数字技术赋能零碳城市建设白皮书 2023.pdf

前言前言城市的运作与人类活动密切相关，自工业革命以来，人类经济活动产生了大量碳排放，使得大气 CO2浓度上升了 75%，造成全球气候变化和极端气候灾害频繁发生。城市是人类生产生活的主要场所，虽然城市面积仅占不到陆地面积的 3%，但城市是碳排放最集中的区域。碳达峰、碳中和双碳战略是指引我国未来可持续社会经济发展变革的基本方向，要实现“双碳”战略目标，构建“零碳”城市是必然要求，是落实“双碳”战略计划的基础环节，也是未来绿色发展科学规划的一部分。近年来，国家在“零碳能源”、“零碳建筑”、“零碳家庭”、“零碳交通”等城市功能系统上的重视程度和投入逐年增强，尽量减少碳的排放量（碳源）。另一方面，城市本身也包含大量的植被覆盖，如城市森林、城市农田、城市草地等绿色植物，城市热岛及相对较高 CO2浓度环境，使城市绿地发挥其生态服务功能，实现更高效率的固碳（碳汇）。“零碳”城市并非追求“零碳”排放，而是碳排放和固碳的均衡，即净“零碳”。提升城市植被固碳能力，可以抵消城市碳排放，从而实现城市的“近零碳”、“零碳”甚至“负碳”目标。中国联通智能城市研究院与武汉大学联合成立数字孪生城市联合创新实验室，利用数字化技术赋能零碳城市建设，结合遥感、大数据、云计算、人工智能、数字孪生、物联网等技术手段，基于遥感云服务平台、城市信息模型 CIM平台，汇集并整合城市各类基础设施数据、社会经济发展统计数据及监测数据，深入分析“零碳”城市数字化建设内涵、城市碳排和固碳的评价方法、计算模型，突出城市规划管理优化降低碳排放和提升城市固碳能力，提出数据融合和因地制宜升级城市生态系统管理策略，为“零碳”城市建设提供参考。通过“零碳”城市的实践建设，为全国推广“零碳”城市提供实例，助力国家“双碳”战略目标达成，为全球气候变化应对贡献中国力量。目录目录1.“双碳”战略，城市高质量发展必由之路.11.1.“双碳”战略的意义.11.2.“零碳”城市内涵.21.3.“零碳”城市发展现状.31.4.“零碳”城市建设机遇与挑战.72.数字化技术，城市“双碳”创新管理重要驱动力.82.1.物联网技术强化城市“双碳”数据获取途径.92.2.遥感技术创新城市“双碳”监测手段.102.3.智能计算提升城市“双碳”核算能力.122.4.大数据分析节能减排和挖掘固碳潜力.152.5.数字孪生辅助“零碳”城市规划决策.173.城市“零碳”数字孪生，助力“零碳”城市建设.193.1.“零碳”城市数字化建设总体架构.193.2.“零碳”城市数据体系建设.213.3.遥感云服务，“零碳”城市“血液”更新助力泵.233.4.城市信息模型 CIM，构筑城市“零碳”孪生时空能力中枢.243.5.数字孪生低碳应用，赋能城市“零碳”应用服务.254.试点先行，数字孪生技术赋能“零碳”城市实践.294.1.江西吉水，数字孪生技术助力城市双碳规划管理.294.2.湖南长株潭，构筑城市双碳空天地一体化监测管理体系.304.3.杭州余杭，助力打造生态共富“双碳革新”.325.发展展望，“零碳”城市数字化发展思考.345.1.统筹顶层规划与标准建设，引领“零碳”城市建设.345.2.加快技术提升与融合共治，持续赋能“零碳”城市建设.355.3.建立一体化绿色生态联盟，构筑“零碳”城市新生态.356.总结.36参考文献.3711.“双碳”战略，城市高质量发展必由之路“双碳”战略，城市高质量发展必由之路1.1.“双碳”战略的意义“双碳”战略的意义“双碳”战略，即碳达峰、碳中和的简称，我国力争 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和。“双碳”战略目标的提出将我国绿色发展之路提升到新的高度，也是我国城市高质量发展的必由之路。科学内涵：气候变暖确定性增强，减排控温已成为全球共识科学内涵：气候变暖确定性增强，减排控温已成为全球共识全球变暖等气候变化，是当今人类面临的重大全球性挑战，会引发极端天气、海平面上升、物种灭绝等灾难性后果。联合国气候科学机构政府间气候变化专门委员会（IPCC）已先后发布了六次气候评估报告，明确了全球气候变暖的确定性规律，更确认了人类碳排放在增温中的重要影响，刻不容缓地开展减排控温工作已成为国际社会的共识。政治战略：推动生态文明建设，做负责任大国政治战略：推动生态文明建设，做负责任大国我国是全球最大的能源生产国、消费国和碳排放国，在全球气候治理中发挥着关键作用。当今世界正在经历百年未有之大变局，在全球抗击新冠肺炎疫情的共同影响下，新一轮科技革命和产业变革进入暴发增长期，各国经济社会数字转型和绿色转型进入交汇发展期。在这样的国际环境下，我国向国际社会承诺 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的“双碳”目标，是国家基于构建人类命运共同体作出的重大战略决策，加强生态文明建设，彰显我国应对全球气候变化的大国担当。2 经济意义：工业化发展后期，加快发展与“碳”逐渐脱钩经济意义：工业化发展后期，加快发展与“碳”逐渐脱钩我国已步入高质量发展阶段，从“数量追赶”转向“质量追赶”，从“规模扩张”转向“结构升级”，从“要素驱动”转向“创新驱动”，从“高碳增长”转向“绿色发展”。“双碳”战略目标先后被写入国务院政府工作报告和国家“十四五”发展规划，并被列为十四五时期的重点工作，“双碳”战略也成为推动高质量发展的重要任务。十四五时期是碳达峰的攻坚期和窗口期，当前我国单位 GDP 的能耗仍高于世界平均水平，以技术进步、创新驱动和制度改革促进经济社会高质量发展成为主旋律，促进经济社会发展全面绿色转型，进一步巩固“碳”和经济增长脱钩的态势。1.2.“零碳”城市内涵“零碳”城市内涵 城市是温室气体排放的主要来源区域城市是温室气体排放的主要来源区域城市化是当代人类社会发生的最为显著的变化之一，我国城市化进程的速度和规模在人类历史上前所未有，城市数量和规模均迅速增加，据最新人口普查数据显示，当前全国常住人口城镇化率超过 60%。城市在社会发展中扮演着重要的角色，承载了人类社会、经济、文化活动的大部分职能。这也使得城市成为碳排放的重要场所，根据联合国人居署的统计，城市消耗了全世界 78%的能源，超过 60%的温室气体排放来自城市地区。城市生态系统的碳收支城市生态系统的碳收支城市一般是指以非农业活动和非农业人口为主的人类聚居地，此外，城市还包括除建成区外的公共绿地、广场、公园，以及城市3郊区的农田、森林、草地、湿地等不同植被覆盖的区域，共同构成了综合的城市自然生态系统。城市生态系统的整体碳收支（碳源汇），由自然生态系统的碳收支和社会经济活动产生的碳排放构成。首先，城市自然生态系统的植被固碳量和植物及土壤的呼吸碳排放处于动态变化中，两者间的相对大小决定了城市自然生态系统碳收支（源或汇）结果；此外，城市中发生的各项社会经济活动会在大气中排放大量的 CO2温室气体。“零碳”城市内涵与意义“零碳”城市内涵与意义在全球应对气候变化的背景下，城市率先实现低碳转型和可持续的绿色发展逐渐成为国际共识。所谓“零碳城市”，也可称“生态城市”，就是最大限度地减少温室气体排放的环保型城市，同时尽可能增加城市的固碳能力。“零碳”城市并不是要求绝对的做到零碳排放，而是要求组成城市功能的各个系统的节能化、环保化实现碳排放和固碳相互抵消，实现城市碳中和，是一种城市低碳发展的极致目标。1.3.“零碳”城市发展现状“零碳”城市发展现状“零碳”城市政策现状“零碳”城市政策现状近年来，我国高度重视“零碳”城市发展建设，在宏观政策层面出台相关指导文件，在不同行业领域推动双碳战略目标的有效实行：4能源结构调整方面能源结构调整方面，国家发改委发布能源生产和消费革命战略（2016-2030），着力支持建设绿色低碳能源体系和绿色技术创新，筑牢能源安全基石，实现能源生产和消费方式根本性转变；工业生产方面工业生产方面，国家工信部等三部委联合印发工业领域碳达峰实施方案，从产业结构调整、生产制造回收、数字化转型等多方面提出大规模产能更新部署计划，力求实现工业低碳化改造和绿色制造；交通运输方面交通运输方面，国务院办公厅印发新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年），重点支持新能源汽车行业发展，推动自动驾驶汽车规模化应用，有效促进节能减排水平和社会运行效率的双重提升，全面构建城市绿色交通运输体系；城市建设与建筑工程方面，城市建设与建筑工程方面，国家“十四五”规划中明确指出要推进生态文明建设示范区、低碳试点建设工作，优化生态空间的组成、结构、空间布局和实施重大生态修复工程，提升蓝绿生态系统的碳汇潜力，助力绿色建筑等行业的发展；经济发展与消费方面，经济发展与消费方面，国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见提出大力推动循环经济发展，积极引导经济生产与消费的全面绿色转型。健全绿色低碳循环发展的生产体系，健全绿色消费体系、倡导低碳环保的生活方式。自然生态保护方面，自然生态保护方面，良好的城市生态环境，是建设人与自然和谐共生现代化的重要内容和基础。习近平总书记提出，“建设人与自然和谐共生的现代化，必须把保护城市生态环境摆在更加突出的位置，科学合理规划城市的生产空间、生活空间、生态空间，处理好城市生产生活和生态环境保护的关系，既提高经济发展质量，又提高人民生活品质”。5 国际“零碳”城市建设现状国际“零碳”城市建设现状联合国在 2019 年发起了名为“零碳竞赛”的气候行动，全球共有超过四百个城市参与，截止目前已有 100 多个城市承诺将于 2050年前实现净零碳排放。这些城市从城市形态、空间规划、产业体系、能源体系、技术体系和生活方式等诸多方面发力，推动城市经济社会的低碳转型发展。聚焦建筑、能源、交通、产业等视角，开展“零碳”城市的研究与实践，探索“零碳”城市建设路径。零排放、零污染城市的建设在很大程度上依赖于绿色能源的使用，欧洲、美国等多个城市大力普及绿色能源，推广氢能、风力发电等清洁能源的使用；住宅是城市建筑中最主要的组成单元也是碳排放的主要源头之一，生态住宅的研究也成为英国、德国、新加坡等地区“零碳”城市实现的重要路径；为了减少交通拥挤、降低能源消耗和环境污染、节省建设维护费用，建设发展低污染、多元化城市交通运输系统是众多城市的主要选项；产业转型是城市面临的重大挑战，众多以重工业为主导产业的城市在产业结构调整方面发力，改变经济发展对煤炭、钢铁和重工业等的过度依赖，探索可持续的经济发展模式。国内“零碳”城市建设现状国内“零碳”城市建设现状为推进生态文明建设，推动绿色低碳发展，确保实现我国控制温室气体排放行动目标，我国积极推进“低碳”、“零碳”城市试点工作。自 2010 年起陆续启动了三批共 87 个省市地区作为低碳试点，在探索低碳发展模式、推进能源优化利用、打造低碳产业体系、加快低碳技术研发与应用等方面积累了宝贵经验。6表 1-1 全国低碳试点城市2022 年中国净“零碳”城市发展报告中分析了全国 30 个“净零碳”城市样本。从分析结果可以发现，当前发展现状下，城市发达水平与净零碳发展水平密切相关，服务型城市的低碳发展水平整体较高，这也说明我国工业型城市尚有很大的低碳发展空间。样本城市在能源结构方面的主要举措是降低火力发电比例，推广风能和太阳能发电，同时节约用电在节能工作中的重要性也日益凸显。一线发达城市在绿色交通方面的优势非常明显。零碳目标可发生在不同的层次上，从零碳企业、零碳社区、零碳园区，到“零碳”城市，直到实现碳达峰、碳中和，城市起着承7上启下的作用。当前国内以江西、杭州、深圳、雄安新区等城市和地区为代表的，持续推进“零碳”城市、零碳园区、零碳村等试点建设工作。1.4.“零碳”城市建设机遇与挑战“零碳”城市建设机遇与挑战“零碳”城市当前仍处于建设的初期阶段，还需要漫长的发展过程。“零碳”城市建设不仅面临前所未有的机遇，同时也面临重重挑战。“零碳”城市建设的机遇国家宏观政策积极推进，为“零碳”城市建设发展创造了良好的环境。“零碳”城市建设的机遇国家宏观政策积极推进，为“零碳”城市建设发展创造了良好的环境。我国始终坚持走绿色可持续发展的道路，党的十八大以来，我国把生态文明建设作为统筹推进“五位一体”总体布局的重要内容，确立绿色发展是新发展理念的五大理念之一，加快推进顶层设计和制度体系建设，推动绿色转型取得重大进展。新一轮科技革命为“零碳”城市建设注入新动能。新一轮科技革命为“零碳”城市建设注入新动能。以大数据、物联网、人工智能、云计算等为代表的新一轮科技革命，正在从导入期转向拓展期，新技术的发展在产业结构优化、能源结构转型中都显示出了惊人的力量，也必然会为“零碳”城市的实现增添新动能。“零碳”城市建设的挑战城市零碳目标实现需要平衡节能减排和经济发展的关系。“零碳”城市建设的挑战城市零碳目标实现需要平衡节能减排和经济发展的关系。我国的城市化进程仍在继续，人口的增长会影响城市的规模，进而影响城市的能源消耗和资源利用。我国经济高速增长长期依赖于资源、能源消耗和环境排放的增加，特别是发展水平较低的城市仍然处于8能源利用的增加阶段。在保证经济高速增长的前提下，优化产业结构、加快创新驱动，实现经济增长与碳排放的脱钩是“零碳”城市建设的重要挑战。城市零碳目标实现需要新技术的加速融合与突破。城市零碳目标实现需要新技术的加速融合与突破。“零碳”城市的建设发展需要零碳技术的科技支撑，当前在新能源、清洁煤、节能降耗等战略性技术领域仍存在诸多卡脖子的瓶颈。如何加快形成具有自主知识产权的先进技术，做到各技术之间的协调融合，也是“零碳”城市建设面临的关键问题。城市零碳目标实现需要成熟可行的建设实施路径。城市零碳目标实现需要成熟可行的建设实施路径。当前“零碳”城市、低碳城市的试点建设工作仍处于起步阶段，尚未总结出明晰的建设思路。零碳行动方案实施落地困难，缺乏切实可行的城市级零碳达标解决方案也是“零碳”城市进一步发展的挑战。此外在实施过程中，我国国内碳源汇数据的采集核算标准尚未实现与国际的互通互认，也缺乏权威的碳监测标准与信息化管理工具。2.数字化技术，城市“双碳”创新管理重要驱动力数字化技术，城市“双碳”创新管理重要驱动力以网络化、数字化和智能化为标志的第四次科技革命浪潮席卷全球，人类社会开启了以数字技术为引擎的创新时代。我国的新型智慧城市建设历经多年探索实践，已经进入大规模落地深化阶段。在“双碳”背景下，5G、物联网、人工智能、大数据、数字孪生等新一代信息技术融合，遥感服务、数据智能、城市信息模型（CIM）等共性赋能平台支撑，以及数字孪生协同化智能化的运行管理模式，为促进生活生产节能减排、经济发展动力转换，引导市民转变生活消费理念提供创新驱动，助力“零碳”城市建设，推动探索低碳减排与经济增长的共赢路径。9图 2-1 数字化技术赋能双碳建设思路2.1.物联网技术强化城市“双碳”数据获取途径物联网技术强化城市“双碳”数据获取途径数据的获取采集是城市“双碳”核算的基础，物联网技术为获取相关要素，提供了高效便捷的基础条件，基于传感器的数据采集和 5G高效网络的数据传输，丰富和提高了碳监测手段和效率。图 2-2 物联网技术碳监测 智能感知数据采集技术，丰富城市“双碳”数据监测智能感知数据采集技术，丰富城市“双碳”数据监测智能感知技术为获取城市碳排和固碳要素，提供了便捷的基础条件。通过在园区、企业、家庭等部署智能感知终端，对能源消耗和工业生产过程进行监控，汇聚城市工农业、交通、建筑等重点行业碳排放基础数据，支撑社会经济碳排放数据监测。城市生态系统10的光合固碳是城市固碳的最主要方式，基于特定传感器的碳通量监测和环境信息采集，助力城市碳通量监测，为城市生态系统的固碳核算提供了最直接的方法，为计量城市生态系统固碳提供了保障。城市生态系统固碳与环境因子密切相关，智能感知技术的发展为快速、自动采集城市气温、降水、太阳辐射、土壤水分等环境因子数据提供了保障，实现城市“双碳”环境因子监测。高效网络传输提高城市“双碳”数据采集传输效率高效网络传输提高城市“双碳”数据采集传输效率基础网络、5G 等高效网络传输技术能够以业务需求和城市功能为驱动力，提供面向业务协同的网络基础设施，实现网络资源协同智能调度，为城市“双碳”数据的采集传输提供高效、可靠的网络服务质量保障。5G 通信技术的高速率、大带宽、低时延优势，发挥着重要作用，5G 技术应用使得泛在传感连接和数据传输网络走入现实，并于与电力、通信、交通等基础设施领域紧密结合，催生了大量以技术融合创新为特征的新型基础设施建设。基础设施智能感知终端的部署、基于 5G 的高效传输网络建设、多技术融合的信息化平台建设，为城市碳排放的获取、分析核算及基于城市碳核算基础上的城市管理决策，提供了高效能力支撑，大大提高了数据采集效率。2.2.遥感技术创新城市“双碳”监测手段遥感技术创新城市“双碳”监测手段遥感技术可以在更大范围、连续空间、持续周期地对地表、大气进行动态观测，对城市“双碳”监测具有更多的优势，与传统物联网技术形成有效互补，实现对城市“双碳”的创新监测。遥感技术可以对城市碳排放、城市固碳的相关因子进行大范围高效采集，11通过在线数据传输和数据计算，反演出城市碳排放和固碳的区域变化和时序变化，为差异化城市管理，提供决策支持。现代遥感技术以更高的分辨率（空间、光谱、时间和辐射），以搭载在卫星、飞机、无人机等平台上的主动（发射探测信号）或被动（太阳辐射）为信号源为基础，同时以搭载在对应平台上的信号传感器为接收装置，进行信息获取。结合地面信息，可完成遥感数据解译、分析和地面覆盖参数的反演，形成信息和知识。其中，城市“双碳”监测的植被、地形、气象、土壤等环境因子，均可以通过遥感监测手段进行大范围、周期性的高效获取。搭载有高光谱温室气体探测仪的碳卫星，可直接绘制二氧化碳分布的立体全景图。遥感大气碳浓度的直接探测，对气体探测仪的专一性和灵敏度要求非常高，全球仅少数国家具备碳卫星实施能力，包括日本 2009 年发射的 GOSAT 和美国 2014 年发射的 OCO-2，我国 2016 年发射了“全球二氧化碳监测科学实验卫星”（碳卫星），可有效绘制和掌握全球二氧化碳分布情况，提供了基础数据。图 2-3 中国碳卫星首幅全球二氧化碳分布图122.3.智能计算提升城市“双碳”核算能力智能计算提升城市“双碳”核算能力智能计算技术应用于城市碳核算，以专业计算模型为基础的碳排放和碳汇的时空建模分析过程，形成多维多尺度的城市碳排放和固碳成果。智能计算极大提高了城市“双碳”的核算能力，重点体现在数据处理能力、智能计算算力和算法精度几方面。在数据处理方面，基于分布式、并行计算的软件架构设计，实现多机协同数据处理，快速生成支撑数据；在智能计算算力方面，基于 CPU、GPU 等专有设备，集成大量的算术逻辑单元，可支持AI 领域当前最流行的神经网络模型训练所需的矩阵运算，提高计算能力；在算法精确性方面，也显著改善，在“双碳”计算模型上已经积累了大量经验，近年来智能芯片技术的突破，可为未来设计针对城市“双碳”核算的专用计算芯片提供了可行性，为进行“双碳”计算开辟了新的途径，将极大地提高算力效能和计算精度。以空间分析模型核算城市碳排放以空间分析模型核算城市碳排放城市碳排放核算提供了开展各项碳减排工作的基本信息，通过核算量化的碳排放数据，实现对各环节碳排放的分析，找出潜在的减排关键环节和方式。基于城市能源消耗统计及工农业生产统计数据，可实现对城市碳排放的分析。城市的能源消耗碳排放，常以煤为标准进行化石能源的核算，典型数据来源是能源统计年鉴中的能源平衡表。我国在省级能源消耗统计数据较为充分，在核算城市碳排放时，可结合城市社会经济发展数据和省级能源总耗的基础上，采用动态能源消耗分配方法，自上而下进行合理分配，形成城市尺度的能源消耗核算数据集。13卫星遥感技术及智能计算科学的发展，为城市碳排放核算提供了重要的支撑。夜光遥感卫星、碳卫星等具备监测范围广、回归周期短等优势，获取的数据在城市碳排放的核算中也得到了更广泛的应用。基于随机森林、支持向量机等计算模型和遥感影像特征提取方法，实现城市碳排放统计数据的空间化。基于遥感数据提取社会经济发展指数，利用夜光遥感的灯光亮度指数，反映城市发展的相对活跃度，反映空间区域的能源消耗权重，实现在城市尺度上的碳排放变化时空格局分析。以固碳模型和机器学习核算城市固碳能力以固碳模型和机器学习核算城市固碳能力基于数字技术的固碳模型和机器学习算法，为区域尺度的城市固碳核算，提供了保障。以气象数据、高分辨率遥感数据以及地面（植被）覆盖类型数据，结合固碳生态计算模型，计算城市生态系统的固碳的区域特征。固碳模型的构建，分数据采集、模型建立、模型计算输出三个过程，数据采集部分基于“天空地”一体化获取地面观测和遥感数据，模型建立将基于观测数据，实现模型的参数最优化，使模型计算的结果和实测结果的匹配，模型计算输出过程利用构建的模型，以遥感采集数据为输入，计算固碳目标量，包括城市植物光合作用的总生产力 GPP、净生产力 NPP 和生产力结余量NEP。14图 2-4 生态系统植被固碳模型的建模及输出过程1数字技术为城市生态系统固碳建模提供数据采集、模型构建、结果输出等全过程支持服务。对于大数据量、高精度的多源遥感和传感器数据，利用机器学习等智能分析技术，实现对遥感数据的自动智能解译、分类等信息提取，获取目标信息，提取城市植被的覆盖类型及植被长势等重要的固碳环境因子。由于城市的环境特征具有空间差异性，以环境特征因子为输入的固碳模型，挖掘固碳特征的空间差异性。多模型对比是生态系统固碳核算可靠性评价的重要方式。生态系统碳循环模型种类繁多，在不同模型具有不同的原理、数据输入、尺度和适应的植被覆盖类型，当前应用范围较广，且具有稳定性和易于实施的生态系统植被固碳模型包括 CASA、3-PGS、Miami 和Century 等多种类型。在实际应用中常采用多模型生态系统固碳核算的方式，并与站点实测值进行比较，实现对计算结果的检验，评价模型结果的可靠性。1植被光合作用产生的固碳能力可以用植被生产力表示，包括总生产力（总固碳量 GPP）、植被净生产力（净固碳量 NPP）和去除土壤碳排放后的结余生产力（结余固碳量 NEP）15图 2-5 基于机器学习的城市植被覆盖信息提取2.4.大数据分析节能减排和挖掘固碳潜力大数据分析节能减排和挖掘固碳潜力能源大数据分析支撑城市节能减排分析能源大数据分析支撑城市节能减排分析碳排放数据涉及领域较多，城市节能减排分析，需要从能源供给侧数据、工业、建筑、交通等终端用能部门数据、居民生活活动数据等多方面对社会经济活动中海量数据信息进行综合归纳。依托大数据技术，发挥能源大数据作用，可以提高能源生产、调度、使用和分析的效率，减少中长期能源政策与短期政策衔接的障碍，降低结构性能源政策与系统性能源政策协同的摩擦成本。能源大数据分析为能源运行管理和碳排放分析提供技术支撑，汇聚能源全产业链信息，打造能源数字经济，支持碳资产管理、碳交易等业务运行，构建城市智慧能源体系，分析城市碳排放时空分布和变化，对城市碳排节能分析和减排潜力进行归纳，辅助提出针对性的城市节能减排措施。时空大数据分析支撑城市碳汇分析与固碳潜力挖掘时空大数据分析支撑城市碳汇分析与固碳潜力挖掘16所谓碳中和，即“人为碳排放量=自然生态固碳+生态措施固碳+地球工程固碳”，达到一个平衡。根据中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”（简称“碳专项”，20112015）中 16000 个调查样地的清查成果，我国陆地生态系统固碳能力为每年 10.96 亿吨二氧化碳，综合同期各种研究和判断，近 10年来，我国陆地生态系统固碳能力保守估计为每年 10亿13亿吨二氧化碳。通过提升生态系统碳汇，对于降低“双碳”行动的经济成本和抵御社会风险具有战略意义。以遥感解译、地理信息系统、大数据等技术为基础的时空大数据分析方法，为分析城市自然生态系统碳汇分布格局与时序变化、挖掘与预测城市固碳潜力区域框架提供了可能。在城市生态系统建模、计量核算的基础上，挖掘城市固碳增汇潜力，基于时空大数据分析技术，研判城市中哪些区域具有较高的固碳能力和较低的固碳量，或哪些区域具有较低的碳排和较高的碳排。解译高固碳区域采用的城市管理方式，或较低碳排区域的社会经济特征，模拟将高固碳区域的城市管理模式或低的碳排区域经济活动方式，引入到低固碳区域或高碳排区域，引起的固碳量变化和固碳增汇效果，辅助城市管理模式创新。图 2-6 城市生态系统固碳（碳吸收，单位：克碳/平方 年）172.5.数字孪生辅助“零碳”城市规划决策数字孪生辅助“零碳”城市规划决策数字孪生城市是数字孪生技术在城市领域的应用，针对复杂的城市系统，集成社会和自然科学等多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成实体城市映射，从而反映城市现实状态及动态发展过程。在数字空间中，可以对城市各类信息数据镜像展示，对城市自然状态、社会经济状态以及不同自然系统间的关系和动态变化过程，进行建模和计算分析。通过在数字孪生城市中展示、核算并分析城市碳排放和固碳现状、历史，形成城市减排和固碳增汇的管理决策方案，并进行模拟仿真和管理效果评价，在数字虚拟空间为物理城市预先试验论证，辅助城市规划决策，推动“零碳”城市建设。图 2-7 数字孪生技术支撑城市“双碳”监测和减碳增汇管理 数字孪生技术支撑“双碳”监测数据可视化与分析数字孪生技术支撑“双碳”监测数据可视化与分析数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，在虚拟空间中完成映射，通过信息链接，达到虚实联动的效果，从而反映对应实体的全生命周期过程。将建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）和物联网（IoT）等多项技术统一集成的开放式城市信息模型（CIM）平台，可全面展示城市的地上18地下、历史现状，实现城市“双碳”监测数据的可视化与分析挖掘。全面展示城市社会经济发展和规划现状，特别是大规模城市土地现状的全貌，展示城市扩张范围变化、社会经济碳排放、城市自然生态系统（森林、草地、农田、湿地）、气象信息等在城市立体空间上的分布信息，分析挖掘城市不同时期、不同区划、不同生态系统类型的碳排放、碳吸收能力，分析城市净固碳量时序变化、区域分布特点，分析城市碳排放和固碳因素，分析城市固碳增汇管理方式的参考区域，归纳总结城市“双碳”数据变化趋势，为不断优化城市规划和管理，提供辅助支撑。数字孪生技术辅助城市规划仿真模拟数字孪生技术辅助城市规划仿真模拟数字孪生城市实现城市景观在数字空间全真模拟，作为城市区域设计方案的辅助手段，仿真模拟能直观展示规划设计效果，以及规划区域的未来面貌，并通过将规划方案与现状模型相衔接，模拟方案实施后的城市或局部区域概貌及城市在减排增汇上的潜在成果，为建设“零碳”城市，提供多视角、多动态、直观、可靠的技术手段。如城市生态系统植被退化区域、城市旧城改造区域等，可在数字孪生城市三维空间下，实现植被覆盖布局、建筑物布局设计、建筑物纹理、建筑物高度设计等。19图 2-8 城市规划推动城市“零碳”发展城市碳监测、核算和减排增汇潜力分析，对于指导达标“零碳”城市的规划至关重要，城市规划影响“零碳”城市达标，数字孪生技术可以优化城市管理、支持“零碳”城市规划。由遥感和社会经济统计数据作为驱动，使用城市能源消耗动态分配模型、生态系统固碳模型，在虚拟数字孪生城市中模拟城市生态系统固碳过程和城市碳排放总量空间分布和时间变化关系，评价具有降低碳排放的手段和促进生态系统固碳量的管理措施，反映城市固碳现状，辅助实现城市规划。对未来的城市扩张进行模拟，结合碳排放和固碳模型，定量评估未来城市化导致的土地利用变化对城市碳排放和固碳的影响，从而对城市规划方案进行对比分析与决策。3.城市“零碳”数字孪生，助力“零碳”城市建设城市“零碳”数字孪生，助力“零碳”城市建设3.1.“零碳”城市数字化建设总体架构“零碳”城市数字化建设总体架构在“双碳”目标和“数字中国”愿景的双重驱动下，数字孪生城市结合城市碳排放监测和低碳技术，将成为推动中国城市高质量发展以及绿色转型的重要抓手。“双碳”战略为城市发展注入新动能，20数字化转型是达成“双碳”战略的必要技术选择。“零碳”城市数字化建设总体架构，依托智慧终端、数据化赋能和信息化技术支撑，通过构建一套融合开放的松耦合架构体系，形成“数字化感知-网络化传输-归一化管理-可视化展示-智能化分析”的城市“双碳”数字化管理体系。图 3-1 城市“零碳”数字孪生建设总体架构基础设施层：基础设施层：依托遥感、无人机、物联网感知设备等多类设施监测感知能力，基于城市 5G 网络、物联网、光纤网等构建数据高速传输能力，建设天-空-地一体化的城市“双碳”监测体系，构建宏观微观结合的泛在感知网络。支撑层：支撑层：基于云计算、大数据、数字孪生、区块链等新一代信息技术，构筑遥感监测处理服务、数据集成、时空孪生、应用开发引擎能力体系、打造服务城市“双碳”应用的能力支撑中枢。服务层：服务层：基于城市“双碳”支撑能力中枢，面向政府、企业、居民需求，建设能源管理、碳排放监测、碳汇及固碳分析、双碳辅助决策等应用服务能力，服务城市管理、经济运行、民生活动。21应用层：应用层：围绕城市能源、工业、交通、建筑、农业等重点领域开展场景赋能，并不断进行创新拓展，构建城市“双碳”大脑，实现城市节能降碳的全方位管理。通过城市“双碳”数字化能力建设，为“零碳”城市规划、建设和管理等各类场景化应用提供通用的、可复制性的基础能力支撑，为环保、交通、电力、工业互联网、建筑等行业的碳排放监管、能源转型、城市碳吸收（固碳）等相关智慧应用，开放数据、算力、模型和基础支撑服务，为政府、企业等各级应用部门提供全流程的城市“双碳”的数字化监管服务。3.2.“零碳”城市数据体系建设“零碳”城市数据体系建设“零碳”城市需要全方位的“双碳”特征监测作为支撑，这需要社会经济、能耗、自然环境等多类型的数据。构建城市社会经济活动能耗数据库、生态环境因子数据库、城市经济发展数据库，通过计量分析与模型构建，获取城市碳汇源特征数据库。完善的数据体系将为准确掌握城市“双碳”现状和时空变化、助力实现“零碳”城市提供支撑。图 3-2“零碳”城市数据体系22社会经济活动能耗数据库包括城市中各种活动的能源消耗数据、工农业生产过程排放数据、废弃物排放数据等。其中能源消耗数据包括化石燃料燃烧、生物质燃烧、煤炭开采逃逸等数据，是碳排放的主要来源；工农业生产过程排放数据包括了工业产品生产过程中伴随的次生碳排放和农业活动产生的各种碳排放；废弃物排放数据包括不同形式的废弃物排放与处理方式，通过优化处理可减少碳排放。生态环境因子数据库，包含城市基础的土地覆被与土地利用数据、气象数据、地形数据、土壤数据、城市建筑物碳化过程和碳捕获与封层工程数据等，用于实现城市绿色植被生态固碳、城市特殊材料碳吸收和基于工程技术的碳捕获封存固碳等碳汇效果。其中土地覆被数据包括了土地利用数据和植被类型数据，通常基于遥感影像进行提取分析；气象信息可依据台站数据获取，包括气温、降水、气压、太阳辐射等显著影响植物长势的数据；土壤数据也是重要的基础数据，包括土壤类型、土壤水分含量和土壤养分含量等。城市经济发展数据库，汇聚城市宏观经济运行数据，包括人口、国民生产总值等数据，以及城市工业、农业、服务业等三次产业相关数据，用以衡量地区发展水平，为“零碳”城市分析核算提供参考依据。碳源汇数据库，汇聚城市双碳特征的空间分布数据和统计成果，包括城市扩张数据、植被绿化指数、植被生产力、城市碳排放空间分布、城市碳源空间分布、城市碳排放空间分布、城市固碳潜力空间分布等，作为城市碳汇源规划分析的基础。233.3.遥感云服务，“零碳”城市“血液”更新助力泵遥感云服务，“零碳”城市“血液”更新助力泵遥感具有采集更新快、多分辨率、信息丰富、数据类型多、监测能力强等特点。基于云计算技术，整合各种遥感信息和技术资源，将遥感数据、信息产品、应用软件与计算机设备作为遥感公共服务设施，通过网络或移动终端以按需共享的方式为用户提供便捷、低成本的一站式遥感服务。依靠云计算高扩展性、高可靠性、高性能的分布式存储技术，高效的并行运算技术以及海量用户动态资源调配技术，遥感云服务平台提供遥感云存储、遥感云处理和遥感云应用等服务，可满足遥感海量数据存储、大规模处理运算以及多种业务应用需求。遥感云服务平台以创新为动力，以共享服务为目标，打造在线遥感云服务，实现高效利用和处理卫星遥感数据资源，面向全社会、全行业、多领域、多环节，从宏观、中观、微观三个层次助力“零碳”城市基础底座数据的智能生产与更新，为政府部门、行业单位、社会公众、专业开发人员提供多平台、多时相、多尺度、多层次、多维度的一站式遥感数据信息服务能力，助力用户利用卫星遥感开展地表覆盖、土地利用变化监测、自然资源调查、监测、评价以及自动解译，全面掌握生态系统固碳的关键因子，反映城市生态固碳的环境因子现状及发展趋势，为“零碳”城市基础底座数据的建设和高效更新反映城市“双碳”最新状态提供强有力的支撑，是城市运行所需“血液”更新的助力泵。24图 3-3 遥感云服务体系3.4.城市信息模型城市信息模型 CIM，构筑城市“零碳”孪生时空能力中枢，构筑城市“零碳”孪生时空能力中枢构建数字孪生城市信息模型 CIM 平台，通过 GIS、BIM、IoT等技术的融合应用，接入城市规划、市政、工程建设、管理、政务等多源数据，融合时空服务、模拟仿真等能力，在数字空间构建时空一体、动静结合的数字城市，实现与物理城市的虚实交互与融合创新。CIM 平台汇聚交通、能源、建筑、社区、家庭不同领域不同尺度的社会经济活动能耗数据、生态环境因子数据、城市经济发展数据以及碳源汇数据，结合城市空间地理信息数据，实现“零碳”城市全要素数字化；连接物联感知终端设备，实时获取物联感知终端监测数据，动态展示各类物联感知碳监测数据，实现“双碳”动态监测实时可视化；通过 CIM 二三维空间分析能力，分析城市碳排固碳空间分布现状和时序变化、城市净固碳能力和潜力、城市碳排固碳因素和城市扩张影响；集成碳排碳汇模拟仿真算法模型，通过增加生态绿地空间系统区域规划进行模拟仿真，推演分析碳贮存量增25加、产生减排的效果，对比分析不同规划方案的效果，助力减排增汇管理决策智能化。基于全覆盖、全要素、全周期的海量空间数据资源和碳监测数据资源，以及精准映射、虚实融合、仿真推演的核心能力，CIM 平台构筑城市“零碳”数字孪生时空底座，赋能优化提升“零碳”城市规划、建设与管理能力，为支撑“零碳”城市建设提供创新工具。图 3-4 城市信息模型 CIM 平台3.5.数字孪生低碳应用，赋能城市“零碳”应用服务数字孪生低碳应用，赋能城市“零碳”应用服务 能源结构绿色升级能源结构绿色升级能源结构的绿色升级是实现碳达峰、碳中和的关键手段。通过构建城市能源供给数字孪生系统，在数字空间平行模拟展示不同能源转换过程，支持碳资产管理、碳交易等业务运行管理，基于不同能源及碳排放的全时空分布信息，刻画能源供给和碳流动轨迹，通过知识图谱、自然语言处理等人工智能技术，实现对城市不同能源全生命周期智能管控，构建城市智慧能源体系，助力能源结构绿色升级。26图 3-5 光电大数据应用 企业绿色低碳转型企业绿色低碳转型聚焦企业碳排放核算需求，建设碳排放核算与管理平台，基于数字孪生技术，将企业碳排放数据、资源消耗数据、能源消耗数据等企业碳核算相关数据统一管理，实现绿色低碳数据的精准化、可视化、可析化，推动企业绿色低碳转型升级。图 3-6 企业数据中心绿色转型27 绿色建筑低碳运营绿色建筑低碳运营数字孪生技术在全息感知、智能综合管控、能源全景监测方面可以提供三位一体的智慧零碳建筑数字孪生体，赋能零碳建筑规划、建设、管理等全生命周期，助力建设高质量的绿色建筑，建设零碳建筑。采用感知技术，将人、物、环境的相关信息进行全面的感知与互联，实现泛在信息之间的无缝连接，协同联动，构建实时信息感知、高速信息传输、准确预警威胁、智能事务处理、优化设备检修等能力，进一步提升建筑多维管控水平及运行效率。图 3-7 数字孪生低碳楼宇 零碳交通绿色转型零碳交通绿色转型数据统计显示，交通行业在整个全国碳排放量中所占比重要达到 15%，如何实现绿色转