氣供熱、電力電信等線性公共設施多集中在交通網絡上，所以城市生態系統的能量流、物質流問題也呈線狀特征集中分布在交通網絡上，這使得多種生態環境因素復合疊加、高強度地聚集在某一脆弱地帶，繼而造成城市生態系統復雜性與脆弱性并存的現象。

(2)城市管理問題呈聚集效應，且在不同類型城市功能區表現不同，這種空間分布上的不均勻體現著城市生態系統的復雜格局。如東華門街道辦西邊為天安門和故宮博物館所在地，雖然白天游人流動強度極大，但由于城市管理力度加大和夜間實際居住人口密度較低，使其相對管理部件問題較少。而在重要商業中心王府井所在地，人流、物流高度集中，產生了大量部件問題，與之對應的是該地區透水地表面積較少，熱島現象也十分明顯。同樣在朝陽門街道辦，因娛樂、餐飲業較為集中，綠地系統配置較少，產生了較多噪聲污染、光污染和水污染問題。但在香河園街道辦事處轄區，因有地壇公園、青年湖公園、柳蔭公園等大量綠地和成熟社區，生態系統相對穩定，管理部件問題相對較少。這些現象表明，城市生態系統結構與功能的復雜性與發揮不同城市功能的住宅區、商業區、工業區、文化區、行政區、綠化區和公共活動區有著密切關系。

雖然影響城市生態系統格局的空間因素復雜多樣，也受歷史、經濟、社會、城市規劃管理措施等思想的影響。但通過東城區城市管理部件的空間分布特點來看，城市生態系統的復雜性被深層次的體現在城市管理與運行的監管系統之中，也就是說，城市管理問題與城市生態系統的演變過程密切相關。

3 結論

由于城市人口的大量集中、無序流動，以及城市基礎設施分布不均，導致城市環境的不斷惡化，使得人們在城市生活的舒適度以及生活質量不斷降低。而市政綜合監管信息從一個側面體現著大量城市復合生態系統的狀態信息，也隱含著城市生態系統組成和相互關系上的復雜性。本研究通過以市政綜合管理中的問題影射到城市生態環境管理的層面，能“見微知著”地反映分散的、微觀的人類活動與環境問題的關系。為進一步研究城市生態系統演化過程，城市生態系統結構與過程、功能及其相互作用關系的復雜性。

北京市東城區市政綜合監管信息系統雖是面向市政管理的服務系統，但深刻體現著該區域城市生態系統的關鍵特征，未來城市生態系統研究應充分利用市政綜合監管信息。因為，此類市政綜合監管信息系統先進的構建理念與長期良好的運行效果，為現代信息手段運用于城市生態環境管理提供了寶貴基礎數據。一是通過對該系統中城市管理部件問題數據的挖掘，有助于深入認識“城市病”病癥的復雜性、空間特征、癥狀間的產生原因和作用機理，為城市生態管理模型的建立提供了理論基礎;二是城市市政綜合監管信息系統基于網格的構建方式，為網格化、精細化城市生態系統管理模式的構建提供了范本。

但也應認識到城市生態系統復雜性不等同于市政管理本身的難度。城市生態系統復雜的層次結構及功能，要求人們根據城市管理對象特點、產生原因、行政區劃和功能定位等多方面因素，采取多部門合作的方式，將建設、市容、環保等部門充分協調起來，以期通過城市生態系統管理的優化來循序漸進的提高城市管理水平。

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