LA专题 | 来源 | 面向绿色基础设施的城市信息学

全文刊登于《风景园林》2021年第01期 P17-30

来源，王钰，林添怿.面向绿色基础设施的城市信息学：纽约市行道树数据收集、分析与公众科学的综合研究[J].风景园林，2021，28（1）：17-30.

面向绿色基础设施的城市信息学：纽约市行道树数据收集、分析与公众科学的综合研究 

著：来源

男 / 博士 / 麻省理工学院城市研究与规划系城市科学与规划学讲师，新工科教育转型计划数字城市小组首席讲师 / 致力于研究计算机科学与城市规划在未来的联系，以解决城市的社会技术复杂性问题

译：王钰

女 / 硕士 / 中国城市建设研究院有限公司城乡生态文明研究院助理研究员 / 研究方向为风景园林规划设计与理论

校：林添怿

男 / 北京林业大学在读硕士研究生 / 研究方向为风景园林规划设计

摘要：越来越多的时空数据使得对复杂的城市系统进行细致深入的调查研究成为可能。尽管已有对城市环境中人居活动的时空特征的充分调查研究，但城市景观的时空复杂性仍未得到充分探索。介绍了纽约市行道树普查项目的起因、经过和其产生的影响，包括数据收集、整合和分析的方法，以及公众科学将城市管理与社区参与联系起来的多种途径。针对当前技术存在的局限，提出一种人工主导、计算机执行的，可应用于城市林业数据收集和信息管理的集成方法。并借鉴美国纽约及其他城市的相关经验，对当前中国城市林业的发展状况进行了研究。这种人机结合的数据采集方法，对实现城市中自然、科技和人的紧密联系具有重要意义和价值。

关键词：风景园林；城市科学；城市信息学；城市设计；公众科学；智慧城市；绿色基础设施

0 引言

大数据和物联网的兴起产生了观察、测量、量化和分析城市的新方法，为研究城市动态系统提供了新的契机。新的数据整合和分析进一步揭示了城市景观与人类活动之间复杂的相互作用关系，以及其对社会-生态-经济产生的长期影响。数据分析和人工智能技术已在城市基础设施的各个子系统中得到广泛应用。先前的相关研究已对城市环境中的交通运输、能源利用、商业零售、人居活动以及其他社会经济活动的时空动态进行了广泛讨论。相比之下，城市树木所具有的时空特征仍有待学者进行更加广泛和深入的研究。在大部分城市中，有关城市绿色基础设施的数据挖掘、集成和分析相对较少，而且数据难以获取。目前许多城市中行道树的信息缺失限制了研究人员对当地城市林业进行准确的现状评估和调查。具体体现在哪些因素影响了城市树木的布局、位置，以及相应的空间格局在社区尺度上如何进一步影响当地的环境条件、公众健康、归属感和生活质量。对城市景观进行数字化分析有助于进一步探索“量化场所”的方法，理解如何通过整合多源且异构的城市数据来获取具有高时空分辨率和高维度的地点特征。这种量化方法可以进一步将普适计算过程中产生的数据转化成可以应用于具体地点的超本地化智能，从而通过数据分析和机器学习来实现城市环境中的地域与情境感知。考虑到城市系统的生态-社会-技术复杂性，笔者提出了一个包含数据集成、协作和公民参与的城市信息框架。

1 综述

行道树作为城市绿色基础设施的重要组成部分，具有改善局部小气候、促进环境健康、定义社区景观文化、提升生活品质的作用。从生态与环境健康角度出发，城市树木可通过降低温室气体排放、调节温度、净化空气等产生长期的环境效益、促进身心健康。研究证明，行道树的种植和管理是维持城市绿色基础设施的重要组成部分。据统计，纽约市城市林业对生态环境产生影响（包括雨洪控制和空气净化），每年约产生1.22亿美元（约7.97亿人民币）的经济效益。从城市设计的角度出发，树木作为街景的重要组成部分，在车辆交通和行人之间具有建立视觉秩序、进行物理缓冲的作用，同时还可以提升公共空间的品质。城市林业的空间格局不仅受到地理和气候因素影响，还受到城市形态、规划政策和设计决策的影响。随着城市中精细粒度数据的增多，近期的研究开始对城市树木的空间格局以及相应的生态环境影响进行量化和比对分析。例如，一项对美国多个城市中树木分布与局部地区温度的比对分析表明，同一时间里，城市中不同地区的温度差异最大高达12 ℃，温度差具体取决于土地利用和树木覆盖率。树木的空间差异也引发了规划决策更深层次的问题，包括环境公平伦理争议和潜在的城市设计偏见。先前对美国城市的研究表明，空气污染、土地使用、林木覆盖与弱势社群的长期健康之间存在潜在联系。

城市林业对人居健康的影响，以及其在时间、空间和类型方面的分布特征带来了更多复杂问题和争议。例如， 2013年的一项研究在花粉高峰季节对纽约市45个地点的行道树花粉散播情况进行了监测，结果表明，树冠覆盖区域的500 m半径辐射范围内可接触到的花粉量为当地总量的39%。而在纽约市进行的另一项研究还证明，青年人群接触树木花粉与过敏的风险在统计学上存在显著相关性。其他北美多个城市的调查发现某些树种可能会加剧花粉的过敏反应，增加哮喘的发病风险。以上的争议的解决需进行更全面的数据采集和分析研究，从而进一步揭示城市中人、生态和建成环境之间的复杂关系。

遥感技术、物联网、大数据和机器学习等技术的发展创造了新的数据源，并为城市科学研究开拓了新的方向。城市林业数据的生成通常基于高清卫星图像或遥感影像，通过高光谱和激光雷达技术定位树冠的位置。另一类方法基于街景图像数据，使用计算机视觉和算法识别来实现更加复杂的图像检测分类技术。最近的研究显示了这种技术的应用前景与局限性。一项研究探索了在美国加利福尼亚州的5个城市中利用街景图像和深度学习进行街道树木自动检测的可行性。城市信息学是一个新兴的跨学科研究领域，旨在结合城市系统中的人文因素、环境因素和技术因素从而创造新的城市问题解决方案。城市信息学关注于数据的集成、分析和应用过程，并通过定量统计和数据科学来研究城市现象。“开放数据”是指可公开使用和发布，且不涉及隐私、机密或安全性问题的数据集。纽约市于2012年通过了《第11号地方法》，要求市政府机构通过称为“纽约市开放数据”的通用数字门户网站提供可公开的城市数据。

公众在城市景观数字化、智能化的过程中扮演着不可或缺的角色。当地居民能够参与科学研究或试点项目以促进科学知识普及，并向研究人员提供本地经验和反馈。此过程加强了市政单位、研究机构和社区成员之间的协同关系。行道树数据收集过程中，群众参与城市绿色基础设施建设和社区韧性建设，培养社区意识。基于环境公平的考量，城市规划部门会鼓励少数族群或弱势群体积极参与当地的公众科学项目，从而使社区规划和设计决策过程更加平等公正。

2 案例

自20世纪70年代以来，纽约市开展了由社区主导的植树运动，旨在保障更加公平的城市资源和更好的生活质量。2007年，该市公园与游憩局推出了“植树百万在纽约”（Million Trees NYC）项目计划增种100万棵树木。在社区组织以及约50 000名志愿者的支持下，这一计划最终在2015年顺利完成。同时，纽约市还是城市开放数据以及城市科学的先驱。该市于2012年颁布了一项公共数据开放法案，并启动了城市开放数据门户“OpenNYC”。2015年，纽约市公园与游憩局首次利用了手机应用程序“TreeKIT”并邀请公众参与树木普查。普查活动为每位志愿者提供了用于测量树木位置和标准周长的测量轮和卷尺，以及树种识别图册等工具。原始数据收集包括了666 134棵行道树，其中的225 595棵是由2 000多名居民参与，通过对当地社区树木进行地图标注和数字化记录所收集的（图1）。最终692 892棵行道树被绘制在地图上，并在确认其所属的233个树种后被纳入正式的城市树木普查数据库。纽约市将最终的树木普查数据通过网站“纽约行道树地图”进行发布，并利用交互式数据可视化工具将全市5个行政区的行道树统计结果进行共享（图2）。目前，纽约市行道树地图已为10 000多项活动提供了数据支持，包括涉及特定的树木维护、数据更新以及环境生态监测项目。

1 2015 纽约市树木普查结果（不同树种用不同颜色标注，灰色表示公园绿地和公共开放空间）

2 纽约行道树地图网站

传统研究主要关注城市林业作为城市绿色基础设施的一部分对生态的贡献，而新的数据则能够进一步探索人居活动与城市树木间的互动关系及其所呈现出的时空差异。例如，纽约市设有热线311用于响应非紧急服务请求和投诉。在2019年，共计约有4 400万次市民反映的市政服务需求。其中多项服务与行道树相关，例如报告受损或死亡树木、要求修剪树木或请求在特定位置种植新树等。笔者从2010—2020年，市民报告的超过2 200万次的服务请求中提取了所有本地社区希望种植新树木的请求。图3是纽约4个主要行政区按月汇总的市政服务需求与种植新树木数量，按时间序列展开的数据可视化图。市民服务热线呼叫作为一种集体社会行为，反映了公众参与城市林业活动的季节性规律（图3）。行道树普查与其他城市开放数据的收集整合提供了一种以高空间分辨率深入了解社区的物质、环境和社会方面的新视角。例如，图4-1展示的莫特黑文街区是纽约市哮喘住院率最高的街区。通过对城市数据挖掘和整合，笔者基于不同树种绘制了城市行道树花粉致敏程度地图。结果显示，社区大多数行道树为高致敏性（红色），是花粉过敏多发地之一（图4-2），笔者也根据居民对于清理枯树（图4-3）或修剪树木（图4-4）的服务请求将数据进行了可视化分析。

3 与纽约街头树木有关的市民投诉和服务请求的季节性变化模式

4-1 纽约市布朗克斯区莫特黑文街区的行道树

4-2 莫特黑文街区的行道树花粉致敏程度地图

4-3 居民对于清理枯树的服务请求可视化分析图

4-4 居民对于修剪树木的服务请求可视化分析图

3 讨论

纽约市行道树普查项目之所以取得成效，是因其对城市数据基础设施进行了长期的投资，通过有意义的市民参与使其与社区进行互动，并在数据发布后推广使用和后续研究。图5展示了一个高层框架，将数据、计算、环境、公民和城市管理一体化，成为一个互联互通的城市信息系统。该系统基于信息反馈回路机制，将数据收集、分析、产品、用户反馈联系起来，从而帮助规划、设计和与政策相关的决策论证与实际执行。这种互联互通的内部连接实现了3个关键的城市信息反馈循环，即城市系统中的物质属性、社会属性以及科技属性间的联通。城市设计、建筑和风景园林学科广泛研究了城市形态、街道景观和公共空间形态如何影响社会行为和公众健康。“物质-科技”联系代表了数字信息如何显示和实体空间的规划、设计和运营，用于决策支持系统、数据驱动操作和自动控制物理环境的智能城市技术。“科技-社会”联系是指数据和技术与人和社区之间产生的动态交互，以平衡信息技术带来的积极效益和潜在风险。长久而言，持续的城市数据迭代更新以及信息应用产品将全面支持可持续城市管理和公众科学。

5 结合数据、计算和公众科学一体化的城市林业信息整体框架

4 结论

城市中社会-生态-技术多方面的动态变化需要综合运用信息科学、城市规划、城市管理和社区参与等跨学科的方法对城市系统进行研究。由于城市林业涉及范围的广阔性和复杂性，城市树木数据收集不应仅仅依靠人工调查或者完全由机器自动检测。众包数据收集和公众参与项目不仅具有社会效益和教育意义，而且能够提升公众的数字意识，尤其是对城市大数据的认知。这些长期的努力将不断促进城市中自然、科技和人文的有机联系，并为未来城市科学的全面发展做出贡献。

图表来源：

图1由作者使用QGIS创建，数据来源于2015年纽约市树木普查数据以及纽约市公园与游憩局提供的公园和开放空间数据；图2引自https://tree-map.nycgovparks.org；图3数据来源于https://data.cityofnewyork.us/Social-Services/311-Service-Requests-from-2010-to-Present/erm2-nwe9，由作者从NYC311提取和汇总数据后创建的数据可视化图像；图4由作者使用NYC Tree Census和NYC 311数据创建的数据可视化图像；图5由作者绘制；表1由作者整理绘制。

为了微信阅读体验，文中参考文献标注进行了删减，详见杂志。

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文章编辑 王亚莺

微信编辑 刘芝若

微信校对 王亚莺

审核 曹娟

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