面向城市更新的地理空间信息技术研究现状与展望

我国城镇化在取得举世瞩目成就的同时，也带来了诸如城市热岛、暴雨内涝、环境污染、交通拥堵、设施老化等“城市病”问题，严重制约了城市的可持续发展。为应对城镇化过程带来的挑战，越来越多的国家将城市更新作为振兴城市和实现城市可持续发展的手段。城市更新在提升城市既有结构与功能、解决城市物质改造和用地效率问题的同时，能够面向多元目标、均衡多方利益，注重社会经济效益和生态环境价值协调，是城市空间范围内持续完善功能、优化布局、提升环境品质、激发经济社会活力的空间治理活动。然而，目前国家层面出台的政策文件中并未对城市更新进行明确的定义，各地出台的关于“城市更新”政策的主要目标是围绕城市空间形态和城市功能优化而推动“留改拆”等系列活动，尚没有形成统一的城市更新内涵。此外，虽然更多尺度、更多维度、更加立体的地理空间信息技术手段不断改变城市更新的广度和深度，持续强化对城市更新的支持力度，但目前还存在较多需要解决的问题，如：如何有效联动大数据感知挖掘潜在的城市更新要素空间信息；如何科学确定时空评估模型实时分析和评价城市更新的经济、社会和生态效益；如何以高效的方式寻求多目标协同的城市更新空间优化方案等。面向城市更新的地理空间信息技术应用尚未形成系统性的逻辑框架，一定程度上制约了城市更新的信息化和智慧化发展。基于此，本文在从“三生空间”功能视角审视城市更新内涵的基础上，参考“城市认知”中的感知、评估和优化等全过程，构建面向城市更新的地理空间信息技术应用逻辑架构，并基于此架构梳理地理空间信息技术在城市更新的多要素感知、多效益评估和多目标优化的研究现状，总结经验，立足实际需求，展望面向城市更新的地理空间信息技术发展方向，以推动城市更新信息化，支持智慧城市建设。

随着“三生空间”成为国土空间规划的重要衡量因素，城市空间的优化利用也更加强调通过调整不同功能空间的结构和布局，促进生产、生活、生态空间协调融合。并且，“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”的科学内涵也与“建设包容、安全、有风险抵御能力和可持续的城市及人类住区”的联合国可持续发展目标（SustainableDevelopmentGoals, SDGs）相吻合。因此，在以人为本和可持续发展思想指导下，从“三生空间”视角分析城市更新内涵，符合城市发展的现实需求。首先，城市更新是在实现存量提质改造和增量结构调整并重的城镇化新模式下开展的，要求通过产城融合、功能置换的方式开展城市物质空间更新改造，提高容积率，提升城市用地效率，与“生产空间集约高效”具有一致性。其次，城市更新的核心仍然是服务于居民，推进卫生医疗、科技教育、文化体育、养老就业等公共服务的均等化，建设以人为本的“宜居城市、韧性城市、智慧城市”，实现“生活空间宜居适度”的共建共享。最后，城市更新是一个“有机更新”过程，在对物质环境进行改造优化的同时，还要增强生态环境的保护和改善，并且以问题为导向探索城市建设中生态调节功能失衡的解决方案，激发城市生机和活力，强调城市的“生态空间山清水秀”。总体而言，“三生空间”视角下的城市更新应该建设“包容、安全、有风险抵御能力和可持续的城市及人类住区”，发挥“生产、生活、生态”三类空间内在的相互嵌套、彼此交融的协同作用，实现城市整体可持续发展。

  “三生空间”视角下的城市更新内涵 

     在布卢姆分类学（Bloom'sTaxonomy）中，人类认知被分为6个过程，即记忆、理解、应用、分析、评价、创造，这些过程从基本的记忆出发，并在此基础上实现创新。当认知对象为“城市”时，可以将“城市认知”过程简化为对城市的感知、评估和优化。城市更新是资源再利用和城市环境的重建过程，本质上也是后现代的“城市认知”过程。这个过程包括“三生空间”视角下城市更新的要素感知、效益评估和空间优化3个方面的具体内容，而地理空间信息技术为实现这3个方面的具体内容提供了有益探索和良性引导。

  “三生空间”视角下基于“城市认知”过程的城市更新逻辑架构 

（1）生产要素感知

城市更新的生产要素感知主要体现在对与人类生产密切相关经济活动的实时把握，获悉其空间布局特征和产业发展状况，为产城融合和城市功能置换的目标提供基础数据条件，推动城市更新成为生产力提升的增长点。随着地理空间信息技术的发展和应用，借助地理空间信息技术实时获取以地理空间信息为载体的生产要素，已经成为生产要素感知的重要技术手段，有利于更新规划决策者总结产业随着外部环境变化和内部结构调整在空间上表现出的扩散、迁移和进退等现象的规律。

（2）经济效益评估

城市更新的动力来自于经济发展和社会需求， 反过来又促进社会投资、刺激经济增长、提升土地价值。因此，城市更新的全过程需要充分考虑生产要素之间的相互作用，将城市空间作为生产的基础资料投入到再生产，然后评估产业环境变化和需求重构带来的经济效益，从而实现经济持续发展和空间集约利用的双重目标。在地理空间信息技术支持下，基于实时感知获取的影响区位价值的时空数据，通过快速构建产业经济效益评估指标体系和空间评估模型，评估分析生产要素的地理空间变化特征、探究产业迁移原因、评价更新改造前后的经济价值，可以为生产空间优化提供“经济效益最大化—空间利用最小化”的优化目标，实现经济转型和空间重构。

（3）生产空间优化

生产空间优化就是通过调整和改造城市空间结构，关注空间更新以后所带来的生产力再生，寻求新的空间生产增长模式，解决“角落空间萧条”等问题，实现城市良性循环发展。结合时空大数据、人工智能的地理空间信息技术不仅解决城市更新中“为什么”和“如何做”的问题，还能通过各类算法发现时空大数据中隐藏的新知识和新规律，进行生产空间的优化。根据经济持续发展和空间集约利用的双重目标，地理空间信息技术支撑下的生产空间优化可以借助地理元胞自动机、多智能体等仿真模型模拟产业发展的空间格局与地理过程，采用地理空间优化模型寻找更科学高效的更新方式，确定最优的产业布局、最协同的产业政策、最协调的多边关系。

（1）生活要素感知

城市更新通过现有空间改造，弥补和修正存量空间的不足、低效和错配，以空间更新改造的方式满足政府、市场和社会多元主体的利益诉求，创造美好生活，实现社会公平正义。生活要素的感知是实现和居民生活密切相关的公共利益公平正义的基础。地理空间信息技术的应用，可以通过时空数字化方式整合生活要素资源，感知以地理空间为载体的物理实体和蕴含人文情感的抽象实体，进而将城市公共资源供给能力和居民对生活空间公平正义需求有效链接，为城市更新的社会效益评估和生活空间优化提供数据基础。

（2）社会效益评估

城市更新目标之一就是提升街区活力，提高居住品质，满足复杂多元的社会需求，通过潜在的社会效益解决居民现实需求和社会快速发展之间的矛盾。因此，城市更新必须对基础设施条件、城市活力、社会公平正义、人居环境适宜等方面进行社会效益评估，增强“以人为本”的城市韧性。在地理空间信息技术支持下，基于获取的生活要素感知数据，城市更新的社会效益评估可以使用情感分析方法、机器学习算法、基尼系数等方法全面评估基础设施的空间均等化水平、居民对城市发展的期望水平、城市活力、人居环境适宜性等，掌握公共服务水平的空间差异与以人为本的发展理念的差距。

（3）生活空间优化

在符合城市规划和用途管制前提下，通过城市更新对不合理的、分散的公共资源进行空间优化，在有限的地理空间内最大程度上分享有限的公共资源，能降低生产成本，提升城市转型效率。针对暴露出的诸如公共服务等生活设施供需失衡问题，地理空间信息技术能以社会效益评估结果作为多目标约束条件，兼顾公平与效率，采用地理空间优化模型对公共服务等生活设施资源进行空间优化配置，以城市更新改造的方式合理配置基本公共服务设施，最大程度实现生活空间公平公正。

（1）自然要素感知

通过对光、热、水、土壤、大气等自然环境要素的实时监测，能感知与人类生存和发展息息相关的生态调节功能的动态变化过程，为理解城市更新的环境效应提供研究基础。随着高分辨率遥感卫星对地观测技术的发展，遥感技术数据已经成为感知自然环境要素的主要手段之一。物联网和信息科学的发展，尤其传感器和通信技术与地理空间信息技术的融合发展，为及时感知城市发展与自然环境要素的矛盾与冲突提供了更加完整、高效、快捷的技术方法。

（2）生态效益评估

城市更新是解决城市生态调节功能失衡问题的一剂良方。然而，城市生态调节功能内容丰富，表现形式多样，准确识别城市生态调节功能类型及失衡程度成为城市治理的重要前提。生态效益评估就是通过构建生态效益评估指标体系识别生态空间的城市生态调节功能类型及失衡程度。随着时空大数据时代的到来，城市生态效益评估有了更好数据背景；地理空间信息技术的广泛应用，又为生态效益评估提供了技术支持。

（3）生态空间优化

生态空间优化是面向城市可持续发展、探索解决城市生态调节功能失衡问题的重要实践路径。地理空间信息技术能够有效挖掘时空大数据信息，将生态效益评估结果作为多目标约束条件，采用蚁群算法、粒子群算法等地理空间优化模型进行空间格局优化，量化描述应对城市生态调节功能失衡问题的规划策略，提出最优的生态问题解决方案，改善城市建成区的生态环境。