基于地理设计框架和SDGs评估体系的区域规划方法

魏合义 刘学军 杨和平

城市与区域规划是通过系统的理论、方法和技术手段，科学利用或分配自然资源要素、优化空间环境的实践活动[1-2]。早期英国规划学家采用系统论和控制论仿真自然过程，为区域规划提供理论技术[1]。在很多工业发达国家如英国、美国、德国和日本，城市与区域规划也经常被称为“城乡规划”（town and country planning），是依据总体发展目标对土地使用及空间结构等内容的一系列管理措施[2]。中国近代的城市与区域规划理论受欧洲影响较大，最早出现在广州、厦门、福州、宁波和上海等具有英法租界的港口城市[3]。新中国成立后区域规划理论又分别借鉴了苏联的区域规划理论[4]和西欧国家和日本的国土规划理论[5]。随着我国政府经济管理职能的转变，区域规划性质也由“指令性的刚性规划”转变为“指导性的弹性规划”[6]。区域规划的目的在于协调不同地区间的分工合作，提升整体竞争力。有研究认为，目前我国还缺少城市与区域可持续发展的有效机制，在人员协作、规划信息共享方面还不够充分[7]。

在区域与城市规划方法研究中，2种规划方法即“从上而下”（top-down）和“自下而上”（bottom-up）始终是该领域的争论焦点[8-9]。早在20世纪80年代，美国学者曾系统论述了2种方法的优势、劣势及应用适用性等问题，并提出一个概念性框架进行验证[10]。随后的研究也提出类似观点，即制定一个规划标准框架，并分析2种规划方法的特点和应用尺度问题[11]。此外，在跨越多个行政区的流域规划与管理工作上，多种规划方法的结合与对比分析，则具有重要的现实意义[12]。“自下而上”参与式区域规划在国际上受到推崇，特别是在资本主义国家[8,13]。公众参与式规划的价值在于，参与者更了解他们所处的环境以及实际需求，规划成果也更接近利益相关者的实际需求[14-15]。目前，国内规划界倡导2种方法相结合，并提倡由“精英规划”向“社会参与式规划”转变。

面对复杂的地理环境、社会因素以及情感需求，以计算机为平台的数字技术在数据收集、数据管理、数据分析及数据表达中发挥重要作用[16-19]。地理信息系统（GIS）构建之初的设想是创造一个基于地理要素叠加的设计工具，如今空间分析功能现已成为GIS的主要功能之一[20]。目前，GIS已经形成无数个研究（应用）方向[21-22]，如空间优化、制图以及方案模拟等，而地理设计（Geodesign）正是这些研究方向的基础。地理设计框架的科学分析、模拟技术等诸多数字特征，迅速得到了景观规划、区域规划及建筑领域的积极响应[23]。2012年，Steinitz教授在其著作《地理设计框架》中，通过实践案例详细展示了Geodesign的工作方式[24]。2016年，《景观与城市规划》（Landscape and Urban Planning）杂志专题讨论Geodesign在学科教育、资源管理与规划领域的理论研究与实践案例[25-29]。由此可见，Geodesign已成为重要的城市与区域规划理念（方法论），在缓解（negotiation）各类矛盾冲突上可发挥重要作用。近年来国际地理设计合作会议（International Geodesign Collaboration, IGC）已吸引全球多所高校参与其中，围绕验证Geodesign的应用范围与尺度展开讨论[30]。

与此同时，在联合国千年发展目标（Millennium Development Goals, MDGs）的基础上，联合国193个成员国形成决议并通过的17个可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）和169个亚目标[31-33]，成为全球下一阶段（2015—2030年）的发展蓝图和追求愿景，其内容涵盖了社会、经济和环境等多个发展维度。由于SDGs涵盖内容过于宽泛，当前学界关注的是该框架如何实施落地的问题[34]。不同国家和地区受传统思维定式的影响，对待社会、经济和环境发展的态度处于不平衡状态，各业务部门之间还未形成系统的协作模式。有学者曾以瑞典等北欧国家为例，讨论如何将SDGs融入现存的规划与管理策略，帮助当地政府避免平行、无效的操作过程[35-36]。相比智慧城市、绿色城市或弹性城市，SDGs可为今后城市或区域规划管理，提供发展路径与契机[37]。不过，当前中国SDGs多应用于国家层面的宏观政策制定、效益比较与时空差异性研究[38-40]。在规划实践活动上，较少将SDGs作为区域规划的多维度目标或评估依据。

中国正处于城镇化的快速发展阶段，解决区域规划实践中的各类矛盾问题均需要科学的规划手段。长久以来，在中国的区域规划、城市规划以及现阶段的国土空间规划领域中，缺少一种评估不同规划方案优劣的工具。在这一背景下，本研究首次采用Geodesign框架结合联合国SDGs[31]评估指标的方法，对南昌市瑶湖岛的3个发展阶段（2020年、2035年和2050年）进行规划评估，并展示该方法的工作路径与应用特点，从而为区域规划理论和实践提供借鉴。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究区域概况

南昌瑶湖是该市最大的内陆天然湖泊，水域面积为15.25 km2，年平均水深15 m。水位稳定、水质优良。瑶湖岛位于瑶湖西岸，面积约8 km2。该研究区域属于亚热带湿润季风气候区，历史年平均降雨量1 600 mm左右。日照充足，具有良好的农业生产和生态恢复潜力。岛内分布着4个行政村，其中包含7个自然村。当前经济活动以农业种植为主，部分人员在市区务工。岛内以老年人、残疾人及留守儿童居多，青壮年人口流失严重。因基础设施落后，当前尚未开通公共交通，交通闭塞的客观条件，加剧了经济落后和生态环境恶化的现状。

1.2 数据收集与处理

1.2.1 规划基础数据

该类数据主要通过OpenStreetMap（OSM，网址：openstreetmap.org）和ArcGIS Online（网址：arcgis.com）等开源数据库获取，结合美国GeoEye-1最新高分辨率影像，应用拼接、增强、解译等技术手段获取地物信息（图1）。综合比较各种解译算法的优劣，本研究采用监督分类法中的最大似然法对影像进行解译。为了确保遥感影像解译的精度，本研究采用混淆矩阵法进行精度判断，计算式为：

图1 数据处理流程Data processing flow

其中，Po为总体精度，Pe为期望精度。kappa系数（k）取值范围是|k|≤1。当0.60＜k≤0.80时，表明具有较高的分类一致性。本研究的实验结果显示（表1），k值为0.789 4，符合应用精度要求。

表1 混淆矩阵和kappa系数Tab. 1 Confusion matrix and kappa’s coefficient

1.2.2 现场调查数据

通过设置调查表，对瑶湖岛进行了3次现场调查。利用数字化成果核实规划区域的土地覆盖类型、基础设施和居民生活状况，该信息将作为设置干预措施的依据。

1.2.3 访谈数据

设置半结构化的问题表对居民进行访谈。具体程序：首先，通过移动设备结合问题表对受访者进行录音；其次，将访谈音频材料在室内通过语音识别程序进行文字还原；最后，通过文本关键词挖掘与可视化方法，分析居民普遍关注的问题并进行需求分析（图2）。

图2 基于利益相关者视角的需求分析流程Demand analysis process based on stakeholder perspective

1.2.4 统计数据

统计数据来自中国和江西省不同年份的统计年鉴[41]，该数据可用于评估不同规划方案对居民经济收入造成的差异。计算方法是根据人均农田面积、作物产量、作物市场价格，估算人均年收入水平，并与同年的江西省、全国平均水平进行对比。

1.3 Geodesign规划框架及应用

Geodesign规划框架工作的核心在于“三循环”（iteration）、“四参与”（partner）和“六步骤”（step）[23]（图3）。

图3 地理设计数字规划框架[42]Digital planning framework of Geodesign[42]

“三循环”分别为了解环境、采取方法和研究调整。

“四参与”即四方参与者，在本次规划过程由研究区域中的居民、地理信息技术人员、南昌市高新区自然资源局管理人员和城乡规划师四方人员共同参与。四方参与者分别发挥的作用可被通俗描述为：1）研究区域中的居民（最大利益相关者）有什么意愿，即他们“想要啥”；2）地理信息技术人员提供精准地理信息，即地面“有什么”；3）政府管理人员对研究区域进行定位，即方向“往哪走”；4）规划师主要发挥协调各类矛盾的作用，即我们“怎么办”。

Geodesign规划框架和工作流程如图3所示，“六步骤”可以通过6个模型来表达，即表达模型（representation models）、过程模型（process models）、评价模型（evaluation models）、改 变 模 型（change models）、影 响模型（impact models）和决策模型（decision models）。前3个模型包含了评价过程及地理环境所具备的基本条件，后3个模型包含了规划人员对场地的干预过程，分析研究区域需要如何改变？改变后对社会、经济和生态有何影响？了解潜在的影响差异后，最终形成决策[23]。

本研究按照6个步骤分别进行了现场调查，居民访谈，数据收集、管理和表达，方案生成，方案反馈和决策形成等环节[43]。此外，对方案的生成、反馈与优化调整，进行了多次迭代。其中，表达模型、过程模型与传统规划环节类似；评价模型依据GIS空间模块以及统计工具平台进行工作；在改变模型和影响模型阶段，则根据研究区域中的需求与特点增设10项干预措施（表2），以期对比实施10项不同干预措施和干预措施介入早晚的差异[44]；决策模型依据SDGs评估体系的计算结果，执行最优规划方案。

表2 区域规划干预措施Tab. 2 Interventions for regional planning

依据Geodesign规划框架，本研究预设3种不同的规划愿景（vision）：1）从2020年开始实施干预措施，即早干预措施（early adopter），预测到2035年和2050年的区域 发展状况；2）实施晚干预措施（late adopter），即2020—2035年不对该研究区域进行任何干预，于2035年实施干预措施，预测到2050年的区域发展状况；3）不实施干预措施（nonadopter），预测到2035年和2050年的区域发展状况。根据该方法，本研究分别展示了现状（2020年）以及2035年、2050年在10项干预措施下，研究区域中的土地覆盖类型、面积比例、人均经济收入和生态条件等方面的差异性。

1.4 SDGs评估体系

1.4.1 评估指标

2012年6月，在联合国召开的可持续发展会议（“里约+20”峰会）中，各成员国提议在MDGs的基础上制定目标，为人类与地球的和平、繁荣描绘出美好的蓝图。该会议达成的共识即可持续发展目标（SDGs）[31-33]，其中包含17项分目标（表3）。

表3 联合国2030年可持续发展17项分目标名称和内涵[31]Tab. 3 Names and connotations of the 17 UN Sustainable Development Goals (SDGs) [31]

1.4.2 评估方法

为了响应联合国SDGs的倡议，基于Geodesign框架规划方法，将不同规划阶段的预期目标与SDGs实现程度相比较，从而计算10项干预措施下的规划成果差异和优劣[44]。该方法在2020年IGC中首次被采用，根据2020、2035和2050年3个阶段方案的10项干预措施对SDGs指标的影响，采用规划专家定性评分方法。

在矩阵表中，以联合国17项SDGs分目标为纵轴，本研究所提出的10项干预措施为横轴，共形成170个赋值单元。规划师根据经验进行判断，将影响分值填入赋值单元。当矩阵表评估完成后，将17项分目标累计值进行统计，也即是规划方案实施后对SDGs的实现程度T：

式中，xi为规划专家根据干预措施（表2）对17项SDGs分目标（表3）影响的赋值，3、1、0、-1、-3分别代表极有利、有利、无影响、不利、极不利，为使结果呈现更佳直观，分别使用深紫、浅紫、灰色、黄色和橙色进行表示。

2 研究结果

2.1 3种规划愿景对区域发展的影响

依据不同规划愿景对研究区域中的各项数值进行计算，并在ArcGIS Pro中进行可视化展示，结果显示（图4-1~4-3）：从2020年起实施早干预措施（表2），通过实施GRN1、GRN2措施，即增加植被斑块、植被网络，该区域植被覆盖率显著提高。增加植被斑块可以有效改善生态环境、增加生物多样性。通过线状植被建立斑块之间连通，降低了鸟类栖息地的破碎化程度，鸟类种类和筑巢率显著增加。对于绿地生态系统（即GRN2干预措施）的生态效益评估，国际上通常使用i-Tree模型。不过，绿色植被对鸟类、哺乳动物等生物的贡献价值尚缺少定量计算工具，故本研究采用定性判断。采取AGR1和AGR2，特别是有机蔬菜、有机瓜果的种植和采摘，可以显著提高经济效益。根据遥感数据显示，瑶湖岛可用于农业种植的土地面积约5.3 km2。以草莓种植为例，每公顷大棚生产草莓30~45 t，按照2020年的市场价格计算，总产值可达42万~135万元人民币（毛收入）。当前，该区域的居民年平均可支配收入不足1 000元，若及时采用AGR1和AGR2的干预措施，有望使居民年平均可支配收入在2035年、2050年分别达到3.2万元和5.5万元，远高于江西省和全国平均水平。

随着2035年、2050年区域中绿道、公共交通的投入建设和使用，该区域的出行效率和通行便利程度进一步提高（图4-2、4-3）。规划方案中倡导步行和骑行，也可有效提高居民身心健康水平。采用GRN2和TRAN1干预措施，对绿色出行意愿和出行效率具有促进作用。根据规划方案，沿水岸线和绿道设置风力涡轮机25台和太阳能路灯250个。按照设置中型风力发电机（以金风S43/600 kW型号为例）估算，日发电量约为15万kW·h。瑶湖岛风力资源丰富（按照每天10 h计算），具备优良的发电条件。而太阳能路灯（按照200 W/台，10 h/日计算），每日节约电量为250 kW·h。由此可见，采用ENE1和ENE2的干预措施，可以满足瑶湖岛家庭用电和交通用电需求，增加了研究区域中能源的可持续能力[44]。

图4 不同时期、不同规划愿景的土地利用类型空间分布Land use spacial distributions with planning visions in different periods4-1 2020年现状Current condition in 20204-2 2035年早期干预愿景Vision for early adopter in 20354-3 2050年早期干预愿景Vision for early adopter in 20504-4 2035年不（晚）干预状况Status of non-adopter or late adopter in 20354-5 2050年晚干预状况Status of late adopter in 20504-6 2050年不干预状况Status of non-adopter in 2050

不（晚）干预措施到2035年（图4-4），研究区域经济仍远落后于江西省和全国平均水平。根据卫星影像和实地调查，预计到2035年因雨水、湖水长期冲刷将有0.015 km2的土壤侵蚀区域。根据通用土壤流失方程式（Universal Soil Loss Equation, USLE）[45]，计算单位面积年平均土壤流失量A：

式中：R为降雨侵蚀力因子；K表示土壤可侵蚀因子；L为坡长因子；S为坡度因子；C为覆盖管理因子；P为水土保持措施因子。GIS空间分析的结果显示，到2050年将会有0.096 km2的土壤侵蚀区域（图4-6）。根据影子价格（shadow price）估算法，计算用于治理土壤侵蚀的支出和因有机农业面积减少产生的经济损失共计约430万元/年。由此可见，近15年若不采取相应的干预措施，将不利于SDGs中多个分目标的实现（图4-4），如无贫穷（SDGs-1）和零饥饿（SDGs-2）。

2035年以后及时实施干预措施，消极状况将会扭转（图4-5）。根据不同时期、不同干预措施的规划愿景，居住区、农田、植被面积将发生相应变化。采用早期干预措施，至2023年和2050年将有效控制居住区面积，提高住区土地利用效率（图4-2、4-3）。随着植被斑块、植被网络面积的增加，将会挤占部分农田、荒地，农田面积适当减少。不过，农田经济价值的提升会弥补农田面积减少带来的损失。

滨水旅游和现代农业观光是瑶湖岛区域规划中的重要措施。采用2035年、2050年早期干预规划方案中的GRN1、GRN2和TRAN1等措施，可以强化并提高第三产业经济发展潜力。旅游观光产业的发展与交通基础设施、绿道建设、植被网络建设紧密相关[46]。在本次规划中，各种措施可以相互促进。采用IND1干预措施，其经济效益与后期建设、服务有很大关系。因此，本研究采用定性方法对旅游与农业观光进行价值判断。据分析（图4-4、4-6），若是在2035年、2050年未实施干预措施，农田面积也会因土壤侵蚀而减少。青壮年人口流失、土地撂荒日益严重，生态环境会进一步退化。

2.2 3种规划愿景对SDGs的影响

根据SDGs的评估方法，规划专家分别就早期干预、晚期干预和不干预3种规划愿景对于17项SDGs分目标的实现程度进行经验评估，并将分值依次填入矩阵表中。最后，计算分目标累计分值和方案累计分值。另外，根据分目标的累计分值从高到低进行排序，并用SDGs单项指标的图标表示。

据计算（表3，图5），若是及时实施2035、2050早期规划干预措施，对瑶湖岛SDGs的可持续城市与社区（SDGs-11）、体面工作和经济增长（SDGs-8）、清洁饮水和卫生设施（SDGs-6）、气候行动（SDGs-13）、零饥饿（SDGs-2）和无贫穷（SDGs-1）最为有利，所得分值分别为：30、28、27、25、23和22。另外，对SDGs的其他分目标诸如性别平等（SDGs-5），和平、正义和强大机构（SDGs-16）以及优质教育（SDGs-4）影响较弱。早期实施干预措施对SDGs分目标影响的累计分值从大到小排序为：SDGs-11、SDGs-8、SDGs-6、SDGs-13、SDGs-2、SDGs-1、SDGs-3、SDGs-14、SDGs-9、SDGs-7、SDGs-10、SDGs-15、SDGs-17、SDGs-12、SDGs-4、SDGs-16和SDGs-5。

图5 不同干预措施和SDGs实现程度T值[44]T values of SDGs achievement by different interventions[44]

研究结果显示：即便实施了干预措施，仍然不能全面实现SDGs的各项分目标。有研究发现[47-49]，经济增长更有利于增加居民接受教育的机会，间接地促进优质教育、性别平等以及和平、正义和强大机构等分目标的实现。由此可见，各个分目标之间是相互影响和相互促进的关系。

模型计算结果显示（图5）：若实施早干预措施，规划方案实施后对SDGs的实现程度T值为272；延迟干预措施直到2035年实施，方案T值为54；若不实施干预措施直到2050年，方案T值为-243，该区域发展的最终状况将远离SDGs。由此可见，对瑶湖岛进行全面系统规划以及尽早实施本研究所提出的10项干预措施，能够有效地解决当前存在的诸多问题。基于地理设计框架和SDGs评估体系的区域规划方法，可以较为科学、有效、直观地评估规划方案对联合国SDGs的实现程度，在此基础上，比较不同规划愿景的差异，从而根据该结果做出决策。SDGs的提出是世界各国追求可持续发展理念的结果，这些指标可以概况为经济发展、环境可持续和社会包容3个方面[33]。为此，本研究将SDGs作为区域规划方案的评估体系具有科学共性，可以作为区域规划成果优劣的判断依据。

3 总结与展望

为了验证该方法在我国区域规划中的适用性，本研究以南昌市瑶湖岛为案例进行应用研究[44]。在规划过程中，充分利用Geodesign数字框架和规划流程，借助移动设备、GIS技术以及现场调查等多种手段，完成了数据获取、数据分析、方案生成和方案评估等规划内容。鉴于SDGs已成为全球城市与区域规划追求的共同目标，故采用SDGs评估体系对生成的方案进行评估。结果显示，在尽早实施干预措施时，实现程度的累计分值远高于推迟实施干预措施。若不实施干预措施任其发展，该区域各分目标分值以及总累计分值将出现较低值或极低值，即该区域将缺乏可持续性。

在本研究过程中，也存在一些困难和不足。今后还需要从以下几个方面进行探讨。

3.1 区域规划理论适用性

Geodesign规划理念最早可以追溯到麦克哈格（Ian L. McHarg）的设计结合自然（design with nature）理论，倡导系统思想指导规划实践[20-21,23]。随着GIS技术的纵深发展，将自然要素评估融入区域规划全过程被广泛接受。由此可见，规划理论派和GIS技术派之间已无明显界线。Geodesign规划框架最典型的特征是强调了规划参与性与多模型、多迭代循环，相比其他规划方法具有较强的科学性[23]。尺度问题决定了规划实践采用何种技术手段[50]，因此，Geodesign规划框架还应该在不同地区、不同尺度项目中验证其适用性，这也是IGC的初衷[30]。

3.2 数据获取与公众参与度

数字技术的发展为数据获取提供了可能，特别是在移动终端、互联网、云平台技术逐渐成熟的时代。本研究虽然借助了智能手机、云GIS获取数据，由于受访谈时间、访谈条件的限制，目前还未充分挖掘数字技术的应用潜力，如利用移动GIS现场勾绘、校正矢量数据以及基于移动设备的公共参与等[51]。另外，众包（crowdsourcing）模式在数据获取、公众参与方面也可以发挥重要作用[52-53]。当前，我国各类数据共享方面还比较落后。今后互联网和智能手机的普及与驱动，将会促进基于众包模式、wiki数据获取与共享模式研究的快速发展。

3.3 SDGs评估体系优化

以往的研究尚缺乏对规划方案的有效评估机制。本研究首次引入联合国SDGs评估体系，将规划方案实施后对SDGs的实现程度作为方案优劣的评估标准，具有较强的科学依据。SDGs虽然获得了国际社会的关注与认可，由于分目标之间具有相关性，如当优质教育（SDGs-4）这个目标取得较好的成效时，也有利于无贫穷、性别平等和经济增长等目标的实现，在发展中国家和地区更具有放大作用[54]。在应用过程中，这些分目标较为模糊，规划人员难以判断干预措施对其影响[43,55]。今后，还应进一步探索可操作的评估途径。

致谢(Acknowledgments)：

硕士研究生江文华和本科生匡晨、吴文怡、冯怀宇等同学参与了前期的现场调研和2020 IGC的项目验证。方法体系部分得到了Carl Steinitz教授的帮助与建议。