【共享期刊】URP新编 | 城市实验室：基于新数据、新要素及新路径的批判与展望

龙瀛，清华大学建筑学院；

张恩嘉，清华大学建筑学院；北京工业大学建筑与城市规划学院。

文章导读        

新兴技术深刻影响了城市研究与实践的方法、对象及路径，重塑了“城市实验室”概念的内涵和外延。文章展望了城市实验室在发展主动城市感知方法、研究新生活方式和空间结构，以及通过数字创新技术赋能规划设计的潜力。

本文字数：5450字

阅读时间：约 9分钟

 

回顾城市发展历史，每次工业革命都推动了城市研究和实践的方法革新。将城市视为研究对象的思想广泛应用于城市科学的发展中。一些学者强调新技术对城市形态的影响，提出了各种城市形态理论；一些学者则发展了用于城市社会经济演变模拟的定量分析模型。近年来，在第四次工业革命背景下，信息通信技术、大数据、人工智能等前沿科技蓬勃发展。这些颠覆性技术重新定义了城市空间和日常生活，塑造了城市的未来。在此背景下，以圣塔菲研究所、UCL高级空间分析中心、MIT感知城市实验室等为代表的研究机构逐渐崭露头角。这些机构通过前沿技术解决城市问题，提高城市的可持续性和居民生活质量。本文旨在厘清城市实验室的概念、特征及其发展机遇，展望城市实验室如何利用新的发展契机开展研究及实践，以期为人居环境相关学科提供新思路和参考。

城市实验室是一种将城市视为实验室，通过数据分析和创新研究改善城市规划、设计和管理的框架。这一概念源自对生物实验室的类比，早期的芝加哥学派首次将城市视为实验室，利用标准化单元的数据分析城市的动态发展理论。随着城市问题日益复杂，学者们越来越多地使用“实验室”来描述城市研究和实践。城市实验室关注地方管理和规划过程的创新，强调技术应用和制度创新，并有助于探索新的城市规划形式。尽管城市的开放性和复杂性使得严格的控制实验难以实现，但城市实验室兼具田野工作和实验室的特征，研究结果既具有特殊性，也具有一定的普适性。

城市实验室的核心内涵包括：①城市环境是其研究对象和地点，具有复杂的系统开放性；②数据与空间分析及基础理论知识是支撑，用以分析各要素的时空关系与变化规律；③城市规划设计实践和政策优化是其应用。

研究对象：将城市视为科学研究的特定环境空间，涵盖建成、自然和社会环境。建成环境指城市中的人造空间，如地面铺装、建筑物等；自然环境包括噪声、光照、空气质量等；社会环境关注个体属性及其在城市中的活动，如性别、年龄、经济水平、出行等。

研究方法：在基础理论知识指导下，数据收集与分析为认识城市动态发展提供了实证依据。大量数据如遥感影像、街景图片、活动轨迹、用户评论等为城市实验室提供了精细化视角。通过空间分析、统计分析、可视化、模拟仿真、机器学习等方法，城市实验室分析建成、自然及社会环境的数据，更新或拓展现有知识，为城市科学发展奠定基础。

实践应用：通过数据分析评估政策和规划实践，并支持城市基础知识的发展，推动城市规划和政策更好地适应新时代需求。

本文关注城市实验室在第四次工业革命中的发展趋势，强调利用新数据和计算方法，以城市为实验对象，通过观察、分析和模拟等手段，支持城市理论发展和实践应用。本文重点探讨了城市实验室在新时期的特征：①主动收集数据并应用新技术研究城市；②关注时代发展和需求变化；③利用数字创新技术进行实践应用。

大数据与开放数据的出现为城市研究带来了新机遇，推动其进入数据密集型的第四代科研范式。相比传统的低频率和低空间精度的数据（如政府报告、统计年鉴），新数据以高时空分辨率为城市实验室提供了从空中（如遥感影像）和地面（如街景图片）认知建成环境和自然环境，并通过社会感知数据（如手机轨迹、公交刷卡数据）了解社会环境的机会。这一范式基于人工智能、数据挖掘等技术分析高频、高精度数据。北京城市实验室曾通过百度、滴滴、美团等数据，精准识别城市空间模式和人群行为特征。

然而，这些大数据也存在局限。首先，空间分辨率不足，尽管一些数据已达到街道和地块尺度，但少有数据能精确至建筑物或更小尺度，如手机数据通常基于基站（间距约200米）。其次，时效性不够，许多数据更新频率低，例如，全国城市街景图片中仅有1.14%是在2021年及以后拍摄的。再次，数据覆盖度有限，特别是在小城市、乡镇和偏远地区，数据老旧且分辨率不足。最后，数据匹配度不高，许多数据并非专为城市研究定制，如手机数据缺乏人群属性信息，限制了针对性的研究。

本研究团队提出了“主动城市感知”框架与流程，旨在补充现有大数据的不足。主动城市感知通过固定感知、移动感知及耦合感知三种方式，主动收集城市建成环境、自然环境和社会环境的数据，以提高数据的精度、时效性、覆盖度及匹配度。固定感知通过监测站点实时监测高频变化要素；移动感知利用无人机、车辆等载体进行广范围监测；耦合感知结合固定与移动感知，构建环境场。关键技术包括传感器选择、布置及数据处理分析。

本文介绍了主动城市感知在西宁城市更新评估、北京四环可骑行性研究及清华大学校园体检评估项目中的应用。三个项目分别以不同载体搭载环境传感器，采集影像数据，并通过图像深度学习和人工审计进行城市空间问题诊断。

随着技术的发展，主动城市感知具有广阔的前景。首先，传感器选择方面，虚拟审计工具如路见、猫眼象限，以及Wi-Fi探针、眼动仪、无人机、打猎相机、穿戴设备等，都能应用于广泛的场景。其次，感知方式和传感器布置将向无人机、无人驾驶、机器人等自动化移动感知扩展，结合APP城市实验，实现动态个体选择和心理感知。最后，数据融合处理分析将借助Tableau、PowerBI、自然语言处理、计算机视觉与深度学习等工具，帮助城市研究者“测度不可测度”，为城市规划和管理提供更精准、可持续的解决方案。

新技术的发展不仅提供了新的数据和方法，更重要的是从本体论层面影响城市。这体现在多任务、碎片化、远程办公等个体活动层面，以及无人工厂、共享经济、O2O服务等服务层面，还涉及共享居住、直播基地、外卖工厂等新空间形式。

然而，当前研究更多聚焦新数据下的传统城市问题，对城市本体变化的探讨较少，且受制于尺度、方法和领域的局限性。研究多集中于区域层面，城市内部及个体空间研究较少，实证研究不足，且领域关注有限。近年来，随着信息通信技术对城市的影响逐渐凸显，居住、交通、游憩等研究开始兴起，但尚未形成学术共识和新理论。

近年来，学者们越来越关注城市中新的居住、工作、交通、游憩和服务方式。例如，对远程办公、共享办公、共享居住、共享微出行和新兴服务形式的研究逐渐增多。国内研究团队如南京大学甄峰团队及罗震东团队、北京大学柴彦威团队、中山大学李郇团队、武汉大学牛强团队等，都关注新技术对城市空间和生活的影响。

北京城市实验室也关注新技术对个体行为和城市空间的影响，发布系列《未来城市空间WeSpace》报告，并通过文献综述和实证研究探索新空间模式和组织形式，如利用穿戴式相机研究人们的屏幕使用行为，利用多源数据识别远程办公第三空间，基于大众点评POI数据识别水平和垂直渗透的城市休闲消费空间等。

中国在信息通信技术的深刻影响下，其个体行为和空间结构重塑更为显著，相关研究具有国际启发意义。然而，目前的研究多集中于现象识别，尚未形成系统的数字时代城市空间新理论。未来研究还应关注新空间问题与挑战，如管理边界模糊、社会公平、空间分异等，规划设计者和城市科学研究者将面临更多的机遇和挑战。

空间干预是城市设计、建筑设计、室内设计和产品设计的核心手段，通过调整空间的形状、尺寸、密度和材质，塑造功能空间和边界。然而，空间的感知和形象不仅依赖物质要素，还受人们参与活动的影响。因此，一些设计师采用参与式设计或共创形式，增强人们对空间的认同感。随着数字技术的发展，数字城市和智慧城市建设成为新趋势。建筑信息模型（BIM）和城市信息模型（CIM）通过传感器和执行器联动，提供了交互、监测和管理的工具和平台。但目前智慧城市规划设计更强调数字工具的应用和空间感知的提升，较少关注空间干预和场所营造的实际应用。空间干预的更新频率较低，调整成本高，且难以获取长时间的使用反馈，这限制了其优化的精准性。

本文呼吁将软硬件结合的空间设计方法“数字创新”用于赋能空间干预和场所营造。设计师可以通过空间干预、场所营造和数字创新的结合，打造韧性、灵活、自适应的互动空间。其中，空间干预为基础，场所营造和数字创新是锦上添花。

北京城市实验室通过研究和实践深入探索了数字创新赋能的智慧空间设计方法。研究发现，全球范围内已有近600个智慧化城市公共空间项目，包括光电互动投影、自动化机器人等。北京城市实验室参与了腾讯深圳大铲湾总部的数字景观设计和黑河未来城市项目，探索科技对城市空间的影响及规划策略。

然而，数字创新在实际操作中面临挑战，如资金投入和运营维护。一些设施因功能与实际需求不匹配，难以实现其价值；同时，这些设施需要大量资源投入。未来应对这些挑战的策略包括对数字创新的社会和经济效益进行评估，收集用户反馈，不断优化设计，使数字创新更好地融入空间干预和场所营造，提升实际需求的满足程度。

新技术的发展对城市研究和实践有长期影响，但国家宏观的社会经济发展和政策也深刻影响城市规划与设计。中国2023年末的城镇化率为66.16%，城市普遍进入存量更新阶段。因此，城市更新将成为未来规划和设计的重点。同时，中小城市和乡镇人口持续减少，收缩城市问题成为新挑战。碳达峰战略和新冠疫情等因素使低碳城市和韧性城市成为重要议题。城市规划设计者需要在这些新阶段和挑战中，推动城市向绿色环保、韧性、可持续和宜居方向发展。

城市实验室可以整合新技术带来的三方面机遇，以应对城市空间新需求和发展问题。例如，对于收缩城市，首先利用大数据与主动城市感知精准诊断问题，如识别空间失序、空置土地和房屋等问题。然后，梳理与当地经济匹配的新生活方式，如鹤岗吸引远程办公人员、伊春在数字农业上取得进展、黑河发展直播带货等新产业。最后，利用新技术提出应对策略，如针对低效用地和空置住房，提出符合新生活和产业模式的空间设计方案。

总体而言，新数据、新要素、新路径能共同支撑城市新发展阶段的需求，并互相促进。例如，新要素提供新数据，完善城市空间理论；新数据研究新技术对空间和行为的影响；新路径的传感器提供实时数据，支撑规划设计和管理，满足不断变化的新需求。

随着我国城市化进入新阶段，城市更新和城市发展新问题的应对离不开城市空间的观察与实践。城市实验室作为跨学科研究与实践的框架，在第四次工业革命和社会变革中，面临多方面的机遇。首先，新数据的应用提升了城市研究者对人居环境的认知能力，使得“测度不可测度”成为可能，城市、街区、社区和建筑等领域成为新技术的广泛应用场景。其次，新要素引发了人居环境领域的本体层面变革，推动了“再城市化”的进程，为研究者提供了新城市研究的前景，并促使城市规划和设计原理的更新，同时推动法律法规的完善。最后，新路径中的生成式人工智能、混合现实和数字孪生等技术，为未来空间设计提供了丰富的工具，满足人们对高品质生活的需求，推动城市规划、设计及管理“以人为本”和“精细化治理”。

本文阐释了城市实验室的起源、概念及内涵，强调其以城市为实验室开展科学研究、支撑实践应用的能力。重点从新数据（方法论）、新要素（本体论）、新路径（实践论）三个方面展开对城市实验室相关研究的批判、演进与展望的介绍，强调主动城市感知对大数据与开放数据的补充作用；呼吁学界关注新的行为与空间并从研究尺度、方法和领域进行深化及拓展，发展城市空间新理论；提出数字创新对空间干预和场所营造的赋能作用。在城市社会经济发展趋势、国家政策等背景下，综合利用颠覆性技术带来的新数据、新要素、新路径的机遇以应对城市发展新挑战和新需求，是城市规划及设计者新的工作机遇和前景。

致谢

本文受国家自然科学基金重大项目（62394331、62394335）、国家自然科学基金面上项目（52178044）资助。此外，本文的长摘要受邀发表于2024年6月的《Environment and Planning B: Urban Analytics andCityScience》期刊。

购买《城市与区域规划研究（未来城市规划与设计）》请扫描下方二维码

本刊名誉主编:吴良镛;

主编:顾朝林;执行主编:武廷海