城市如何運(yùn)用創(chuàng)新技術(shù)，踏上更加可持續(xù)的發(fā)展路徑。

隨著城市體量的不斷擴(kuò)張，對(duì)于創(chuàng)新、可持續(xù)的城市熱島（HUI）效應(yīng)解決方案的需求也變得愈發(fā)迫切。數(shù)字孿生提供一種頗具前景的方法以應(yīng)對(duì)城市熱島挑戰(zhàn)，包括能源消耗高企、空氣質(zhì)量下降以及眾多可能影響居民健康的負(fù)面因素等等。本文列舉了數(shù)字孿生在城市規(guī)劃中的實(shí)效性示例，從依托機(jī)器學(xué)習(xí)模型更好地分析熱量分布、到提高市政管理透明度與社區(qū)參與度，同時(shí)介紹了現(xiàn)實(shí)世界中的案例研究結(jié)論，希望深入探討城市應(yīng)如何運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)以踏上更加可持續(xù)的發(fā)展路徑。

由于人類活動(dòng)強(qiáng)度更大、建筑密度更高且綠地面積有限，城市區(qū)域溫度往往遠(yuǎn)高于周遭農(nóng)村地區(qū)，而這就是所謂城市熱島效應(yīng)。此類影響已經(jīng)對(duì)城市居民的健康與福祉構(gòu)成重大挑戰(zhàn)，而且問題本身也隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)而不斷凸顯。預(yù)計(jì)到2050年，全球三分之二的人口將居住在城市，而如何應(yīng)對(duì)熱島效應(yīng)問題自然也成為橫亙?cè)趧?chuàng)造更宜居、氣候更舒適的城市環(huán)境面前的一道難關(guān)。

促成城市熱島效應(yīng)的主要因素之一在于城市形態(tài)，具體包括城市基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、布局以及所用材料。高樓林立、街道狹窄、大量保溫材料的密集使用共同加劇了城市熱島效應(yīng)的加重。例如，一旦建筑物的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于街道寬度，則會(huì)形成“街道峽谷”，導(dǎo)致其吸收熱量并減少氣流，進(jìn)而加劇城市熱島效應(yīng)。綠地面積的匱乏進(jìn)一步加劇了這個(gè)問題，限制了自然降溫的可能性。相比之下，擁有大量樹木、公園及屋頂綠植等綠色基礎(chǔ)設(shè)施的城市則能夠顯著降低地表溫度、改善熱舒適度，創(chuàng)造出更加宜居的城市環(huán)境。

圖一：開發(fā)的3D建筑形態(tài)場(chǎng)景，能夠可視化模擬風(fēng)、溫度及PET的變化

城市形態(tài)與環(huán)境舒適度

數(shù)字孿生提供一種極具前景的方法，能夠?qū)⒎N種基于自然條件的解決方案整合到城市規(guī)劃當(dāng)中，從而減輕城市熱島效應(yīng)。數(shù)字孿生屬于動(dòng)態(tài)虛擬模型，能夠復(fù)制真實(shí)環(huán)境并不斷更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使得城市規(guī)劃者得以模擬降低城市溫度的不同策略。規(guī)劃人員可以在進(jìn)行實(shí)際調(diào)整之前測(cè)試增加綠地、改變建筑材料或者重新設(shè)計(jì)街道對(duì)于城市熱島效應(yīng)造成的潛在影響。通過提供城市系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互視圖，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?yàn)闆Q策者提供更為明智的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)支持。數(shù)字孿生模型還能夠洞察城市形態(tài)與環(huán)境舒適度之間的關(guān)系，例如建筑物位置如何影響氣流及太陽(yáng)能潛力——這兩者都會(huì)左右城市熱島效應(yīng)的實(shí)際強(qiáng)度。

數(shù)字孿生技術(shù)的一大創(chuàng)新用途就是3D城市建模與環(huán)境模擬。通過整合激光雷達(dá)及衛(wèi)星圖像等地理空間數(shù)據(jù)，規(guī)劃人員可以建立起詳盡醋，模擬不同城市形態(tài)對(duì)于溫度分布的影響。這些模型可幫助規(guī)劃人員評(píng)估建筑物高度、方位及材料特性的變化如何影響特定區(qū)域的保熱結(jié)果。通過將太陽(yáng)輻射及風(fēng)向等因素以可視化形式呈現(xiàn)，數(shù)字孿生技術(shù)正迅速成為預(yù)測(cè)規(guī)劃決策結(jié)果以及優(yōu)化城市降溫策略的有力工具。

機(jī)器學(xué)習(xí)模型

研究結(jié)果表明，數(shù)字孿生技術(shù)在城市規(guī)劃當(dāng)中確有實(shí)效。例如，數(shù)字熱量孿生中的機(jī)器學(xué)習(xí)模型使得規(guī)劃人員能夠了解熱量在城市環(huán)境中的行為模式，并預(yù)測(cè)不同的布局或者材料如何影響環(huán)境溫度。數(shù)字孿生提供的3D可視化功能則讓規(guī)劃人員有機(jī)會(huì)了解建筑物、街道以及綠地之間如何相互作用，從而捕捉熱量或者改善氣流，進(jìn)而幫助降低城市溫度。換言之，數(shù)字孿生能夠幫助市政部門做出更加明智、更適應(yīng)氣候條件的規(guī)劃決策。

數(shù)字孿生另一極具價(jià)值的應(yīng)用，則是讓公眾廣泛參與到城市規(guī)劃中來。交互式模型使得社區(qū)成員也能看到擬議的調(diào)整將如何影響他們的社區(qū)并就此提出反饋，確保規(guī)劃決策能夠反映出當(dāng)?shù)鼐用竦男枨笈c關(guān)切。這種良好的參與狀態(tài)自然有助于促進(jìn)城市規(guī)劃過程的透明度與協(xié)作水平。

集成挑戰(zhàn)

然而，將數(shù)字孿生融入城市規(guī)劃仍面臨著不少挑戰(zhàn)。具體障礙包括數(shù)據(jù)質(zhì)量、實(shí)時(shí)傳感器集成以及數(shù)字孿生系統(tǒng)帶來的維護(hù)成本。此外，數(shù)字孿生模型還需要依托于穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)流，而這些數(shù)據(jù)往往很難在大型城市區(qū)域內(nèi)持續(xù)收集。不過隨著技術(shù)的進(jìn)步以及更多城市采用數(shù)字孿生，這些工具可能會(huì)成為應(yīng)對(duì)城市熱島效應(yīng)等環(huán)境挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

以下兩項(xiàng)案例研究，重點(diǎn)介紹了城市如何在城市規(guī)劃過程中運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)以對(duì)抗城市熱島效應(yīng)，支撐起更具可持續(xù)性的城市發(fā)展路徑。

圖二：識(shí)別由新建建筑形式造成的熱區(qū)和冷區(qū)

案例研究：荷蘭恩斯赫德

恩斯赫德是荷蘭東部特溫特地區(qū)的一個(gè)城市。由于城市化進(jìn)程加快以及不透水硬化地面的增加，該市一直飽受城市熱島效應(yīng)的影響。近年來，由于熱浪來襲的頻率和強(qiáng)度越來越大，這座城市在酷暑之下尤其容易受到城市熱島效應(yīng)的極端影響。

在這種情況下，市政部門決定開發(fā)一款通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策以解決城市熱島效應(yīng)的工具。這意味著他們需要?jiǎng)?chuàng)建一套3D環(huán)境，能夠可視化不同天氣參數(shù)下的建模結(jié)果，同時(shí)要求該模型能夠根據(jù)修改之后的建筑環(huán)境數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的預(yù)測(cè)指標(biāo)。很明顯，單靠體感溫度（PET）在不同復(fù)雜天氣參數(shù)組合（例如風(fēng)力強(qiáng)度、風(fēng)向、濕度及氣溫）之下得出的可視化熱舒適度模式還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此外，該項(xiàng)目還希望了解建筑環(huán)境變化對(duì)于周遭社區(qū)造成的直接影響。

通過與特溫特大學(xué)合作，整個(gè)項(xiàng)目均基于開源軟件及方法開發(fā)而成。來自國(guó)家AHN-4激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的開源3D信息成為構(gòu)建3D模型的基本前提，其天氣信息則取自EPW典型氣象年5.2全球數(shù)據(jù)集——此數(shù)據(jù)集由特溫特機(jī)場(chǎng)的氣象傳感器采集得來。也就是說，對(duì)于任何給定的典型月份，該模型均可對(duì)天氣條件進(jìn)行小時(shí)級(jí)別的精確建模。

使用從兩個(gè)晝夜平分點(diǎn)到兩個(gè)至日當(dāng)中提取到的數(shù)據(jù)，其能夠計(jì)算出現(xiàn)有建筑形式的熱舒適模式。之后通過對(duì)3D環(huán)境本體進(jìn)行修改以引入高層建筑，同時(shí)消除給定社區(qū)中的小型建筑，再根據(jù)不同日期計(jì)算熱舒適模式，即可根據(jù)晝夜平分點(diǎn)得出平均條件、再由至日構(gòu)成最極端條件。

也就是說，恩斯赫德的數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建出一套詳盡的城市3D模型，使用修改后的PET體感溫度指標(biāo)來模擬熱舒適模式。該模型使得城市規(guī)劃者能夠直觀看到城市內(nèi)不同區(qū)域?qū)⒃诮ㄖ问降淖兓蟀l(fā)生怎樣的反應(yīng)，進(jìn)而影響地表周圍的熱舒適度。這套模型還幫助決策者們?cè)u(píng)估如何規(guī)劃各種干預(yù)措施，借此抵消引入新建筑所造成的預(yù)測(cè)熱點(diǎn)，亦可識(shí)別出由于新建建筑形式而構(gòu)成熱區(qū)及冷區(qū)的過程，再借此模擬并評(píng)估城市構(gòu)造的變化（例如新建筑的落成）將如何影響城市的熱量分布（見圖二）。當(dāng)

當(dāng)然，其目標(biāo)仍然是使用實(shí)時(shí)傳感器信息取代全球天氣數(shù)據(jù)集，借此創(chuàng)建出更為準(zhǔn)確的天氣模型并作為決策基礎(chǔ)。而且即使傳感器網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)無法支撐起戰(zhàn)略性的整體規(guī)劃與建筑布局，全球數(shù)據(jù)集也足以提供關(guān)于預(yù)期熱舒適改進(jìn)趨勢(shì)的總體概念。

圖三：當(dāng)前條件——無水體，溫度為15.32攝氏度

案例研究：德國(guó)伍珀塔爾

伍珀塔爾是一座位于德國(guó)伍珀河沿岸山谷中的城市，由于其地形特征以及密集的城市布局，導(dǎo)致這里面臨著獨(dú)特的城市熱島效應(yīng)挑戰(zhàn)。沿河地形導(dǎo)致空氣流通受限，因此將大量熱量滯留在城市低洼部分而加劇了城市熱島效應(yīng)。預(yù)測(cè)表明，到2060年當(dāng)?shù)鼗馃崽鞌?shù)將顯著增加，而有效的市政規(guī)劃對(duì)于緩解城市熱島效應(yīng)必將至關(guān)重要。

為此當(dāng)?shù)貑?dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，旨在開發(fā)一套交互式平臺(tái)，用于可視化各類場(chǎng)景及其對(duì)伍珀塔爾決策的潛在影響。由此誕生出的正是基于數(shù)字孿生的規(guī)劃支持系統(tǒng)（DT-PSS），旨在模擬不同城市規(guī)劃場(chǎng)景對(duì)于城市熱島效應(yīng)的具體作用，例如增加綠地面積、建造新建筑、增加人口密度或者修改建筑物布局等。這套規(guī)劃支持系統(tǒng)框架整合了過往的數(shù)據(jù)收集及分析結(jié)果，使用實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)創(chuàng)建出3D城市模型并可對(duì)城市熱島效應(yīng)的形成做出預(yù)測(cè)性場(chǎng)景評(píng)估。通過將機(jī)器學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與3D城市建模相結(jié)合，這里建立起一套創(chuàng)新的模擬系統(tǒng)，其中使用九大關(guān)鍵預(yù)測(cè)變量訓(xùn)練隨機(jī)森林模型，包括歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）、歸一化差異水指數(shù)（NDWI）以及人口密度等。之所以選擇這些變量，正是因?yàn)樗鼈兣c溫度具有很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。

之后，再將這套預(yù)測(cè)模型與伍珀塔爾地面?zhèn)鞲衅魇占降膶?shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)相結(jié)合，即可對(duì)數(shù)字孿生副本進(jìn)行持續(xù)更新。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集成使得該系統(tǒng)能夠模擬并響應(yīng)不同規(guī)劃場(chǎng)景所造成的相應(yīng)溫度變化。經(jīng)過訓(xùn)練的模型隨后被整合至伍珀塔爾的3D城市模型當(dāng)中，再導(dǎo)入虛幻引擎（UE）平臺(tái)，由該平臺(tái)最終渲染出高級(jí)可視化及交互式模擬環(huán)境。如此一來，用戶可以靈活探索干預(yù)措施對(duì)于城市熱島效應(yīng)形成過程的影響，例如改變建筑密度或者增加綠地面積（見圖三和圖四）。

為了保障其實(shí)用性，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上還參考了城市規(guī)劃人員及市政官員的意見。在研討會(huì)上，利益相關(guān)方使用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）眼鏡與模型進(jìn)行交互，探索各類“假設(shè)”情景，并就系統(tǒng)的可用性及相關(guān)性提出反饋，以確保最終成果能夠更好地滿足實(shí)際需求。

他們還為規(guī)劃支持系統(tǒng)開發(fā)出了簡(jiǎn)潔的移動(dòng)版本，用以增強(qiáng)城市規(guī)劃人員及利益相關(guān)方的可訪問性與功能可用性。移動(dòng)版本的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⒔佑|面推廣至普通居民，讓更多當(dāng)?shù)刈舴e極參與到與數(shù)字孿生模型的交互中來，幫助他們直觀觀察不同城市發(fā)展場(chǎng)景將對(duì)他們的日常生活與社區(qū)形態(tài)造成怎樣的影響。這種能力有助于改善規(guī)劃人員與居民之間的溝通透明度與協(xié)作水平，使得居民能夠就擬議的干預(yù)措施提出意見和反饋。此外，移動(dòng)平臺(tái)的建立也鼓勵(lì)居民們參與當(dāng)?shù)匾?guī)劃決策，由民眾評(píng)估環(huán)境變化造成的直接影響，并倡導(dǎo)優(yōu)先考慮有益于社區(qū)福祉的策略。總的來說，移動(dòng)版規(guī)劃支持系統(tǒng)增強(qiáng)了公眾參與度，使得城市規(guī)劃工作更具包容性、也能更加準(zhǔn)確地反應(yīng)社區(qū)訴求。

圖四：未來規(guī)劃場(chǎng)景——水體溫度為13.08攝氏度，城市熱島效應(yīng)強(qiáng)度降低約18.26%