开展烟台城市增长系统动态与城市规划创新研究
19世纪以前，全球只有百分之几的人口居住在城市，而当今的城市已居住了全球人口的50% 左右。随着世界人口数量的不断增加，城市化进程将在全球范围，尤其是发展中国家加速。我国是一个人口大国，伴随着人口的持续增长和经济的快速发展，城市人口从1979年的1.7亿人增加到2004年的5.4亿人，城市数量从193个增加到661个，城市化水平从17.9% 提高到41.8%，年均增长0.92个百分点，比发达国家快了2-4倍。未来几十年，我国的城市化过程将呈现出进一步加速的趋势。据联合国人口基金会预测，2030年我国的城市居民将增加到9.1亿，城市化水平将达到64%。
城市化意味着城市建设用地在空间上的扩张，这是一个复杂的时空转换过程，最终使得以自然为主的土地利用/覆盖变成以工厂和住宅为主的人为土地利用/覆盖，往往导致对各种自然过程如径流、蒸散发过程和生态过程等的改变，带来复杂的生态环境后果，影响城市、区域甚至全球的可持续发展[1]。因此，政府管理部门需要制定确实有效的规划和相关政策控制和引导城市建设用地合理扩展。
2 新思潮-城市规划与城市增长管理方式的反思
城市规划，特别是城市总体规划作为引导和调控城市建设，保护和管理城市空间资源的重要依据和手段，在指导城市有序发展、提高建设和管理水平等方面理应发挥重要作用。但是在快速城市化背景下，我国的城市规划并没有起到良好的引导和约束作用。相反，在大部分地区，城市建设土地审批管理不严格和房地产开发过热等现象，造成城市规模盲目扩大，耕地大量流失，水资源短缺，土壤和水污染严重等生态环境问题，经济的繁荣与生态的平衡之间的矛盾日益激化。那么如何化解快速城市化导致的人地关系危机以及由此引发的社会问题，实现城市可持续发展目标呢？国内外社会各界，尤其是政府管理部门和城市规划界，纷纷献计献策。复杂性科学理论、可持续发展理念、景观生态学和生态学思想逐渐被引入城市规划和政府城市管理中，从而掀起了一场轰轰烈烈的城市增长管理与城市规划的新思潮。
在美国，20世纪50年代以来的城市蔓延问题使得美国民众、规划专家及社会各界逐渐认识到其对环境和社会分裂的负作用，纷纷进行反思，提出需要对城市增长进行管理，并提出了积极的城市和社会变革方案，其中包括目前具有广泛影响力的“精明增长”、“新都市主义”和“可持续发展”，从而形成一场轰轰烈烈的规划运动[2]。针对这些规划思潮，美国各界探讨各种增长管理的“工具”或“技术”，包括各种特殊类型的管理法规、计划、税收政策、行政手段、审查程序等。传统的综合规划、分区条例、土地分割管制和基础设施改造计划是增长管理工具的四块基石。而最为著名、应用最普遍的一项增长管理工具要算俄勒冈州首创的城市增长边界(Urban Growth Boundary, UGB)。所谓城市增长边界就是围绕现有城市划出的法律界线，用于限制城市地区的增长，并作为分区管制和土地利用决策的依据。目前该方法已经作为非常流行的工具，应用到美国多个州及各个层面的城市规划中。实践证明，这些城市规划与城市增长管理的新思潮对解决因城市蔓延而带来的严重的社会、经济和环境问题，如城市低密度无序扩张大量吞噬自然景观和农田资源、郊区化引起旧城中心衰落、城市内部出现阶层与种族分化、市政设施效率低下、交通拥挤及郊区缺少社区氛围等，均有重要的支持作用[3]。
针对美国城市增长管理的实践和中国城市规划的不足，国内学者也对传统规划理念进行了反思与探索，提出了许多旨在促进城市可持续发展的城市规划与管理的新思想。比如倡导实施可持续发展的城市规划，提出将城市生态规划、城市景观生态规划纳入区域和城市规划之中。其中，我国学者俞孔坚先生提出的“反规划”(Anti-planning)理念很具有代表性。“反规划”即城市规划和设计应该首先从规划和设计不建设用地入手，而非传统的建设用地规划。“反规划”就是规划和设计城市生态基础设施，并提出城市生态基础设施建设的景观安全格局方法。国内外生态规划的思想、绿地优先的思想、景观规划的传统都可以作为对“反规划”概念的一种理解，但是反规划是一种全面系统的空间规划途径，是一种基于前人丰富成果的整合，而更重要的是在中国当下规划方法论面临危机的情况下提出的，以应对急速的城市化进程和不确定的城市空间发展[4]。浙江台州规划是“反规划”的一个经典案例，而北京目前正在实施的《北京城市总体规划(2004-2020年)》中提出的“限建区”规划理念也是对“反规划”这一新规划途径的思考。
3 新工具-城市增长系统动态模型
城市规划新方法和新增长管理方式的探索，需要建立在对城市化过程基本规律和城市增长系统动态深入理解的基础之上。然而，城市增长系统是一个典型自组织系统，表现出非线性、突变性、自组织性等复杂性特征，使得难以用传统的方法和技术进行研究。近年来，随着遥感、地理信息系统(GIS)和系统理论特别是复杂系统理论的发展，以及社会对城市增长管理和可持续发展的要求，借助遥感、GIS，从复杂性科学理论和多学科角度，利用多种微观动态模拟方法对城市增长系统动态进行模拟研究受到重视，如基于元胞自动机(Cellular Automata，CA)和多智能体系统(Multi-agent systems, MAS)的城市增长模型模拟。这些动态模型试图从微观入手，探索地理微观空间实体之间相互作用形成宏观地理格局的动态过程；可以对复杂的城市增长系统进行模拟及调控实验，为城市规划提供辅助决策依据[5]。
元胞自动机(CA)是一种“自下而上”的动态模拟建模框架，具有模拟地理复杂系统时空演化过程的能力，在城市扩张模拟中具有巨大的优势。许多学者在不断扩展标准CA的基础上，结合分形理论、多因子评价模型、人工神经网络、马尔柯夫链、多智能体系统等模拟方法和 GIS、RS技术手段，先后对城市系统动态进行了深入研究，构建了相应的城市扩展CA模型，并进行了实际应用研究。基于CA的城市扩展模型可以对过去城市扩展进行动态模拟，并实现基于历史发展趋势的未来预测；产生优化的城市形态和城市空间结构；进行各种政府政策与决策的评估；与其它环境模型进行结合，评估城市扩展所带来的生态环境效应。这些模型对模拟结果予以空间直观表达，使决策者能形象地看到各种可能的土地利用政策和城市管理方式造成的生态后果，从而提高决策的科学性。
城市扩展CA模拟多侧重自然环境因素，缺乏考虑复杂的空间决策行为及人文因素。而多主体系统(MAS)可以直接捕捉许多自然和人为系统相互作用特征和这种相互作用产生的复杂系统行为。对于城市系统来说，多主体模型可以用来反映城市复杂系统中不同的角色在影响城市和土地利用系统演化中所起的复杂作用。利用CA与MAS相结合，可以有效地探索多智能体与环境相互作用而导致城市和区域宏观空间结构的演化过程。通过把政府的规划决策行为、环境经济资源学分配理论及可持续发展理论融合到模型中，可以方便地获得不同的规划情景，为城市土地资源可持续利用提供了一种有用的规划工具[5]。
因此，在城市化迅速扩张和遥感数据资料日益丰富的背景下，发展城市增长系统动态模型，模拟各种情景下的城市扩展过程与空间格局，并评估潜在的生态环境影响，已经成为当前城市规划者、经济学家、生态学家和资源管理者制定可持续发展决策的重要工具。比如我们可以将城市CA模型与“反规划”思想相结合，进行区域生态安全格局不同级别下的城市扩展情景模拟，提供多个城市空间发展可能方案，供规划师加以评估、比较和选择，从而确定较为合理的城市空间发展模式，为城市的可持续发展提供科学依据。
4 应用实践-开展烟台城市增长系统动态与城市规划创新研究
4.1 项目研究的必要性和迫切性
烟台市地处山东半岛东部，北面渤海，南临黄海。作为我国首批沿海开放城市之一，改革开放后，烟台市各县、市充分利用国家的各项优惠政策以及自身各方面的有利条件，全面推进现代化建设，乡镇经济蓬勃发展，城市化也取得了明显进展。到2006年，全市非农业人口占总人口比例已超过45%，比1978年增加了35个百分点。市区建成区面积由1978年的32km2，扩大到2004年的145km2，非农业人口近90万人，进入了大城市的行列。与此同时，乡镇企业的迅速发展也促进了农村地区的城镇化进程，乡村人口持续向城镇转移，小城镇规模逐渐扩大。
经济迅速发展的同时，持续的城镇扩张和“星罗棋布”式的城市发展布局，使得烟台市土地资源日趋紧张，水资源短缺、地下水位下降及由此引起的地面沉降、海水入侵问题更加严重，区域整体景观和生态环境质量大大降低，给城镇增长管理和可持续发展带来严峻挑战。据预测，未来一段时期，随着地区社会经济的发展和山东省半岛城市群的建设，烟台城市化步伐将进一步加快，城市建设用地将持续扩张，区域生态环境压力将进一步加大，急需烟台市政府管理部门制定确实有效的规划和管理措施，控制和引导城市建设用地合理扩展。
然而，合理的城市空间发展战略和城市增长管理政策的制定需要我们加强对烟台城市区域自然环境、城市增长系统动态和社会经济发展背景的理解。但是，目前，社会各界对于烟台城市发展的研究侧重在对城市化发展战略的定性探讨，缺乏对烟台市城市系统动态和城市增长管理方法的研究，对城市赖以生存的区域自然环境和生态支持系统的关注还不够。新一轮的《烟台市城市总体规划(2006-2020)》为我们展现了美好的未来，但是如何在快速的城市化过程中协调城市人口扩张与土地资源短缺的矛盾和高密度的人口集聚与生态环境承载力的矛盾，还是值得进一步研究的。因此，在这种背景下开展烟台城市增长系统动态与城市规划创新研究是十分必要的和迫切的。
4.2 项目研究目标与意义
通过该项目研究的实施，我们可以揭示烟台市城市系统空间动态发展规律，探讨不同土地利用和城镇发展政策对烟台市未来城市发展格局及其生态环境的潜在影响，为烟台市城市规划部门、政府管理部门制定合理的城市发展规划和区域可持续发展政策提供有用的决策信息。同时，还会提升公众对城市化及其生态环境影响的关注，增强环境保护和城市生态安全意识。对于促进烟台市生态、经济和社会的协调、健康发展；对建设山东半岛城市群，促进山东半岛地区可持续发展具有十分重要的战略意义。
主要的创新之处在于：
① 探讨基于城市增长系统动态模型制定城市化空间发展战略决策的新方法。
利用城市增长系统动态模型，结合城市规划、社会经济发展政策、各种土地利用政策、生态环境保护和地区可持续发展的要求，在GIS中设计多个城市发展预案，模拟不同政策和发展条件下未来城市扩展情景。从格局、功能、过程和居民福利角度建立一套环境评价指标体系，综合评估不同发展情景下城市扩展引发的生态环境效应，最终确定有利于生态环境保护的城市化空间发展方向，从而为烟台市城市化过程管理与区域可持续发展提供决策支持。
② 将居民的福利效用与自然资源变化、城市扩展相联系，测定城市扩展背景下自然环境的变化是如何影响居住家庭的受益福利，使其能够准确而全面地评估自然资源价值，寻求可提高当地居住家庭的福利效用的城市扩展模式。
4.3 项目研究思路和技术手段
这项研究的总体思路是基于遥感、GIS与计算机模型模拟手段，从景观生态学、城市地理学、环境经济学、城市规划学等多学科角度，分析烟台市城市系统动态，实现对城市空间扩展的动态模拟、预测以及环境影响评估，确定有利于生态环境保护和居住家庭福利效用最大化的城市空间发展模式，并进一步探讨城市规划与增长管理的新方法，以提高烟台市城市化过程管理与区域可持续发展决策水平。
具体技术路线见图1。
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图1 项目技术路线
4.4 项目研究的技术手段
① 以“3S”为技术手段，野外调查、专家咨询与计算机模拟相结合
综合利用多时相遥感影像、各种图件资料和社会经济统计数据，以“3S”为技术手段，采用野外GPS定点观测、问卷调查、专家咨询与计算机模型模拟相结合的方法，分析烟台市城市系统动态特征及其驱动机制，并在此基础上进行城市化空间动态的计算机模型模拟。采用GIS空间分析、数理统计分析与空间动态模拟方法，深化数据分析，实现三者分析内容的有机集成。
② 自然科学与人文科学思想的相互交融
城市系统是一个复杂的社会-经济-生态复合系统。对城市系统动态的研究涉及自然科学和人文科学多个学科领域。项目研究从地理学、生态学、环境科学、经济学、生态经济学、经济计量学、复杂性科学等多个学科角度，将自然科学思想与人文科学思想相互交融，将理论与实践相结合，以提高成果的理论水平与应用前景。
4.5 项目研究内容和预期成果
项目研究的主要内容包括
①烟台市土地适宜性与生态安全格局分析
首先要开展烟台市土地生态适宜性评价和区域生态安全格局分析，摸清烟台市自然地理环境和生态背景，把握对烟台市可持续发展至关重要的关键生态要素和区域安全格局，明确区域生态系统的承载力阈限。
②烟台市社会经济发展现状及其未来趋势预测
分析烟台市外部社会经济发展大环境与区域合作优势，总结内部经济发展水平、产业结构、社会发展、城市建设等方面的发展现状，对烟台市未来经济增长、人口增长、住房需求、土地利用需求等进行预测；了解烟台市社会经济发展计划和相关政策、城市规划、区域开发政策与环境保护政策。
③烟台市城市化格局、过程和机理研究
基于遥感影像、各种地图图件和社会经济统计资料，分析烟台市城市扩展与土地利用变化的时空特征与驱动机制，监测烟台市内部城市土地利用空间结构和景观格局的变化，掌握影响烟台市城市系统动态的关键格局和过程。
④ 烟台城市系统动态的多情景模拟
基于遥感和GIS，采用基于微观系统动态模拟方法的城市模型对烟台市城市系统动态进行模拟；对不同区域生态安全级别或者不同城市规划和土地利用发展政策下的城市扩展进行情景模拟；构建合理的城市空间布局。
⑤ 烟台市城市扩展的生态环境效应分析
运用景观生态学、地理学、生态学、环境科学等学科的理论和方法，综合评估城市扩展所产生的水文效应、非点源污染、土地资源的消耗、生物多样性减少、地面沉降等生态环境问题，确定有利于生态环境保护的城市化空间发展方向。
⑥ 烟台市城市扩展所带来的城市居民福利效用组成模式的变化
采用联合分析实验和经济计量学的方法确定烟台市居住家庭的福利效用组成模式和自然资源的边际经济价值，分析城市扩展导致的生态环境变化对居住家庭福利效用的影响，以寻求可提高当地居住家庭福利效用的城市扩展模式。
⑦ 烟台市城市化空间发展战略选择与空间调控
基于以上烟台市未来城市扩展情景模拟和环境影响评估结果，参考城市内部用地结构信息，确定烟台市未来城市空间发展方向和用地类型；并结合烟台市城市发展的自身条件，从环境科学、景观生态学、城市经济学、地理学等多个学科角度，对烟台市城市发展格局进行景观生态调控，并提出进行城市扩展综合管理的建议与对策，目的是促进烟台市土地资源的合理利用和生态环境保护，促进城市环境与经济协调发展，为城市可持续管理提供理论支持和技术指导。
4.6 项目预期成果：
揭示烟台市城市系统动态机制；建立烟台市城市空间扩展时间序列图；构建烟台市居民关于自然资源为因子参数的福利效用模式；确定烟台市自然资源的边际价值；建立一套城市扩展所带来的生态环境影响评价体系；编制基于景观生态安全格局的烟台市城市化空间发展规划；对烟台市未来城市化空间发展模式和空间调控提出合理化建议与对策。
5 启示与对策-项目研究对烟台市中心城市发展的指导意义
5.1加强城市地理信息系统建设，开发城市管理空间决策支持系统
目前，城市规划与城市增长管理工作覆盖面越来越广泛，涉及国土资源、地下管线、自然地理、交通网络、社会经济、文化历史等诸多领域，科学的城市规划管理决策亟需庞大的、系统的地理信息支持，也是数字城市建设的必要环节。构建城市地理信息系统是现代城市发展的趋势，是城市实现数字化的前提，最能体现政府的职能和服务水平。可喜的是，我们烟台市的数字化城市建设工作已经取得明显进展。去年，“数字烟台三维城市规划信息系统”通过科技成果鉴定，达到国内领先的地位；烟台市也通过专家评审成为国家首批“数字城市地理空间框架建设示范项目”试点城市。无疑，这将进一步促进烟台市数字化城市建设的步伐。
另外，进一步的工作是将城市地理信息系统与决策支持系统相互集成，建设城市管理空间决策支持系统，以辅助地方各级政府决策者进行高水平的决策。这个空间决策支持系统可以帮助决策者从计算机数据库中提取数据和信息；由数据形成判断；用模型辅助提出决策问题；计算最优解；支持决策者进行判断以形成决策方案；预测决策方案的效益或效率；进行决策方案优选[6]。
城市地理信息系统与城市空间决策支持系统的建设需要强调两点：
一是，要充分利用遥感数据，开发多源、多尺度、多时相的遥感影像数据库。
二是，将基于城市增长系统动态模型模拟的预案研究纳入到城市管理空间决策支持系统中。
5.2 寻求符合烟台实际的城市空间发展模式
未来的烟台城区必须具备更强的区域职能，有自己鲜明的空间特色，才能在区域和市场的竞争中更好的发展。因此，要从整个烟台城市发展和演化中把握其脉络和特色，寻求符合烟台实际的城市空间发展模式，优化城市内部空间布局，倡导土地集约利用和适当的高密度建设，加强不同城区之间的功能联系，增强中心城市的聚集和辐射作用。
5.3将生态优先的思想纳入城市规划与城市增长管理之中
烟台市拥有的众多城市金牌—国家级卫生城、中国优秀旅游城市，全国环境保护模范城市，都离不开本地区良好的自然生态环境。因此，烟台未来的城市发展仍需要以生态制胜，坚持生态优先的原则发展生态经济、循环经济，不断提高环境容量和生态承载力，以最小的成本赢得经济总量的跨越式扩张。必须将生态优先的思想纳入目前城市规划与城市增长管理之中，确实制定严格的规划和相关法规来保持烟台市的城市特色，促进城市区域可持续发展。
5.4 加强城市市政基础设施和生态基础设施建设
城市基础设施是城市赖以生存和发展的一般条件，是既为物质生产又为人民生活提供服务的行业总体。烟台市的城市基础设施还比较落后，能源、水源及给排水、交通、卫生环境、绿化水平都需要加强。这里需要强调的一点是，烟台城市基础设施的建设要坚持生态优先、维护区域生态安全格局的原则，强调应在开发之前设计和规划生态基础设施。所谓生态基础设施(Ecological Infrastructure)是指城市所依赖的自然系统，是城市及其居民能持续地获得自然服务的基础，这些生态服务包括提供新鲜空气、食物、体育、休闲娱乐、安全庇护以及审美和教育等等。它不仅包括习惯的城市绿地系统的概念，而是更广泛地包含一切能提供上述自然服务的城市绿地系统、林业及农业系统、自然保护地系统[7]。生态基础设施的关键意义就在于对人类生存发展的前瞻性和持久性支持作用。因此，在城市总体规划当中，应将生态基础设施置于先行考虑的地位，将生态基础设施的价值和服务功能与土地利用决策相结合，在此基础上制定土地利用和开发规划。
5.5 创建国家可持续发展示范区，建设和谐发展的城镇
可持续发展示范区是在实验区建设基础上进一步深化的可持续发展示范试点，是实施国家可持续发展、科教兴国、人才强国战略的载体，是践行科学发展观的基地。依靠牟平和长岛国家可持续发展实验区，积极创建国家可持续发展先进示范区，建设和谐发展的城镇。示范区建设要围绕经济建设与结构调整、资源节约与合理利用、生态建设与环境保护、城镇化与城市发展、公共服务与社会保障、人口健康、公共安全等领域的重点、关键问题，开展创新性实践与示范，探索区域经济建设与社会发展相互促进，人口、资源、环境和谐统一的可持续发展模式和机制。
另外，可以积极建设省级或者国家级城市可持续发展试验区，深入探索烟台市可持续城市建设模式与机制，可持续发展能力建设与规划、城镇特色产业发展模式与机制、推进城镇节能减排、改善城镇人居环境与提高人口素质等，促进中心城市社会-经济-环境系统协调发展。
最后，我们希望通过烟台市各级政府和全体市民的共同努力，将烟台市建设成为城市空间布局合理，基础设施完善，经济清洁高效，生态环境优美，社会体系与人居生态和谐，具有较强可持续发展水平与潜力的海岸带生态城市。
参考文献
[1]何春阳, 陈晋, 史培军, 等. 基于CA的城市空间动态模型研究. 地球科学进展, 2002, 17(2): 188–195.
[2]于文波美国城市蔓延之后的规划运动及其启示. 人文地理, 2004, 19(4): 55–58, 81., 刘晓霞, 王竹.
[3]吴冬青, 冯长春, 党宁. 美国城市增长管理的方法与启示.城市问题,2007(5): 86-92.
[4]俞孔坚论“反规划”. 城市规划, 2005, 29(9): 64–69., 李迪华, 韩西丽.
[5]黎夏, 叶嘉安, 刘小平. 地理模拟系统在城市规划中的应用. 城市规划, 2006,30(6): 69-74.
[6]王家耀, 周海燕, 成毅. 关于地理信息系统与决策支持系统的探讨. 2003, 28 (1):1-4.
[7]俞孔坚, 李迪华, 潮洛蒙. 城市生态基础设施建设的十大景观战略. 规划师, 2001, 17(6): 9-13, 17.
作者简介
吴晓青，女，1978年6月生，中国科学院烟台海岸带可持续发展研究所，博士，助理研究员，主要从事海岸带城市化与可持续发展研究。
通信地址：中科院烟台海岸带可持续发展研究所，邮编264003，
E-mail: xqwu@yic.ac.cn
