我国绿色基础设施空间响应与规划技术研究进展与展望

肖华斌 郭妍馨 王 玥 许宇彤 朱琳霄

（山东建筑大学建筑城规学院，济南 250101）

城市绿色基础设施耦合了自然生态系统服务与人类社会福祉，是可持续城市化和生态文明建设的重要保障，也是提升人居环境和改善民生的重要途径。首先基于CiteSpace梳理了2000-2021年中国知网绿色基础设施研究的转变；其次，从宏观、中观、微观三个尺度比较绿色基础设施的空间尺度；从供需—匹配、价值评价、绩效评估三个方面分析绿色基础设施生态系统服务；从格局构建方法、情景模拟技术两个方面归纳绿色基础设施空间格局；从规划政策、工程技术两个方面总结绿色基础设施规划技术；最后，提出随着以大数据和开放数据为代表新数据的出现，绿色基础设施空间响应与规划技术的数据来源、研究范式、成果表达等方面皆发生了变革，应重点从4个方面进行融合：（1）基于功能—格局关联的城市绿色基础设施景观服务识别与评价研究；（2）基于供给—需求匹配的城市绿色基础设施过程响应与空间关联研究；（3）基于权衡—协同比较的城市绿色基础设施绩效评估与情景模拟研究；（4）基于管控—共治融合的城市绿色基础设施规划技术与管理措施研究。

绿色基础设施；生态系统服务；新数据环境；空间响应；规划技术；研究述评

城市化作为全球性的事件，对地球支持系统和生态服务功能会带来长久的影响。外延增长式的城市发展模式已难以适应新形势下的发展需求，城市发展模式面临着转型的抉择，可持续发展理念成为21世纪人类发展最具时效意义的主题[1]。中央城市工作会议明确提出：“统筹生产、生活、生态三大布局，提高城市发展的宜居性，城市工作要把创造优良人居环境作为中心目标。”仇保兴副部长在IFLA第47届大会提出，建设和完善城市绿色基础设施，是城镇化可持续的重要保障，是生态文明建设的重要组成部分，也是改善民生的重要体现之一[2]。城市绿色基础设施理念的提出与应用，满足了生态系统服务功能优化和“三生”空间环境提升改善的需求，是一种能够在不同地区城市化进程阶段中、不同地区自然与文化特点下、不同规划建设尺度下（区域、城市、地段和场地）的系统化解决环境问题的有效途径[3]。

绿色基础设施由于其连接了自然生态系统与人类生态福祉，在提高生态系统服务和人居环境方面具有重要作用，逐渐为许多国家采纳成为一种主流的规划方法。以“绿色基础设施”为关键词和主题、时间范围“2000 - 2021”在中国知网（CNKI）数据库中进行检索，剔除学位论文、会议、书评、年鉴、图书、标准等类型及与主题专业不相关的文献，最后筛得学术论文共585篇。通过Citespace软件对其进行关键词共引知识图谱分析和聚类分析，发现国内绿色基础设施研究的高频关键词是绿色基础设施、风景园林、海绵城市、生态基础设施、生态系统服务、景观格局、生态网络、雨洪管理、雨洪利用等；关键词聚类性强且呈分散状态，主要集中在风景园林、海绵城市、绿色基础设施、生态基础设施、气候变化和雨洪管理等方面（图1）。对关键词进行Timeline可视化分析，可以看出21世纪初绿色基础设施概念在国内开始出现，2000 - 2009年间的探索主要集中在风景园林领域下生态基础设施与生态系统服务的理论体系和构建方式；2010 - 2015年研究重点集中在气候变化和雨洪管理等应用方面；2016年后响应国家政策需求，绿色基础设施研究以海绵城市、绿色乡村等为主，探索绿色基础设施的可持续发展。

图1 “绿色基础设施”关键词共现分析与聚类分析Fig. 1 Frequency analysis and co-occurrence cluster analysis of keywords“Green Infrastructure”

1 绿色基础设施生态系统服务研究

城市生态系统一般指城市中为人类提供服务的绿色基础设施，为生态系统服务提供空间落实途径，从本质上关系着人类福祉[4]。千年生态系统评估项目（Millennium Ecosystem Assessment，MEA）将生态系统服务分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务4类。国内学者使用较多的是谢高地在罗伯特·科斯坦萨的17分法基础上将我国陆地生态系统服务功能分成的11类，通过单位面积价值当量因子法构建生态系统服务价值的动态综合评估方法。生态系统服务通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务，因此有学者基于“压力—状态—响应模型”（Pressure-State-Response，PSR）提出绿色基础设施与生态系统结构过程功能、生态系统服务及人类福祉的关系，以及它们在环境压力、状态、响应过程中的作用[5]。新数据环境下的绿色基础设施生态系统服务研究更加多元准确，街景图像、无人机数据、地面监测基站等数据为供给方生态系统服务价值量评估提供更丰富的数据，兴趣点、图像识别、手机信令数据、评论类应用软件（舆论数据）等的运用有助于更精确的刻画生态系统服务需求以及进行绩效评估[6-7]。

1.1 生态系统服务供给—需求研究

绿色基础设施为城市居民提供的生态系统服务存在供给方和需求方。绿色基础设施供需结构问题主要是由于不同区域间生态系统服务的供给和需求在数量和时空分布上不均衡造成的，其本质是绿色基础设施的供需错配[8-9]。目前的研究主要从绿色基础设施的规模、类型、结构和生态足迹等供应主体的特征和空间分布以及功能类型、产业结构、地理环境、社会形态和地方文化等需求主体的特征和空间分布等指标来探索研究绿色基础设施的供需状态，主要通过景观资源赋值进行吸引力分析，利用手机信令数据进行空间分异识别，选取污染风险指数对生态系统服务额外需求进行量化评估等方法定量表征区域绿色基础设施网络建设的供给—需求关系并提供绿色基础设施优化策略[10-11]。

图2 “绿色基础设施”关键词研究前沿知识图谱Fig. 2 Frontier knowledge map of keywords research on "Green Infrastructure"

1.2 生态系统服务价值评价研究

目前生态系统服务评价方法主要有指标法、价值量评估法和空间模型法[12]。（1）指标法是评价生态系统服务的基础方法，是在收集数据的基础上结合统计方法量化服务指标，但受研究目的、区域等的影响较大。（2）价值量评估法通常以货币形式评价有市场价值的生态系统服务功能，包括当量因子评估法和功能价值评估法，对无法直观感知的服务功能（如文化服务）往往使用定性评价或通过打分法评价[12-14]。（3）空间模型法可以将生态系统服务的评价结果直观地在空间上进行可视化表达。常用的有InVEST模型、SolVES模型、i-Tree模型等，但前两个模型更适合较大尺度的生态系统服务量化评价，后者研究区域的大小更加灵活，可以基于单棵树木进行分析。2017年中国科学院生态环境研究中心欧阳志云团队牵头开发了适合我国本土现状的城市生态智慧管理系统（IUEMS），并对深圳市陆域生态系统进行了建设潜力和生态效益评估[15]。

1.3 生态系统服务绩效评估研究

绿色基础设施绩效评估的核心是量化地评估绿色基础设施的生态、社会与经济三个方面的效益，以及生态系统服务权衡（Tradeoff）与协同（Synergy）关系[16-18]。（1）生态绩效集中在对风环境、热环境、水环境和生物多样性进行评估。ENVI-met模型主要用于模拟风环境、热环境和污染物扩散及沉降，SWAT和SWMM模型多用于模拟分析土地利用变化、气候变化、景观空间格局改变等对水文过程的影响以及模拟低影响开发下的水文过程，InVEST模型主要用于构建区域生物多样性空间格局综合评估方法[19-21]。（2）社会绩效评估的研究多集中于社会公平、行为感知和健康福祉等方面：基于ArcGIS分析可达性度量的方法体现了城市公共资源分配的地理差异和公平性，运用公众感知和环境图像可以对视觉环境进行质量评价[22-24]。（3）对绿色基础设施进行经济效益评估通常采用估值工具箱和价值量评价法。在价值量法中常用支付意愿法（Maximum Willingness to Pay，MWP），享乐估价法（Hedonic Price Method，HPM）等估算绿色基础设施对地产房价的影响，而直接市场法和模型法用于评估绿色基础设施对能耗与资源方面的影响[25]。

2 绿色基础设施空间尺度研究

作为生态途径下城市空间规划策略，绿色基础设施概念的核心包括三方面：由绿色空间组成、互相联系的网络系统以及可为城市提供多重生态服务功能。从功能上来看，可为城市提供各类生态系统服务；从空间上看，具有多尺度多层次、不同生态安全水平下的格局；从组分上看，包括宏观尺度的生命支持系统、中观尺度的各类绿色网络空间及微观尺度的实施手段和操作方法[5,26]。绿色基础设施具有结构复杂、层次丰富的特点，不同尺度所涵盖的绿色基础设施规划内容和组分不同，提供的生态系统服务也不同，但不同尺度的绿色基础设施是相互联系与互补的，共同提供各类生态系统服务，层层嵌套缺一不可（表1）[27]。新数据环境下绿色基础设施尺度研究逐步精细化，利用街道数据、POI（Point of Interest）数据、街景图像、社交媒体数据、无人机数据等数据借助新视角探索城市绿色基础设施变化以及微观尺度利用GoPro等摄影数据记录研究场地绿色基础设施使用情况[28-30]。

表1 绿色基础设施的尺度与生态系统服务Tab. 1 Scale and ecosystem services of green infrastructure

2.1 宏观尺度

宏观尺度的绿色基础设施多是国土与区域范围、由自然区域连接形成的生态保护网络，作为自然生态系统的基质和母体承担着多种生态过程，提供生物栖息地、水源、清洁空气等物质供给，承载自然供给、水源涵养、气候调节、水土管理、生物多样性保护等维护国土生态安全与国家长远利益的生态服务。主要组成包括大面积绿地、国家公园、森林、自然保护区、大型湖泊湿地和重要水系廊道等。规划的主要任务是根据自然地理条件、降水气候规律、水文地质条件、动植物习性特征、人文地理资料等研究区域时空演变，构建区域生态安全格局，划定区域重点保护区、生态协调区、可发展区域，保护区域自然过程和生态环境，维持区域生态系统结构和功能的完整性和稳定性[31]。

2.2 中观尺度

中观尺度的绿色基础设施多是城市与辖区范围由自然区域和人工绿地连接组成的绿色空间网络，是保持城市自然生态系统可持续发展的空间支撑，为城市和居民提供缓解热岛效应、缓解城市内涝、提供审美游憩活动空间等人居环境生态服务，提升城市整体生态效益。主要针对城市的绿色廊道和斑块，包括城市公园、广场绿地、湿地湖泊、水库、河流水系、城市道路及广场等[32]。规划的主要任务是结合城市总体规划、市政基础设施、城市防灾工程等，识别城市建设用地和各类生态用地，构建并优化城市绿地系统，为城市自然资源和文化遗产保护提供环境空间，也可划定城市禁建区、限建区和宜建区，确定城市增长边界，引导城市有序合理发展[33]。

2.3 微观尺度

微观尺度的绿色基础设施多是社区与场地范围的基于自然和人文需求的生态化基础设施，由于强操作性和快成果化是绿色基础设施发挥生态系统服务的基本单元，为居民休闲、游憩等活动提供开放活动空间，同时提供雨水利用、调节微气候等生态服务[34]。主要组成包括社区花园、街头绿地、街道景观、生态停车场、池塘河流、雨水花园、屋顶花园、立体绿墙及社区内未被充分利用的场地，特点是面积小、数量多、分布广、潜力大。规划的主要任务是通过雨洪管理技术、灰色基础设施绿色化和生态绿色基础设施等措施将生态和人文元素植入场地，提升社区环境品质和增强社区的韧性[35]。

3 绿色基础设施空间格局研究

景观尺度上的生态系统服务功能需通过空间结构和镶嵌在结构中的生态系统过程和功能来体现，整体性、连续性强的景观空间格局能维持生境稳定，提高生态系统韧性[36]。绿色基础设施在空间组成上是由多个网络中心（Hubs）、连接廊道（Links）和场地（Sites）所构成的自然与人工的绿色空间网络系统[37]。网络中心、连接廊道、小型场地的相互衔接保证了绿色基础设施空间结构的网络化和完整性，维系着自然生态系统的发展过程[38]。

景观连接度能够体现生态过程对景观格局的响应，通过对其潜在“网络中心”与“连接廊道”连接度的评价实现网络连接[39-40]。景观格局指数是常用的绿色基础设施格局刻画方法，通过定量的方式对空间格局信息进行概况，常用的指标包括景观要素和特征等方面（表2），结合其他度量方法应用于安全格局评价和区域生态网络构建[41-42]。新数据环境下的绿色基础设施空间格局研究趋向动态标准，借助机器学习进行数据分析提取信息为绿色基础设施格局情景模拟设定约束条件提供新视角，通过整合多源数据利用机器学习对城市绿色空间格局进行定量和定性分析将成为未来发展的重要方向[29]。

表2 基本景观格局指数Tab. 2 Basic landscape pattern index

3.1 格局构建方法研究

目前绿色基础设施格局构建的方法与途径主要包括[38]（表3）：（1）垂直生态过程叠加分析方法：以生态学为理论基础，强调景观单元内各种自然要素与人类活动和土地利用之间的垂直过程与联系，结合ArcGIS等空间分析技术，通过数据的叠加或依据适宜性评价结果，能够确定绿色基础设施的“网络中心”[40]，从而形成“点—线—面”叠加结构的绿色基础设施网络。（2）水平生态过程空间分析方法：以景观生态学为理论基础，强调空间格局、生态学过程和尺度之间的相互作用[42]，基于该理论的应用，利用最小累计阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR）[43]，模拟水平运动过程以确定廊道位置及格局，构建城市生态网络，并可将其作为生态安全格局构建的依据。（3）基于图论的分析方法：以图论和网络分析为理论基础将绿色基础设施简化为包含一系列节点与连接的图论意义下的网络[44]，通过模拟景观要素对空间运动过程的阻碍作用衍生出不同复杂度和连接性的网络拓扑结构[45]，结合网络结构指数，能够对生态网络的节点间强度和生态网络结构进行定量分析评价。（4）形态学空间格局（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）分析法：基于几何形态学将二进制栅格图像（提取绿色基础设施要素为“前景”，其他要素为“背景”）度量、识别并分割成7种景观类型（核心、孤岛、环道区、桥接区、孔隙区、边缘和分支），通过对重要景观类型进行连通性分析识别枢纽和廊道[46]，并结合景观连通性指数和景观图谱理论，对绿色基础设施时空格局和景观连通性格局变化进行了定量分析与评价[47]。

3.2 格局情景模拟技术研究

近年来将生态系统服务纳入城市土地利用分析、模拟与决策中的研究逐渐增多，以土地利用和覆被变化（Land Use and Cover Change，LUCC）、土地利用环境效应及土地利用政策等方面的研究为主，基于地理信息系统和遥感影像等分析绿色基础设施空间格局的时空演变[48-50]。目前常用的方法是将城市动态模型与未来场景或替代方案相结合，利用情景模拟模型预测绿色基础设施空间格局演变，包括：土地利用转移矩阵（Markov-Chain Models，MC）、系统动力学模型（System Dynamics，SD）、人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）、专家模型、进化模型、元胞自动机模型（Cellular Automata，CA）、综合模型和基于智能体的模型（Agent-Based Modeling，ABM）等[51-52]。其中，土地利用转移矩阵是基于生态学中马尔科夫链的数学过程，只能预测区域土地利用变化趋势，并不能预测空间分布情况，多与其他模型结合模拟绿色基础设施空间格局。元胞自动机模型基于不同目标情景设定限定规则对城市单元进行动态模拟，更适合预测土地利用的时空变化，并在空间信息表达方面优于其他模型[53-54]。

4 绿色基础设施规划技术研究

绿色基础设施是多层次多结构的规划设计和实施活动，一般包含宏中观尺度的政策规划和中微观尺度的工程技术。宏中观层面的绿色基础设施是城市生态系统建设的主体，国内外政府多从雨洪管理方面作为切入点规划城市绿色基础设施体系，随后逐步拓展到河流廊道、绿色空间、人居建筑、空气环境等方面。中微观层面的绿色基础设施是各类建设项目实施的单元尺度，是构建城市绿色基础设施的基础，实践活动包括可持续雨洪管理技术、灰色基础设施绿色化和生态绿色基础设施等[55-56]。新数据环境下绿色基础设施规划技术研究趋向于智能化，APP应用、VR技术的实时监控与情景模拟有助于提升规划技术精确性。

4.1 绿色基础设施规划政策研究工程技术

在政策规划方面，德国提出了《联邦绿色基础设施概念规划》，制定了一套涵盖州、地区、县（市）、县（市）以下4个尺度独立的绿色基础设施体系，各个尺度规划有着相应的任务、内容以及制图规范[57]；美国环境署鼓励通过低影响开发（Low Impact Development，LID）控制和降低雨水管道压力，提出了基于雨洪效益的费城清洁水计划、基于绿色街道的波特兰绿色基础设施规划、基于废弃地利用的里士满绿色基础设施规划、基于GISP模型的底特律多功能绿色基础设施规划、基于水廊道可持续策略的纽约绿色基础设施规划和基于韧性社区塑造的诺福克城绿色基础设施规划等；新加坡提出了ABC水计划（Active Beautiful Clean Water Program，ABC Waters）以高效利用雨水资源，争取实现本国水源全面自给自足；澳大利亚提出了水敏感城市设计（Water Sensitive Urban Design，WSUD），除考虑雨洪管理外还兼顾休闲游憩、景观审美、缓解城市热岛等功能[58]；中国目前基于“自然积存、自然渗透、自然净化”的理念正在发展和实施海绵城市技术体系，确保城市水文的良性循环以优化提升城市绿色基础设施[59]。

4.2 绿色基础设施工程技术研究

绿色基础设施的工程技术根据雨洪控制、韧性提升、生态休闲等功能可分为可持续雨洪管理技术、灰色基础设施绿色化和小型绿色生态空间（表4）。可持续雨洪管理技术通过控制土地利用调节区域水文状态，包括屋顶花园、生态蓄水池、植草沟、透水地面铺装、雨水花园和生物滞留池等。灰色基础设施绿色化通过生态工程和绿色技术来缓解城市工程设施带来的生态胁迫和干扰，并改善和恢复城市生态系统服务功能，包括人工湿地污水处理技术、污染废弃地生态修复技术、绿色屋顶与立体绿化技术、生态道路技术、河道生态修复与生态防洪技术等。小型绿色生态空间为居民提供绿荫和休憩空间，通过增加遮荫和植物蒸腾改善微气候，包括垂直绿化、多层植物、微型湿地、可移动树池、绿色活动场地、人工湿地等[34,60]。

表4 绿色基础设施工程技术分类Tab. 4 Classification of green infrastructure engineering technology

5 新数据环境下绿色基础设施空间规划途径框架

目前对绿色基础设施的研究主要集中在概念综述和理论框架以及技术途径和研究方法，且更为关注大尺度绿色基础设施的理论研究[3-5]。中微观层面的过程响应与实践途径研究成果较少，未能真正厘清绿色基础设施生态系统服务的本体供给与服务对象的主体需求之间的权衡关系，且由于绿色基础设施的空间结构（斑块—廊道—基质）与现行城乡规划体系中的规划手段（功能—容量—形态）并不匹配，造成其规划实施效果不佳。随着以大数据和开放数据为代表的新数据的出现，研究理论从较单一的景观生态学转向整合生态经济学、复杂性科学、城乡规划学、城市社会学和风景园林学等相关学科的发展，研究对象从宏观区域尺度绿色基础设施的概念理论和构建方法转向中微观城市、地块尺度的过程响应机制与实践实施途径，但目前研究还存在4方面不足：（1）研究目的仅强调绿色基础设施生态系统服务单一功能价值，能表征综合绩效价值的权衡关系和协同作用研究不多；（2）研究内容多集中在宏观层面的概念理论与方法框架，中微观层面的供给—需求匹配过程响应机制与规划实施途径研究成果较少；（3）研究方法大多采用以单学科视角的定性研究和对统计数据依赖较强的程序性理论模型，以新数据为主体的规范性时空行为研究范式还未形成；（4）规划实施多以自上而下的空间管控手段为主，多部门、多尺度协同式自下而上的规划管理平台并未构建。

基于新数据环境带来的实时海量的数据来源、同科学的研究范式和动态精细的成果表达等变革[61-65]，绿色基础设施空间响应机理研究与规划技术途径实践应在4个方面进行融合（图3）。

图3 新数据环境下绿色基础设施空间响应与规划技术研究框架Fig. 3 Research framework of green infrastructure spatial response and planning technology under the new data environment

5.1 基于功能—格局关联的绿色基础设施景观服务识别与评价研究

基于高精度遥感影像和多元实测环境数据，识别与分析城市绿色基础设施的景观特征类型，通过直接市场价值法核算绿色基础设施生态系统服务本体价值量；同时基于空间分析探究绿色基础设施时空分布特征，分析其价值量—时空特征空间相关性，结合景观格局指数评价绿色基础设施空间服务效率。

5.2 基于供给—需求匹配的绿色基础设施过程响应与空间关联研究

采用机器学习算法，构建基于实测环境数据与新数据（兴趣点POI、社交网站数据等）的需求响应过程，明确其生态功能需求（地表径流、小气候、生物多样性）；基于网络分析模型，构建基于网络问卷调查与新数据（地块运动活力强度、街景数据等）的需求响应过程，明确其社会功能需求（享用公平、健康福祉与文化认同）；通过回归分析方法，构建基于支付意愿、能耗统计数据与新数据（社交平台语义、交通流数据等）的需求响应过程，明确其经济功能需求（内部价值外部化、建筑能耗节约与交通能耗降低）；通过对城市绿色基础设施服务功能类型需求—供给匹配的空间自相关分析，基于交叉验证（CV）法进行空间关联。

5.3 基于权衡—协同比较的绿色基础设施绩效评估与情景模拟研究

通过界定不同类型生态系统服务功能供给服务与需求响应过程，权衡各绩效因子的竞争关系和协同作用，基于InVEST模型对城市绿色基础设施生态绩效最优、社会绩效最优、经济绩效最优进行评估模拟；整合绩效因子于ABM模型中作为生态、空间、邻域等约束条件，设置各项约束性概率，构建GIAABM模型，进行城市空间增长情景模拟。

5.4 基于管控—共治融合的绿色基础设施规划技术与管理措施研究

通过高生态效益、高社会效益和高经济价值绿色基础设施的划分，对接城乡总体规划中“三区四线”“三生空间”等功能管控，同时将以生态效益提升为导向的绿色容积率（GPR）和以降低能源消耗为目标的生态容积率（EPR）指标纳入控制性详细规划中进行容量控制，并基于MSPA及人本设计理念，对接城市设计中形态划定及设计引导，构建功能—容量—形态一体化的城市绿色基础设施规划管控技术；基于情景设计与VR技术，构建交互式规划决策途径，设计开放式精细化规划参与平台，并基于“大尺度、精细化”的大模型构建多部门、多尺度协同式管理平台，实施协同—交互—参与精细化的城市绿色基础设施规划管理措施。

6 结语

通信技术发展导致智能终端及无线传感装置使用数量剧增，城市活动产生诸多高速、多样的数据流，将该时代环境定义为新数据环境。新数据由严格意义上的大数据（包括手机信令、公交IC卡数据等）和来自商业网站、政府部门、社交平台的开放数据构成[28]。新数据驱动下，绿色基础设施空间响应与规划技术的数据来源、研究范式、成果表达等方面皆发生了变革。今后研究应基于生态系统服务功能供给—需求匹配的分析框架，在精细化和空间化的新数据的技术支撑下，以人本尺度为分析研究单元，探索城市绿色基础设施弹性评价—过程响应—绩效评估—情景模拟—规划衔接的内在逻辑，丰富人居环境质量优化提质的理论与方法。

注：表1整理自参考文献[5][26]、表2整理自参考文献[41]、表3整理自参考文献[38]、表4整理自参考文献[34][60]。