探索城市可持續發展的科學路徑

2021-10-12 07:05范佳樂馬夢珂
科學中國人·上半月 2021年5期
關鍵詞:尺度土地利用模型

范佳樂 馬夢珂

城市土地利用/覆蓋變化主要指由于土地利用方式的變化,導致城市內部格局改變和城市在區域中的擴展,從而發生不同時空尺度的土地系統變化的過程。當前的中國,伴隨人口的持續增長和經濟的快速發展,正在經歷一場快速且大規模的城市化過程,其實質是人口、財富、技術和服務在空間上的集聚,以及生活、生產和組織方式的轉變。從地域空間上看,復雜的生態、環境和災害效應,已經使中國的城市土地利用/覆蓋變化成為一種典型的人地系統動力過程。在認識和理解中國城市土地利用/覆蓋變化過程、影響與風險的基礎上,積極探求中國和世界城市可持續發展的科學途徑,無疑具有重要的理論和現實意義。

基于地理科學的系統綜合思想,利用遙感、地理信息系統和數學模型等技術手段,從1998年起,北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室教授何春陽便以城市土地利用/覆蓋變化的監測和模擬為突破口,開始了自己的學術研究生涯。二十余年的時間里,從方法探索到科學問題研究,何春陽在城市土地利用/覆蓋變化過程監測、模型模擬和影響評估方面均取得了一系列可圈可點的創新成果。

被動選擇變為興趣

在相關領域能越走越遠,得益于何春陽在早年求學中打下的扎實基礎。高考填志愿時,地理學其實并不在他的選擇之列,到蘭州大學地理科學系自然地理學專業學習完全是調劑的結果。雖然是被動的選擇,但在學習過程中何春陽卻漸漸對其產生了興趣。

20世紀90年代,在李吉均院士的帶領下,蘭州大學地理科學系聚集了一批非常優秀的教師。他們年輕,有朝氣、有思想。后來這批人中的許多人都成長為我國地理學界有影響力的人物。何春陽對所學的熱愛,正是來源于這些人對他的引導。

何春陽回憶,后來當選為中國科學院院士的陳發虎老師,當時是地理科學系的一位年輕教師。何春陽修過他開設的“環境科學”課,他非常注重地理學研究中對人與環境關系的理解。王乃昂老師當時是何春陽的班主任,后來成為國家級教學名師,他的“氣候學”講得非常好。潘保田老師,現在已是蘭州大學的副校長,當時他講“地貌學”,深入淺出吸引了很多學生。

“在李吉均院士的推動下,老師們不僅重視錢學森先生的地理科學思想,倡導地理學研究的系統性和綜合性,而且還注重教授水文、土壤和生物等部門自然地理學。強調學生要廣泛涉獵各個分支學科的知識,鼓勵學生通過野外綜合實習將理論聯系實際。通過對祁連山、青海湖和河西走廊等地的野外考察,我才將書本上得到的那些粗淺的認識轉化成對地理學真真切切的理解。”何春陽說,“這為我夯實了自然地理學各個分支門類的專業基礎,對我影響很大,因為越到后來,我越感覺到專業基礎的重要性。”

1998年,在李新老師的指導下,何春陽完成了本科畢業論文《地理信息系統與冰川體積變化可視化計算方法研究》,從蘭州大學畢業。同年,他被保送到北京師范大學資源科學研究所,跟隨史培軍教授攻讀博士學位。“這里有個小插曲,來的時候想的是保送碩士生,結果和史老師見面后,他說‘你要做直博生。當時我還沒有心理準備,他給了我3分鐘的考慮時間,這樣一來就從讀碩士變成了讀博士。”何春陽笑著說。

史培軍老師長期從事綜合自然地理學研究,認為以土地利用/覆蓋變化和自然災害為抓手的人地系統動力學是綜合自然地理學的主要研究內容和實踐途徑。依據何春陽的興趣和基礎,史老師鼓勵和指導他從格局、過程、機理和影響入手,綜合利用遙感、地理信息系統和數學模型等技術手段,開展中國土地利用/覆蓋變化研究。于是,以城市土地利用/覆蓋變化的監測和模擬為突破口,何春陽開啟了他的科研生涯。

海外留學獲新知

持續學習、擁抱新知,是何春陽一直以來的求知態度。當時,從日本學成歸來的陳晉教授引介的元胞自動機模型讓何春陽耳目一新。利用模型理解城市中的人地關系,以此為研究視角形成了他的博士論文《北京地區城市化過程中土地利用/覆蓋變化動力學研究》。因為有模型的介入且對所選題目感興趣,所以論文進展很順利,這也使他迫切想要掌握更多的新技術。

機緣巧合,加拿大西安大略大學地理系地理信息系統工程與應用實驗室的王今飛教授到北京師范大學訪問。“王今飛教授是土地利用遙感監測領域的專家,史老師覺得我可以跟著她學到最新的遙感技術,把遙感和模型結合在一起,可以更好地研究土地利用問題,于是就推薦我出去訪學。當時出國沒現在這么容易,尤其是博士生出國,需要老師做很多擔保并簽不少字,但史老師卻不厭其煩。”何春陽說。

2002年,何春陽赴加拿大西安大略大學地理系地理信息系統工程與應用實驗室的訪學計劃終于成行。在加拿大,王今飛教授安排他做基于面向對象的土地利用遙感監測方法研究。這個現在的主流方法,當時在世界上剛剛起步。跟隨王今飛教授,在掌握新技術的同時,何春陽的眼界被再次拓寬。

將在加拿大學到的新的遙感監測技術與之前的模型技術相結合,2003年,何春陽順利完成了博士論文,獲得博士學位并留校任教。但他認為博士論文還有許多問題有待進一步去突破,于是有了繼續深造的打算。北京師范大學一直非常鼓勵年輕教師出國進修。于是,何春陽在2004年通過了公費留學選拔,在2005年上半年又通過了語言考試,當年10月去了日本。日本京都大學防災研究所,是史老師推薦他去的。“博士期間我只是從土地利用入手做研究,他希望我能把土地利用和自然災害結合起來。因為開發利用自然資源是從正面的角度理解人地關系,叫趨利;研究自然災害是從降低風險的角度理解人地關系,叫避害。他推薦我到日本京都大學防災研究所,可能是覺得我需要掌握一些災害的知識,這樣可以從趨利和避害兩方面去理解人地關系。”何春陽說。

這次留學,對何春陽影響很大。日本京都大學防災研究所特別強調災害綜合風險的防范。對“綜合”一詞,何春陽之前的理解是社會、自然科學和不同技術的綜合,而實際上防災研究所強調的“綜合”,更多的卻是不同利益相關者的綜合。

“之前,我們做土地管理和規劃主要是自上而下完成的,政府規劃好,有關部門去執行。去日本之后發現,他們要花很多時間去做調查、做問卷,非常尊重當地老百姓的意見。這個理念其實現在我們國家也非常重視,但當時,確實給我留下深刻印象。給我的啟發是,科研工作者應將專業知識和社會實際相結合,不能坐在‘象牙塔里空想。”何春陽說。

管理要做到規范,是他獲得的另一個啟發。在日本學習期間,一到實驗室,就會收到一個文檔,里面非常細致地列出了進實驗室要注意的事項,包括怎么做實驗,如何與同事相處。只要照章去做,融入的過程就會比較順利。受此影響,現在何春陽也會把團隊管理的經驗做總結,新成員一來就發給他們一個“大禮包”,幫助他們更好地融入團隊。另外,無論多忙,何春陽每周都會抽時間給學生開例會,與他們面對面交流。還有,強調團隊合作,教授把握大方向,助理教授給學生具體的指導,團隊成員間互相幫助,都是何春陽在日本學到的經驗。在規范嚴格的指導下,何春陽的博士生劉志鋒、馬群和張達等連續獲得了北京師范大學優秀博士畢業論文榮譽。

在方法論上求突破

北京師范大學的科研環境相對寬松。從日本回來后,何春陽得以延續了之前的研究方向,尤其在方法論上開展了一系列研究工作。

何春陽介紹,土地利用模型是評估土地利用生態環境影響的基礎。土地利用過程是不同時空尺度下自然和人文要素綜合驅動的結果。不同尺度驅動因素的有效結合與表達是決定土地利用模型模擬能力的關鍵。以系統動力學模型為代表的數量模型往往對微觀土地利用演化過程表達不足,以元胞自動機模型為代表的空間模型又難以有效反映宏觀的自然和社會經濟因素。如何發揮現有土地利用模型的優勢,提高對區域土地利用過程的模擬和表達能力一直是國內外同行關注的一個科學問題。

為此,何春陽從宏觀用地總量需求和微觀土地供給相平衡的角度耦合兩種模型,充分利用數量模型在宏觀驅動因素表現上的優勢與空間模型在微觀土地利用空間過程表現上的優勢,提出了具有一定實際模擬能力的城市土地利用情景模型框架。由于該模型框架充分利用了兩種模型的特點和優勢,同時考慮了土地利用宏觀驅動因素復雜性和微觀格局演化復雜性的特征,因而成功解決了多尺度土地利用驅動因素的有效結合問題。在此基礎上,何春陽還進一步耦合了該模型框架和共享社會經濟路徑,發展了多尺度城市擴展過程模型,有效提高了城市土地利用過程模擬能力,并在不同區域進行了廣泛的應用實踐。

在中國北方農牧交錯帶地區開展的實踐中,何春陽帶領團隊模擬出了不同氣候變化情景影響下的區域城市土地利用過程,解決了氣候變化因素與區域城市土地利用過程的有效結合問題,實現了氣候變化對區域城市土地利用過程影響的直觀、定量評估。研究發現,氣候變化將成為影響該區域城市土地可持續利用的一個重要因素。為應對未來可能的變化,研究團隊提出了把氣候變化因素納入該區域國土空間規劃中,發展更具有彈性的城市土地可持續利用方案的建議。

在中國北方旱區進行的應用實踐中,何春陽團隊模擬出該區域未來30年可能的城市土地利用趨勢,并建議充分考慮水資源等限制因素,采取有效措施推動中國北方旱區城市在2030年前完成可持續發展轉型。

何春陽的這些研究成果獲得了國內外同行、專家的積極評價,產生了廣泛的學術影響。2010年,西班牙圣地亞哥聯合大學的Inés Santé教授等在Landscape and Urban Planning上發表的關于城市空間模型進展的綜述文章中,將何春陽發展的兩個基于該模型框架的城市模型選入全球有影響的19個城市空間模型中,并給予了詳細的比較和分析。2011年,德國科學院院士Wilfried Endlicher教授在其專著《城市生態學透視》中,認為何春陽提出的多技術結合方法有益于模型能力的提高。

在發展城市土地利用模型的同時,何春陽對城市土地遙感監測方法也進行了改進。何春陽指出,及時準確地獲取土地利用信息是土地利用環境影響評估的前提和基礎。當前,中國大尺度城市土地利用信息的獲取主要依賴于社會經濟統計數據和以陸地衛星數據為代表的中高分辨率衛星遙感數據。前者往往建立在行政單元基礎上,缺乏行政單元內部的空間信息。后者雖然精度較高,但由于分辨率和覆蓋能力的限制,在全國尺度上獲取城市土地信息需要耗費較長時間和大量人力物力。因此,它們均難以及時、有效地獲取中國大尺度城市土地信息。美國軍事氣象衛星夜間燈光數據由于其合適的時空分辨率和對以夜間燈光為代表的人類活動的有效探測,成為全球大尺度城市土地研究的一種新數據源。但是,國際上常用的夜間燈光數據存在著不穩定像元多、飽和效應和溢出效應嚴重、測量精度差等瓶頸問題,并不能直接用于中國城市土地研究。

得益于陳晉教授從日本帶回來的國內最早的夜間燈光數據,自2006年起,何春陽在中國率先開展了基于夜間燈光數據的大尺度城市土地研究。采用多數據復合的思路,集成長時間序列夜間燈光數據、植被指數數據和地表溫度數據,他發展了基于夜間燈光數據的城市土地過程監測新方法,取得了技術突破。該方法通過系統的數據訂正和基于深度學習的高效率分類算法,解決了夜間燈光數據中的不穩定像元和飽和效應問題,使植被稀疏的干旱地區的測量精度提高了10%以上。

此后,何春陽進一步綜合利用國家尺度的規模-位序回歸方法和城市尺度的等級鐘演化方法,實現了自上而下的宏觀整體分析與自下而上的微觀個體分析的有機結合,準確量化了中國的城市擴展過程。這些研究加深了對中國城市土地利用/覆蓋變化過程的理解和認識。

相關成果被廣泛引用并獲得了良好的學術影響力。2011年,“Volvo”環境獎獲得者,澳大利亞科學院院士白雪梅教授利用何春陽提供的城市土地數據,在Environmental Science & Technology上撰文,揭示了中國景觀城市化與經濟增長的關系。2015年,歐洲科學院院士Kevin J. Gaston教授在Environmental Reviews上對何春陽利用夜間燈光數據得到的中國城市土地利用過程的相關結論進行了引用。2019年,全球土地計劃城鄉相互作用工作組負責人Jasper van Vliet博士在Nature子刊Nature Sustainability上撰文,采用何春陽團隊的城市土地框架分析了全球城市土地的定義和差異。

何春陽的創新研究獲得了國內外同行的廣泛認可。如果在方法論研究上繼續做下去,何春陽可能會收獲更多的成果。但2012年的一次機緣巧合,又把他帶上了一條新路。

科研方向的轉折

2012年,對何春陽來說,是收獲的一年,也是一個轉折年。這一年他評上了教授,獲得了國家首批優秀青年科學基金。也是在這一年,他從早期的方法探索,轉向了對科學問題的研究。

那一年,美國亞利桑那州立大學鄔建國教授來到北師大,正式組建了北京師范大學人與環境系統可持續研究中心,并大力推動中國的景觀可持續科學研究。經史培軍老師推薦,何春陽有幸成為該中心一員,在鄔建國教授的領導下繼續開展土地利用/覆蓋變化研究工作。

或許是一直做方法的緣故,何春陽覺得自己的科研似乎進入了瓶頸期。在鄔建國教授的鼓勵和支持下,何春陽將研究方向轉到了可持續性科學,主要從景觀格局、生態系統服務和人類福祉關系入手,著眼于區域可持續發展,多尺度、多方法和多視角地認識和理解中國的城市土地利用/覆蓋變化過程。與此同時,黃慶旭博士和劉志鋒博士等一批年輕學者也加入進來,組成團隊,與他一起開展了城市景觀可持續性相關研究工作。

何春陽介紹,依據聯合國預計,2050年左右全球80%的人口將會生活在城市地區,因此城市的可持續發展問題是中國和全球實現可持續發展的一個關鍵問題。城市景觀是以城市為基礎的具有較高人口和不透水層密度的完全由人類主導的一種景觀。城市景觀可持續性研究以城市景觀為核心研究對象,以等級理論為基礎,強調城市生態系統-景觀-區域的多尺度研究,主要關注城市生物多樣性、生態過程、生態系統服務和人類福祉之間的相互關系。城市景觀可持續性研究以城市定位觀測為基礎,以空間顯示模型模擬和情景分析為主要手段,以地理設計為平臺,以區域關鍵生態系統服務不降低和人類福祉持續改善為基本目標,尋求不同路徑下的城市可持續發展方案。其實質是城市生態學的向上延伸,也是城市地理學和城市規劃學的向下拓展,是聯系“城市中的區域”與“區域中的城市”的有機橋梁。

“在全球和中國城市化進程方興未艾的今天,開展城市景觀可持續性研究,積極探索城市可持續發展的有效途徑,是具有重要的理論和實踐意義的。”何春陽說。

在熱點地區、生態區和國家三個尺度上,何春陽團隊定量評價了中國城市土地利用/覆蓋變化過程對自然棲息地的影響,該研究2014年發表在Global Change Biology上。被美國科學院院士Karen C. Seto教授認為是“獨特的一項在國家尺度上評價中國城市擴展過程導致棲息地損失的研究”。綜合利用長時間序列多源遙感數據,他們還發展了基于聯合國可持續主題指標框架的綜合環境評價指數,在國家、城市群和城市區域三個尺度上實現了對中國城市環境變化的定量評估,為基于遙感數據實現全球尺度上連續可比的城市環境評估提供了有效途徑。另外,結合遙感監測數據和流行病學模型,他們又量化了中國城市發展過程中空氣污染致死人數的時空格局,評估了中國“大氣污染防治行動計劃”的健康效益,該研究2020年發表在權威期刊Nature Communications上,受到了同行的高度評價,被認為“為評估中國日益增多的空氣污染控制措施的公眾健康效益提供了一個有價值的新視角”。

何春陽清楚,未來的城市景觀可持續性研究,還需要在理論、方法和應用上進一步深入。為讓研究工作適應未來發展的需要,何春陽一直不遺余力。

隨著“人類命運共同體”理念、“一帶一路”倡議的提出,世界各國人民共同求和平、謀發展、促合作已成為普遍訴求。在此背景下,何春陽越來越感覺到擁有全球視野對于一個地理科研工作者的重要性。如何把對中國城市的理解擴大到對全球城市的理解上去,是何春陽想解決的問題。

幸運的是,通過承擔國家重點研發計劃項目“城鎮化對區域及全球尺度氣候變化的影響研究”課題“全球城鎮化趨勢及其對氣候變化的影響”,何春陽為解決這個問題找到了一個機會。綜合利用卷積神經網絡和遙感數據平臺,何春陽帶領團隊對全球城鎮土地數據進行再處理,獲取滿足未來城鎮化趨勢模擬所需的城鎮擴展動態數據集,并利用基于循環卷積神經網絡的多尺度特征提取方法,發展局地—區域—全球多尺度城鎮擴展模型,預測全球城鎮擴展及未來城鎮化對區域和全球氣候的影響。

如果說這對于何春陽是一個“連天”的工作,那么在國家第二次青藏高原綜合科學考察研究中承擔的“青藏高原重點城鎮化地區生態安全屏障體系優化”研究就是一個“接地”的工作。“實際上西部的城市發展,不僅對西部的環境有影響,而且對東部的環境可能也有較大影響,因為這些城市多在我國河流的上中游地區。究竟西部城市發展在整個國家生態環境的變化中扮演著什么角色,這是一個有趣、重要又非常復雜的問題。”何春陽說。

針對城鎮化造成的青藏高原生態安全屏障結構失衡、空間破碎和功能退化問題,以拉薩河流域、湟水流域和黑河流域中上游等重點城鎮化流域為主要考察區,何春陽帶領團隊開展了科學考察,調查了區域社會經濟過程、城鎮景觀格局與過程及山水林田湖草生態和水文過程,分析了流域城鎮化與山水林田湖草系統的相互作用,識別了城鎮化導致的生態安全屏障結構失衡、空間破碎和功能退化區域,建立了城鎮化影響下的流域生態安全屏障優化模型。通過這些科學考察,他們要完成模型的校正與驗證,最終提出包括生態安全屏障結構優化、空間優化和功能優化在內的可持續城鎮與山水林田湖草系統綜合優化方案。

何春陽認為,必須高度重視干旱地區、高原地區、歐亞大陸內陸地區等生態脆弱地區的城市可持續發展問題。“一帶一路”倡議,為這些地區的城市帶來了如沿海港口城市一樣的發展機遇,但氣候變化也對這些地區的城市可持續發展帶來了環境壓力和挑戰。“要實現生態脆弱地區城市的可持續發展,一是要高度重視氣候變化對區域生態環境承載能力的影響,做好國土空間規劃,使城市的發展規模與區域生態環境承載能力相適應;二是要對標聯合國城市可持續發展目標和國家碳達峰與碳中和要求,積極做好城市產業轉型,始終保持城市的發展活力和競爭力;三是要建立健全城市生態環境與城市居民福祉的監測調查網絡,準確掌握城市發展狀況,科學決策,以提高城市居民的獲得感和幸福感為城市可持續發展的基本目標。”何春陽說。

何春陽坦言,地理科學關注的人地系統動力學問題,不是一個純粹的自然問題,也不是一個純粹的人文問題,它是自然和人文相互耦合的問題。它的復雜性決定了在探索的過程中經歷失敗是常有的事。正確對待失敗,永葆創新熱情,是他對這份事業的堅持。

何春陽堅信,實現全球城市可持續發展的機遇在中國,而尋找城市可持續發展的中國解決方案,既面臨著機遇也面臨著挑戰。未來的道路如何走,不僅是他需要面對的問題,更是整個學界需要肩負的責任。

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