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探索城市可持续发展的科学路径

来源:  发布时间:2021-07-30

——记北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室教授何春阳
   
范佳乐  马梦珂


  
  城市土地利用/覆盖变化主要指由于土地利用方式的变化,导致城市内部格局改变和城市在区域中的扩展,从而发生不同时空尺度的土地系统变化的过程。当前的中国,伴随人口的持续增长和经济的快速发展,正在经历一场快速且大规模的城市化过程,其实质是人口、财富、技术和服务在空间上的集聚,以及生活、生产和组织方式的转变。从地域空间上看,复杂的生态、环境和灾害效应,已经使中国的城市土地利用/覆盖变化成为一种典型的人地系统动力过程。在认识和理解中国城市土地利用/覆盖变化过程、影响与风险的基础上,积极探求中国和世界城市可持续发展的科学途径,无疑具有重要的理论和现实意义。
  基于地理科学的系统综合思想,利用遥感、地理信息系统和数学模型等技术手段,从1998年起,北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室教授何春阳便以城市土地利用/覆盖变化的监测和模拟为突破口,开始了自己的学术研究生涯。二十余年的时间里,从方法探索到科学问题研究,何春阳在城市土地利用/覆盖变化过程监测、模型模拟和影响评估方面均取得了一系列可圈可点的创新成果。
  
被动选择变为兴趣
  在相关领域能越走越远,得益于何春阳在早年求学中打下的扎实基础。高考填志愿时,地理学其实并不在他的选择之列,到兰州大学地理科学系自然地理学专业学习完全是调剂的结果。虽然是被动的选择,但在学习过程中何春阳却渐渐对其产生了兴趣。
  20世纪90年代,在李吉均院士的带领下,兰州大学地理科学系聚集了一批非常优秀的教师。他们年轻,有朝气、有思想。后来这批人中的许多人都成长为我国地理学界有影响力的人物。何春阳对所学的热爱,正是来源于这些人对他的引导。
  何春阳回忆,后来当选为中国科学院院士的陈发虎老师,当时是地理科学系的一位年轻教师。何春阳修过他开设的“环境科学”课,他非常注重地理学研究中对人与环境关系的理解。王乃昂老师当时是何春阳的班主任,后来成为国家级教学名师,他的“气候学”讲得非常好。潘保田老师,现在已是兰州大学的副校长,当时他讲“地貌学”,深入浅出吸引了很多学生。
  “在李吉均院士的推动下,老师们不仅重视钱学森先生的地理科学思想,倡导地理学研究的系统性和综合性,而且还注重教授水文、土壤和生物等部门自然地理学。强调学生要广泛涉猎各个分支学科的知识,鼓励学生通过野外综合实习将理论联系实际。通过对祁连山、青海湖和河西走廊等地的野外考察,我才将书本上得到的那些粗浅的认识转化成对地理学真真切切的理解。”何春阳说,“这为我夯实了自然地理学各个分支门类的专业基础,对我影响很大,因为越到后来,我越感觉到专业基础的重要性。”
  1998年,在李新老师的指导下,何春阳完成了本科毕业论文《地理信息系统与冰川体积变化可视化计算方法研究》,从兰州大学毕业。同年,他被保送到北京师范大学资源科学研究所,跟随史培军教授攻读博士学位。“这里有个小插曲,来的时候想的是保送硕士生,结果和史老师见面后,他说‘你要做直博生’。当时我还没有心理准备,他给了我3分钟的考虑时间,这样一来就从读硕士变成了读博士。”何春阳笑着说。
  史培军老师长期从事综合自然地理学研究,认为以土地利用/覆盖变化和自然灾害为抓手的人地系统动力学是综合自然地理学的主要研究内容和实践途径。依据何春阳的兴趣和基础,史老师鼓励和指导他从格局、过程、机理和影响入手,综合利用遥感、地理信息系统和数学模型等技术手段,开展中国土地利用/覆盖变化研究。于是,以城市土地利用/覆盖变化的监测和模拟为突破口,何春阳开启了他的科研生涯。
  
海外留学获新知
  持续学习、拥抱新知,是何春阳一直以来的求知态度。当时,从日本学成归来的陈晋教授引介的元胞自动机模型让何春阳耳目一新。利用模型理解城市中的人地关系,以此为研究视角形成了他的博士论文《北京地区城市化过程中土地利用/覆盖变化动力学研究》。因为有模型的介入且对所选题目感兴趣,所以论文进展很顺利,这也使他迫切想要掌握更多的新技术。
  机缘巧合,加拿大西安大略大学地理系地理信息系统工程与应用实验室的王今飞教授到北京师范大学访问。“王今飞教授是土地利用遥感监测领域的专家,史老师觉得我可以跟着她学到最新的遥感技术,把遥感和模型结合在一起,可以更好地研究土地利用问题,于是就推荐我出去访学。当时出国没现在这么容易,尤其是博士生出国,需要老师做很多担保并签不少字,但史老师却不厌其烦。”何春阳说。
  2002年,何春阳赴加拿大西安大略大学地理系地理信息系统工程与应用实验室的访学计划终于成行。在加拿大,王今飞教授安排他做基于面向对象的土地利用遥感监测方法研究。这个现在的主流方法,当时在世界上刚刚起步。跟随王今飞教授,在掌握新技术的同时,何春阳的眼界被再次拓宽。
  将在加拿大学到的新的遥感监测技术与之前的模型技术相结合,2003年,何春阳顺利完成了博士论文,获得博士学位并留校任教。但他认为博士论文还有许多问题有待进一步去突破,于是有了继续深造的打算。北京师范大学一直非常鼓励年轻教师出国进修。于是,何春阳在2004年通过了公费留学选拔,在2005年上半年又通过了语言考试,当年10月去了日本。日本京都大学防灾研究所,是史老师推荐他去的。“博士期间我只是从土地利用入手做研究,他希望我能把土地利用和自然灾害结合起来。因为开发利用自然资源是从正面的角度理解人地关系,叫趋利;研究自然灾害是从降低风险的角度理解人地关系,叫避害。他推荐我到日本京都大学防灾研究所,可能是觉得我需要掌握一些灾害的知识,这样可以从趋利和避害两方面去理解人地关系。”何春阳说。
  这次留学,对何春阳影响很大。日本京都大学防灾研究所特别强调灾害综合风险的防范。对“综合”一词,何春阳之前的理解是社会、自然科学和不同技术的综合,而实际上防灾研究所强调的“综合”,更多的却是不同利益相关者的综合。
  “之前,我们做土地管理和规划主要是自上而下完成的,政府规划好,有关部门去执行。去日本之后发现,他们要花很多时间去做调查、做问卷,非常尊重当地老百姓的意见。这个理念其实现在我们国家也非常重视,但当时,确实给我留下深刻印象。给我的启发是,科研工作者应将专业知识和社会实际相结合,不能坐在‘象牙塔’里空想。”何春阳说。
  管理要做到规范,是他获得的另一个启发。在日本学习期间,一到实验室,就会收到一个文档,里面非常细致地列出了进实验室要注意的事项,包括怎么做实验,如何与同事相处。只要照章去做,融入的过程就会比较顺利。受此影响,现在何春阳也会把团队管理的经验做总结,新成员一来就发给他们一个“大礼包”,帮助他们更好地融入团队。另外,无论多忙,何春阳每周都会抽时间给学生开例会,与他们面对面交流。还有,强调团队合作,教授把握大方向,助理教授给学生具体的指导,团队成员间互相帮助,都是何春阳在日本学到的经验。在规范严格的指导下,何春阳的博士生刘志锋、马群和张达等连续获得了北京师范大学优秀博士毕业论文荣誉。
  
在方法论上求突破

  北京师范大学的科研环境相对宽松。从日本回来后,何春阳得以延续了之前的研究方向,尤其在方法论上开展了一系列研究工作。
  何春阳介绍,土地利用模型是评估土地利用生态环境影响的基础。土地利用过程是不同时空尺度下自然和人文要素综合驱动的结果。不同尺度驱动因素的有效结合与表达是决定土地利用模型模拟能力的关键。以系统动力学模型为代表的数量模型往往对微观土地利用演化过程表达不足,以元胞自动机模型为代表的空间模型又难以有效反映宏观的自然和社会经济因素。如何发挥现有土地利用模型的优势,提高对区域土地利用过程的模拟和表达能力一直是国内外同行关注的一个科学问题。
  为此,何春阳从宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡的角度耦合两种模型,充分利用数量模型在宏观驱动因素表现上的优势与空间模型在微观土地利用空间过程表现上的优势,提出了具有一定实际模拟能力的城市土地利用情景模型框架。由于该模型框架充分利用了两种模型的特点和优势,同时考虑了土地利用宏观驱动因素复杂性和微观格局演化复杂性的特征,因而成功解决了多尺度土地利用驱动因素的有效结合问题。在此基础上,何春阳还进一步耦合了该模型框架和共享社会经济路径,发展了多尺度城市扩展过程模型,有效提高了城市土地利用过程模拟能力,并在不同区域进行了广泛的应用实践。
  在中国北方农牧交错带地区开展的实践中,何春阳带领团队模拟出了不同气候变化情景影响下的区域城市土地利用过程,解决了气候变化因素与区域城市土地利用过程的有效结合问题,实现了气候变化对区域城市土地利用过程影响的直观、定量评估。研究发现,气候变化将成为影响该区域城市土地可持续利用的一个重要因素。为应对未来可能的变化,研究团队提出了把气候变化因素纳入该区域国土空间规划中,发展更具有弹性的城市土地可持续利用方案的建议。
  在中国北方旱区进行的应用实践中,何春阳团队模拟出该区域未来30年可能的城市土地利用趋势,并建议充分考虑水资源等限制因素,采取有效措施推动中国北方旱区城市在2030年前完成可持续发展转型。
  何春阳的这些研究成果获得了国内外同行、专家的积极评价,产生了广泛的学术影响。2010年,西班牙圣地亚哥联合大学的Inés Santé教授等在Landscape and Urban Planning上发表的关于城市空间模型进展的综述文章中,将何春阳发展的两个基于该模型框架的城市模型选入全球有影响的19个城市空间模型中,并给予了详细的比较和分析。2011年,德国科学院院士Wilfried Endlicher教授在其专著《城市生态学透视》中,认为何春阳提出的多技术结合方法有益于模型能力的提高。
  在发展城市土地利用模型的同时,何春阳对城市土地遥感监测方法也进行了改进。何春阳指出,及时准确地获取土地利用信息是土地利用环境影响评估的前提和基础。当前,中国大尺度城市土地利用信息的获取主要依赖于社会经济统计数据和以陆地卫星数据为代表的中高分辨率卫星遥感数据。前者往往建立在行政单元基础上,缺乏行政单元内部的空间信息。后者虽然精度较高,但由于分辨率和覆盖能力的限制,在全国尺度上获取城市土地信息需要耗费较长时间和大量人力物力。因此,它们均难以及时、有效地获取中国大尺度城市土地信息。美国军事气象卫星夜间灯光数据由于其合适的时空分辨率和对以夜间灯光为代表的人类活动的有效探测,成为全球大尺度城市土地研究的一种新数据源。但是,国际上常用的夜间灯光数据存在着不稳定像元多、饱和效应和溢出效应严重、测量精度差等瓶颈问题,并不能直接用于中国城市土地研究。
  得益于陈晋教授从日本带回来的国内最早的夜间灯光数据,自2006年起,何春阳在中国率先开展了基于夜间灯光数据的大尺度城市土地研究。采用多数据复合的思路,集成长时间序列夜间灯光数据、植被指数数据和地表温度数据,他发展了基于夜间灯光数据的城市土地过程监测新方法,取得了技术突破。该方法通过系统的数据订正和基于深度学习的高效率分类算法,解决了夜间灯光数据中的不稳定像元和饱和效应问题,使植被稀疏的干旱地区的测量精度提高了10%以上。
  此后,何春阳进一步综合利用国家尺度的规模-位序回归方法和城市尺度的等级钟演化方法,实现了自上而下的宏观整体分析与自下而上的微观个体分析的有机结合,准确量化了中国的城市扩展过程。这些研究加深了对中国城市土地利用/覆盖变化过程的理解和认识。
  相关成果被广泛引用并获得了良好的学术影响力。2011年,“Volvo”环境奖获得者,澳大利亚科学院院士白雪梅教授利用何春阳提供的城市土地数据,在Environmental Science & Technology上撰文,揭示了中国景观城市化与经济增长的关系。2015年,欧洲科学院院士Kevin J. Gaston教授在Environmental Reviews上对何春阳利用夜间灯光数据得到的中国城市土地利用过程的相关结论进行了引用。2019年,全球土地计划城乡相互作用工作组负责人Jasper van Vliet博士在Nature子刊Nature Sustainability上撰文,采用何春阳团队的城市土地框架分析了全球城市土地的定义和差异。
  何春阳的创新研究获得了国内外同行的广泛认可。如果在方法论研究上继续做下去,何春阳可能会收获更多的成果。但2012年的一次机缘巧合,又把他带上了一条新路。
  
科研方向的转折
  2012年,对何春阳来说,是收获的一年,也是一个转折年。这一年他评上了教授,获得了国家首批优秀青年科学基金。也是在这一年,他从早期的方法探索,转向了对科学问题的研究。
  那一年,美国亚利桑那州立大学邬建国教授来到北师大,正式组建了北京师范大学人与环境系统可持续研究中心,并大力推动中国的景观可持续科学研究。经史培军老师推荐,何春阳有幸成为该中心一员,在邬建国教授的领导下继续开展土地利用/覆盖变化研究工作。
  或许是一直做方法的缘故,何春阳觉得自己的科研似乎进入了瓶颈期。在邬建国教授的鼓励和支持下,何春阳将研究方向转到了可持续性科学,主要从景观格局、生态系统服务和人类福祉关系入手,着眼于区域可持续发展,多尺度、多方法和多视角地认识和理解中国的城市土地利用/覆盖变化过程。与此同时,黄庆旭博士和刘志锋博士等一批年轻学者也加入进来,组成团队,与他一起开展了城市景观可持续性相关研究工作。
  何春阳介绍,依据联合国预计,2050年左右全球80%的人口将会生活在城市地区,因此城市的可持续发展问题是中国和全球实现可持续发展的一个关键问题。城市景观是以城市为基础的具有较高人口和不透水层密度的完全由人类主导的一种景观。城市景观可持续性研究以城市景观为核心研究对象,以等级理论为基础,强调城市生态系统-景观-区域的多尺度研究,主要关注城市生物多样性、生态过程、生态系统服务和人类福祉之间的相互关系。城市景观可持续性研究以城市定位观测为基础,以空间显示模型模拟和情景分析为主要手段,以地理设计为平台,以区域关键生态系统服务不降低和人类福祉持续改善为基本目标,寻求不同路径下的城市可持续发展方案。其实质是城市生态学的向上延伸,也是城市地理学和城市规划学的向下拓展,是联系“城市中的区域”与“区域中的城市”的有机桥梁。
  “在全球和中国城市化进程方兴未艾的今天,开展城市景观可持续性研究,积极探索城市可持续发展的有效途径,是具有重要的理论和实践意义的。”何春阳说。
  在热点地区、生态区和国家三个尺度上,何春阳团队定量评价了中国城市土地利用/覆盖变化过程对自然栖息地的影响,该研究2014年发表在Global Change Biology上。被美国科学院院士Karen C. Seto教授认为是“独特的一项在国家尺度上评价中国城市扩展过程导致栖息地损失的研究”。综合利用长时间序列多源遥感数据,他们还发展了基于联合国可持续主题指标框架的综合环境评价指数,在国家、城市群和城市区域三个尺度上实现了对中国城市环境变化的定量评估,为基于遥感数据实现全球尺度上连续可比的城市环境评估提供了有效途径。另外,结合遥感监测数据和流行病学模型,他们又量化了中国城市发展过程中空气污染致死人数的时空格局,评估了中国“大气污染防治行动计划”的健康效益,该研究2020年发表在权威期刊Nature Communications上,受到了同行的高度评价,被认为“为评估中国日益增多的空气污染控制措施的公众健康效益提供了一个有价值的新视角”。
  何春阳清楚,未来的城市景观可持续性研究,还需要在理论、方法和应用上进一步深入。为让研究工作适应未来发展的需要,何春阳一直不遗余力。
  随着“人类命运共同体”理念、“一带一路”倡议的提出,世界各国人民共同求和平、谋发展、促合作已成为普遍诉求。在此背景下,何春阳越来越感觉到拥有全球视野对于一个地理科研工作者的重要性。如何把对中国城市的理解扩大到对全球城市的理解上去,是何春阳想解决的问题。
  幸运的是,通过承担国家重点研发计划项目“城镇化对区域及全球尺度气候变化的影响研究”课题“全球城镇化趋势及其对气候变化的影响”,何春阳为解决这个问题找到了一个机会。综合利用卷积神经网络和遥感数据平台,何春阳带领团队对全球城镇土地数据进行再处理,获取满足未来城镇化趋势模拟所需的城镇扩展动态数据集,并利用基于循环卷积神经网络的多尺度特征提取方法,发展局地—区域—全球多尺度城镇扩展模型,预测全球城镇扩展及未来城镇化对区域和全球气候的影响。
  如果说这对于何春阳是一个“连天”的工作,那么在国家第二次青藏高原综合科学考察研究中承担的“青藏高原重点城镇化地区生态安全屏障体系优化”研究就是一个“接地”的工作。“实际上西部的城市发展,不仅对西部的环境有影响,而且对东部的环境可能也有较大影响,因为这些城市多在我国河流的上中游地区。究竟西部城市发展在整个国家生态环境的变化中扮演着什么角色,这是一个有趣、重要又非常复杂的问题。”何春阳说。
  针对城镇化造成的青藏高原生态安全屏障结构失衡、空间破碎和功能退化问题,以拉萨河流域、湟水流域和黑河流域中上游等重点城镇化流域为主要考察区,何春阳带领团队开展了科学考察,调查了区域社会经济过程、城镇景观格局与过程及山水林田湖草生态和水文过程,分析了流域城镇化与山水林田湖草系统的相互作用,识别了城镇化导致的生态安全屏障结构失衡、空间破碎和功能退化区域,建立了城镇化影响下的流域生态安全屏障优化模型。通过这些科学考察,他们要完成模型的校正与验证,最终提出包括生态安全屏障结构优化、空间优化和功能优化在内的可持续城镇与山水林田湖草系统综合优化方案。
  何春阳认为,必须高度重视干旱地区、高原地区、欧亚大陆内陆地区等生态脆弱地区的城市可持续发展问题。“一带一路”倡议,为这些地区的城市带来了如沿海港口城市一样的发展机遇,但气候变化也对这些地区的城市可持续发展带来了环境压力和挑战。“要实现生态脆弱地区城市的可持续发展,一是要高度重视气候变化对区域生态环境承载能力的影响,做好国土空间规划,使城市的发展规模与区域生态环境承载能力相适应;二是要对标联合国城市可持续发展目标和国家碳达峰与碳中和要求,积极做好城市产业转型,始终保持城市的发展活力和竞争力;三是要建立健全城市生态环境与城市居民福祉的监测调查网络,准确掌握城市发展状况,科学决策,以提高城市居民的获得感和幸福感为城市可持续发展的基本目标。”何春阳说。
  何春阳坦言,地理科学关注的人地系统动力学问题,不是一个纯粹的自然问题,也不是一个纯粹的人文问题,它是自然和人文相互耦合的问题。它的复杂性决定了在探索的过程中经历失败是常有的事。正确对待失败,永葆创新热情,是他对这份事业的坚持。
  何春阳坚信,实现全球城市可持续发展的机遇在中国,而寻找城市可持续发展的中国解决方案,既面临着机遇也面临着挑战。未来的道路如何走,不仅是他需要面对的问题,更是整个学界需要肩负的责任。
  
专家简介    
  何春阳,四川射洪人。教授,博士生导师。北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室副主任和中国自然资源学会资源持续利用与减灾专业委员会主任。1998年毕业于兰州大学地理科学系,获自然地理学学士学位。2003年毕业于北京师范大学,获自然地理学博士学位。2002年在加拿大西安大略大学地理系访学。2005—2007年在日本京都大学防灾研究所做博士后研究。主要从事综合自然地理学、土地利用/覆盖变化和城市景观可持续性研究。近年来,先后主持国家自然科学基金优秀青年基金、国家原“973”项目课题和国家重点研发项目课题,出版学术专著4部,在Nature Communications等主流学术期刊上发表学术论文近200篇。在城市土地利用/覆盖变化过程监测、模型模拟和影响评估方面取得了一系列创新成果。入选教育部新世纪优秀人才支持计划,获中国自然资源学会优秀科技奖,还入选全球前2%顶尖科学家榜单和“中国高被引学者”榜单。
  

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2021年7月下

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