生態熵視角下的城市“智慧園林”構建探析

張 頔，吳 軍(天津城建大學 建筑學院，天津 300384)

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生態熵視角下的城市“智慧園林”構建探析

張 頔，吳 軍
(天津城建大學 建筑學院，天津 300384)

摘要：近些年隨著城市化的高速發展，導致城市盲目擴張，環境日益惡化．本文從人與環境一體化角度出發，引入生態熵理論，分析環境系統中生態功能的缺失及人與環境的平衡關系；提出了針對生態熵系統失衡的解決辦法、構建智慧園林的設計理念及技術實施方法，用以科學地決策城市園林建設發展方向、方法，完善智慧園林體系建設，從根本上提升環境自身的生態效益，改善城市生態環境質量，使生態熵系統達到可持續協調發展的穩定平衡狀態．

關 鍵 詞：生態熵；智慧園林；生態效益；平衡；環境質量

城市化快速發展背景下，導致城市無序擴張，環境日益惡化．人類的恣意破壞與環境自身的無力承載，雙向壓力已對人類的生存環境及城市生態系統造成嚴重的危害．環境生態效益的缺失極大地削弱了生態環境的消化與承載能力．提升環境的自我修復能力，降低污染的消極影響，才是保證環境生態系統良好發展與人類健康的根本方法．

1 生態熵系統

1.1 熵

熵(entropy)是指體系混亂程度的一個度量值，它是物理學中一個非常重要的概念．由于科學綜合化的發展，熵已遠遠超出物理學范疇，并不斷得到深化和泛化，成為眾多學科發展的“關節”和“引線”[1]．

1.2 生態熵系統

生態熵系統，主要闡釋人類與環境的一種辯證統一關系的客觀存在形式．人類的生存與發展，需要不斷從周圍環境攝取能量和物質，同時也向周圍環境釋放能量和物質，這一過程就是人類自身熵調節的過程．生命活動本身就是一個耗散過程，在耗散過程中熵不斷增大．高熵意味著混亂，熵達到最大值意味著熱平衡態．對于生命來說，熱平衡態就是死亡．所以，生命體需要從環境中吸收負熵，以減緩人類活動產生高熵的熵增速度；同時，生態環境能夠分解處理人類排出的高熵，再向人類供給所須的負熵，使生態熵系統進入正常循環，達到一種穩定和諧的狀態(見圖1)．

圖1　生態熵能量轉化流程[2]

2 生態效益與生態熵系統

良好生態效益的發揮是提高負熵供應能力的有效途徑，也是促進生態熵系統均衡穩定發展的基本前提．但是目前，一方面城市化快速發展帶來大量的高熵聚集；另一方面由于綠色空間的碎片化及數量品質不達標等問題，導致生態環境自身支離破碎，已無法高效地實現負熵的及時供應．生態熵系統內高熵的持續累積與低熵的無力供給，最終造成系統的失衡發展狀態．

2.1 園林綠化空間形態碎片化

碎片化可以定義為：將生態要素割裂為空間上一系列相互孤立片段的過程，這一過程會導致生態要素面積的不斷減小及空間的斷裂[3]．因此，形態的斷裂會極大影響到生態系統整體效益的持續發揮．

通過對天津市中心城區的實地調研，并結合《天津市城市總體規劃(2005—2020年)》[4]，繪制出天津市中心城區區域中公共綠地、生產防護綠地、自然水體及濕地等生態要素的分布情況，如圖2所示．從圖2可以看到：生態空間上出現分布不均，且呈現出嚴重的破碎化；反映出城市化水平越高、生態碎片化越嚴重的現象．目前，霧霾等環境質量問題的出現，使本已斷裂的空間形態更加影響到生態效益的發揮，降低了釋放負熵的能力，生態熵系統已出現危機．

圖2　天津市市域及市內六區綠地系統分布

2.2 園林綠化水平不達標

綠化面積一直是衡量綠化水平高低的一個重要標準，同時也關系到生態效益能否得到良好的發揮，從而促進生態熵系統的和諧穩定發展．以住房和城鄉建設部計劃財務外事司編制的《2012年城市、縣城和村鎮建設統計年報(分省數據)》[5]為依據可得圖3．

圖3　2012年華北地區及全國綠化統計情況[5]

由圖3分析可知：以天津為例，作為直轄市在華北地區城市園林綠化的總體情況不甚理想，在綠地率、綠化覆蓋率及人均綠地面積等指標上均低于全國水平．因綠化面積不足所導致的綠化水平不達標，也會降低對高熵的轉化能力，進而阻礙了生態熵系統的穩定發展．

2.3 生態效益缺失與生態熵系統失衡

城市園林綠化是城市生態效益有力的發揮者，城市生態效益的高效發揮也會帶來生態熵系統的平衡發展．然而，當前城市園林綠化水平不高、植物種類應用少、園林綠化空間形態斷裂等問題，導致城市生態效益嚴重缺失，造成負熵供應不足；同時，如圖4所示，高熵大量釋放，環境系統無法吸收并進行轉化，出現生態熵系統失衡的狀況，最終導致出現溫室效應、酸雨、霧霾等城市環境污染問題，危及人們的身體健康，生態熵系統失衡．

圖4　生態熵系統失衡關系圖

3 生態熵系統失衡的修復治理方法

為緩解由于綠化面積不夠而引起的城市環境生態效益不佳的問題，城市管理者正在大力植樹造林，以提高綠化覆蓋率，填補負熵供應不足的缺口[6]．提高綠化水平的確對于城市生態效益有很大幫助，但這些方法都不是科學的、可持續提高生態效益及修復生態熵系統失衡的有效途徑．由于盲目添綠，不但造成城市園林系統持續的無序發展，還會加重生態熵系統的失衡程度．

3.1 “智慧園林”的設計理念與方法

解決生態熵系統失衡的問題，須提高城市環境的生態效益．“智慧園林”作為一種應對城市無序擴張、環境日益惡化問題的治理手段被提出[7]．“智慧園林”一詞是由智慧城市引申而來，它的設計理念依托“智慧城市”概念，以推進實體基礎設施和信息基礎設施相融合、充分運用新一代信息通信技術為主線，通過智能的感知、建模、分析、集成和處理，以更加精細和動態的方式優化城市園林管理、城市園林建設，提升城市園林生態效益，從而使城市園林系統達到前所未有的高度“智慧”狀態，為人民創造更美好的生活環境[8]．

綜合考慮以上要求，以可持續的理念為主導，運用數字化技術，首先要提高污染嚴重區域的綠化覆蓋面積；其次要將城市園林綠化資源進行高效整合、一體化分析，使建設規模、種類、空間形態及數量等更具系統化；最后完善城市園林管理體系，保障后期養護，使城市園林生態效益得以持續發揮．

3.2 “智慧園林”的系統構建與技術實施

3.2.1 “智慧園林”的系統構建

“智慧園林”的系統架構是對城市園林建設的各個層次、各個方面、各種參與力量等進行統籌考慮，理解和分析影響智慧城市建設的各種關系，從全局的視角出發，對智慧園林進行總體的、全面的設計，確定長期的建設目標，制定實現目標的路徑和方法，并建立智慧園林發展的保障體系，提高生態效益的發揮[9]．

“智慧園林”系統架構技術層面分為感知層、網絡層、數據層、平臺層和應用層五大層次(見圖5)[10]．感知層是整個架構的基礎，是數據信息獲取和傳輸的主要途徑，可通過航測、遙感、GPS 衛星定位及數字地圖等技術來采集城市運行中的各種數據；網絡層是信息通道，承擔著傳輸采集到的數據的重要任務；數據層和平臺層是核心，它能夠存儲并分析海量的數據，作出智能決策，實現數據高度整合與實時共享；應用層是最終外化的表現形式，是智慧園林建設的最終目標，包括智慧園林文化、智慧園林生態效益、智慧園林教育等．

圖5　技術視角下的智慧園林系統架構[10]

3.2.2 “智慧園林”的技術實施

城市園林系統生態效益的有效提升，需要各個環節的通力配合、協調發展．

首先，借助航測、遙感、GPS 衛星定位及數字地圖等技術，實現道路、公園、居住綠化數據的動態采集[11]；建立園林和苗木的電子檔案；獲取植物生長健康情況等數據．利用互聯網、電信網等信息傳送設備，將海量信息進行匯總，使園林建設規模、種類、空間形態及數量等數字化資源一目了然，為之后的數據分析與科學決策打下堅實基礎．

其次，借助GIS技術所提供的地圖分析和表現功能，通過對業務數據庫及動態數據庫實時更新的數據資源，進行高效整合，將城市地形、山形水系、植被苗木等信息矢量化，實現屬性分析、數據編輯、索引檢索等功能[12]；對各種專題圖和統計圖進行形象直觀的分析，科學決策建設選址、建設類型、植物樹種選擇等，實現城市景觀效益與生態效益協同發展；利用數據庫中數據的空間關系進行分析比較，挖掘出數據之間的關聯性和發展趨勢，從而為實現城市園林系統生態效益更好發揮提供技術分析支持及輔助決策．

最后，利用電子政務、宣傳及服務等多元平臺，將城市園林綠化信息及時發布，實現實時更新及決策公開化，鼓勵公眾廣泛參與，調動公眾參與的積極性，建立互動交流平臺，進行實時溝通，完善城市園林管理體系，實現全民管理，廣泛聽取意見并進行實時反饋；創新智慧園林產品成果展示形式，推廣城市園林產業化發展，引入競爭機制，提高城市園林綠化效率，切實做到環境生態效益的有效、高效提升．

4 “智慧園林”構建的生態效益

4.1 生態的設計理念

智慧園林的構建是思想認識的成熟，實現了從自發走向自覺，從局部、零星走向系統，從相對雜亂、參差不齊走向法規和標準化的階段[13]．科學的事前規劃、事中決策及事后監控，加強各個環節的協調發展，保證城市園林建設在方向、方法決策的科學性、有序性、智能化，從而改善園林建設面積不足、質量不高的狀況，實現城市園林系統生態效益的高效發揮，提高負熵供應量，緩解生態熵系統的不平衡問題．

4.2 生態的技術支持

智慧園林的構建是科學技術的進步，實現了從只收集、儲存信息的階段走向更高、更廣泛、更智能化運用的階段[14]．借助相關的技術支持，使城市園林建設與管理變得更加智能化，對海量數字化資源進行自動化高效整合與分析，并輔以科學的決策功能．利用網絡技術實現信息實時更新，搭建各個主體間連接的橋梁，避免了信息滯后、調控不及時等導致的決策失誤．由此可見，科學技術是城市園林科學建設與環境生態效益高效提升的有力支撐，它是負熵供應從理念走向實踐的過程，是切實解決生態熵系統失衡的有效手段．

4.3 生態的互動交流

智慧園林的構建是園林發展的活力，實現了從傳統園林建設模式走向新型、多元化的發展模式．增添智慧園林衍生出的文化、教育、旅游等功能，建立多維度數字化數據庫，普及園林知識，進行園林文化教育，發展旅游產業，通過手機、電腦、iPad 等線上設備及時獲取信息，同時組織線下活動，如設置植物名片二維碼、園林知識科普計劃等活動．將線上與線下協同共建，真正實現“知識O2O”理念的一次落地[15]．如果說，理念是靈魂，技術是骨架，那么互動交流就是鮮活的血肉，它是城市園林建設的活力興奮劑，是生態效益高效發揮的永久源泉，也是生態熵系統負熵與高熵的重要協調因子．

4.4 生態的功能效益

智慧園林的構建是提升生態效益的最終體現．創新的設計理念、強大的技術支持及豐富的互動渠道都是城市園林系統建設的重要組成部分，更是城市園林提供高效生態功能效益的有力保障條件[16]．因為彼此的相互合作，使得生態效益得以高效發揮，實現負熵的供應充足、自身修復能力的提升及轉化高熵能力的提高，最終達到生態熵和諧穩定的狀態．

構建智慧園林的最終目的是為了讓城市園林建設科學、城市園林管理先進、城市園林景觀提升、生活環境質量提高、負熵與高熵供應平衡，生態熵系統和諧發展．

5 結 語

在城市化快速發展下對資源的過度掠奪與對環境的恣意破壞，已經對生態系統造成了嚴重的危害．引入生態熵理論，將生態系統中人與環境的關系以熵理論進行深入解析，闡釋了若要使生態系統持續健康發展下去，就要處理好人類釋放高熵與環境供給負熵的中和反應關系．智慧園林的構建正是應對生態熵系統失衡的一種有效治理手段，從先進的設計理念、強大的技術支撐到豐富的互動渠道，多元素多角度相互作用、融合，使城市園林綠化系統更趨向智能化發展，進而從根本上提升環境生態效益，改善生態環境，達到生態熵系統的平衡可持續發展狀態．

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土木工程

The Construction and Analysis of“Wisdom Garden” of City from the Perspective of Ecological Entropy

ZHANG Di，WU Jun
(School of Architecture，TCU，Tianjin 300384，China)

Abstract：In recent years, the rapid development of urbanization resulted in blind expansion of the city and deterioration of the environment. From the perspective of system integration of people and the environment, the article brings ecological entropy to analyze the lack of the ecological functions and the balance of the people and the environment in environmental systems. It proposes a solution of the imbalance of the environmental entropy, builds a design concept and technical implementation of the wisdom garden. It also shows the development direction and the methods of scientific decision-making of urban landscape construction, improving wisdom garden system construction and promoting the ecological benefits and environmental quality of urban ecology. As a result, the ecological entropy system reaches a steady and balanced state of the sustainable development.

Key words：ecological entropy；wisdom garden；ecological benefits；balance；environmental quality

通訊作者：吳 軍（1970—），女，副教授，碩士，從事風景園林設計研究．E-mail：wujun5926@163.com

作者簡介：張 頔（1989—），女，天津人，天津城建大學碩士生．

收稿日期：2015-01-18；

修訂日期：2015-03-31

中圖分類號：TU986

文獻標志碼：A

文章編號：2095-719X(2016)01-0007-05