城市生態智慧管理系統的生態系統服務評估功能與應用

韓寶龍,歐陽志云

中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085

自聯合國千年生態系統服務評估項目以來,生態系統對人類產生的惠益愈發為人們認可和重視。全社會對生態系統的認識也經歷了從實物量(如林木蓄積量、植被覆蓋度)至功能量(如氣候調節能力、水源涵養能力),再至價值量(如生態系統服務價值,生態產品總值)的深化。

對于人口集聚的城市地區而言,生態系統不僅是人居環境的保障,更是社會經濟發展的基礎。雖然生態系統所提供的多數服務難以被公眾所直接觀察,但卻具有不可替代的重要性[1-2]。如城市綠地的蒸散和遮蔭功能極大的緩解了城市熱島效應,減少了電力消耗[3-4]；城市透水地表,尤其是濕地和下沉式綠地,極大的減少了暴雨時期的城市內澇問題[5-6]；城市周邊的植被空間和河、湖、濕地涵養了水源、凈化了水質,使水資源能夠穩定的供給[7-12]。諸如此類,生態系統提供了防風固沙[13-14]、固定二氧化碳[15-16]、凈化空氣[17-18]、削減噪聲[19-20]等與城市發展息息相關的重要服務功能。

科學量化測度生態系統服務能力,不僅有利于提升公眾對生態系統重要性的認識,也有便于基于生態系統服務開展現代城市生態管理。我國的生態功能區劃[21]、國家主體功能區劃中的重點生態功能區劃[22],以及全國、各省和各地的生態保護紅線劃定[23]等重點生態保護管理工作均是以生態系統服務評估結果為基礎開展。

生態系統服務功能評估工作涉及生態、水文、氣象、地理信息等多個學科的知識,所用評估模型和軟件工具也十分多樣,有時需要在多個模型和工具間切換,過程十分繁瑣,技術門檻較高。當前國際上較為常見的多元生態系統服務評估工具包括(1)美國斯坦福大學自然資本項目(Natural Capital Project)開發的InVEST工具(生態系統服務和權衡的綜合評估工具,Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)[24]；(2)美國佛蒙特大學開發的ARIES工具(生態系統服務人工智能,Artificial Intelligence for Ecosystem Services)[25],(3)美國地質勘探局與美國科羅拉多州立大學合作開發的SolVES工具(生態系統服務社會價值評估,social values for ecosystem services)[26](4)美國林業局開發的i-Tree套件[27]。

以上工具均為美國學者或企業開發,以科學研究為出發點,為生態系統服務評估提供了便利,我國學者利用這些工具也有諸多高質量研究產出。在專業科學研究中這些工具體現出了較好的應用性,但在將這些計算工具應用于我國各地政府的生態管理時,仍存在一些“水土不服”。主要體現在：(1)國外一些基于本地生態過程開發的模型,其模型(尤其是模型參數)并未進行很好的中國化,在我國的適用性仍有待檢驗[28]；(2)有較高的專業知識門檻,一些輸入數據非中國可獲取的常規數據,為國外各行業再加工的專業數據,或未標準化提供的網絡抓取大數據；(3)有依靠主觀經驗輸入的參數,一些輸入參數的制作缺乏標準,需要用戶主觀判斷輸入；(4)有對地理信息軟件的依賴性,輸入數據的制備和輸出數據的顯示需要依托其他地信類軟件。以上原因(詳見下文的“比較”章節)降低了生態系統服務評估在我國從生態科學研究走向跨領域應用和政府決策應用的可行性和推廣意義。

為此,中國科學院生態環境研究中心結合在該領域的長期技術積累和服務中國地方政府的實際應用需要,于2017年2月著手開展了我國第一個在線生態系統服務評估平臺的開發,并于2018年9月上線城市生態智慧管理系統(IUEMS,Intelligent Urban Ecosystem Management System)進行測試,于2019年9月面向全網免費提供在線計算服務。本文將介紹IUEMS的主要功能和體系結構,并與國際主流軟件進行對比,介紹IUEMS已經開展的典型應用,探討未來的建設發展方向。

1 城市生態智慧管理系統(IUEMS)概述

2017年《深圳市陸域生態系統調查評估項目》啟動[29],是我國第一次系統性的對一個城市的生態系統進行摸底調查,其中生態系統服務評估工作是貫穿和聯系多個專項研究的重要工作之一,為了提高生態系統服務評估工作的規范性,以及評估范式和評估結果在后續城市生態信息化管理工作中的可應用性,由中國科學院生態環境研究中心集合多個項目資源,組織實施了IUEMS的頂層設計和專項開發工作,并在www.iuems.com上線供全網用戶免費使用。

IUEMS主要由4個方面的功能組成(見圖1)：①基于獨立模型的生態系統信息模型庫；②基于人工智能的耦合生態關系模擬器；③面向用戶的生態知識和數據共享平臺；④面向典型場景的專題生態決策支持系統。本文重點介紹和比較生態系統評估功能,即生態系統信息模型庫。

1.1 IUEMS的生態系統評估功能

生態系統信息模型庫(簡稱生態模型庫,EIM,Ecosystem Information Model)。生態模型庫由獨立的、可在線運行的模型組成,主要分為三類：①各類生態系統服務評估模型,包括固碳釋氧、氣候調節、水源涵養等十余種典型生態系統服務模型,其中部分生態系統服務模型還有不同方法,如基于NPP(凈初級生產力)的固碳模型和基于生物量變化的固碳模型,以及基于固碳速率的固碳模型。②各類綜合指標型評估模型,如人與自然耦合發展指數、生態資產指數、生態產品總值等。③其他輔助型模型,如城市人口集聚區邊界劃定、徑流分析、數據增強、投影轉換、分區統計等。根據用戶的數據情況,一些模型可能存在運行的先后依存關系,如當用戶不掌握徑流空間數據,在計算水源涵養服務模型前,就需要先運行徑流分析模型,以生成該數據。

此外,IUEMS的生態模型庫的適用范圍并不局限于“城市”地區,這里IUEMS(城市生態智慧管理系統)名中的“城市”是指該系統的一些模型結合了城市生態系統服務評估的特定需求,如景觀溢價模型、路側噪聲削減模型等；其他生態系統服務模型均可在“非城市”(自然空間為主的區域)應用。

目前該生態模型庫已經上線模型38項(含數據預處理模型,該數量會根據新模型上線和舊模型優化保持動態變化),每個模型均配有技術說明文檔,多數模型數學方法引自國家或地方技術標準規范[30-33],部分模型的數學方法為在研測試模型。所有模型都可通過在線預約免費使用。

1.2 IUEMS的其他功能

人工智能生態耦合關系模擬器(簡稱生態大腦,EcoBrain, Brain of coupled Ecosystem),以卷積神經網絡為依托,對柵格化的生態系統地理信息數據進行多圖層(輸入)對一圖層(輸出)的空間神經網絡分析,實現連續數值的回歸關系擬合,以及離散數值的類別關系擬合。受限于人工智能運算對硬件的巨大占用,需郵件申請審核后使用。

生態知識共享平臺(簡稱生態共享平臺,E-Sharing,Ecological knowledge and data Sharing platform),向公眾介紹傳播生態學知識和生態評估技術,包括微信公眾號定期推送的文章和學術活動信息、微信客服的在線問答、獲授權播放的各類生態專業知識視頻和公共數據。

生態管理決策應用平臺(簡稱生態應用平臺,EzEco, Easy Ecosystem management),針對當前生態系統服務評估的常見應用需求,提供了配色出圖、分析情景生成器、多情景結果可視化對比,以及使用戶能夠一次性計算多個生態系統服務的“敏捷計算”功能。除“敏捷計算”需要申請審核外,其他均自主預約使用。

圖1 IUEMS功能結構圖Fig.1 Functions of IUEMS

1.3 IUEMS的操作特點

IUEMS旨在降低生態系統評估的使用門檻,讓更多的人能夠了解生態系統服務和生態系統狀況,應用生態系統評估結果,為了兼顧不同群體在不同場景的使用需求,IUEMS的操作形成了以下特征。

(1)基于網盤數據的無人值守計算。為每個用戶提供私人網盤空間,通過網盤中轉個人電腦輸入數據和平臺計算結果數據。避免了高頻數據的重復上傳(如基本每個生態服務評估均會用到的生態系統分類圖數據),可關閉本地計算機進行云端無人值守計算。

(2)計算過程的步驟化。IUEMS中每個生態評估模型按照技術路線的主要步驟,進行逐步輸入輸出。有利于使用者明白評估模型的科學邏輯,同時,可以下載各步驟的中間結果,便于對結果開展溯源分析。

(3)計算數據的空間可視化。IUEMS的所有計算過程中,其輸入地理信息數據和輸出(計算結果)的地理信息數據都可以即時的在操作頁面顯示,方便用戶對數據的加載狀態和數據可靠性做出基本判斷(見圖2)。

圖2 IUEMS項目計算功能界面Fig.2 User interface of IUEMS

(4)盡可能降低操作門檻。一是數據錄入和輸出均有提示信息,提示要點和單位；為每個模型均配技術文檔和操作視頻。二是在網盤提供樣例數據和共享調用數據。三是“敏捷計算”功能可實現任意多個生態評估模型的“一次性輸入輸出”。四是提供數據預處理工具和出圖工具,減少使用過程中的軟件轉換。

2 IUEMS與當前主流生態服務評估軟件的對比

由于各軟件平臺均有各自有不同的拓展功能場景,本文僅以共性的生態服務評估功能為對比的領域,選取InVEST(3.9.0)、ARIES(0.11.0.281)、SolVE(ArcGIS 插件3.0)、i-Tree ECO(6.0.23)與IUEMS的EIM功能(2021年10月31日版)進行對比,主要考慮①操作邏輯,②已有生態系統服務模型,③模型輸入數據的可獲得性,④結果的空間精度,以及⑤操作界面友好度五個方面。以下僅說明各自特點,不做判斷優劣。

2.1 在操作邏輯上的異同

InVEST、SolVE,以及ARIES的本地部分都是安裝程序在本地計算機進行計算,其中SolVE是以插件形式基于ArcGIS或QGIS軟件進行計算,ARIES本地部分需要聯網確認賬號才能計算,ARIES在線平臺也需要在本地啟動客戶端進行賬號確認才能使用。而i-Tree ECO 的本地客戶端僅用于上傳數據和校驗數據,以及讀取計算結果文件,計算功能完全在云端。IUEMS則無任何本地安裝需求,在網上平臺上傳數據后,即可云計算,計算完成后可下載數據至本地。

i-Tree控制云算力分配的方法為用戶任務排隊,即用戶提交數據后即算發起計算任務,但需在后臺排隊依次完成,完成需要等待時間不定；而IUEMS控制云算力的方法是以“天”為單位提前預約使用,每人可同時申請10天占用,預約后可直接使用,當天總預約使用人數滿額后,只能通過郵件申請特殊使用。

此外,相較其他四個軟件,IUEMS按照主要計算步驟對計算過程進行逐步分解,使用戶能夠獲取中間過程文件,便于結果分析。

2.2 在評估模型上的異同

五款軟件對比版本中,InVEST有生態系統服務相關模型22個,IUEMS有相關模型22個,ARIES有相關模型8個,SolVE有相關模型12個。其中SolVE模型多以社會價值為主(文化服務價值類),并且模型分析結果為研究區內的相對價值分布,其數學模型基礎均是基于最大熵模型；而其他四款軟件的生態系統服務模型以調節服務為主,且多為生物物理過程模型,少部分為回歸擬合模型。其中i-Tree模型主要是分析植被的生態系統服務,相對其他模型而言,分析模型更為微觀,生物物理過程特征更詳細。同時,IUEMS中的大多數調節服務模型均與中國行業或地方標準中的模型保持一致[30-33]。

本文對各軟件生態系統服務名稱的翻譯為直譯,并未刻意統一。這是因為對于相似名稱的生態系統服務,各軟件的數學模型所表達的生物物理過程基本一致,但是在產出結果數據時角度不同,如InVEST中的產水模型中的“基流”對應的是IUEMS中的水源涵養服務。由于這種不完全一一對應的情況比較普遍,所以本文不再比較五款軟件各服務數學模型間的區別,只在下文對比InVEST和IUEMS的模型對應關系。

2.3 在數據取得方式上的異同

SolVE為完全基于用戶自有本地化調查數據計算,并需要用戶將調查結果進行數字化,無共享數據庫。ARIES的網絡功能部分則僅需要用戶指定研究區域和時間范圍,其網絡平臺基于軟件方自有數據直接完成計算(或對已有成果的分區統計)；其本地客戶端需要用戶自備數據。i-Tree ECO的計算數據主要基于軟件方組織的共享數據,用戶可以共享數據以滿足數據不足地區(無論時間還是空間,中國地區數據均相對匱乏)的計算需要,用戶需提供的數據多為本地化的氣象數據和精細植被特征數據。

InVEST無共享數據庫,數據部分為美國相關行業的公開專業數據(如季節性產水模型中的土壤水文分組數據、徑流曲線數據),其他需輸入的地信數據多為NASA和其他歐美遙感產品平臺可免費提供的遙感產品(如美國航天局提供的植被地表蒸散量數據、地物覆蓋數據),但是也存在大量需要主觀判斷的半定性和定性經驗參數(如城市降溫模型中的綠地的最大降溫距離參數),以及中國地區難獲取的外國社交平臺大數據(休閑娛樂模型中的訪客數量是基于圖片共享網站Flickr的圖片地理標記數據)。IUEMS有共享數據庫,用戶可以在平臺直接調用,同時,用戶需要錄入的數據均為在中國地區可以獲取的數據,輸入數據的格式也均為中國科研機構和政府部門使用的常見格式。

2.4 在結果空間精度上的異同

InVEST、IUEMS的數據空間精度均取決于用戶輸入數據的空間精度,簡而言之會向空間分辨率最高的輸入計算數據靠齊；而ARIES網絡功能部分的名義分辨率由用戶輸入(用于根據實際分辨率重采樣),實際分辨率則由后天原始數據的分辨率決定(普遍弱于250m和500m),本地客戶端的分辨率可以人工調整；i-Tree ECO所提供的報告主要為研究區內的總結果(多為柱狀圖),因而不涉及到空間分辨率,其空間精度取決于原始調查數據的詳細程度。SolVE的結果數據空間分辨率為用戶自定義的空間插值分辨率。

2.5 在操作界面友好度上的異同

五款軟件的操作界面均較為友好,且都有輸入提示信息,但ARIES的本地客戶端計算生態系統服務時,需額外撰寫代碼編程。InVEST、ARIES、SolVE和IUEMS均有計算進度提示,但i-Tree ECO僅在計算完成后郵件通知結果。InVEST的地信結果無可視化顯示頁面,ARIES、IUEMS可在平臺內展示,SolVE通過依托的地信軟件展示,i-Tree ECO基本無地圖展示。ARIES、i-Tree ECO、SolVE提供計算結果的報告,InVEST、IUEMS則不提供自動報告。此外,IUEMS的實操幫助更為詳細,在每個模型計算界面均提供視頻操作鏈接和技術說明文檔。以上內容見表1。

表1 IUEMS與主流生態系統服務評估軟件比較

2.6 InVEST和IUEMS在模型上的對應關系

由于InVEST和IUEMS都是種類更為全面的生態系統服務評估平臺,此處將二者的模型對應關系進行梳理(見表2)。特別說明的是,IUEMS的模型均以生態系統服務為輸出對象,但一些InVEST模型并不直接輸出生態系統服務評估結果,需要進一步加工才能得到。如IUEMS中輸出的是海岸帶防護服務量,而InVEST為脆弱性分級,需進一步分析才能得到防護量。此外,二者即使模型概念能夠匹配,所采用的數學模型也不一定完全一致。如IUEMS的緩解熱島效應模型為回歸模型,而InVEST中的城市降溫模型為經驗參數模型。并且,兩個模型平臺各存在一些對方沒有涉及到的特殊模型。

表2 IUEMS與InVEST軟件的模型對應關系

3 IUEMS的應用實踐

在IUEMS開發期間,與來自北京、上海、廣州、深圳等多個城市,覆蓋高校科研、規劃咨詢、信息技術、公益組織等多個行業的十余家單位開展了測試合作,平均每個模型工具被運行測試百次以上。

在IUEMS上線面向全網投入使用后,穩定的單位和個人在線用戶已過千人,已直接服務于北京、廣東深圳、浙江麗水、黑龍江齊齊哈爾、云南昆明、云南普洱、遼寧大連、山東平度、重慶城口、重慶廣陽島等各地政府的生態系統服務評估相關工作。

以下結合IUEMS在《深圳市陸域生態系統調查評估項目》和《深圳市生態系統生產總值(GEP)評估》中的應用情況,對各類典型應用加以介紹。

3.1 典型生態工程的建設潛力與生態效益評估

利用IUEMS平臺生態模型庫(EIM)功能評估了深圳典型海綿工程(路側下沉綠地及屋頂綠化)的建設潛力及潛在生態系統服務效益(見圖3)。研究認為在2018年降雨和實際徑流削減情景下,(1)潛在的路側下沉綠地建設能夠帶來徑流削減能力提升10.34%,暴雨期徑流削減能力提升1.86%；(2)在進行充分的屋頂綠化條件下,屋頂綠化能夠提供的徑流削減量約為當前總削減量的4.76%,暴雨時期徑流削減量為當前總暴雨削減量的12.70%；(3)充分屋頂綠化情況下,屋頂綠化暴雨徑流削減價值為17.20億元/年,同時考慮屋頂綠化的固碳和氣候調節三項生態系統服務價值后,該值為28.28億元/年；(4)據此計算,當屋頂綠化工程存續期(考慮年維護成本)大于8年時,投入產出平衡；當工程存續期為20年時,凈收益約為257.65億元。

圖3 深圳典型海綿工程的建設潛在區域Fig.3 Potential area for spongy city engineerings

3.2 城市多元生態系統服務及其價值評估

利用IUEMS平臺生態模型庫(EIM)功能,完成了深圳市“十三五”期間各年13項生態系統服務及其價值(生態系統生產總值)的空間化評估。評估結果顯示：(1)2020年氣候調節服務使深圳當年減少了約680億度降溫能耗,相當于全年用電量的70%；該項生態系統服務價值占GEP比最大,為37%。(2)“十三五”期間,GEP總體穩步增長,年均增速2.24%(見圖4)；但2020年由于疫情對文化旅游產業的影響,使生態文化旅游服務價值出現大幅下降,拖累全年GEP增長。(3)深圳生態系統調節服務呈現東高西低的特征,生態系統文化服務呈現西高東低的特征,反映出西部城市片區需要加強城市內部生態基礎設施建設,東部郊野片區需要進一步加強的生態文旅設施建設(見圖5)。

圖4 深圳市“十三五”期間生態系統生態總值(GEP)結構與變化/億元Fig.4 The changes of GEP at Shenzhen (from 2016 to 2020)

圖5 深圳市2020年生態系統服務價值空間分布特征Fig.5 Distribution of ecosystem service value at Shenzhen (Year 2020)

3.3 深圳市重點生態保護區與優先開發區域識別

利用IUEMS平臺生態管理決策應用功能(EzEco)評估并識別2020年深圳市生態系統服務價值占比最大的前五種調節服務類型,分別取其數值從大到小前五分位所分布區域進行并集,得到深圳市重點生態保護區域(見圖6),該區域占全市陸域面積53.04%,區域內提供的GEP占全市GEP的87.12%。

圖6 深圳市生態系統重點保護區識別Fig.6 Identification of the important ecosystem area at Shenzhen

此外,在經濟發展優先情景下(通過CA-Markov模擬),通過將68 km2的新增建成區域分配至GEP低值區域(優先開發區),使全市GEP年度損失減少33.68億元。優先開發區面積占全市陸域面積3.40%(圖7),僅提供了1.92%的生態服務價值。

圖7 深圳市城市建設優先開發區識別Fig.7 Identification of prior developing area at Shenzhen

4 思考與展望

4.1 生態系統評估軟件相較細分學科專業軟件的區別

InVEST、ARIES與IUEMS等作為綜合性的生態系統服務的評估軟件,與i-Tree(植被領域)、SWAT(水文領域)、CALPUFF(大氣領域)等各細化學科的專業軟件比較,前者建立在生態系統的各類中宏觀過程機理上,后者建立在各學科的中微觀機理上,適用用戶和情景有明顯區別。

前者綜合性生態系統評估軟件的比較優勢在于①同一軟件覆蓋的生態系統服務類型多,學習時間成本低；②體現生態系統服務形成的關鍵過程,簡潔易懂,能用于主要特征和問題辨識,便于利益相關方的管理決策；③對各細分學科領域的數據和專業知識要求不高,使數據資源薄弱的地方和跨領域人士更易使用。

后者各學科細分專業軟件的比較優勢在于①數據需求更為細致,細分領域的專業知識涉及更多；②由于對該領域的細節刻畫豐富,可服務于工程設計和施工。

4.2 當前制約我國生態系統服務評估應用工作的主要困難

在與IUEMS用戶交流使用情況時發現,當前制約我國生態系統服務評估應用工作的主要困難在于：①相關輸入數據難獲取,用戶既不掌握獲取渠道,也無法對數據質量做出判斷；②一些國外模型的數據需求,其沒有對應的中國區數據基礎,如果用全球數據產品則空間分辨率不足；③用戶對生態系統服務的形成機理和計算邏輯沒有深刻理解,導致“可算,不可解釋”；④用戶對地理信息及其軟件操作的知識掌握不足,不能有效制備數據和分析數據等。

4.3 IUEMS將不斷完善服務我國生態系統評估與應用的能力

(1)進一步降低數據獲取門檻。IUEMS將通過生態知識共享平臺分享免費數據獲取渠道；共享更多制備好的公共數據供用戶直接調用；引入高質量的數據源,滿足客戶高時空分辨率數據的定制需求；增加更多的數據預處理模塊,降低對地信軟件的依賴。

(2)進一步加快新模型開發。IUEMS將進一步加大生態系統服務模型的研發,加大與科研同行的交流,吸收更多具有普適性的中國本地化模型進入到EIM體系；加強生態系統的社會服務價值評估模型開發,補齊我國相關工作的短板。

(3)面向其他行業開發易用工具。IUEMS將面向我國生態產品總值核算需求,擴大GEP一鍵版(GEP pro)服務范圍,讓更多非生態研究領域人士了解生態產品價值,能夠計算生態產品價值；同時,面向我國國土空間規劃中生態分析需求,逐步推出具有生態保護紅線劃定、生態重要性區域識別等功能的生態空間規劃套件(EPLAN),讓更多城市規劃師能夠輕松開展生態分析。

(4)探索提供生態系統服務分析產品。IUEMS也將學習ARIES、i-Tree的服務內容,向用戶提供一些已經計算完成的生態系統服務產品,鼓勵用戶分享自己的分析產品。為更多生態系統服務應用人員免除分析過程,使其能夠直接獲取數據開展應用。

致謝：感謝四年來參與IUEMS學術把關、數學模型開發和實踐應用的數十位國內外專家和研究生,包括多次為IUEMS提供建議的美國斯坦福大學自然資本項目的InVEST團隊；感謝IUEMS軟件編程團隊及參與測試的數十家合作單位；感謝為IUEMS提供應用實踐機會的政府部門和機構。