应用元宇宙促进城市空间规划变革研究

毛哲涵，王 鹏

(1.郑州大学商学院，河南 郑州 450001；2.北京市社会科学院管理研究所，北京 100029)

一、城市空间规划变革的必需性与可行性

城市空间规划是对城市土地利用、空间布局以及各项建设的综合布局、具体安排和实施管理。良好的城市空间规划是城市发展稳步进行的重要基础，故而城市空间规划的科学变革正成为全球城市管理者的重大关切。当前国内城市空间规划的变革有其必需性，更有较多的可行性支持。

(一)城市空间规划变革的必需性

随着时间推移与社会建设，传统城市的空间规划正带来环境恶化、“城市病”严重、经济增长受限等问题，极大制约传统大城市的进一步发展，也让新兴城市的规划变得投鼠忌器，因而亟需寻找城市空间规划新路径以摆脱当前困境。

图1 传统城市发展面临的问题

1.城市环境污染问题严重。首先，城市大气环境的质量下降严重。城市大气污染主要源头是机动车尾气污染及煤炭在生产与生活中产生的污染。在当前城市空间规划格局下，随着私家车拥有量不断上升，城市堵车现象加重，空气污染问题在城市化过程中愈发严重；其次，城市可用清洁水资源减少明显。生活污水、工业废水的排放途径规划不合理严重影响了自然水体的质量。居民污水和工业废水也对城市地下水有着较为严重的污染，带来水质性缺水的危害。另外，国内各大城市的固体废弃物持续增加。然而，处置固体废弃物的法律法规尚不完善，并且“环境监管”“企业内部管理”有待加强，责任落实难以到位，以及处置技术的欠缺导致末端处置费高，加之垃圾填埋规划不科学因素致使固体废弃物成为城市环境污染的一大来源。

2.经济增长模式局限明显。近几十年来，中国经济发展、工业化和城市化导致诸多城市发展过程中产生较多社会和经济问题。劳动密集型企业和资源密集型企业在国内城市建设初期发挥了重要作用，在城市规划建设初期占据了重要地段，但该类型企业往往呈现低附加值、高污染性的特征。随着劳动力市场持续萎缩，劳动密集型行业难以利用低成本劳动力完成稳定发展，资源密集型产业也受限于自然资源的快速消耗以及陆续出台的国家相关政策，如煤炭开采、钢铁、建材、造纸、塑料制品、包装这类重污染型行业，不得不面对关停或转型的考验。因而，过度依赖自然资源和传统劳动力的发展模式难以维持，制约了城市的升级转型与进一步建设，亟须通过科学的城市空间规划腾笼换鸟，寻找与建立起新的支柱产业。

3.“城市病”现象较难克服。国内城市建设初期未重视城市内部结构的合理规划以及城市基础设施、公共空间等相应配套，致使人口与资源配置严重失衡，出现交通拥堵、城市贫困、秩序紊乱等一系列典型问题。城市交通堵塞的危害在于直接增加了市民出行的时间成本，社会在消费等经济方面活力的衰减，同时也会带来一系列的环境问题，阻碍城市发展；城市贫困问题会影响经济发展，占有大量扶助资源，也会危害社会安全，提高城市犯罪率，甚至会阻碍文化的进步，影响教育的发展；秩序紊乱会严重阻碍政府公共政策的顺利推行，也会给社区管理带来许多不便；以往基于短期经济利益的城市土地资源无序开发弊端显现，制约了城市的长期发展。可见，国内各地普遍的“城市病”问题亟须科学的城市空间规划加以解决。

(二)城市空间规划变革的可行性

城市空间规划变革需要良好的客观条件支撑。当前我国主要城市推荐空间规划变革的支撑要素主要体现在国家政策、民众观念、经济水平三个方面。

1.国家政策支撑。城市空间规划是一项多维度、立体化、系统化的工程，涉及经济发展、社会建设、人与自然协调的全方位领域。土地资源配置会通过产业结构效应、技术创新效应和生态环境效应对城市经济效率产生影响。[1]2016年出台的《中共中央 国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》便强调应强化城市规划工作，完善城市公共服务，营造城市宜居环境，创新城市治理方式。2021年各地“十四五”规划当中更是提出运用物联网、云计算、大数据、空间地理信息集成等新一代信息技术建设“智慧城市”。智慧城市的建设是改善发展城市经济、产业、民生的重要举措，赋予城市规划更为深刻的重要性。可见，做好城市空间规划已经成为长期的国家战略，不仅与人居问题、环境问题直接相关，还涉及经济问题和发展问题。因而，城市空间规划变革也将受到国家相关政策的有力支撑。

2.民众观念支撑。做好城市空间规划，事关当地人民的根本利益和国家发展的长远利益。若没有充分考虑民众的相关需求，没有获得民众的理解、支持和合作，没有民众自觉、积极地参与其中，那么也就难以推进城市空间规划变革，难以落实好科学有效的城市空间规划。因而各地区城市在开展空间规划的过程中，必须充分地获得民众的支持。众多学者研究也表明城市居民生活幸福感与城市的合理规划直接挂钩，如提出人均绿地面积、POI点密度与居民幸福感呈正相关关系。[2]可见，我国民众在认识到城市空间合理规划带来的好处，体会到国家政府重视城市空间科学规划的决心后，对于城市空间规划的变革也将普遍持支持态度，其本身也具有极大的城市空间规划参与潜力。

3.经济水平支撑。城市空间规划变革意味着城市要坚决推进产业升级，加快淘汰高污染高能耗企业，并加紧配套公共设施、场所建设，引导民众的人口转移，从而实现城市内部的高效运行。但政府在通过各种手段推动城市空间规划升级的同时，短期内对当地经济增长和社会发展的也会产生一定的负面影响。产业升级方面，新兴产业增长相对缓慢，无法及时吸纳众多劳动人口，而劳动密集型、资源密集型企业的大量关停也致使失业人口短期内数量激增，给社会造成巨大的压力。公共设施、场所新建方面也需要大量投资资金，因而各地区的经济积累成为城市发展模式变革必不可少的支撑条件。而2021年我国经济总量达到114.37万亿元，同比增长8.1%，完成了全年6%以上的经济发展预期目标。数据表明，我国的经济水平处于稳定增长的健康发展阶段，给应对我国城市空间规划变革可能出现的经济增长问题、社会就业问题、项目建设问题提供了坚实的支撑，助力我国城市空间规划变革顺利落实。

二、城市规划新趋势研究和元宇宙作用机理分析

(一)当前城市规划研究综述

通过梳理现有研究，可以发现低碳城市与智慧城市都是未来城市发展规划应当考虑、重视的方向，也是城市发展规划的长期战略目标，而应用元宇宙融入城市空间规划之中将成为实现这两大目标的有效举措。

一是低碳城市建设。从理念上，辛章平等指出低碳城市就是在城市实行低碳经济，建立资源节约型、环境友好型社会，建设一个良性的可持续的能源生态体系[3]；郝寿义认为低碳城市是通过低碳交通、低碳市政基础设施、低碳能源系统、城市智能化管理、低碳生活与低碳消费等城市职能运行体系构成的城市系统。[4]从方法上，魏保军等指出建设低碳城市，需要加强顶层设计，构建低碳城市规划技术内容和方法工具体系[5]；姜紫莹提出可以效仿日本积极探索与空间策略衔接的碳定量方法，将空间规划对低碳城市建设的贡献定量化[6]；郑德高等表示在低碳城市建设应侧重在能源供给消费端减碳、资源循环等方面，以最大限度实现碳减排。[7]

二是智慧城市建设。从理念上，巫细波等认为智慧城市利用新一代信息技术 来改变政府、企业和人们相互交往的方式，对各种需求做出快速、智能的响应，提高城市运行效率，为居民创造更美好的城市生活[8]；王小红提出智慧城市主要是通过广泛采用互联网技术，将城市的管理和监督置于智能化管理体系之下，实现城市成员的和谐相处。[9]从方法上，李慧雯认为建设智慧城市的关键在于完善大数据基础设施建设与建立一体化城市数据共享平台[10]；范丹等则利用实证研究表明智慧城市建设需要充分释放政策施行对要素流动的贡献能力，促进资金转化与劳动力集聚，发挥要素流动带来的规模经济效应。[11]

(二)元宇宙的核心要素与技术特性

历史上人类社会的重大技术变革都将密切影响城市的治理形态与发展模式，甚至可能导致治理模式的根本性改变。元宇宙作为新一轮技术革命的统摄性展现，自诞生以来便具有丰富的应用场景，且随着时代的演变也不断衍生出新作用，对城市空间规划的影响也会渗透到更广泛的层面。

对于元宇宙的核心要素，目前市场上并没有形成统一的观点，但是仍存在一些共性。如图2所示，本文对于元宇宙核心要素的定义选取Roblox CEO所提出的元宇宙必要的八大要素，并通过结合腾讯研究院给出的虚拟世界构架的七大特征，总结出元宇宙的理想形态是一个有极致沉浸体验、丰富内容生态和社交体系、虚实交互的经济系统且能映射现实人类社会文

图3 元宇宙的特性及与真实宇宙的关系

元宇宙作为整合多项新技术产生的新型互联网应用和社会形态，具体技术架构如图3所示。清华大学沈阳教授指出元宇宙将通过四个明的超大型数字空间。[12]方面奠定其作用基础。一是现实增强：将数字信息叠加在现实空间上，现实态和虚拟态“二态交织”，增强现实世界，满足用户多元需求；二是生命映射：基于个体的生命历程的映射，包括人体自身、日常停留的空间、交互的对象、各类信息和体验，各类传感器测量记录海量的数据；三是全真互联：通过孪生技术搭建虚拟场景，真实建构并还原现实世界。现实和虚拟环境能够一一对应，现实世界可以在虚拟世界模拟改变之后再行改造；四是时空想象：通过时空创意和时空美学创造完全虚构的环境，模拟想象的世界。

元宇宙的四个特性帮助其发挥实际作用。是高仿真性，超越现实情境，行所不能行之事。例如在现实世界中无法去空间站，但可以在虚拟世界仿真并前往；二是低风险性，超越人之认知的颠覆活动。例如，真实世界中人无法靠近烈火，但在元宇宙虚拟人可以穿一件由火焰构成的服装。三是低成本性，在生产生活和内容创造上实现小成本运行。无需在现实世界耗费大量人力物力布景，凭借虚拟仿真，可低成本看到和评估效果。四是非常理性，在元宇宙的某些情况下可以不遵循真实世界的常理。例如，在游戏元宇宙中可以击打人物，而在真实世界正常情况下是不允许的。元宇宙的特性使得其有足够潜力在实现低碳城市建设、智慧城市建设的基础上，对城市空间规划研究作出新的贡献。

图4 基于元宇宙的城市空间规划路径图

三、元宇宙与城市空间规划结合的具体架构

元宇宙是覆盖一系列新型智能技术的统称，它对城市发展有着全面的影响。本文主要从城市空间规划战略制定、城市空间规划系统构建、城市空间规划系统应用三个流程对基于元宇宙的城市空间规划的具体路径进行研究与设计。

(一)城市空间规划战略制定

我国传统的城市空间规划战略制定存在不少弊端。首先，热衷于打造覆盖性、综合性规划，费时费力，审批程序复杂，时效性差；其次，传统规划倾向于假定规划行动高度一致，结果基本确定，属于蓝图式、设计式规划，灵活性差，变动难度大；最后，传统的规划大多停留在专业人员的案头设计当中，缺乏对于公众需求以及规划实施过程中潜在问题、成本的综合考量。故而，新型城市空间规划制定应当充分依托新兴科技力量，基于城市的发展定位与资源禀赋，灵活结合城市政府、企业、居民等主体的意愿，重视城市发展的内在联系与诉求，旨在更好地发挥城市各项功能，科学确立城市的空间规划。

基于元宇宙的城市空间规划战略制定主要从两方面出发。一方面，由于网络舆情分析是判断城市大事件发展和舆论导向的重要工具，也是了解城市政府、企业及居民发展意愿的重要途径。通过对社交网络、网上论坛、政府门户网站、相关规划等文本、语音、图像及位置数据的挖掘，可以发现政府出于经济增长和公共服务目的的空间发展设想、企业为了摆脱困境或增加利润的空间诉求、居民追求生活便捷和宜人环境的愿望，进而综合多方需求来确定城市空间的未来发展战略；另一方面，由于在元宇宙中，各类城市要素和生态环境要素都处于城市的全局共享和链接状态，人居与能源、工业与环保、商业与交通、生态与建筑等要素之间呈现互为影响、互为协助的关联状态，可以建立跨系统、跨部门、跨要素的立体综合城市信息模型，使地理空间、建筑空间、设备空间和公共服务形成有机结合体。同时，将人居要素放入其中，使人居需求与空间环境产生耦合效应，通过元宇宙海量的模型实例处理能力，将每个居民的人居潜在需求与空间环境相融合，从而寻找最佳城市要素匹配方案。

(二)城市空间规划系统构建

借助元宇宙技术能够通过构建城市元宇宙的方式进行映射性的城市空间规划的模型建设，并用来指导现实中的城市空间规划并进行推演。城市元宇宙是一系列技术集成融合的创新应用，其体系结构包括物理层、数据层、模型层和功能层(如图5所示)。物理层是指现实城市中的对象，包括人体、建筑物、物理空间等。数据层是城市元宇宙应用的基础，由数据采集、传输、处理和存储四个部分构成。模型层是城市元宇宙应用的核心，实现对现实城市对象的数字化镜像表征。功能层是城市元宇宙的直接价值体现，通过将模拟仿真得到的结果、可视化服务等封装在一起，提供给业务系统应用，来满足各应用场景的需要。

图5 城市元宇宙平台架构图

城市元宇宙平台搭建的具体技术应用如下，通过大数据技术获取城市各类型数据，如城市传感器数据、人和交通流量数据、城市建筑三维数据等，成为城市元宇宙模型构建所需的数据基础；通过数字孪生技术并借助所获取的数据勾勒出城市元宇宙的架构蓝图，精确复刻现实中的城市系统，达到元宇宙所追求的全真互联特征；以人工智能技术作为城市元宇宙的生成逻辑，实现城市元宇宙中内容的持续增加与变换；围绕云计算技术强化全局性的高强度综合计算能力，满足城市元宇宙运行所需的算力需求，实现特定场景和需求的快速响应；通过区块链技术形成城市元宇宙的认证机制，确保城市元宇宙平台中数据交互的可靠性，也能实现城市元宇宙中城市规划政策条文与空间用地性质的权威嵌入；通过VR、AR等技术构建出城市元宇宙的虚实界面，实现现实人、机器人在城市元宇宙平台中的进入活动，真正实现人体与虚拟城市空间的沉浸式交互；通过5G技术实现城市元宇宙平台中的信息高速传输，实现元宇宙高算力环境下的信息不失真、实时性交互。

(三)城市空间规划系统应用

城市元宇宙平台搭建完成后，基于元宇宙的属性特征，能够通过两种途径提升城市空间规划质量与水平。一方面基于与现实城市实时映射的属性，现实城市的所有人、事物以及连接关系都将反映在城市元宇宙中，城市问题也都将实时映射到城市元宇宙中，使得专业规划人员能够从宏观上直观掌握城市整体空间架构与布局，也能够从微观角度对城市小范围环境进行细节把控。例如，通过观察城市元宇宙平台，规划人员可以宏观看出城市商业区、工业区、居民区的总体分布或是城市内交通的疏堵分布状况，也能微观观测到某一十字路口周围的建筑排列与人、车通行状况与流量统计。此外，在城市元宇宙中，城市空间用地的产权性质、占地规模、所有权性质、价值情况等有关属性也将通过区块链技术权威嵌入其介绍信息当中，不容随意篡改，以供专家制定规划战略时直观全面了解，也保障社会公众对于城市空间用途及属性的知情权。故而，通过观察城市元宇宙便能了解整个城市运行的动态，掌握其是否稳定、流畅运作，判断城市各环节能否各司其职进而达到最优规划状态。在此基础上，通过设置空间上和事件上的阈值，便可判断城市在发展中是否与规划的目标有所差别，使得城市空间规划变得公开透明、严谨可靠。

另一方面，城市元宇宙平台能够借助时空创意和时空美学创造虚构的城市环境，模拟出预想的城市样貌与布局。例如，政府采纳民意预计在一处空地新建市民活动中心时，输入建筑相关数据便可在城市元宇宙中构造出活动中心的模型，城市元宇宙平台中的城市整体风貌与运行状态也将随之改变。通过分析经济数据、交通数据等变化便可直观判断该规划的价值情况，也能基于人工智能模拟或分析，对此建设方案提供更有效合理的规划调整建议。此外，工作人员可借由VR头盔进入城市元宇宙当中沉浸式体验预期规划完成后的城市，形成直观感受反馈规划举措，既能够低成本、快捷式形成多项城市空间规划方案，以便在城市元宇宙当中试验并相应调整。同样，也可在规划阶段开放公众进入城市元宇宙进行模拟体验，把握城市居民主体对预期建成环境的满意度，更为客观反映城市空间规划质量。元宇宙的时空想象特征也能够帮助提前发现城市特殊情况的变化，探索特殊问题的消除方案，为现实解决提供预处理。以应急处置为例，在现实世界中，洪水、火灾等演习通常是按照脚本进行的，没有随机性、真实性和全面性。而在城市元宇宙中，可以通过强大的算力模拟出仿真的火灾、洪水和其他紧急事件，安排公众与专业救援人员沉浸式进入场景进行应急反应，从而充分反映出真实场景、变化情况和整个团队的参与情况，提升城市的应急响应能力，完善城市的空间安全规划。

四、结语

上述分析可知，基于元宇宙技术的城市空间规划方法具有其显著价值，能够规避传统规划方式造成的诸多问题，但仍留有些许问题和挑战以待解决。一方面，元宇宙是一个致力于数字资产的生态，而数字科技发展是把双刃剑，在信息共享越广泛的同时，安全性也随之降低。试想如果在未来城市元宇宙被不法分子攻击导致信息泄露，会更加影响现实世界的正常秩序，因此应当重点关注如何做好城市元宇宙应用过程中相关数据的保护工作。另一方面，现有基于元宇宙的城市空间规划研究还停留在理论和方法层面，城市元宇宙的搭建也尚未形成具体实践。从理论研究到具体实践应用仍有一段距离，仍需要有关研究人员继续完善其技术体系，进行实践试验，这将成为未来研究的挑战。