规划科技进步奖一等奖 | 城市群空间配置与生态环境耦合调控关键技术

导读

中国城市规划学会科技奖是规划领域首个专享的社会科技奖，专门奖励规划领域的科学技术成果和规划科技人才，是学会的最高科技奖励。2022年度中国城市规划学会科技进步奖授奖项目共31项，其中一等奖4项，二等奖9项，三等奖18项。“中国城市规划网”将陆续介绍授奖项目。

中国科学院地理科学与资源研究所等单位的方创琳团队凭借城市群空间范围与空间联系强度精准识别技术、城市群生态环境功能分区优化调控技术、城市群空间扩展与生态环境耦合器（UEC）及智能决策支持系统UDSS调控技术获得2022年度中国城市规划学会科技进步奖一等奖。

项目名称：城市群空间配置与生态环境耦合调控关键技术及应用

主要完成人：方创琳，张晓玲，万军，鲍超，王振波，马海涛，陈睿，秦昌波，李咏红，李广东，刘海燕，刘旭，孙建欣，戚伟，孙思奥

主要完成单位：中国科学院地理科学与资源研究所，自然资源部国土空间规划研究中心，生态环境部环境规划院，中国城市规划设计研究院，中国城市建设研究院有限公司，北京东方园林环境股份有限公司

一、技术研发背景

城市群是国家新型城镇化的空间主体，是高度一体化的城市集合体。2014年召开的中央城镇化工作会议、党的十七大、十八大、十九大报告和国家连续四个五年计划都将城市群作为推进新型城镇化的“重心区”。近40年城市群以年均9.1%的速度快速扩展并承载全国80%经济总量的同时，导致生态用地减少24.3万km2，又成为生态环境问题突出亟待治理的“重点区”。从1980至2018年，中国城市群面积由11.1万km2快速扩展到233.9万km2，年均扩展速度9.1%；建设用地由1.6万km2增至11.86万km2，年均扩展速度5.4%。相反，生态用地由93.4万km2减少至69.1万km2，年均萎缩速度0.8%；生态系统服务价值由12.61万亿元减少至10.14万亿元，年均降低速度1.3%。

针对这一问题，2020年4月10日习近平总书记在中央财经七次会议上明确指出：增强中心城市和城市群等的经济和人口承载能力，必须把生态和安全放在更加突出位置。未来15年中国城市群仍然是承载人口和生产要素的主要空间形式，是拉动中国经济高质量发展的新动力源，急需开展城市群快速扩展与生态环境耦合调控关键技术的系统研究，这对实现城市群高质量发展与生态环境高水平保护具有十分重要的现实意义。

面对中国城市群快速扩张引发的生态格局错配、生态空间萎缩、生态功能退化等现实问题，纵观国际城市群百年发展历程，采用何种技术确保城市群既成为国家高质量发展的重心区，又成为生态环境高水平保护的安全区，目前在国际上找不到现成答案和技术方法。

基于以上技术难题，本项目在国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划项目等5个项目支持下，按照现实问题诊断——空间范围识别——联系强度分析——生态功能优化——耦合调控方案——系统集成平台——典型应用示范这样一条总体思路（见图1），历经10年科技攻关，攻克了城市群空间配置与生态环境耦合调控关键技术，揭示城市群空间拓展与生态环境耦合的近远程机理及规律，提出了城市群快速扩展格局与生态环境保护格局同步优化方案，解决了城市群高质量发展与生态环境高水平保护的技术难题，为中国城市群可持续发展提供了重要科技支撑。被第三方评价达到国际领先水平。

图1  总体研究思路示意图

二、主要科学技术内容和科技创新点

第1项技术：

创建了城市群空间范围与空间联系强度精准识别技术，揭示了城市群空间拓展与生态环境耦合的近远程机理及规律，发布了国内第一部《城市群空间范围识别与评价技术规程》

1、引入库兹涅兹曲线提出了城镇化库兹涅兹曲线（UKC），揭示了城市群快速扩展与生态环境近远程耦合机理及拐点是对数二次型复合函数U型曲线，创建了城镇化与生态环境耦合圈理论及耦合图谱，找到了中国五大特大城市群生态环境质量好转拐点是城镇化率达到47.4%（图2），发现生态环境破坏后恢复是一个漫长过程。

图2  5个特大城市群快速扩展与生态环境耦合曲线及拐点图

2、揭示了城市群空间范围由城市-都市区-都市圈-城市群-大都市带的四次拓展过程，采用新浪微博API及GooSeeker网络爬虫技术等大数据技术发明了城市群空间联系强度测度系统技术，提出了城市群空间范围精准识别技术方法。

3、首次将1957年J·Gottman提出的国际上5大定性识别标准拓展为10大定量标准，新增了全球化、文化等质量标准，与靠经验判断的国际标准相比，该技术标准更先进精准，更适应中国城市群精准识别。编制完成国内第一部《城市群空间范围识别与评价技术规程》（T/CI 022-2021）由中国国际科技促进会发布。

4、建立了城市群发育程度模型、空间联系强度和紧凑度模型，揭示了城市群形成发育五阶段规律、多中心组合规律、多尺度空间集约利用传导规律和可持续联合爬升规律。被联合国大会确定的世界城市日发布，美国科学促进会转载。

第2项技术：

突破了城市群生态环境功能分区优化调控技术，科学划定了与生态环境格局相匹配的中国城市群“5+9+6”的空间组织格局，被国家十三五规划全图采用，出版全球首部《中国城市群地图集》

1、采用高分一号GF1 WFV多光谱遥感数据和POI社会感知数据等，利用SVM算法、道路分割算法及类别聚合法突破了城市群生态空间和高度空间精准提取技术，利用混淆矩阵法验证生态空间提取精度达到93.4%（图3），发布《城市群绿度空间提取技术规程》团体标准。

图3   城市群绿度空间提取方法示意图（北京市为例）

2、以城市群生态空间精准提取为前提，采用Nature Break系统自动分级技术发明了城市群生态环境功能分区优化技术与城市群绿地网络化生态涵养节水系统及其装置，基于GIS创建了城市群生态环境功能优化调控决策支持系统，应用于编制《首都水源涵养功能区与生态环境支撑区建设方案》，由国家发改委向27个部委发文实施。

3、以城市群功能分区优化技术为支撑，精准划定了由重点建设5个国家级城市群、稳步建设9个区域性城市群、引导培育6个地区性城市群构成的“5+9+6”的中国城市群三级配置格局（图4），引领了全球城市群分级发展，被国家“十三五”规划全图采用。

4、采用PSR模型发明了城市群协同会诊的生态控导与分流系统，采用TOPSIS与灰色关联法创建了城市群生态环境协同会诊与一体化联控联治技术方法，生成了城市群生态环境联控联治技术方案与通风廊道的绿化带系统，解决了城市群生态环境联控联建的技术难题。

5、研制了全球第一部《中国城市群地图集》，填补了全球没有城市群地图集的国际空白，被国际区域科学协会主席Thill教授评价“是对城市科学的重要学术贡献，是全球第一本城市群地图集，为城市群和全球城市化研究提供了基准”。

图4   中国城市群“5+9+6”的三级配置格局图

第3项技术：

自主研发了城市群空间扩展与生态环境耦合器（UEC）调控关键技术及智能决策支持系统UDSS应用平台，成功应用于全国10个不同规模城市群发展并取得显著应用成效，建成19个城市群研究基地

1、依托Vensim PLE平台和SD主模型，创建了由9个近程端口子系统、4个远程端口子系统、共约201个参量构成的城市群城镇化与生态环境耦合调控器（UEC），实现了对城市群可持续发展的综合模拟与耦合调控。

图5  城市群城镇化与生态环境耦合调控器（UEC）

2、构建了城市群快速扩展与生态安全综合调控的三级联动技术体系，独立研制了由生态安全数据挖掘--协同会诊--功能分区--仿真模拟---联动调控--综合决策6大技术模块构成的耦合调控系统应用平台（图6），实现了对城市群拓展带来生态环境安全状况的协同会诊、协调发展绩效评估、生态系统服务价值核算、生态用地价值置换及一体化调控。

图6   城市群城镇化与生态环境耦合调控系统应用平台

3、在全国不同规模城市群发展中示范应用并取得显著成效，建成21个城市群研究基地。被自然资源部编制《全国国土空间规划纲要》时用于选择全国城镇化与城市群空间格局；被国家发改委用于编制《京津冀城市群首都水源涵养功能区与生态环境支撑区建设方案》《天山北坡城市群发展规划方案》，分别由发改委〔2019〕561号、〔2019〕1252号文件发文落实。

三、与国内外同类技术比较

发明了城市群空间范围精准识别技术，将1957年法国地理学家J·Gottman提出的城市群识别5大定性标准拓展为10大定量标准。在强调规模标准同时，突出了质量、集聚和地域文化认同标准（表1）。与国际经验判断定性标准相比，该标准更具技术的先进性、更精准，更全面，更适合中国城市群。

研发出的城市群生态空间精准识别技术，精度达93.4%，比同类精度高约9.5个百分点。

研发出的城市群扩展与生态环境耦合器(UEC)调控技术，达到国际领先水平。

出版了全球首部《中国城市群地图集》。

表1   城市群空间范围识别技术的国际比较分析表

四、推广应用情况和应用前景

（1）本技术已经成功应用于科学划定了中国城市群“5+9+6”分级配置格局，同时成功应用于京津冀、粤港澳大湾区、长三角、长江中游、山东半岛、关中平原、天山北坡等10个城市群发展规划与6个示范片区生态修复工程中，建成19个城市群研究基地，大大提高了城市群规划编制科学性与可操作性。

（2）本技术还可以应用于哈长城市群、辽中南城市群、呼包鄂榆城市群、晋中城市群、兰西城市群等其余10个城市群高质量发展与生态环境高水平保护的技术实践中。

（3）本技术还可以应用于现代化都市圈发展规划、实施方案的编制和生态环境保护、以及可持续韧性都市圈建设的技术实践中。

（4）本技术可用于所有城市群和都市圈国土空间规划中优化调控这些高度城镇化地区城镇化与生态环境耦合拐点及协同发展方案的具体技术实践中。

五、经济社会效益

1、经济效益显著。整体技术成果应用于京津冀城市群、粤港澳大湾区城市群、长三角城市群、长江中游城市群、山东半岛城市群、关中平原城市群、天山北坡城市群等10个典型城市群可持续发展、生态环境建设及6个示范片区生态修复工程中，共投入建设资金146.38亿元，获直接经济效益27.56亿元，新增利润5.29亿元，新增利税3.88亿元，经济效益和生态环境效益显著。

2、社会效益巨大。《城市群空间范围识别与评价技术规程》《城市群规划技术规程》等标准规范先后在编制全国19个城市群发展规划、国家十三五规划纲要、《全国国土空间规划纲要》中得到应用，对指导我国城市群高质量发展做出了重大贡献，社会效益非常显著。技术成果相关内容被国家相关部门采用22份，为确保全国各大城市群“一张图纸”绘制并实施到底、推动城市群可持续发展做出了重要贡献。整体技术应用于全国城市群生态环境建设，生态服务价值减少态势得到有效控制并趋于好转，明显改善了城市群生态环境质量，为城市居民提供了丰富的优质生态产品，很好满足了城市居民对优质生态环境的基本需求。

六、知识产权情况及他人评价

成果获国家授权发明专利26项，软件28项，技术标准规范6项，国家相关部门采用建议报告22份，实质批示13份，著作9部，论文146篇。

成果被第三方评价为总体达到国际领先水平。鉴定结论认为，“创新提出了城市群扩展与生态环境协同调控传导理论；首次研制了城市群生态环境协同会诊一体化调控技术、生态功能精准识别与生态品质提升精细修复技术，成果理论价值高，技术创新性强，应用前景广阔，总体达到了国际领先水平”。

成果中包含的《中国城市群地图集》被国际区域科学协会主席Thill教授评价“是对城市科学的重要学术贡献，是全球第一本城市群地图集，为城市群和全球城市化研究提供了基准”，被中科院陆大道院士评价“这是目前国际上首部城市群地图集，对于进一步开展城市群研究发展有突出意义”。被中国工程院王家耀院士在《测绘地理信息》发文（2021，46（1）评价为对推动中国城市群健康发展和各类城市群规划顺利实施有重要意义，对世界城市群发展提供了有益借鉴，为推动国土空间优化和生态文明建设发挥了重要作用。《Landscape ecology》主编、美国亚利桑那州立大学Jianguo Wu教授2022年专门撰文：推出“全球首个里程碑式的中国城市群地图集”，认为城市群是景观生态与可持续发展的新前沿，可极大地促进扩大景观研究的规模，以更好地快速满足科学和社会需求。

成果在世界城市日发布并转载。被联合国大会确定的世界城市日发布并纳入2019年成果集萃《Selected Speeches of 2019 World Cities Day Events》，被美国科学促进会（AAAS）转载。《中国城市群地图集》在2021年第23届中国科协年会上发布，被央视、新华社、光明网等专题报道50多次，社会影响良好。

成果获中国百部输出版国际优秀图书奖，钱学森城市学金奖、全国优秀地图作品裴秀奖，中国地理科学十大研究进展、中国百篇最具影响国内学术论文奖、F5000中国顶尖学术论文奖等。

供稿人：方创琳（学会常务理事，中国科学院地理科学与资源研究所研究员、区域与城市规划设计研究中心主任）