基于土地利用的海绵城市建设适应度评价

改革开放40 年来，国家城市建设取得了举世瞩目的成就。我国城镇化率由1978 年的17.92%上升到了2018 年的59.58%；城市建成区面积由约2.18 万km²增长到7.48 万km²，增长了2.43 倍，一批城市群或区域特大以上城市正在涌现。

在城市开发建设中，城市快速扩张会对地表透水性产生影响，从而导致城市生态系统雨洪调节和热岛调节服务功能下降，甚至会严重地影响人居环境质量和城市的可持续发展。由此，低影响开发（low impact development，LID）、城市绿色基础设施（urban green infrastructure，UGI）、弹性城市建设（resilient city）相关研究内容正成为国际学术前沿和应用优先主题，其核心内容是提升城市生态弹性，改善城市生态系统服务。

在城市快速扩张和全球变暖背景下，我国暴雨洪灾发生的频率和影响程度呈现显著的上升趋势。例如，北京、广州和武汉等城市在夏季多次遭受特大暴雨洪灾，造成城市内涝、交通瘫痪和财产损失等一系列问题。

• 2013 年12 月中央城镇化工作会议提出海绵城市建设。

• 2014 年10 月发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，提出“大力推行低影响开发建设模式，加快研究建设海绵型城市的政策措施”的要求，并开展海绵城市建设试点工作。

• 2015年10 月国务院办公厅印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》，通过海绵城市建设，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降水就地消纳和利用。

• 到2020 年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求。

• 到2030 年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求。

▲ 海绵城市概念图（Chan et al.，2018）

海绵城市建设起源于20 世纪90 年代，美国乔治王子郡环境资源部在借鉴其前期雨洪管理相关研究，提出“低影响开发”的理念。美国的最佳管理措施（best management practice，BMP）、澳大利亚的水敏感城市设计（water sensitive urban design，WSUD）、英国的可持续城市排水系统（sustainable urban drainage system，SUDS）、德国的雨水利用（storm water harvesting）和雨洪管理（storm water management）等广泛应用于城市建设当中。在国家花费大规模物力和财力开展海绵城市建设的过程中，亟待加强科技支撑能力，如何科学有效地实现海绵城市建设优先区的精准识别及全面提升城市生态系统水热调节服务科学统筹规划是当前海绵城市建设科技支撑能力建设的重大课题。

在我国，海绵城市建设相关理论方法研究尚属于起步阶段。从海绵城市建设前期科学规划和工程实施的角度，在如下两个方面仍然存在着严峻的挑战。

第一，在服务于海绵城市建设的区域大尺度下垫面遥感分类到具体建设工程实施精细制图方面。当前城市遥感分类中，无论人工数字化解译、光谱分类、回归模型、面向对象分类和亚像元分解，乃至神经网络等方法，以及发展的不透水面、绿地等像元组分的分解，从科学实验数据到生产实践数据的研制，仍然存在较大的不确定性和难以满足实施应用需求的问题。

第二，从海绵城市建设的适应度评价角度，如何科学精准地识别海绵城市建设的关键部位和优先区，从而在建设过程中起到“事半功倍”的成效，避免或减少在建设过程中不必要的物力和财力的浪费。

▲ 北京主城区城市下垫面变化遥感制图

为此，北京市科学技术委员会2017 年启动北京市自然科学基金重点项目，北京市地表类型空间分布特征及其对海绵城市建设的适应度研究（8171004）。在前期城市生态环境遥感与信息系统领域扎实的研究基础上，经过近两年潜心研究并撰写这本《基于土地利用的海绵城市建设适应度评价》（匡文慧，李孝永著. 北京：科学出版社，2020.4）专著，呈现给各位读者。

▲ 不同类型功能区城市雨洪调节优先区和适应度分布

在本专著中，我们提出了“生态海绵城市”的概念，建立了一套以服务于城市热岛缓减和雨洪调节双重功效的生态海绵城市建设下垫面调控模式的理论方法，在等级尺度的城市下垫面精细化遥感分类和地表透水性指数刻画，以及建立城乡空间梯度生态海绵城市建设的适应度评价和调控策略方面取得了一系列重要的进展，并以图文并茂的形式呈现给读者。

▲ 生态海绵城市建设适应度评价框架图

纵观全书，该著作取得了如下创新性成果：

• 面对城市内部高度异质性、结构复杂和类型镶嵌等在遥感分类方面的挑战，实现了等级尺度的人机交互、面向对象识别和混合像元分解多分类器集成的城市下垫面结构组分的定量表征和高精度制图。

• 从城乡空间梯度生态系统科学管控角度，发展了一系列从城市远郊自然生态系统保护斑块/廊道设计，建成区外围低影响开发和城市内部生态修复的生态海绵城市建设的适应度评价技术方法体系。

• 从服务于超大城市热岛强度降解和雨洪调节双重功效的角度，提出了生态海绵城市建设下垫面调控模式新的理论方法，以北京市为例，提出了海绵城市建设空间针对性的“渗、滞、蓄、净、用、排”具体举措和策略。
  

该书汇集和提炼了获得国际同行和国内行业部门认可的多项成果，体现了城市地理学、生态学、遥感科学、地理信息系统等多学科的高度交叉。其中，“城市生态环境监测及管控关键技术研发与示范”（KJ2015-2-08）荣获2015 年度国家环境保护科学技术奖二等奖；“城市高精度时空信息获取关键技术及应用示范”（2016-01-02-16）荣获2016 年度国家测绘科技进步奖二等奖。城市土地覆盖分类方法荣获Science Bulletin 2013 年度优秀作者和TOP10 最高引文，Science China Earth Sciences 2018 年度“热点论文”。

这些成果对于城市规划管理和城市生态环境保护具有较强的实用性，预期会在国家生态环境保护、城市规划、国家测绘地理信息及灾害应急管理等部门和领域取得良好应用效果。

中国科学院地理科学与资源研究所 研究员

2019 年3 月 

本文摘编自《基于土地利用的海绵城市建设适应度评价》（匡文慧，李孝永著. 北京：科学出版社，2020.4）一书“前言”“序”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-063945-5

责任编辑：杨帅英 李 静

本书提出了具有城市热岛缓减和雨洪调节双重功效的生态海绵城市建设下垫面调控的理论方法，实现了等级尺度的城市下垫面精细化遥感分类和地表透水性指数刻画，建立了从远郊自然生态系统保护斑块/廊道设计，建成区外围低影响度开发（LID）和城市内部生态修复三级城乡空间梯度生态海绵城市建设的适应度评价和调控策略。在表征北京超大城市扩张过程和地表不透水、绿地组分基础上，对北京城市下垫面热环境状况和水文生态过程进行科学分析。从而识别生态海绵城市建设的优先区和适应度等级，并提出海绵生态城市建设下垫面调控的综合策略。

本书不仅可应用于城市生态遥感分类和地理信息工程制图领域，而且对于海绵城市建设、雨洪管理、热岛控制乃至城市可持续发展规划具有重要的应用价值。本书可供城市生态学、土地利用规划与管理、城市地理学、城市规划学、遥感与GIS 等科研领域的研究人员、政府决策相关人员和高校师生参考使用。

 （本文编辑：刘四旦）

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