面向城市生態空間的智慧城市體系與建設策略研究

摘要：生態空間作為城市的重要組成部分，不僅為城市生物多樣性提供保障，維護環境質量，還是城市智慧化發展的重要空間載體。當前，以人工智能為核心的新一代信息技術正不斷與城市生態系統相互滲透、交織影響，形成了生態空間智慧化發展的新趨勢。城市生態空間的智慧城市建設代表著生態文明與數字技術的深度融合，是數字技術驅動下形成的人—機—環復合系統，可以有效提升城市生態環境質量，并為居民提供更加優質、舒適的生活環境。從智慧城市體系構建的角度出發，探討了城市生態空間智慧化的發展趨勢。針對城市生態空間進行智慧城市體系構建，并詳細分析該體系的技術要素構成。在此基礎上，提出了城市生態空間智慧城市建設的策略，包括堅持規劃引領、強化統籌建設、促進虛實互動和優化機制設計等。此外，還對城市生態空間的智慧城市發展前景進行了展望。隨著數字技術的不斷演進和應用場景的持續拓展，未來城市生態空間將呈現出更加智能化、綠色化、人性化不斷融合發展的特點，并向“類生命體”的方向進化。在推動城市生態空間智慧化發展、構建可持續發展的智慧城市體系方面，本研究具有理論意義和實踐價值。

關鍵詞：生態空間；智慧城市；體系構建；發展策略

DOI：10.3969/j.issn.1674-7739.2024.06.002

一、城市生態空間智慧化發展趨勢

城市生態空間是在城市范圍內由生態系統所主導占據的空間。城市生態空間不僅為城市提供綠地和自然景觀，還能調節城市微氣候、凈化空氣、促進水循環，為城市提供生物多樣性和多元生態服務功能，是城市可持續發展的重要基石。近年來，以城市生態空間為核心的生態城市成為全球城市發展的重要方向，其中歐洲城市走在前列。例如，瑞典的馬爾默、丹麥的哥本哈根、德國的弗萊堡等城市，通過生態環境優化、綠色建筑、低碳交通、可持續雨水管理和生物多樣性保護等方式，成功實現了城市與自然的和諧共生。當前，生態優先和綠色發展是我國城市發展面臨的重要要求。黨的二十屆三中全會以及《中共中央關于進一步全面深化改革、推進中國式現代化的決定》在生態文明領域做出重大戰略部署，提出“加快經濟社會發展全面綠色轉型，健全生態環境治理體系，推進生態優先、節約集約、綠色低碳發展，促進人與自然和諧共生”，城市生態空間在城市面向未來的綠色、低碳、智能的發展中的作用不斷凸顯。

在信息時代，城市的智慧化發展同樣成為大勢所趨。智慧城市是融合信息技術的新興城市形態，通過人工智能（AI）、物聯網（IoT）、大數據、云計算和5G等先進的信息技術應用，提高城市發展與管理的效能，優化資源分配。智慧城市作為城市最新的發展階段，引領城市在生態環境和社會經濟諸多領域的可持續發展。[1]近年來，我國各地城市積極開展智慧城市建設。新時期智慧城市發展呈現出技術、空間和社會三元融合的趨勢，[2]而智能技術也深度影響到城市生態空間的多個領域。[3]但相對而言，智慧城市建設多聚焦于居住區、商業區、產業園區等城市空間，對于生態空間涉及較少。在國外發達國家的新城規劃中，智慧與綠色、生態、低碳等理念在高度融合，技術在深度協同。智慧生態融合發展成為普遍趨勢。[4]相對而言，我國智慧城市建設對生態環境因素考慮較少。[5-6]信息技術手段可以實現對城市生態空間的全面感知和智能管理，提高生態空間的利用效率和服務水平，優化城市自然資源保護和管理，促進生態系統的健康發展。在生態文明和數字中國的雙重背景下，新時期城市需要通過智慧與生態技術的充分融合，打造面向未來、可持續發展的城市新形態。生態空間的智慧化發展對于提升城市整體的生態與智慧水平具有重要意義。

聚焦于城市生態空間的智慧城市建設，是貫徹新發展理念、實現城市高質量發展的必然要求。生態空間的智慧城市是基于生態文明理念，通過綜合運用生態學、城市規劃、信息技術與系統工程的跨學科方法，對生態空間的信息化進行全面規劃、建設和管理的過程。通過運用現代信息技術手段，實現生態空間的科學化、智能化和精細化規劃、建設、管理和治理，可以有效提升生態空間的服務功能和生態價值，推動城市健康永續發展。在城市生態空間的建設中引入智能化手段，以更好地保護和管理城市的自然資源。生態空間的智慧城市建設本質上是基于生態空間構建智慧—生態的城市二元協同的系統，實現城市生態化與智慧化的融合發展（圖1）。通過數字技術對城市生態空間進行智能化、精細化賦能，為市民提供更加綠色宜居的人居環境。

二、生態空間智慧城市體系構建

（一）人—機—環復合體系

城市生態空間的智慧化發展本質上是數字技術驅動的人—機—環（人、數字技術、環境）體系的創新構建。在前信息時代，人與生態空間的互動主要體現在人對于自然環境的直接性改造、干預，以及自然環境對人為行為的反饋。隨著信息時代的來臨，包括傳感器、攝像頭、無人機、大數據平臺等在內的新興設施設備，通過收集環境數據、監測生態指標和輔助決策等方式，不斷介入人與自然的關系。人與生態環境之間新的交互界面和交互關系開始出現，這為人與機器之間、人與生態空間之間的互動帶來了全新的可能性。人—機—環的關系因數字技術的涌現而變得更加復雜，這三者之間的多云互動、相互影響和交織關系，隨著技術的不斷進步，呈現出更多的復雜性、多樣性特征（圖2）。

城市生態空間智慧城市體系的構建，本質上是構建一個基于數據與信息流的人—機—環相互融合、協同發展的復合系統。該系統通過運用現代信息技術手段，實現對城市生態空間的全面感知、智能分析和智能響應，從而推動城市可持續發展的縱深拓展。通過智能化手段，城市生態環境可以得到了更加精細化的管理。例如，城市中的公園和濕地等生態空間，可以通過傳感器網絡進行實時監控，實時了解土壤濕度、植被生長等信息，并根據數據進行動態生態修復和保護，以促進人與自然的和諧共生。面向生態空間的智慧城市建設，通過數字技術將人類活動、技術設備和自然環境有機結合，可實現城市生態空間的智能化管理與發展，優化生態空間自組織與他組織的協作過程，促進城市生態空間系統治理的深刻而全面的數字化轉型。

（二）總體技術架構

城市生態空間的智慧城市總體架構與通用型的智慧城市架構類似，其以信息架構（Information Architecture，IA）為核心，但更聚焦于生態空間，強調生態文明與可持續發展。智慧生態空間的總體架構可以歸納為“感知－數據－平臺－應用”四層次聯動的體系（圖3）。感知層類似于系統的“觸手”和“眼睛”，負責數據采集和傳輸；數據層負責數據存儲、整合和分析；平臺層提供統一的管理平臺；應用層實現智慧化場景應用。四個層次構成整體協同的指揮系統，可全面提升生態環境物聯網感知能力，整合生態環境大數據資源，構建數據賦能的決策分析和應用。基于總體技術體系，推進城市生態空間相關的技術融合、業務融合和數據融合，融合生態環境、城管、水務、住建、園林局、農林和國土等相關業務部門需求，分析設計智能化業務應用及治理場景，形成跨層級、跨業務的多維度協同發展格局，能夠實現城市生態空間精準高效的治理和科學智能的決策與服務。

三、生態空間智慧城市要素構成

（一）感知層

感知層是智慧生態空間的基礎，通過物聯網設備等將生態空間的各類數據進行實時采集。布局全方位、多角度、立體化的生態空間泛在感知終端體系，常見的傳感器采集數據包括空氣質量數據（如SO2、O3、CO、氮氧化物、PM10、PM2.5等）、環境數據（如濕度、溫度、pH值、溶氧、電導、重金屬等）、土壤數據（如土壤溫濕度、肥力、pH值等）、天氣數據（如大氣壓力、氣溫、濕度、風速等）、海綿城市監測數據（如雨水管排放口、河道斷面、管控分區監測點、雨水調蓄設施、典型下墊面狀態等），以及植被覆蓋、生物活動、人員活動等。通過全面采集空氣自動站、大氣微站、水自動站、污染源在線監控、機動車遙感監測、揚塵監測、生物多樣性在線監測等前端感知設備數據，構建萬物互聯、高速協同、安全可控的生態感知網絡。對城市范圍內現有的大氣環境數據、水環境數據、土壤環境數據、生態環境數據、污染源監管數據等生態環境領域數據進行整合，形成生態環境態勢感知網，為城市生態空間的精準、高效、協同的智慧化治理提供基礎數據支持。

（二）數據層

數據層負責對感知層匯聚的數據進行處理、存儲和管理。通過大數據技術、邊緣計算技術、云計算平臺的廣泛應用，實現對生態空間的海量數據的高效處理和分析。對來自不同應用領域、不同形態的數據進行整理、分類和分層，形成數據資源框架。設計數據共享交換管理體系，對數據采集、預處理、存儲、管理、共享交換、分析挖掘等提出框架性方案，支撐分布式計算、流式數據處理、大數據關聯分析、地理信息支撐等功能。通過數據挖掘、機器學習、神經網絡等技術手段，對數據進行深度分析和挖掘，提取出有價值的信息和知識，為生態空間的規劃和管理提供科學依據和決策支持。

（三）平臺層

平臺層為城市生態空間的管理和服務提供統一的管理平臺和應用接口，為城市生態空間的智慧化管理提供技術支持和服務保障。生態空間的管理者和使用者可以通過平臺層實時查看生態空間的狀況，并進行相關干預。各地針對城市生態空間已經開展了廣泛的平臺建設。例如，將海綿城市的理念和智慧城市的技術融合的智慧海綿城市通過信息化手段實現水資源的高效管理利用。[7]助力海綿城市建設的海綿城市智慧管控平臺，包括海綿設施一張圖和各子系統，能夠實現對海綿城市整體情況的展示和查詢、基礎設施監控、項目管理、績效考核、智能預警，并提供相關決策輔助。智慧園林管理平臺通過建立統一的園林資源庫（包括綠地、林地、風景區、有害生物、古樹名木等），對園林資源進行實時動態監管，包括綠地面積的變化、綠地健康狀態等，并對公園和風景區人流量、人流密度、市民活動舒適體驗進行評估，促進森林公園安防監控及森林防火監控，提高園林綠化業務管理效率和質量，助推生態宜居城市建設。

在平臺層的建設中，應整合城市生態空間各類環境信息資源，構建“一張圖”，實現多個平臺的融合，包括各類生態環境領域的應急系統、監察移動執法系統、大數據綜合決策分析系統、環境數據中心、污染源在線監控系統等。例如，北京市海淀區的“城市大腦”以“生態環境一張圖”為載體，構建全域展示平臺，結合空間數據實現海淀區各類環境要素基于一張地圖時空可視化展示，實現生態空間的“看得見、看得清、看得全、看得遠”，幫助管理人員直觀、便捷地了解大氣環境、水環境、污染源監管等方面關鍵指標的動態信息，為城市污染防治、環境監管等決策提供支持。此外，城市生態空間的平臺層也需要向功能復合、協同建設的方向發展，注重與城市其他平臺進行數據結合與業務對接，切實發揮綜合性智慧管控的作用。

（四）應用層

應用層是智慧生態空間系統面向最終用戶的終端層，能夠實現城市生態空間的智慧化應用場景，通過PC、大屏、移動端等各類智能終端，實現對城市生態空間的智能化管理和服務，可提高生態空間的利用效率，切實提升城市居民的生活體驗。生態空間的主要應用包括大氣污染防治綜合管理、水污染防治綜合管理、土壤污染防治綜合管理、污染源綜合監管、生態環境質量管理、安全應急管理及公眾服務管理等，也包括與營建和空間營造相結合的智慧公園和智能交互設施等。其中，智慧公園充分體現了軟硬件深度融合的復合性，其基礎設施和服務設施則包括智慧綜合桿、智慧廢物箱、智慧人行道、智慧座椅、智慧廁所、智慧售賣、智能標識和智慧互動裝置等；而智慧公園的運營管理設施則包括智慧灌溉和智慧海綿系統等。游客可以通過智能手機、多媒體觸摸屏設備等智慧終端查詢公園電子地圖游覽線路，通過各類智能交互設施與公園生態環境進行智能交互，對動植物進行智能識別。公園也可運用二維碼識讀、射頻識別等技術實現公園景點講解、植物科普等服務。

四、生態空間智慧城市建設策略

（一）堅持規劃引領

規劃是城市生態空間智慧城市體系構建的基礎。智慧城市規劃也被稱為智慧城市頂層設計（smart city top-level design），是從城市發展需求出發，運用體系工程方法統籌協調城市各要素，開展智慧城市需求分析，對整個城市或特定領域的智慧化建設目標、總體框架、建設內容、實施路徑等方面進行整體性規劃和設計的過程。在面向城市生態空間的智慧城市規劃階段，需從城市發展與居民需求出發，基于本地區生態空間的特點和現狀，對包括信息化基礎設施、數字治理等領域建設以及工作機制方面進行調查分析和合理評價。通過分析基底與目標之間的差距，推導出信息化系統建設的需求。基于智慧城市最新技術趨勢，通過宏觀策略與可實施路徑相結合，提出個性化的生態空間智慧城市的技術體系設計思路和原則。結合系統工程迭代演進式發展特征，將所有建設內容按信息技術體系進行分層歸類，建立引領未來的總體架構，推動城市生態空間的可持續發展。同時，統籌智慧城市規劃（頂層設計）與空間規劃、社會經濟發展規劃以及其他各類專項規劃的關系。此外，還需要加強規劃的實施和監督，確保規劃的有效落實。

（二）強化統籌建設

在面向生態空間智慧城市建設過程中，需要注重各個要素之間的協同和配合。通過統籌感知層、數據層、平臺層和應用層之間的建設，實現信息流的無縫銜接和應用場景高效協同。同時，還需要注重與城市其他領域的智慧城市系統的對接和融合，將生態空間充分融入智慧城市復雜巨系統。城市生態空間智慧化建設涉及環境管理、城市建設、空間規劃、信息技術等多個部門的業務和事權，因此要強調多部門合作與資源整合。各部門必須協同工作，統籌資源配置，形成合力。通過部門協作與聯合決策，實現生態空間的綜合管理。此外，還需統籌信息化工程和土建工程的建設，推動生態系統與城市基礎設施的協同建設，包括地下基礎設施（如管網等）、地面基礎設施（如智能交通、智慧照明設施等）以及生態空間的設施（如生態修復、環境監測設施等），以形成一個高效聯動的基礎設施系統。例如，在城市生態空間同時進行智能灌溉系統和地下水排放系統的建設，確保水資源的高效利用。

（三）促進虛實互動

虛實互動是智慧城市發展的重要方向，數字技術作為數字生態空間和實體生態空間的交互工具和界面，可以增強城市居民對生態環境的感知和體驗。信息系統產生的信息及居民反饋到系統中的信息構成城市的數字環境，其相對獨立，有自身的維度和規則。[8]在信息時代，城市生態空間不僅是物理層面的，也有數字化存在的特征，同時還具有虛實融合與交互的特性。隨著虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、元宇宙、數字人等技術的發展，智慧生態空間可以通過虛實互動的方式豐富城市生態空間的應用場景，為城市居民提供更為生動的環境感知和服務體驗。例如，市民可以在生態空間使用智能手機或AR眼鏡接收虛擬的導覽信息、植物的科普知識，或實時的空氣質量數據。以智慧公園為例，無錫蠡湖公園應用人工智能和元宇宙技術構建能和游客“聊天”的“數字鳥”，[9]提升了濕地生物多樣性保護和科普的趣味性，能夠有效吸引更習慣于數字化交往的新生代年輕人的參與。

在重慶市廣陽島智創生態城城市設計征詢項目中，設計要求打造“面向500年前的生態，50年后的生活場景”，強調生態文明與智慧技術的結合，要前瞻性運用各類創新技術體現生態與智慧的雙基因屬性，展望未來空間組織和建造模式，構建未來場景體系。[10]規劃提出了生態數字孿生模型（E-CIM）的框架，體現了規劃方案對生態文明的具體詮釋。[4]通過匯集城市大腦AI數據中心的全域數據資源，搭載E-CIM生態城市數字孿生平臺，對規劃區整體的碳中和情況、生物多樣性情況、生態環境敏感性情況進行監測并推演，對可能產生的問題進行及時預警，并通過人工智能專家系統提供解決方案（圖4）。

（四）優化機制設計

機制設計是城市生態空間智慧城市體系發展的重要保障。合理的機制設計可以確保城市生態空間智慧城市體系的科學建設、順利落地和高效運行。綠色智慧城市的建設會產生海量數據信息，亟需解決各級、各類信息平臺的協同互聯與信息共享。[11]因此，應建立數據共享機制，促進與生態空間相關的不同部門之間的數據交流和共享。制定統一的生態數據治理流程、數據治理標準和規范。形成標準的生態環境數據目錄和使用規范，供相關業務和數據分析使用，為生態可持續發展的創新應用提供數據服務。應強化政策激勵與資金支持，通過設立專項基金、提供財政補貼等方式，推動生態空間的各類信息化項目的建設。推動相關標準制定，以規范生態空間智慧體系的建設與管理，確保其符合生態文明和城市可持續發展的要求。通過技術標準、操作規范和相關機制保障，確保城市生態空間相關的各系統和平臺之間的兼容性，實現數據有效流轉和信息互聯互通，提高信息化系統建設的效率和管理水平。鼓勵公眾參與，開展公眾教育和宣傳。例如，政府可以將生態管理平臺部分數據向公眾開放，通過PC端、手機App移動終端建立環保宣傳、信息公開、網上辦事、互動交流、投訴舉報等各項專題，鼓勵公眾參與生態空間的管理與事務監督，通過多樣的數字化手段開展科普教育，使市民成為智慧生態空間建設的重要主體。

五、小結與展望

當前智慧城市建設已成為推動城市現代化、可持續發展的重要趨勢，城市日益數字化的潮流不可阻擋。在全球生態危機頻發的背景下，基于信息通信技術和智能設施創新的城市生態環境智慧化建設將為城市發展提供新的思路。[12]城市生態空間作為智慧城市的重要領域，其智慧化發展對于提升城市整體智慧水平、促進生態文明建設具有重要意義。通過運用現代信息技術手段，能夠實現生態空間的科學化、智能化和精細化規劃、建設、管理和運營，可有效提升生態空間的社會經濟效益、綜合服務功能和生態價值，推動城市可持續發展。

未來，隨著生成式人工智能（AIGC）、大語言模型（LLM）等前沿技術的不斷涌現和進步，新興技術將在城市生態空間智慧化發展中發揮越來越重要的作用。城市生態空間的構成在智能技術的創新實踐下變得更加復合化。[3]城市生態空間將會呈現出更加智能化、綠色化和人性化融合的趨勢。城市生態空間作為生態文明的體現，也將會是數字技術驅動的生態創新實驗場。在持續迭代的前沿技術對生態空間不斷介入、干預和交互的背景下，城市生態空間的智慧城市體系將演進出人—機—環系統的“復合智能體”，將具有“類生命體”的特征，能夠自我學習、自動演進和持續進化。通過技術與生態的深度融合，以生態空間為重要表征的城市創新發展也將呈現出新的形態。

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Research on the Construction and Strategy of Smart City System for Urban Ecological Space

Wang Meina， Li Hao

（Beijing Tsinghua Tongheng Planning and Design Institute Co. Ltd， Beijing 100044， China）

Abstract： As an important part of the city， ecological space not only ensures urban biodiversity and environmental quality， but also serves as an important space carrier for the intelligent development of cities. At present， the new generation of information technology with artificial intelligence as the core is constantly penetrating and intertwining with the urban ecosystem， forming a new trend of intelligent development of ecological space. The smart city construction of urban ecological space represents the deep integration of ecological civilization and digital technology， and is a human-machine-environment composite system， which can effectively improve the quality of the urban ecological environment and provide residents with a better and more comfortable living environment. From the perspective of the construction of the smart city system， this paper discusses the development trend of the intelligence of urban ecological space， constructs the smart city system for the urban ecological space， and analyzes the technical elements of the system in detail. On this basis， this paper proposes strategies for the construction of smart cities in urban ecological space， including adhering to planning guidance， strengthening overall construction， promoting virtual-real interaction， and optimizing mechanism design. In addition， this paper also looks forward to the development prospect of smart cities in urban ecological space， and believes that with the continuous evolution of digital technology and the expansion of application scenarios， the future urban ecological space will show the characteristics of more intelligent， green， and humanized continuous integration and development， and will undergo the evolution of \"quasi-organism\". The research in this paper has theoretical significance and practical value in promoting the intelligent development of urban ecological space.

Key words： ecological space; smart city; system construction; construction strategy

■責任編輯：許" 丹