面向城市生态空间的智慧城市体系与建设策略研究

摘要：生态空间作为城市的重要组成部分，不仅为城市生物多样性提供保障，维护环境质量，还是城市智慧化发展的重要空间载体。当前，以人工智能为核心的新一代信息技术正不断与城市生态系统相互渗透、交织影响，形成了生态空间智慧化发展的新趋势。城市生态空间的智慧城市建设代表着生态文明与数字技术的深度融合，是数字技术驱动下形成的人—机—环复合系统，可以有效提升城市生态环境质量，并为居民提供更加优质、舒适的生活环境。从智慧城市体系构建的角度出发，探讨了城市生态空间智慧化的发展趋势。针对城市生态空间进行智慧城市体系构建，并详细分析该体系的技术要素构成。在此基础上，提出了城市生态空间智慧城市建设的策略，包括坚持规划引领、强化统筹建设、促进虚实互动和优化机制设计等。此外，还对城市生态空间的智慧城市发展前景进行了展望。随着数字技术的不断演进和应用场景的持续拓展，未来城市生态空间将呈现出更加智能化、绿色化、人性化不断融合发展的特点，并向“类生命体”的方向进化。在推动城市生态空间智慧化发展、构建可持续发展的智慧城市体系方面，本研究具有理论意义和实践价值。

关键词：生态空间；智慧城市；体系构建；发展策略

DOI：10.3969/j.issn.1674-7739.2024.06.002

一、城市生态空间智慧化发展趋势

城市生态空间是在城市范围内由生态系统所主导占据的空间。城市生态空间不仅为城市提供绿地和自然景观，还能调节城市微气候、净化空气、促进水循环，为城市提供生物多样性和多元生态服务功能，是城市可持续发展的重要基石。近年来，以城市生态空间为核心的生态城市成为全球城市发展的重要方向，其中欧洲城市走在前列。例如，瑞典的马尔默、丹麦的哥本哈根、德国的弗莱堡等城市，通过生态环境优化、绿色建筑、低碳交通、可持续雨水管理和生物多样性保护等方式，成功实现了城市与自然的和谐共生。当前，生态优先和绿色发展是我国城市发展面临的重要要求。党的二十届三中全会以及《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》在生态文明领域做出重大战略部署，提出“加快经济社会发展全面绿色转型，健全生态环境治理体系，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展，促进人与自然和谐共生”，城市生态空间在城市面向未来的绿色、低碳、智能的发展中的作用不断凸显。

在信息时代，城市的智慧化发展同样成为大势所趋。智慧城市是融合信息技术的新兴城市形态，通过人工智能（AI）、物联网（IoT）、大数据、云计算和5G等先进的信息技术应用，提高城市发展与管理的效能，优化资源分配。智慧城市作为城市最新的发展阶段，引领城市在生态环境和社会经济诸多领域的可持续发展。[1]近年来，我国各地城市积极开展智慧城市建设。新时期智慧城市发展呈现出技术、空间和社会三元融合的趋势，[2]而智能技术也深度影响到城市生态空间的多个领域。[3]但相对而言，智慧城市建设多聚焦于居住区、商业区、产业园区等城市空间，对于生态空间涉及较少。在国外发达国家的新城规划中，智慧与绿色、生态、低碳等理念在高度融合，技术在深度协同。智慧生态融合发展成为普遍趋势。[4]相对而言，我国智慧城市建设对生态环境因素考虑较少。[5-6]信息技术手段可以实现对城市生态空间的全面感知和智能管理，提高生态空间的利用效率和服务水平，优化城市自然资源保护和管理，促进生态系统的健康发展。在生态文明和数字中国的双重背景下，新时期城市需要通过智慧与生态技术的充分融合，打造面向未来、可持续发展的城市新形态。生态空间的智慧化发展对于提升城市整体的生态与智慧水平具有重要意义。

聚焦于城市生态空间的智慧城市建设，是贯彻新发展理念、实现城市高质量发展的必然要求。生态空间的智慧城市是基于生态文明理念，通过综合运用生态学、城市规划、信息技术与系统工程的跨学科方法，对生态空间的信息化进行全面规划、建设和管理的过程。通过运用现代信息技术手段，实现生态空间的科学化、智能化和精细化规划、建设、管理和治理，可以有效提升生态空间的服务功能和生态价值，推动城市健康永续发展。在城市生态空间的建设中引入智能化手段，以更好地保护和管理城市的自然资源。生态空间的智慧城市建设本质上是基于生态空间构建智慧—生态的城市二元协同的系统，实现城市生态化与智慧化的融合发展（图1）。通过数字技术对城市生态空间进行智能化、精细化赋能，为市民提供更加绿色宜居的人居环境。

二、生态空间智慧城市体系构建

（一）人—机—环复合体系

城市生态空间的智慧化发展本质上是数字技术驱动的人—机—环（人、数字技术、环境）体系的创新构建。在前信息时代，人与生态空间的互动主要体现在人对于自然环境的直接性改造、干预，以及自然环境对人为行为的反馈。随着信息时代的来临，包括传感器、摄像头、无人机、大数据平台等在内的新兴设施设备，通过收集环境数据、监测生态指标和辅助决策等方式，不断介入人与自然的关系。人与生态环境之间新的交互界面和交互关系开始出现，这为人与机器之间、人与生态空间之间的互动带来了全新的可能性。人—机—环的关系因数字技术的涌现而变得更加复杂，这三者之间的多云互动、相互影响和交织关系，随着技术的不断进步，呈现出更多的复杂性、多样性特征（图2）。

城市生态空间智慧城市体系的构建，本质上是构建一个基于数据与信息流的人—机—环相互融合、协同发展的复合系统。该系统通过运用现代信息技术手段，实现对城市生态空间的全面感知、智能分析和智能响应，从而推动城市可持续发展的纵深拓展。通过智能化手段，城市生态环境可以得到了更加精细化的管理。例如，城市中的公园和湿地等生态空间，可以通过传感器网络进行实时监控，实时了解土壤湿度、植被生长等信息，并根据数据进行动态生态修复和保护，以促进人与自然的和谐共生。面向生态空间的智慧城市建设，通过数字技术将人类活动、技术设备和自然环境有机结合，可实现城市生态空间的智能化管理与发展，优化生态空间自组织与他组织的协作过程，促进城市生态空间系统治理的深刻而全面的数字化转型。

（二）总体技术架构

城市生态空间的智慧城市总体架构与通用型的智慧城市架构类似，其以信息架构（Information Architecture，IA）为核心，但更聚焦于生态空间，强调生态文明与可持续发展。智慧生态空间的总体架构可以归纳为“感知－数据－平台－应用”四层次联动的体系（图3）。感知层类似于系统的“触手”和“眼睛”，负责数据采集和传输；数据层负责数据存储、整合和分析；平台层提供统一的管理平台；应用层实现智慧化场景应用。四个层次构成整体协同的指挥系统，可全面提升生态环境物联网感知能力，整合生态环境大数据资源，构建数据赋能的决策分析和应用。基于总体技术体系，推进城市生态空间相关的技术融合、业务融合和数据融合，融合生态环境、城管、水务、住建、园林局、农林和国土等相关业务部门需求，分析设计智能化业务应用及治理场景，形成跨层级、跨业务的多维度协同发展格局，能够实现城市生态空间精准高效的治理和科学智能的决策与服务。

三、生态空间智慧城市要素构成

（一）感知层

感知层是智慧生态空间的基础，通过物联网设备等将生态空间的各类数据进行实时采集。布局全方位、多角度、立体化的生态空间泛在感知终端体系，常见的传感器采集数据包括空气质量数据（如SO2、O3、CO、氮氧化物、PM10、PM2.5等）、环境数据（如湿度、温度、pH值、溶氧、电导、重金属等）、土壤数据（如土壤温湿度、肥力、pH值等）、天气数据（如大气压力、气温、湿度、风速等）、海绵城市监测数据（如雨水管排放口、河道断面、管控分区监测点、雨水调蓄设施、典型下垫面状态等），以及植被覆盖、生物活动、人员活动等。通过全面采集空气自动站、大气微站、水自动站、污染源在线监控、机动车遥感监测、扬尘监测、生物多样性在线监测等前端感知设备数据，构建万物互联、高速协同、安全可控的生态感知网络。对城市范围内现有的大气环境数据、水环境数据、土壤环境数据、生态环境数据、污染源监管数据等生态环境领域数据进行整合，形成生态环境态势感知网，为城市生态空间的精准、高效、协同的智慧化治理提供基础数据支持。

（二）数据层

数据层负责对感知层汇聚的数据进行处理、存储和管理。通过大数据技术、边缘计算技术、云计算平台的广泛应用，实现对生态空间的海量数据的高效处理和分析。对来自不同应用领域、不同形态的数据进行整理、分类和分层，形成数据资源框架。设计数据共享交换管理体系，对数据采集、预处理、存储、管理、共享交换、分析挖掘等提出框架性方案，支撑分布式计算、流式数据处理、大数据关联分析、地理信息支撑等功能。通过数据挖掘、机器学习、神经网络等技术手段，对数据进行深度分析和挖掘，提取出有价值的信息和知识，为生态空间的规划和管理提供科学依据和决策支持。

（三）平台层

平台层为城市生态空间的管理和服务提供统一的管理平台和应用接口，为城市生态空间的智慧化管理提供技术支持和服务保障。生态空间的管理者和使用者可以通过平台层实时查看生态空间的状况，并进行相关干预。各地针对城市生态空间已经开展了广泛的平台建设。例如，将海绵城市的理念和智慧城市的技术融合的智慧海绵城市通过信息化手段实现水资源的高效管理利用。[7]助力海绵城市建设的海绵城市智慧管控平台，包括海绵设施一张图和各子系统，能够实现对海绵城市整体情况的展示和查询、基础设施监控、项目管理、绩效考核、智能预警，并提供相关决策辅助。智慧园林管理平台通过建立统一的园林资源库（包括绿地、林地、风景区、有害生物、古树名木等），对园林资源进行实时动态监管，包括绿地面积的变化、绿地健康状态等，并对公园和风景区人流量、人流密度、市民活动舒适体验进行评估，促进森林公园安防监控及森林防火监控，提高园林绿化业务管理效率和质量，助推生态宜居城市建设。

在平台层的建设中，应整合城市生态空间各类环境信息资源，构建“一张图”，实现多个平台的融合，包括各类生态环境领域的应急系统、监察移动执法系统、大数据综合决策分析系统、环境数据中心、污染源在线监控系统等。例如，北京市海淀区的“城市大脑”以“生态环境一张图”为载体，构建全域展示平台，结合空间数据实现海淀区各类环境要素基于一张地图时空可视化展示，实现生态空间的“看得见、看得清、看得全、看得远”，帮助管理人员直观、便捷地了解大气环境、水环境、污染源监管等方面关键指标的动态信息，为城市污染防治、环境监管等决策提供支持。此外，城市生态空间的平台层也需要向功能复合、协同建设的方向发展，注重与城市其他平台进行数据结合与业务对接，切实发挥综合性智慧管控的作用。

（四）应用层

应用层是智慧生态空间系统面向最终用户的终端层，能够实现城市生态空间的智慧化应用场景，通过PC、大屏、移动端等各类智能终端，实现对城市生态空间的智能化管理和服务，可提高生态空间的利用效率，切实提升城市居民的生活体验。生态空间的主要应用包括大气污染防治综合管理、水污染防治综合管理、土壤污染防治综合管理、污染源综合监管、生态环境质量管理、安全应急管理及公众服务管理等，也包括与营建和空间营造相结合的智慧公园和智能交互设施等。其中，智慧公园充分体现了软硬件深度融合的复合性，其基础设施和服务设施则包括智慧综合杆、智慧废物箱、智慧人行道、智慧座椅、智慧厕所、智慧售卖、智能标识和智慧互动装置等；而智慧公园的运营管理设施则包括智慧灌溉和智慧海绵系统等。游客可以通过智能手机、多媒体触摸屏设备等智慧终端查询公园电子地图游览线路，通过各类智能交互设施与公园生态环境进行智能交互，对动植物进行智能识别。公园也可运用二维码识读、射频识别等技术实现公园景点讲解、植物科普等服务。

四、生态空间智慧城市建设策略

（一）坚持规划引领

规划是城市生态空间智慧城市体系构建的基础。智慧城市规划也被称为智慧城市顶层设计（smart city top-level design），是从城市发展需求出发，运用体系工程方法统筹协调城市各要素，开展智慧城市需求分析，对整个城市或特定领域的智慧化建设目标、总体框架、建设内容、实施路径等方面进行整体性规划和设计的过程。在面向城市生态空间的智慧城市规划阶段，需从城市发展与居民需求出发，基于本地区生态空间的特点和现状，对包括信息化基础设施、数字治理等领域建设以及工作机制方面进行调查分析和合理评价。通过分析基底与目标之间的差距，推导出信息化系统建设的需求。基于智慧城市最新技术趋势，通过宏观策略与可实施路径相结合，提出个性化的生态空间智慧城市的技术体系设计思路和原则。结合系统工程迭代演进式发展特征，将所有建设内容按信息技术体系进行分层归类，建立引领未来的总体架构，推动城市生态空间的可持续发展。同时，统筹智慧城市规划（顶层设计）与空间规划、社会经济发展规划以及其他各类专项规划的关系。此外，还需要加强规划的实施和监督，确保规划的有效落实。

（二）强化统筹建设

在面向生态空间智慧城市建设过程中，需要注重各个要素之间的协同和配合。通过统筹感知层、数据层、平台层和应用层之间的建设，实现信息流的无缝衔接和应用场景高效协同。同时，还需要注重与城市其他领域的智慧城市系统的对接和融合，将生态空间充分融入智慧城市复杂巨系统。城市生态空间智慧化建设涉及环境管理、城市建设、空间规划、信息技术等多个部门的业务和事权，因此要强调多部门合作与资源整合。各部门必须协同工作，统筹资源配置，形成合力。通过部门协作与联合决策，实现生态空间的综合管理。此外，还需统筹信息化工程和土建工程的建设，推动生态系统与城市基础设施的协同建设，包括地下基础设施（如管网等）、地面基础设施（如智能交通、智慧照明设施等）以及生态空间的设施（如生态修复、环境监测设施等），以形成一个高效联动的基础设施系统。例如，在城市生态空间同时进行智能灌溉系统和地下水排放系统的建设，确保水资源的高效利用。

（三）促进虚实互动

虚实互动是智慧城市发展的重要方向，数字技术作为数字生态空间和实体生态空间的交互工具和界面，可以增强城市居民对生态环境的感知和体验。信息系统产生的信息及居民反馈到系统中的信息构成城市的数字环境，其相对独立，有自身的维度和规则。[8]在信息时代，城市生态空间不仅是物理层面的，也有数字化存在的特征，同时还具有虚实融合与交互的特性。随着虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、元宇宙、数字人等技术的发展，智慧生态空间可以通过虚实互动的方式丰富城市生态空间的应用场景，为城市居民提供更为生动的环境感知和服务体验。例如，市民可以在生态空间使用智能手机或AR眼镜接收虚拟的导览信息、植物的科普知识，或实时的空气质量数据。以智慧公园为例，无锡蠡湖公园应用人工智能和元宇宙技术构建能和游客“聊天”的“数字鸟”，[9]提升了湿地生物多样性保护和科普的趣味性，能够有效吸引更习惯于数字化交往的新生代年轻人的参与。

在重庆市广阳岛智创生态城城市设计征询项目中，设计要求打造“面向500年前的生态，50年后的生活场景”，强调生态文明与智慧技术的结合，要前瞻性运用各类创新技术体现生态与智慧的双基因属性，展望未来空间组织和建造模式，构建未来场景体系。[10]规划提出了生态数字孪生模型（E-CIM）的框架，体现了规划方案对生态文明的具体诠释。[4]通过汇集城市大脑AI数据中心的全域数据资源，搭载E-CIM生态城市数字孪生平台，对规划区整体的碳中和情况、生物多样性情况、生态环境敏感性情况进行监测并推演，对可能产生的问题进行及时预警，并通过人工智能专家系统提供解决方案（图4）。

（四）优化机制设计

机制设计是城市生态空间智慧城市体系发展的重要保障。合理的机制设计可以确保城市生态空间智慧城市体系的科学建设、顺利落地和高效运行。绿色智慧城市的建设会产生海量数据信息，亟需解决各级、各类信息平台的协同互联与信息共享。[11]因此，应建立数据共享机制，促进与生态空间相关的不同部门之间的数据交流和共享。制定统一的生态数据治理流程、数据治理标准和规范。形成标准的生态环境数据目录和使用规范，供相关业务和数据分析使用，为生态可持续发展的创新应用提供数据服务。应强化政策激励与资金支持，通过设立专项基金、提供财政补贴等方式，推动生态空间的各类信息化项目的建设。推动相关标准制定，以规范生态空间智慧体系的建设与管理，确保其符合生态文明和城市可持续发展的要求。通过技术标准、操作规范和相关机制保障，确保城市生态空间相关的各系统和平台之间的兼容性，实现数据有效流转和信息互联互通，提高信息化系统建设的效率和管理水平。鼓励公众参与，开展公众教育和宣传。例如，政府可以将生态管理平台部分数据向公众开放，通过PC端、手机App移动终端建立环保宣传、信息公开、网上办事、互动交流、投诉举报等各项专题，鼓励公众参与生态空间的管理与事务监督，通过多样的数字化手段开展科普教育，使市民成为智慧生态空间建设的重要主体。

五、小结与展望

当前智慧城市建设已成为推动城市现代化、可持续发展的重要趋势，城市日益数字化的潮流不可阻挡。在全球生态危机频发的背景下，基于信息通信技术和智能设施创新的城市生态环境智慧化建设将为城市发展提供新的思路。[12]城市生态空间作为智慧城市的重要领域，其智慧化发展对于提升城市整体智慧水平、促进生态文明建设具有重要意义。通过运用现代信息技术手段，能够实现生态空间的科学化、智能化和精细化规划、建设、管理和运营，可有效提升生态空间的社会经济效益、综合服务功能和生态价值，推动城市可持续发展。

未来，随着生成式人工智能（AIGC）、大语言模型（LLM）等前沿技术的不断涌现和进步，新兴技术将在城市生态空间智慧化发展中发挥越来越重要的作用。城市生态空间的构成在智能技术的创新实践下变得更加复合化。[3]城市生态空间将会呈现出更加智能化、绿色化和人性化融合的趋势。城市生态空间作为生态文明的体现，也将会是数字技术驱动的生态创新实验场。在持续迭代的前沿技术对生态空间不断介入、干预和交互的背景下，城市生态空间的智慧城市体系将演进出人—机—环系统的“复合智能体”，将具有“类生命体”的特征，能够自我学习、自动演进和持续进化。通过技术与生态的深度融合，以生态空间为重要表征的城市创新发展也将呈现出新的形态。

参考文献：

程杰，赖建华，牛文元.以创新，绿色推进智慧城市建设[J].中国信息界，2013（2）：32-36.

刘泉，李昊，钱征寒.三元融合智慧城市的发展趋势解读[J].上海城市规划，2023（4）：70-77.

牛月，甄峰，孔宇，等.智能技术对城市生态空间的影响及研究展望[J/OL].国际城市规划.（2024-09-26）[2024-10-14].https：//doi.org/10.19830/j.upi.2023：454.

李昊.智慧城市空间规划与场景营造[M].北京：中国建筑工业出版社，2024.

沈清基.智慧生态城市规划建设基本理论探讨[J].城市规划学刊，2013（5）：14-22.

乔智，尤明东.高校资源在智慧城市建设中的功能与参与机制探讨——基于北京国际绿色智慧城市建设[J].中国商论，2020（20）：185-186+188.

王泉，汤明杰，施珮，等.智慧海绵城市研究进展与展望[J/OL].水利水电技术（中英文）.（2024-07-19）[2024-10-20]."https：//link.cnki.net/urlid/10.1746.TV.20240717.1810.006.

海姆.从界面到网络空间[M].金吾伦，刘钢，译.上海：上海科技教育出版社，2000.

DreamDeck甲板科技.这么卷，蠡湖都在做数字鸟了[EB/OL].（2024-05-08）[2024-10-18].https：//mp.weixin.qq.com/s/a1QXS61EmFkLwJpOndkMMw.

李昊，赵晓静，王俊，等.三亚崖州湾科技城：面向空间布局与管控的智慧城市规划创新[J].北京规划建设，2022（3）：37-42.

郑博洋.基于生态发展的智慧城市建设体系分析[J].智能建筑与智慧城市，2023（5）：149-151.

赵慧敏，胡宏，李可昕.基于神经网络算法的城市生态环境设施智慧化建设类型识别及驱动机制[J].生态学报，2024，44（11）：4527-4543.

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

■责任编辑：许" 丹