地球科学进展  2018 , 33 (10): 1075-1083 https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2018.10.1075.

联合国可持续发展目标

遥感与网络数据支撑的城市可持续性评价:进展与前瞻

宋晓谕1, 高峻2, 李新3, 李巍岳2, 张中浩2, 王亮绪2, 付晶2, 黄春林1, 高峰1

1.中国科学院西北生态环境资源研究院,甘肃 兰州 730000
2.上海师范大学城市发展研究院,上海 200234
3.中国科学院青藏高原研究所,北京 100101

Urban Sustainability Evaluation Based on Remote Sensing and Network Data Support: Progress and Prospect

Song Xiaoyu1, Gao Jun2, Li Xin3, Li Weiyue2, Zhang Zhonghao2, Wang Liangxu2, Fu Jing2, Huang Chunlin1, Gao Feng1

1.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000,China
2.Institute of Urban Study, Shanghai Normal University, Shanghai 200234,China
3.Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,China

中图分类号:  P20;P951

文献标识码:  A

文章编号:  1001-8166(2018)09-1075-09

收稿日期: 2018-03-21

修回日期:  2018-07-29

网络出版日期:  2018-10-10

版权声明:  2018 地球科学进展 编辑部 

基金资助:  中国科学院战略性先导A类专项“地球大数据科学工程”(编号:XDA19040500)国家自然科学基金重点项目“遥感产品和网络大数据支持下的中国城市群可持续性评价”(编号:41730642)资助.

作者简介:

First author:Song Xiaoyu(1984-), male, Changchun City, Jilin Province, Assistant Professor. Research areas include ecological economic and environmental policy. E-mail:songxy@llas.ac.cn

作者简介:宋晓谕(1984-),男,吉林长春人,助理研究员,主要从事生态经济与环境政策研究.E-mail:songxy@llas.ac.cn

展开

摘要

城市可持续发展是关系全球可持续发展目标实现的重中之重,城市可持续性评价是度量城市可持续发展水平的标尺,是实现城市可持续发展的基础。当前的评价方法多以统计数据为基础,评价时空分辨率低、周期长、花费高。近年来,遥感数据、网络大数据等多元数据陆续被用于城市可持续性评价,相关研究案例大量涌现,这为快速、准确、廉价地开展高分辨率城市可持续性评价提供了新的思路与方法。回顾了遥感数据、网络大数据在城市可持续性评价中的应用进展,探讨了遥感和网络大数据相较于传统数据在评价客观性、准确性、时效性方面的优势。在此基础上,以联合国可持续发展目标(SDG)中城市可持续发展指标为导向,提出了基于遥感数据、网络大数据等地球大数据开展高时空分辨率城市可持续性评价的基本框架。遥感与网络大数据的引入将改变可持续性评价的固有范式,使高分辨率实时评价成为可能,进一步创新分析技术、提升数据精度、明确与传统数据的替代关系是遥感和网络大数据实现对传统数据替代的工作重点。

关键词: 可持续发展目标 ; 城市可持续性评价 ; 遥感数据 ; 网络大数据

Abstract

The sustainable development of the city is the key to the realization of the global sustainable development goals. Urban sustainability evaluation is a measure to the sustainable development of cities, and basis of sustainable urban development. The current evaluation method is based on statistical data which is low spatial resolution, long period and high cost. In recent years, remote sensing data, network data and the multivariate data have been used for the evaluation for the sustainable development of cities, and there have been many related research cases, which provides a new idea and method to carry out the high resolution evaluation of urban sustainable development rapidly, accurately and cheaply. This article reviewed the remote sensing data and network data in the progress of the application in the evaluation to the sustainable development of cities, and discussed the advantages of remote sensing and network big data in the objectivity, accuracy, and timeliness of evaluation compared with traditional data. Based on the sustainable urban development indicators of the United Nations Sustainable Development Goals (SDG), a basic framework for the evaluation of sustainable development of cities with high temporal and spatial resolution of big data such as remote sensing data and network big data was proposed. The introduction of remote sensing and network big data will change the inherent paradigm of sustainability assessment, make high-resolution real-time evaluation possible, further innovate analytical techniques, improve data accuracy, and make clear the alternative relationship with traditional data being the focus and the only way to realize the replacement of traditional data by remote sensing and network big data.

Keywords: Sustainable development goals ; Urban sustainable development ; Remote sensing data ; Network big data

0

PDF (2046KB) 元数据 多维度评价 相关文章 收藏文章

本文引用格式 导出 EndNote Ris Bibtex

宋晓谕, 高峻, 李新, 李巍岳, 张中浩, 王亮绪, 付晶, 黄春林, 高峰. 遥感与网络数据支撑的城市可持续性评价:进展与前瞻[J]. 地球科学进展, 2018, 33(10): 1075-1083 https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2018.10.1075.

Song Xiaoyu, Gao Jun, Li Xin, Li Weiyue, Zhang Zhonghao, Wang Liangxu, Fu Jing, Huang Chunlin, Gao Feng. Urban Sustainability Evaluation Based on Remote Sensing and Network Data Support: Progress and Prospect[J]. Advances in Earth Science, 2018, 33(10): 1075-1083 https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2018.10.1075.

1 引 言

城市是人类文明的标志,也是社会经济发展的主要载体和人口中心。至2014年,全球人口54%生活在城市,到2050年,这一比例将达到66%[1]。在我国,城市化是改革开放以来现代化建设成就最主要的标志之一,1978—2013年,我国常住人口城镇化率从17.9%迅速提升到53.7%,经历了世界上规模最大、速度最快的城市化进程,对我国社会、经济、环境各方面产生了巨大影响。未来,我国城市化还将保持高速增长,预计2030年城市化率将达到70%。快速的城市化,一方面是国家现代化的最主要标志,另一方面,也带来了一系列负面的环境和社会问题,引发了日益突出的以交通拥堵、雾霾锁城、公共服务供给不足为特征的“城市病”[2,3,4]。城市化的负面影响,给城市和区域可持续发展带来了巨大挑战,作为人类社会可持续的关键一环,城市可持续发展是整个可持续发展目标中最受关注的一个,联合国前秘书长潘基文指出“城市的发展决定了我们是否能成功走上可持续发展道路”。

城市可持续性评价是衡量城市可持续发展能力的标尺,是评判城市发展政策优劣的试金石,也是谋划城市未来发展的重要科学基础。科学准确地开展城市可持续性评价,是当前城市可持续发展研究领域中的关键环节。传统城市可持续性评价依赖于统计数据,实时性差(时滞至少为1年),空间解析能力十分有限(以行政区为单元),同时由于调查范围和取样方法的局限导致评价结果的准确性受到质疑。当前的城市发展日新月异,各方对城市可持续性评价的准确性和时空分辨率提出了更高的要求,传统评价方法已无法满足当前城市建设的需求。在此背景下,引入新的评价方法和数据源提升城市可持续性评价的准确性和分辨率势在必行。日益成熟的遥感技术和蓬勃发展的网络大数据技术为实现高时空分辨率城市可持续性评价提供了新的可能。遥感数据及相关分析方法的引入有助于全面提升城市可持续性评价的空间精度,而网络大数据的引入则可以大幅提高评价数据的采样密度和频率,提升评价结果的时间分辨率和准确性。

此外,传统城市可持续发展的评价指标体系多样,各类评价侧重点与方法各异,评价结果往往莫衷一是,导致城市间甚至同一城市不同时段的评价结果缺乏可比性,这给判定城市可持续发展水平和识别城市可持续发展问题带来了一定的困难。2015年9月25~27日,在联合国成立70周年之际,联合国193个会员国通过了“改变我们的世界:2030年可持续发展议程”,提出了可持续发展目标(Sustainable Development Goals,SDG),对于人类社会可持续发展做出了新的庄严承诺,提出“让世界走上可持续的、有恢复力的道路。在踏上这一共同征途时,我们保证,不让一个人掉队”。SDG承前启后,在千年发展目标(Millennium Development Goals,MDG)的基础上,制定了2015—2030年的人类社会发展目标,共包括17大类目标,169个具体目标[5]。其中,第11大类目标(SDG 11)是“可持续城市和社区”,即“建设包容、安全、有韧性的可持续城市和人类社区”。SDG城市可持续发展指标囊括了城市社会、经济、环境、安全、制度等诸多方面,通过对上述指标的评价,可以较为完整地刻画一个城市的可持续发展水平。同时这一指标体系为城市不同时期及城市间的可持续发展比较研究提供了一个统一的评价框架。SDG 11的提出,明确了未来15年城市发展的方向,也提供了评价城市可持续发展水平的具体指标,为在统一框架下开展不同城市的评价与比较研究提供了可能。

基于上述,利用新的技术手段在统一的评价框架下开展高时空分辨率评价是城市可持续发展领域的未来研究趋势。本文面向这一主题,在系统回顾城市可持续性评价指标及其发展的基础上,分析了传统评价方法在当前城市可持续性评价中的局限性,进一步整理了遥感数据、网络大数据在城市可持续性评价中的应用进展。最终以SDG中城市可持续发展指标为导向,提出了基于遥感数据、网络大数据等地球大数据开展高时空分辨率城市可持续性评价的基本框架和研究重点。

2 基于网络大数据的城市可持续性评价进展

联合国“改变我们的世界:2030年可持续发展议程”中明确指出,“科学、技术和创新是支持可持续发展目标的动力”,信息和通讯技术又起到关键的作用[5]。在信息技术高速发展的大背景下,针对可持续发展,学者们提出了信息管理主义(Informational managerialism)、计算可持续性(Computational sustainability)、智慧城市(Smart city)等概念,强调可靠、实时、空间完备、多源的数据重要性[6,7,8]。大数据的出现,为将以上新的理念落实到实战层面提供了空间机遇。

井喷式出现的大数据,极大地提高了我们认识世界的广度和精度。大数据技术一出现,就因其大样本量、实时、动态、微观、详细、多源、自下而上、更加注重研究对象的地理位置信息等特征,为可持续发展研究提供了一个全新的数据驱动力[8,9,10],带来了城市科学研究的实质性变革[11]。目前大数据方法已经在社会福祉、城市公共服务、交通通畅度、人口与人口流动、国际化程度等城市可持续性分析方面得到探索性应用。

2.1 网络大数据在社会福祉评价方面的应用

社交网络大数据反映了公众对于生活和社会状态的满意程度,正是由于“人”作为主动使用者要素的参与,他们在实现对城市可持续发展社会因子(居民行为、公众情绪等)的反演中有着天然的优势,且突破了传统手段调查成本和实验成本高、无法量化社会因子等问题[12]。基于此,有学者利用大量的推特数据构建了一个社会幸福指数(Social Well Being Index,SWBI)作为衡量社会发展水平的重要因子,解决了传统社会调查数据只能通过“被动询问”方式获取的弊端[13]。类似的还有国内幸福指数(Gross National Happiness, GNH)[14]、公平可持续发展指数(Better Life Index, BLI)[15]以及未来趋向指数(Future orientation index)[16]等,都是基于可挖掘的多种网络数据综合构建的社会可持续发展指数。它们都被证明能显著反映地区经济和社会发展水平,可作为反映城市发展和社会福祉的重要替代指标。

2.2 网络大数据在城市公共服务评价方面的应用

城市公共服务在质量和数量上都远远优于乡村,这也是城市这一特定地理空间发挥其空间集约化利用优势的重要方面,是评价一个城市文明发展程度的重要指标。研究者通过访问百度地图等在线地图服务商提供的地理位置信息大数据,为城市公共服务活跃性与可达性指标的计算提供了丰富的数据来源[17],而通过社交网络大数据也可以进行公共服务的满意度评价[18],提取公共服务可达性和满意度等指标。这类评价都是以往基于传统数据无法做到的。房价是关乎城市竞争力和可持续发展的重要指标,网络大数据相较于常规统计数据能够在更精细的时空尺度上实现对这一指标的表达和反演。国外学者基于Google Street View图像内容和描述信息,采用支持向量回归模型构建了收入水平指数,并融入社会经济调查数据推算了纽约、波士顿等地的房价水平指数[13]。国内有房价网等基于海量的土地出让数据、房屋挂牌交易数据等大数据建立的房价数据共享平台。

2.3 网络大数据在交通畅通度和人口流动评价方面的应用

城市交通是连接城市的纽带,是城市发展的主要动力,影响着城市中物质、信息和能量流动的可持续性。网络大数据可以应用于人口流动研究,反映不同时空尺度人口迁移状况[19]。基于用户智能移动终端和APP的交通信息大数据,通过对GPS的运行轨迹和智能交通卡等数据的处理,可以反演居民的交通行为模式[20]。如高德交通实时大数据利用手机APP、汽车、物流车、出租车的GPS信息,结合道路数据进行大数据挖掘来估算“拥堵延时指数”作为城市交通通畅度的评价指标,即城市居民实际旅行时间与自由流状态下旅行时间的比值。百度、腾讯等公司基于各自的用户位置数据,发布了百度人气、百度迁徙、腾讯位置大数据等可在一定程度上反映城市实时人口数量以及人口流动的网络产品,可将其处理后用于估算城市的人口数据及人口流动。

2.4 网络大数据在城市国际化评价方面的应用

一个城市的国际化程度往往反映在其对国外游客的吸引力上,挖掘国外游客娱乐和出游的行为信息,可量化此类指标。如Sobolevsky等[21]在对西班牙的研究中,利用信用卡交易数据和带有地理位置的旅行照片等信息追踪人们旅行的轨迹,根据旅行者的目的地、停留时间和评论来量化目的地城市的国际化程度。高峻等[22]从Trip Advisor网站搜集国际游客对上海历史街区的游记,通过文本语义词频和内容分析,从个性、结构和意蕴3个方面评价了城市历史街区对国际游客的吸引力。同样,难以通过传统手段量化和获取的还有居民医疗健康数据,这也是城市可持续发展的一个重要方面。随着医疗大数据(包括医药消费数据、临床诊断数据、病人行为数据和药品处方数据等)不断开放获取,这些以往得不到或者被忽视的数据必将在城市可持续发展研究中发挥重要作用[23]。此外,还有一类可替代抽象概念指标的数据,如可以反映城市经济活跃程度的能源电力消耗指标,通过电力消费大数据结合生产消费模型可以实现对城市经济活动的预测和分析,替代常规经济统计数据指标进行应用[24]。总体而言,与传统数据相比,城市大数据拥有的实时信息(如天气信息、环境污染状况、交通信息、股票市场、社交网络信息等)更为精细、全面和准确,可实现对城市生活的快速实时反演。

总体而言,越来越多的大数据伴随着人工智能、机器学习、数据挖掘等方法被应用到城市规划、居民健康、环境污染、交通规划、能源利用等可持续发展问题的研究中[24,25]。网络数据应用于城市可持续性评价,涉及到数据采集、非结构数据处理、数据挖掘、决策和优化等一系列广义的数据科学问题。特别是网络数据的总量巨大,在种类上既包括GPS运行轨迹等客观数据,也包括社交网络信息等表达使用者认知的主观数据,同时数据大多由手机APP提供,这造成某一类数据往往集中反映城市中特定群体的行为特征,忽略了无法使用智能手机的社会群体的行为特征与需求,造成数据采样上的缺失。因此,在应用网络数据开展城市可持续性评价时,需要明确各类网络数据的特征与覆盖范围,加强学科交叉,丰富网络数据的应用范围,探索使用深度学习、贝叶斯优化等前沿的现代统计方法,从中提取出城市可持续性评价的可用信息。

3 基于遥感数据的城市可持续性评价进展

另一大类具备实时、空间完备、多源、可靠特性,并可应用于城市可持续性评价的数据是卫星遥感数据。遥感在时空分辨率、可获取性、准确性等方面具有传统统计数据无法比拟的优势。遥感产品已经进入到成熟阶段,在城市生态环境、土地可持续利用、居住舒适度、社会经济等可持续性评价方面都能发挥重要作用。

3.1 遥感产品在城市生态环境评价方面的应用

PM2.5浓度可作为一个指征大气环境和城市化的良好代用指标。过去10多年来,PM2.5的遥感方法日臻成熟,一般是建立遥感卫星获取的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)与地表监测的PM2.5浓度之间的统计关系,以此来得到PM2.5浓度的空间分布情况[26],常用的方法包括普通线性回归模型[27]、混合影响模型[28]、辅助模型[29]、地理加权回归模型[30]、半经验模型[31]、线性混合影响模型[32]和大气化学传输模型等。在目前的方法中,遥感和大气化学传输模型相结合的估计方法最可靠,利用该方法,已发展了基于MODIS和MISR气溶胶光学厚度产品和全球化学传输模型GEOS-Chem的PM2.5浓度全球产品,并经过了系统的真实性检验[33],也被应用于我国PM2.5浓度变化趋势分析[34]

3.2 遥感产品在城市土地利用可持续评价方面的应用

城市建设用地面积比例、农业用地面积比例可以用来指征城市土地利用可持续性。城市土地利用变化是全球土地计划研究的核心内容与热点区域,尤其建设用地扩展是描述城市发展过程及其对自然环境和人类社会影响的最直接指标。另外,农业用地面积不断萎缩,其主要流转方向就是城镇用地,使得城镇面积逐渐扩大。对农业用地的研究可以为农业用地的可持续利用及其生态环境建设提供建议和依据,为城市土地利用结构优化提供经验借鉴。城市建设用地的提取方法很多,如全球MODIS数据与VIIRS夜间灯光数据映射相结合、利用全球土地覆盖数据产品等方法都可以提取出城市建设用地、城市农业用地面积[35]

3.3 遥感产品在城市居住舒适度评价方面的应用

城市热岛效应是综合反映城市环境和居住舒适度的理想代用指标。热岛效应从城市气候、生物群落等不同角度指征了城市环境,是城市居住规划的重要参考依据[36]。地表温度、植被指数、不透水面的空间结构比例等都可以用来指征城市热岛效应,因此,这些遥感产品可应用于城市热岛效应研究中。其中,地表温度遥感产品的应用最广泛,它定量反映了城市热岛空间分布结构、时序变化及生态过程[37]。遥感反演地表温度的主要方法包括:单通道算法、多通道算法和多角度算法等。目前,应用最为广泛的是中等分辨率地表温度产品,即MODIS地表温度产品[38]。不透水面比例是一个指征海绵城市的最佳代用指标。不透水面是城市化最直接的产物[39],对城市气候、水文循环、生物地球化学循环均有明显的影响。不透水面的遥感方法已经很成熟,包括不透水面指数分析、线性光谱解混、机器学习、回归分析、多光谱和激光雷达的图像融合、夜间灯光和MODIS数据的图像融合等方法,趋势是融合多传感器、多分辨率卫星数据以提高产品的精度。目前,全球不透水面产品主要包括:高分辨率NASA的全球土地调查—不透水面制图项目(GLS-IMP)的产品、中等分辨率的全球城市建成区范围或不透水面产品。我国学者也研发了全国及区域性的不透水面遥感产品或者可用于提取不透水面信息的全球土地覆被产品[40]

3.4 遥感产品在城市社会经济发展评价方面的应用

夜间灯光被认为是城市社会经济、人口和资源利用的一个有效代用指标,被广泛应用于城市扩张、CO2排放量、人口密度等的推测研究中,是这些社会经济指标的一个有效代用指标。“夜间灯光发展指数”(Night Light Development Index,NLDI)更是一个简单客观、空间直观、全球可用和综合的人口与经济衡量指标[41],它与人类发展指数、城市化程度、人口安全、贫困率、生态足迹和贫困指数均有较高的相关性。目前,常用的夜间灯光遥感产品主要是DMSP/OLS version 4 (Earth Observation Group, 2012)。DMSP/ OLS卫星观测起始于1970年代,但目前只有1992年以后的数据可用[42],其缺点是受困于灯光饱和问题。另一个新的可用数据产品是Suomi NPP VIIRS数据[43],Suomi NPP于2011年10月发射,可获取每天的合成数据,其优点是空间分辨率高,且没有灯光饱和效应。这些产品可用于城市经济和人口可持续性评价。

与传统统计数据相比,遥感产品具有及时、客观、易获取等优势,同时相关产品的处理技术方法也有很多经验可供参考。但目前存在的主要问题是能够直接运用遥感数据进行评价的城市可持续性指标数量较为有限,限制了遥感数据在城市可持续性评价中的大范围应用,目前的重点工作是系统梳理遥感产品与城市可持续指标间的代用关系,建立各类遥感数据与城市可持续性评价指标间的定性及定量关系,拓展遥感数据在城市可持续性评价中的应用范围和强度。

4 大数据支持的城市可持续性评价框架

4.1 遥感数据及网络大数据在城市可持续性评价中的优势

对国内外研究现状与发展动态的分析表明,城市可持续性评价中一个突出的瓶颈问题是,传统的统计数据空间完备性差、时间上不可能实时、数据质量参差不齐。相较于统计数据,网络大数据和遥感数据在评价中具有以下优势。

(1)评价数据时空分辨率更高。遥感数据及网络大数据的分辨率高,以像元、单个传感器、单个个人、或单个移动终端为单元,与传统统计数据相比,不仅空间分辨率大大提高,而且完全能够捕捉到行政单元内部和区域之间的联系。此外,遥感数据及网络大数据能够被实时或准实时地获取,因此使得实时动态评价城市可持续性成为可能,可以帮助我们更好地认知城市可持续发展能力的时空动态变化,从而更为精准地制定应对策略。

(2)评价数据获取更为便捷。统计数据的获取需要以大量的抽样调查实现,这需要投入大量的人力、物力和财力。特别是各类普查和专项调查由于部门衔接手续多,花费巨大,导致编制周期长、更新慢。在这方面网络数据和遥感数据具有几大优势,多数遥感产品都是免费产品,网络大数据的获取成本也很低廉,相比传统统计数据,其成本低好几个数量级。同时,网络和遥感数据与一系列传统的社会、经济、环境可持续性指标存在着高度的相关性,是这些可持续性指标的良好“代用”指标,可以实现新型数据与传统评价指标的有机融合。

(3)评价结果更为客观。传统统计数据受调查成本限制,抽样比例有限,往往无法全面反映区域的全样本特征,同时由于调查者的能力差别,调查方法不统一,导致统计数据的准确性经常受到各方质疑,直接影响城市可持续性评价结果的准确率与公信力。而网络大数据,由于其样本量大,又辅之以网络文本语意分析等先进数据挖据方法的支持,可提取较客观的信息,能够明显提升城市可持续性评价的准确性。

总之,网络大数据和遥感产品,已经能够在城市可持续性评价中发挥重要甚至主流的作用,因而成为城市可持续性评价中价廉物美的数据基础。这一机遇,将带来城市科学研究方法的变革,实现实时动态、空间精细化、更加定量和客观的城市群可持续性评价已成为可能。

4.2 面向SDG的高时空分辨率城市可持续性评价关键问题

如何突破传统的城市可持续性指标体系和数据来源上的瓶颈,转而依靠实时、空间完备、更加可靠、客观、定量和易获取的地理大数据,软科学硬做,提出一个不同于传统思路的城市可持续性指标体系和评价方法,实现实时动态、空间精细化的城市可持续性评价,成为开展高分辨率城市可持续发展的关键环节。在实现基于大数据的高分辨率城市可持续性评价中要注重以下问题。

(1)指标体系的构建。联合国可持续发展目标SDG 11中提出的各项指标,较为系统地覆盖了城市生活便利性、公平性、安全性等问题,为开展城市可持续评价提供了良好的基础。同时由于联合国的权威性,采用该指标体系将有利于开展国家、区域、城市间的评价结果比较研究。但是,不同地区城市发展的阶段差异明显,面对的发展问题迥异,这些问题的产生与城市自身的资源环境本底、社会经济发展特征以及发展历程息息相关。因此在开展具体城市的可持续发展评价时,需要综合考虑区域的生态、环境、社会、经济特征,在以SDG11相关指标为主体,补充区域本土化指标,以期全面反应区域可持续发展状态与能力。在进行比较研究时,以SDG 11个指标为依据,在决策时则需要综合考虑SDG 11指标与本土化特征指标的综合评价结果。

(2)数据获取与使用

数据是让预测逼近事实,让决策完美契合需求的瞄准镜[44]。网络大数据具有时间维度、空间维度和社交维度属性,可以更为精准地刻画人在城市中的行为,有助于分析人与城市的关系以及人对城市功能的需求。遥感数据则赋予我们空间的视角,有助于更为准确地描述城市发展的状态,重现城市演变的过程,预判城市发展的趋势。但并非所有数据都适用于评价,利用大数据开展城市可持续性评价的重要前提是理清现有数据与评价目标间的缺口,明确数据收集的方向,通过收集、抓取、置换等方式获取评价数据。在数据使用前,需要评估零散信息的整合难度、数据质量及适用范围,对于数据无法满足评价的指标,可以通过寻找替代数据和指标开展评价。

统计调查数据作为目前的权威发布数据,在一定时间仍将作为补充数据和模型校订依据发挥其重要作用,但为了满足高分辨率的评价需求,需要与遥感数据相结合,对现有统计数据进行尺度转化和网格化处理,提升数据的空间分辨率。随着大数据与统计数据代用关系的逐渐明确,以及评价方法的逐步完善,统计调查与遥感数据及网络数据的融合程度将进一步提升,以此帮助提升对城市可持续性评价的精度。

(3)评价技术的整合与完善。在联合国建议的SDG指标评估方案中仍然主要依托现有的统计数据,在评价方式和数据获取方面仍偏向于传统方法。因此确定网络大数据和遥感数据与传统统计数据间的代用关系,是采用新型大数据开展面向SDG的城市可持续性评价的主要技术壁垒。此外,如何去除多余的重复信息,让碎片化的数据反映事物的全貌也是运用大数据开展评价的核心问题。从评价指标的概念和定义出发,综合运用人工智能、机器学习、数据挖掘等方法,通过开展海量数据的处理与分析,建立大数据与统计数据间的定量关系,进而利用大数据表征评价指标特征,将是解决上述问题的主要途径。

数据质量始终是保障评价精度的基石,抽样调查中的小样本问题导致统计误差,但在大数据时代数据的误差依然存在,而这一问题往往会被隐藏在大数据华丽的外表和技术能力下,更加不易被发现。网络大数据、遥感数据自身也存在数据类型多样,数据间兼容性弱的问题。因此,在评价中需要开展技术整合,实现多源数据的融合,进一步延展网络大数据和遥感数据的时空边界,减少误差,提升数据精度,发挥大数据的真正价值,实现高分辨率城市可持续性评价。

4.3 面向SDG的高时空分辨率城市可持续性评价研究框架

SDG城市可持续发展指标的提出,以及网络大数据、遥感数据的引入,为城市可持续性评价和比较研究提供了新视角,有助于突破传统城市可持续性评价以市、县等行政区划为空间单元,以年为最小时间单元的评价模式,探索月、日尺度上的公里网格评价,助力城市可持续的精准治理。指标体系构建、评价数据获取、评价方法突破是实现上述目标的关键。

在具体实现中,首先需要构建能够反映城市可持续性特征的评价指标体系,该指标体系应当具有普适性以便开展不同区域城市的可持续发展水平比较,同时可以全面反映城市可持续发展特征。鉴于联合国的权威性和影响力,建议以SDG11中的城市可持续性评价指标为主体,进一步补充反映区域差异的特征化指标,综合构成区域城市可持续发展指标体系。其次,面向指标评价需求整理、收集相关基础数据。在数据收集中,需要从指标的概念和定义出发,系统分析指标高分辨率评价的数据需求,针对各评价指标收集、整理相关网络大数据、统计调查数据、遥感数据,构建评价专题数据集。再次,建立评价指标与各类数据间的定量代用关系,选择适宜的方法开展数据分析与指标评价。收集到的数据,特别是网络数据与遥感数据并非为指标评价量身定制,大量的评价指标往往无法直接通过收集的数据直接评价,需要采用人工智能、机器学习、数据同化和尺度转化等数据挖掘方法,构建网络大数据、遥感数据、统计数据与评价指标间的代用关系。最后,结合相关评价模型,开展城市可持续发展高分辨率评价与比较研究,识别城市发展中的关键问题,规划城市及区域可持续发展路径。具体思路参见图1

图1   面向SDG的高分辨率城市可持续性评价框架

Fig.1   Framework of SDG oriented high resolution urban sustainable development assessment

5 结 语

客观、准确、高效是城市可持续评价的重要发展方向,数据是开展高分辨率评价的主要瓶颈。传统统计调查数据实时性差、空间分辨率低、获取困难,导致评价无法快速、准确地反映城市的可持续发展能力。引入具有易获取、实时动态、廉价、空间完备、客观定量等特性的遥感和网络大数据产品,作为城市可持续性评价的数据原料,是突破这一瓶颈的有效途径。基于SDG相关指标构建城市可持续发展指标体系,充分收集和利用网络大数据和遥感数据,将有助于提升城市可持续发展的精度及评价结果的可比性。

遥感数据、网络大数据等新型数据的引入,人工智能、机器学习等数据挖掘方法的广泛使用,势必将改变城市可持续性评价的传统范式,使评价结果更准确、及时。这将有助于协助管理者更为高效地识别、解决城市发展中的关键问题,更有力地支撑城市可持续发展,提升城市发展质量,真正实现科学服务决策。

范式转变不可能一蹴而就,在新数据替代传统数据的进程中,传统调查、统计数据在一定时间段内仍然具有权威性,并作为遥感数据、网络大数据的验证数据存在。再此背景下,建立网络大数据、遥感数据与统计调查数据间的定量表达关系是近期的研究重点。但网络大数据、遥感数据自身的价值是毋庸置疑的,其在可持续性评价中的应用范围将不断扩展,应用强度将不断加大,随着分析技术的不断发展、完善,遥感与网络大数据将在城市可持续性评价中发挥更加巨大的作用,甚至在部分领域逐步替代统计数据。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

[1] UNDESA (United Nations Department of Economic and Social Affairs).

World Urbanization Prospects the 2011 Revision

[R]. New York: United Nations, 2012.

[本文引用: 1]     

[2] Fang Chuanglin, Zhou Chenghu, Gu Chaolin, et al.

Theoretical analysis of interactive coupled effects between urbanization and eco-environment in mega-urban agglomerations

[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(4):531-550.

[本文引用: 1]     

[方创琳, 周成虎, 顾朝林,.

特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应解析的理论框架及技术路径

[J]. 地理学报, 2016, 71(4): 531-550.]

DOI      URL      [本文引用: 1]      摘要

特大城市群地区是国家经济发展的战略核心区和国家新型城镇化的主体区,担当着世界经济重心转移承载地的历史重任,但在发展过程中面临着日益严重的资源与生态环境的胁迫压力。开展特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应的研究,是未来10年地球系统科学研究的前沿领域和高优先研究主题。本文系统解析了特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合效应的基本理论框架。首先从理论上分析了特大城市群系统各自然要素和人文要素交互作用的非线性耦合关系及耦合特征,科学辨识近远程主控要素作用下城市群系统内外部各要素相互作用的胁迫强度、近远程耦合机理与规律,总结特大城市群地区城镇化与生态环境交互耦合圈理论,进一步构建多要素—多尺度—多情景—多模块—多智能体集成的时空耦合动力学模型,研发特大城市群地区可持续发展优化智能调控决策支持系统;其次从方法上将特大城市群地区视为一个开放的复杂巨系统,在建立同一标准化共享数据库的基础上,采用多要素—多目标—多模型—多情景环境下的城镇化与生态环境交互耦合集成技术方法、大数据支持下的城镇化与生态环境交互耦合技术方法,构建多尺度—多技术—多智能体集成的城镇化与生态环境交互耦合技术框架,按照分析时空演变特征—寻求主控要素—辨识耦合关系—揭示胁迫机制—发现耦合规律—筛选调控变量—求解临界阈值—进行调控试验—完成情景模拟—提出优化方案—完成情景模拟—提出优化方案—实现国家目标这样一条技术路径,提出解决问题的整体优化方案。本文旨在为特大城市群地区由问题集中区转为可持续发展区提供理论指导和方法支撑。
[3] Fang Chuanglin, Qi Weifeng, Song Jitao.

Researches on comprehensive measurement of compactness of urban agglomerations in China

[J]. Acta Geographica Sinica, 2008, 63(10):1 011-1 021.

[本文引用: 1]     

[方创琳,祁巍锋,宋吉涛.

中国城市群紧凑度的综合测度分异

[J].地理学报, 2008, 63(10): 1 011-1 021.]

DOI      URL      [本文引用: 1]      摘要

城市群紧凑度是指在城市群形成与发育过程中,所体现出的城市(城镇)、产业、资源、资金、交通、技术、人才等物质实体按照一定的经济技术联系在空间上的集中程度,包括城市群产业紧凑度、城市群空间紧凑度和城市群交通紧凑度等类型。适度的紧凑度是城市群综合效益最大化的集中体现,城市群紧凑度过高、过低都不利于城市群的健康发展。从产业、空间和交通三大视角入手,通过构建城市群紧凑度的综合测度模型,对选取的23个城市群紧凑程度进行分析后认为,中国城市群紧凑度总体不高,且空间差异性大,根据这种差异,采用聚类分析法可将中国城市群综合紧凑度划分为高度紧凑、紧凑、中度紧凑、低度紧凑和不紧凑(分散)5个等级。城市群综合紧凑度呈现出由东向西、由南向北逐渐降低的分异态势。城市群综合紧凑度与城市群发育程度呈现出高度的正相关性。如何科学调控城市群紧凑程度,紧凑程度达到一种什么样的标准才是最佳选择,这是本文研究中试图回答的问题。该研究为我国城市群的形成与发育,为建设资源节约型城市群、环境友好型城市群、生态型城市群和高效型城市群提供定量的决策依据,为推动我国城市群的适度集聚和健康发展奠定科学基础。
[4] Fang Chuanglin, Song Jitao, Zhang Qiang, et al.

The formation, development and spatial heterogeneity patternsfor the structures system of urban agglomerations in China

[J]. Acta Geographica Sinica, 2005, 60(5):827-840.

[本文引用: 1]     

[方创琳,宋吉涛,张蔷,.

中国城市群结构体系的组成与空间分异格局

[J]. 地理学报,2005, 60(5): 827-840.]

DOI      URL      [本文引用: 1]      摘要

The Structures Systems of Urban Agglomerations (SSUAs) in China are the spatial and synthetic polymers coupled organically by Urban Agglomerations with different development degrees, grades, political relationship, formative reasons and spatial locations through various flows of substance, power, information and knowledge. Based on the synthetic analysis of the SSUAs at home and abroad, it is found out that world SSUAs are in the process of formation, the functions with different grades for Urban Agglomerations are fabricating profoundly now through new international division of labor and region, and at the same time, although Urban Agglomerations are in the incipient phase as a whole, they are the most vigorous strategic strong point and growth pole with the greatest potential in the economic development framework in the future, and they will dominate the economic development orientation in China. The paper identifies three grades according to the calculating results using of model subject to the index of development degree for Urban Agglomerations in China. The first grade group constitutes Urban Agglomerations on the Yangtze River Delta, Pearl River Delta and of capital Metropolitan Coordinating Region. The second grade consists of 11 Urban Agglomerations in Shandong Peninsula, Chengdu and Wuhan metropolitan coordinating regions. The third grade group is composed of 14 Urban Agglomerations in the central Yunnan Province and the north Tianshan Mountains. Further analyses indicate that there are great differences among the 28 Urban Agglomerations, but such differences are reasonable to some degree. They have showed some characteristics of regional heterogeneities including different development phases, non-equilibrium in overall distribution, regularities in regional heterogeneous pattern, distinct disintegration and heterogeneity in inter-conglomeration. Based on the above analyses, the paper suggests that future studies should focus on the theoretical studies of the multi-dimension, regularity and phase subject of the SSUAs in China, enhance studies on the differences in heterogeneity and competitiveness in the formation and development of the SSUAs and reinforce research on their internationalization, globalization and dynamic monitoring.
[5] United Nations.Transforming Our World: The 2030 Agenda for Sustainable Development A[Z]. 2015.

[本文引用: 2]     

[联合国. 改变我们的世界:2030年可持续发展议程[Z]. 2015.]

[本文引用: 2]     

[6] Lehtonen M, Sébastien L, Bauler T.

The multiple roles of sustainability indicators in informational governance: Between intended use and unanticipated influence

[J]. Current Opinion in Environmental Sustainability, 2016, 18: 1-9.

DOI      URL      [本文引用: 1]      摘要

Indicators of sustainable development (SDIs), societal progress and wellbeing are perceived as informational tools vital for sustainability governance. The literature has thus far overwhelmingly concentrated on improving the technical quality of the indicators, while the role of these indicators in policy processes remains under-researched. Drawing on literature concerning policy evaluation and assessments—as well as the emerging literature on the interplay between indicators and policy—this article identifies a number of issues central for the role of SDIs in governance processes. It draws attention to the multiple indirect pathways through which these indicators exert their influence, highlighting the conceptual and political roles of SDIs. The conclusions outline a number of trade-offs and ambiguities inherent in the use and development of indicators.
[7] Gomes C P.

Computational sustainability: Computational methods for a sustainable environment, economy, and society

[J]. The Bridge, 2009, 39(4): 5-13.

[本文引用: 1]     

[8] Zhou Qifeng, Li Tao.

From policy-driven to technical practice: Big data opens up new avenues for sustainable development research

[J]. Big Data Research, 2016, 2(1): 115-119.

[本文引用: 2]     

[周绮凤, 李涛.

从政策驱动到技术践行: 大数据开辟可持续发展研究新途径

[J]. 大数据, 2016, 2(1): 115-119. ]

URL      [本文引用: 2]      摘要

1可持续发展及面临的难题可持续发展是世界对发展道路的审慎选择,也是我国的基本发展战略。随着全球资源枯竭、环境恶化的日益严重以及人类文明的演进和对生态保护理念的不断深化,可持续发展已经成为全球共识,对这一领域的研究也越来越热,日渐深入。实现可持续发展的关键是如何制定合理的、能够平衡环境、经济和社会需求的复杂决策。然而自然、社会、经济系统本身的高度复杂性、动态性以及不确定性使得实现这一最优或近似最优的决策成为一个巨大的挑战。目前,
[9] Costa C, Santos M Y.

Improving cities sustainability through the use of data mining in a context of big city data

[J]. Proceedings of the World Congress on Engineering, 2015,1: 320-325.

[本文引用: 1]     

[10] Khan Z, Anjum A, Soomro K, et al.

Towards cloud based big data analytics for smart future cities

[J]. Journal of Cloud Computing, 2015, 4(1): 1-11.

DOI      URL      [本文引用: 1]      摘要

Outsourcing data to external providers has gained momentum with the advent of cloud computing. Encryption allows data confidentiality to be preserved when outsourcing data to untrusted external providers that may be compromised by attackers. However, encryption has to be applied in a way that still allows the external provider to evaluate queries received from the client. Even though confidential database-as-a-service (DaaS) is still an active field of research, various techniques already address this problem, which we call confidentiality preserving indexing approaches (CPIs). CPIs make individual tradeoffs between the functionality provided, i.e., the types of queries that can be evaluated, the level of protection achieved, and performance.In this paper, we present a taxonomy of requirements that CPIs have to satisfy in deployment scenarios including the required functionality and the required level of protection against various attackers. We show that the taxonomy underlying principles serve as a methodology to assess CPIs, primarily by linking attacker models to CPI security properties. By use of this methodology, we survey and assess ten previously proposed CPIs. The resulting CPI catalog can help the reader who would like to build DaaS solutions to facilitate DaaS design decisions while the proposed taxonomy and methodology can also be applied to assess upcoming CPI approaches.
[11] Glaeser E L, Kerr S P, Kerr W R.

Entrepreneurship and urban growth: An empirical assessment with historical mines

[J]. Review of Economics and Statistics, 2015, 97(2): 498-520.

DOI      URL      [本文引用: 1]     

[12] Lepri B, Antonelli F, Pianesi F,et al .

Making big data work: Smart, sustainable, and safe cities

[J]. EPJ Data Science, 2015, 4(1): 1-4.

DOI      URL      [本文引用: 1]      摘要

Human mobility in a city represents a fascinating complex system that combines social interactions, daily constraints and random explorations. New collections of data that capture human mobility not...
[13] Curtis L H, Brown J, Platt R.

Four health data networks illustrate the potential for a shared national multipurpose big-data network

[J]. Health Affairs, 2014, 33(7): 1 178-1 186.

DOI      URL      PMID      [本文引用: 2]      摘要

Information in electronic health data that are drawn from large populations of patients is transforming health care, public health practice, and clinical research. This article describes our experience in developing data networks that repurpose electronic health records and administrative data. The four programs we feature are the Food and Drug Administration's Mini-Sentinel program (which focuses on medical product safety), the National Patient-Centered Clinical Research Network (PCORnet, comparative effectiveness research), the National Institutes of Health's Health Care Systems Research Collaboratory Distributed Research Network (biomedical research), and ESPnet (public health surveillance). Challenges to these uses of electronic health data include understanding the factors driving the collection, coding, and preservation of the data; the extensive customization of different systems that collect similar data; the fragmentation of the US health care delivery system and its records; and privacy and proprietary considerations. We view these four programs as examples of the first stage in the of a shared national big-data resource that leverages the investments of many agencies and organizations for the benefit of multiple networks and users.
[14] Durahim A O, Coᶊkun M.

# iamhappybecause: Gross National Happiness through Twitter analysis and big data

[J]. Technological Forecasting and Social Change, 2015, 99: 92-105.

DOI      URL      [本文引用: 1]     

[15] OECD (Organization for Economic Cooperation and Development). How's Life? 2013: Measuring Well-Being[R]. Paris: OECD Publishing, 2013.

[本文引用: 1]     

[16] Preis T, Moat H S, Stanley H E, et al.Quantifying the advantage of looking forward[J]. Social Science Electronic Publishing, 2012, 2(4):40-41.

[本文引用: 1]     

[17] Wang Yifan, Xu Xiaobing.

Application of Baidu Map API in gravity accessibility model

[J]. Software Guide, 2015, 14(12): 94-96.

[本文引用: 1]     

[王一凡, 许晓兵.

百度地图API 在引力可达性模型中的应用

[J]. 软件导刊, 2015, 14(12): 94-96.]

[本文引用: 1]     

[18] Weiss D J, Nelson A, Gibson H S, et al.

A global map of travel time to cities to assess inequalities in accessibility in 2015

[J]. Nature, 2018, 553(7 688): 333-336.

[本文引用: 1]     

[19] Abel G J, Sander N.

Quantifying global international migration Flows

[J]. Science, 2014, 343(6 178): 1 520-1 522.

[本文引用: 1]     

[20] Weiss D J, Nelson A, Gibson H S, et al.

A global map of travel time to cities to assess inequalities in accessibility in 2015

[J]. Nature, 2018, 553: 333-336.

[本文引用: 1]     

[21] Sobolevsky S, Bojic I, Belyi A, et al.

Scaling of city attractiveness for foreign visitors through big data of human economical and social media activity

[C]∥IEEE International Congress on Big Data. IEEE Computer Society, 2015:600-607.

[本文引用: 1]     

[22] Gao Jun, Han Dong.

A research on the image of historic urban blocks based on content analysis: A case study of Hengshan and fuxing roads in Shanghai

[J]. Tourism Science, 2014,28(6):1-12.

[本文引用: 1]     

[高峻, 韩冬.

基于内容分析法的城市历史街区意象研究——以上海衡山路—复兴路历史街区为例

[J]. 旅游科学, 2014, 28(6): 1-12.]

[本文引用: 1]     

[23] Groves P, Kayyali B, Knott D, et al.

The 'big data' revolution in healthcare

[J]. McKinsey Quarterly, 2013, 2: 1-22.

[本文引用: 1]     

[24] Shin S J, Woo J, Rachuri S.

Predictive analytics model for power consumption in manufacturing

[J]. Procedia CIRP, 2014, 15: 153-158.

[本文引用: 2]     

[25] Jean N, Burke M, Xie M, et al.

Combining satellite imagery and machine learning to predict poverty

[J]. Science, 2016, 353(6 301): 790-794.

[本文引用: 1]     

[26] Wang J, Christopher S A.

Intercomparison between satellite-derived aerosol optical thickness and PM2.5 mass: Implications for air quality studies

[J]. Geophysical Research Letters, 2003, 30(21): 267-283.

[本文引用: 1]     

[27] Liu Y, Sarnat J A, Kilaru V, et al.

Estimating ground-level PM2.5 in the eastern United States using satellite remote sensing

[J]. Environmental Science & Technology,2005, 39: 3 269-3 278.

[本文引用: 1]     

[28] Lee H, Liu Y, Coull B, et al.

A novel calibration approach of MODIS AOD data to predict PM2.5 concentrations

[J]. Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2011, 11:9 769-9 795.

[本文引用: 1]     

[29] Liu Y, Paciorek C J, Koutrakis P.

Estimating regional spatial and temporal variability of PM2.5 concentrations using satellite data, meteorology, and land use information

[J]. Environmental Health Perspectives, 2009, 117: 886.

[本文引用: 1]     

[30] Ma Z, Hu X, Huang L, et al.

Estimating ground-level PM2.5 in China using satellite remote sensing

[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48: 7 436-7 444.

[本文引用: 1]     

[31] Koelemeijer R, Homan C, Matthijsen J.

Comparison of spatial and temporal variations of aerosol optical thickness and particulate matter over Europe

[J]. Atmospheric Environment, 2006, 40: 5 304-5 315.

[本文引用: 1]     

[32] Zheng Y, Zhang Q, Liu Y, et al.

Estimating ground-level PM2.5 concentrations over three megalopolises in China using satellite-derived aerosol optical depth measurements

[J]. Atmospheric Environment, 2016, 124: 232-242.

[本文引用: 1]     

[33] Van Donkelaar A, Martin R V, Brauer M, et al.

Global fine particulate matter concentrations from satellite for long-term exposure assessment

[J]. Environmental Health Perspectives, 2015, 3: 135-143.

[本文引用: 1]     

[34] Peng J, Chen S, H, et al.

Spatiotemporal patterns of remotely sensed PM2.5 concentration in China from 1999 to 2011

[J]. Remote Sensing of Environment, 2016, 174: 109-121.

[本文引用: 1]     

[35] Bagan H, Yamagata Y.

Analysis of urban growth and estimating population density using satellite images of nighttime lights and land-use and population data

[J]. GIScience & Remote Sensing, 2015, 52(6): 765-780.

[本文引用: 1]     

[36] Peng J, Xie P, Liu Y, et al.

Urban thermal environment dynamics and associated landscape pattern factors: A case study in the Beijing metropolitan region

[J]. Remote Sensing of Environment, 2016, 173: 145-155.

[本文引用: 1]     

[37] Shen H, Huang L, Zhang L, et al.

Long-term and fine-scale satellite monitoring of the urban heat island effect by the fusion of multi-temporal and multi-sensor remote sensed data: A 26-year case study of the city of Wuhan in China

[J]. Remote Sensing of Environment, 2016, 172: 109-125.

[本文引用: 1]     

[38] Wan Z.

New refinements and validation of the collection-6 MODIS land-surface temperature/emissivity product

[J]. Remote Sensing of Environment, 2014, 140: 36-45.

[本文引用: 1]     

[39] Chithra S, Nair M H, Amarnath A, et al.

Impacts of impervious surfaces on the environment

[J]. International Journal of Engineering Science Invention, 2015, 4: 27-31.

[本文引用: 1]     

[40] Gong P, Wang J, Yu L, et al.

Finer resolution observation and monitoring of global land cover: First mapping results with Landsat TM and ETM+ data

[J]. International Journal of Remote Sensing, 2013, 34(7): 2 607-2 654.

[本文引用: 1]     

[41] Elvidge C D, Baugh K E, Anderson S J, et al.

The Night Light Development Index (NLDI): A spatially explicit measure of human development from satellite data

[J]. Social Geography, 2012, 7(1): 23-35.

[本文引用: 1]     

[42] Elvidge C D, Cinzano P, Pettit D R, et al.

The Nightsat mission concept

[J]. International Journal of Remote Sensing, 2007, 28(12): 2 645-2 670.

[本文引用: 1]     

[43] Hillger D, Kopp T, Lee T, et al.

First-light imagery from Suomi NPP VIIRS

[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2013, 94(7): 1 019-1 029.

[本文引用: 1]     

[44] Che Pinjue.The Essence of Data[M]. Beijing: Beijing United Publishing Co., Ltd., 2017.

[本文引用: 1]     

[车品觉. 数据的本质[M]. 北京:北京联合出版有限公司,2017.]

[本文引用: 1]     

/