基于“互联网+生态”理念与技术的生态文明建设(ECC)模式研究

王让会

(1.南京信息工程大学应用气象学院,江苏 南京 210044;2.大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044;3.气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;4.江苏省农业气象重点实验室,江苏 南京 210044)

随着资源开发及社会经济的快速发展,人类所面临的资源枯竭、生态退化、环境污染以及发展停滞等问题也逐渐显现。如何在错综复杂的资源与环境矛盾中实现可持续发展成为人类必须解决的问题。资源节约型和环境友好型社会是当前区域发展的新需求,生态文明建设(ecological civilization construction,ECC)是体现这一理念的必然选择。中国倡导五大发展理念,提出七大战略,大力推进生态文明建设[1-2],特别是目前已经开始实施的生态环境损害赔偿(compensation for ecological and environmental damage,CEED)制度以及环境保护税等政策法规,一定程度上是在全球变化背景下保障生态系统安全、推动可持续发展的重大举措。

生态文明是工业文明之后更高阶段的文明形态,ECC的核心目标是人与自然和谐[3],科学评价区域生态文明发展水平、明确关键制约因素是推动ECC的基础。借鉴生态环境等领域监测、建模、分析与评价的方法[4-6],对于系统把握生态文明特征及规律具有一定的理论价值与重要的现实指导意义。围绕ECC问题,许多学者从生态文明的内涵特征、发展规律、评价指标、实施途径和保障措施等方面进行了一系列探索,对于人们科学认识ECC的必要性和迫切性具有重要的启示价值,同时,对于开展不同行政单元、不同地理单元、不同时空尺度和不同发展水平的ECC提供了可供借鉴的模式。白杨等[7]系统地研究了中国ECC及其评估体系问题。李平星等[8]综合考虑关联性、针对性、适用性和可获性,构建了包含生态经济、生态环境、生态生活、生态文化和生态制度在内的省域尺度ECC水平指标体系。胡彪等[9]在全要素生产框架下,结合以人为本的基本原则构建了城市ECC效率评价指标体系,应用非期望产出SBM(slack based measure)模型对天津市不同时期ECC效率进行评价。针对不同自然地理背景、不同生态环境状况和不同社会经济发展水平等特征,基于生态系统服务(ES)、生态足迹(EF)和人均 GDP 等指标,开展水碳足迹核算、净初级生产力(NPP)评估和生态资产评估[10-12]。结合区域大气、水体和土壤等要素损害程度评价,综合区域特点,对城市、农田、森林、草地、水域和荒漠等不同生态系统类型进行有针对性的评价,提出符合区域生态特点、环境状况和社会发展的指标;并针对区域资源禀赋状况和区位特点,提出基于生态文明理念的科学发展策略。李世东等[13]通过生态、资源、环境和景观4个方面共18个指标,建立了美丽生态指数,系统评价了中国各省及世界各国生态状况。现阶段传统的资源利用及环境管理模式已经不能很好地适应人民群众对美好生活的需求,全面认识和理解ECC方法及其跟踪评估机制是加强ECC的重要基础。

在大力推进ECC的背景下,人们关注CEED问题。生态环境损害是指因污染环境、破坏生态造成大气、地表水、地下水、土壤、森林等环境要素和植物、动物、微生物等生物要素的不利改变,以及由上述要素构成的生态系统功能退化。目前,关于不同区域、不同类型和不同CEED研究正逐步深入。CEED制度的实施对于全面实现“山水林田湖草系统”稳定性具有重大的现实意义。中国政府自2007 年提出ECC以来,已批准了3批 52 个ECC试点[14]。 生态系统与社会经济发展的复杂性要求科学、客观地评估区域ECC,以便指导科学的决策和行动。生态问题离不开技术的支撑。以“智慧地球”理念为基础,在诸多行业快速发展的物联网(internet of things,IOT)技术,在促进生态领域数字化、信息化和智能化发展方面也发挥着重要作用。互联网思维是对传统理念的重新审视。在“互联网+”的支撑下,探索ECC的一般模式,有望实现ECC领域及多目标的应用。随着人们对于生态文明领域理论及技术的深入探索,未来将进一步提出ECC理论框架、建设模式和评估指标体系,无疑对于全面推动建设美丽中国具有重大指导意义。

1 研究方法及途径

在生态文明建设中,人与自然是生命共同体,人类必须尊重自然,顺应自然,保护自然。目前,积极贯彻“大气十条”、“土十条”和“水十条”,净化大气、水体和土壤,保障生态安全,是建设美丽中国的重要环节。

城市生态系统具有复杂性,研究城市街道尺度ECC的相关问题,需要已有方法与技术的支撑[15],在“互联网+生态”理念及技术支撑下,所构建的生态物联网(ecological internet of things,EIOT)模式成为现阶段ECC研究的创新思路及方法。首先,围绕ECC目标,借助于各类信息技术手段全面搜集研究区域资源、环境、生态和经济等要素信息,作为EIOT的基础;其次,借助“互联网+生态”理念,应用遥感和GIS方法,全面获取研究区域生态要素及其时空特征[16];在此基础上,评价区域单要素及复合要素的特征;最后,在考虑相关原则的前提下,构建ECC指标体系,制定生态文明规划(ECP)与ECC信息化管理模式。城市街道尺度ECC研究主要流程见图1。

客观而言,研究城市化背景下城市街道尺度ECC存在高度复杂性。在“互联网+”背景下探索城镇生态文明问题的一般模式见图1。

ECP为生态文明规划,EIOT为生态物联网。

2 ECC过程及主要特点

基于“互联网+生态”理念、遥感、GIS以及图像图形学的原理与方法,在探讨ECC的概念、产生和发展过程的基础上,基于生态规划内涵和原则及理论基础,阐述ECP的基本程序、内容和方法,强调ECC及管理的作用;从生态要素的多样性、综合性、系统性和逻辑性等角度,分析ECC功能分区的步骤和途径以及生态调控思路。

2.1 构建ECC指标体系

推进绿色发展,着力解决突出环境问题,加大生态系统保护力度及CEED力度,改革生态环境监管体制,成为实现加快生态文明体制改革、努力建设美丽中国这一目标的重要途径。树立“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念,成为ECC及推进可持续发展的重要途径。在遵循生态功能协调原则、环境健康原则、景观优化原则和经济发展原则的基础上,重点把握生态基础设施、污染状况、环境质量和治理水平等方面,构建了街道尺度的ECC指标体系。《国家生态文明建设示范县、市指标体系(试行)》中包含生态空间、生态经济、生态环境、生态生活、生态制度和生态文化6大方面,更多地是从生态县及生态市建设升级的角度构建指标体系。笔者结合城市特别是街道尺度的自然、生态、环境和经济等状况,制定针对城市街道尺度的ECC指标体系。如苏州市吴中区城南街道ECC指标体系,街道尺度ECC分为“生态经济”、“生态环境”、“生态人居”、“生态制度”[17]和“生态文化”5个子系统,分别选取5个方面共25个指标,并选择若干指标作为ECC的特色指标(表1)。

表1城市街道尺度生态文明建设(ECC)的指标体系

Table1IndicatorsystemofECConastreetscaleinurban

子系统代码指标名称单位属性 生态经济1单位工业用地产值亿元·km-2约束性 2再生资源循环利用率%约束性 3单位GDP能耗1)t·万元-1约束性 4人均绿色GDP万元·人-1约束性 5第三产业占比%参考性 生态环境6空气质量指数(AQI)μg·m-3约束性 7受保护地比例%约束性 8环境功能区达标率(水、土、气、声)%约束性 9森林覆盖率%约束性 10中水回用比例%参考性 生态人居11生态用地比例%约束性 12公众环境质量满意度%约束性 13生态系统服务价值万元参考性 14新建节能建筑比例%参考性 15城镇人均公共绿地面积km2·人-1参考性 生态制度16生态环保法规及实施程度—约束性 17环境影响评价率及环保竣工验收通过率%约束性 18生态信息公开率%约束性 19ECC推进机构—约束性 20ECC占党政实绩考核比例% 参考性 生态文化21生态教育设施数量—约束性 22ECC知识普及率%约束性 23企业环保公益支出占公益总支出比例%参考性24低碳器具普及率%参考性 25公众绿色出行率%参考性

“—”表示无此项。1)以标煤计。

对上述指标设定2012年为基准年,并获取其基准值;同时,设定2015和2020年两个ECC不同阶段的目标值。根据要素和指标在研究区的特征及重要性程度,以及有限时间的可达性等,设定约束性指标和参考性指标,全面评价与引导街道尺度的生态文明建设。

研究及评价结果表明,近年来苏州城南街道生态文化和生态人居水平提升较快,生态经济和生态制度文明水平也有较大程度的提升;同时,受到之前经济发展模式的影响,资源消耗和污染物产生强度仍然较高,生态环境质量改善难度较大,公众绿色生活方式,特别是低碳环保理念等方面仍然需要不断加强。

2.2 EIOT和ECC信息化管理的主要特点

2.2.1基于空间概念的街道尺度EIOT模式

ECC需要诸多技术的支撑,而EIOT则是多种技术融合的产物。基于“互联网+生态”理念,推进EIOT模式,探索“互联网+生态”的现实应用。客观而言,EIOT就是将网络和感应器嵌入生态应用对象,监测生态信息(水体、土壤、大气、生物)、社会经济数据和环保数据(污染状况、环境效应、管理策略)等[18],将遥感数据与各类监测数据——生态大数据进行同化处理,得到更为丰富的信息数据,并将其按照技术可靠性与互联网有机地整合起来,实现人与物理系统的融合及其功能的提升。在此基础上,通过构建EIOT模式更加精细和动态地管理生态系统,以调控与维护生态系统的稳定性。

EIOT的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上向“生态”领域的延伸和扩展。用户端扩展到了生态研究、管理及工程相关的诸多方面,并进行生态信息交换和通信。EIOT包括了生态信息感知层、生态信息网络层和生态信息应用层;EIOT通过智能感知、识别技术和普适计算等通信感知技术,提升生态信息获取效率及感知水平,是IOT与现代生态管理相结合的产物。随着射频识别(RFID)、传感器、嵌入式软件和传输数据计算等关键领域研发的推进,EIOT成为一种能够对生态信息实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络化系统,同时,可以实现数据压缩、加密和传输等,帮助人们及时、精确地获取和处理生态信息,为科学研究、生态建设和产业发展服务。

基于卫星定位技术,按照点线面宏观调查的需要,合理定点定位,调查规划区域的地形、地貌、土壤、植被和水文等自然要素特征,并采集社会经济要素,获取对应区域的卫星遥感信息,结合图像图形处理技术及GIS手段,提取ECC因子,分析时空差异性,作为生态类型与功能规划的依据。

围绕苏州市吴中区的资源环境状况和社会经济发展定位,在遥感技术以及图像图形技术的支撑下,进行ECC的理论探索与方法实践。重点获取城南街道相关生态要素的时空变化信息,特别是重要空间结点,基于卫星定位和多途径获取的足够数量及精度的数据,制定具有创新价值的ECC方案。城南街道相关ECC要素和模式特征见图2～5。

基于卫星导航定位技术和GIS技术,监测与分析城市街道尺度生态文明驱动要素,在生态环境多元数据支撑下,针对遥感数据、监测数据、模型模拟数据和统计调查数据等进行时空分析,并结合图像图形学原理,构建城市街道相关要素的空间分布图,为ECC单项规划和综合规划提供依据和模式,最终形成苏州市吴中区城南街道综合性EIOT模式。

2.2.2基于GIS技术的ECC管理模式

围绕ECC关键科学问题,研发ECC技术方法,基于GIS等信息技术,以及“物联网+生态”理念与方法,研发构建ECC监测与管理系统(图6)。

借助图6所示平台,可以有效实现对生态经济、生态人居、生态环境、生态文化和生态制度等信息的综合管理,提升ECC的效率及质量。

3 结论

目前,基于生态文明理念实施城市群建设以及农村振兴战略,极大地规范与提升了美丽中国的内涵。多年来开展的生态省、市、县建设以及相关生态功能区规划工作,也得到不断的拓展与深化。2018年实施的CEED制度,对于全面治理大气、水体和土壤等污染以及优化生态环境具有开拓性意义。《生态环境损害赔偿制度改革方案》 中强调,通过在全国范围内试行CEED制度,进一步明确CEED范围、责任主体、索赔主体和损害赔偿解决途径等,形成相应的鉴定评估管理和技术体系及资金保障和运行机制,逐步建立CEED的修复和赔偿制度,加快推进ECC。与此同时,环境巡查与督查制度也在环境治理等方面起到了积极作用。目前,生态文明制度尚未系统建立,推动发展方式转型、加强生态环境保护和完善生态制度是未来推动ECC的重点工作。ECC是近期学者、政府部门和公众关注的焦点,现阶段中国对ECC的研究主要集中在ECC内涵、ECC指标体系和ECC评估等方面。随着对生态文明理念认识的逐步深化以及实践的进一步加强,特别是理论与实践的有机结合,人们必定能够找到解决ECC的若干难点及重点问题的有效方案。笔者已在相关方面有了一定的新认识,并获得了一些可供借鉴的思路与模式。

3.1 城市街道尺度ECC指标体系的构建具有前瞻性

在梳理生态文明内涵的基础上,通过挖掘经济、环境、人居、制度和文化5个方面内容的客观性,赋予了“生态”新内涵,梳理凝练出25个2级指标,并界定约束性指标和引导性指标,为不同目标年度的ECC指出了可供借鉴的方向。与此同时,在制定ECC体系时,强调要提供更多优质生态产品以满足公众日益增长的优美生态环境需要,以及完善生态保护红线、永久基本农田和城镇开发边界3条控制线划定工作,始终把握ECC的核心与关键。

3.2 EIOT是制定ECC方案的有效保障

在“互联网+生态”理念背景下,EIOT的构建具有现实可能性。EIOT的智能处理依靠云计算、模式识别等信息处理技术;若要促进EIOT的系统化,云计算是实现EIOT的核心,也能够促进EIOT和互联网的智能融合。目前,通过多元数据及生态信息要素的处理可实现预警终端对生态预警信息的典型识别与重点过滤,通过原型系统可实现生态预警信息的有效发布。同时,探索基于遥感影像的信息应急传输框架以及基于图标编码的数据传输技术,提升EIOT信息传输及应用的可能性。

图2 城南街道河网水体

图3 城南街道社区分布Fig.3 Community distribution in St. Chengnan

图4 城南街道生态经济布局

图5 城南街道生态安全格局

图6 基于GIS的街道尺度生态文明建设(ECC)数据管理平台

在信息技术支撑下,针对ECC的内涵特点,结合“互联网+生态”等理念,从理念、产业、生态、布局和功能规划等角度,构建城市街道尺度EIOT,有利于在此基础上制定符合街道客观状况的ECC方案,也有利于未来ECC的科学化、信息化和智能化。

3.3 ECC信息管理系统模式是ECP与管理的有效模式

在GIS等技术支撑下,全面挖掘街道尺度“生态经济”、“生态环境”、“生态人居”、“生态制度”和“生态文化”5个方面信息,特别是将街道尺度的生态要素、环境问题与发展目标有机联系起来,构建不同类型的数据库平台,并统一集成在综合性信息平台上,发挥生态大数据及生态信息的综合性效应,为科学制定街道尺度ECP和开展ECC提供新理念与新模式。