2023数字技术赋能零碳城市建设白皮书-中国联通+武汉大学

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能、数字孪生、物联网等技术手段，基于遥感云服务深入分析“零碳”城市数字化建设内涵、城市碳排和固碳的评价型，突出城市规划管理优化降低碳排放和提升城市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 1.1.“双碳”战略的意义 1.2.“零碳”城市内涵 1.3.“零碳”城市发展现状 1.4.“零碳”城市建设机遇与挑战 2.数字化技术，城市“双碳”创新管理重要 2.1.物联网技术强化城市“双碳”数据获取途径 2.2.遥感技术创新城市“双碳”监测手段 2.3.智能计算提升城市“双碳”核算能力 2.4.大数据分析节能减排和挖掘固碳潜力 2.5.数字孪生辅助“零碳”城市规划决策 3.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 3.2.“零碳”城市数据体系建设 3.3.遥感云服务，“零碳”城市“血液”更新助力泵 243.5.数字孪生低碳应用，赋能城市“零碳”应用服务 4.试点先行，数字孪生技术赋能“零碳”城市实践 4.1.江西吉水，数字孪生技术助力城市双碳规划管理 4.2.湖南长株潭，构筑城市双碳空天地一体化监测管理体系 4.3.杭州余杭，助力打造生态共富“双碳革新” 5.发展展望，“零碳”城市数字化发展思考 5.1.统筹顶层规划与标准建设，引领“零碳”城市建设 5.2.加快技术提升与融合共治，持续赋能“零碳”城市建设 5.3.建立一体化绿色生态联盟，构筑“零碳”城市新生态 6.总结 1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.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.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.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.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，3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.“零碳”城市政策现状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4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5.国际“零碳”城市建设现状能源体系、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.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，确保实现我国控制加快低碳技术研发与应用等方面积累了宝贵经验。6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，推广风零碳目标可发生在不同的层次上，从零碳企业、零碳社区、零7建设工作。“零碳”城市当前仍处于建设的初期阶段，.“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.“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。“零碳”城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。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9图2-1数字化技术赋能双碳建设思路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”数据监测智能感知技术为获取城市碳排和固碳要素，提供了便捷的基础业碳排放基础数据，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.高效网络传输提高城市“双碳”数据采集传输效率为驱动力，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遥感技术可以在更大范围、连续空间、持续周期地对地表、大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，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数据解译、分析和地面覆盖参数的反演，形成信息和知识。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），图2-3中国碳卫星首幅全球二氧化碳分布图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在数据处理方面，基于分布式、并行计算的软件架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.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，采用动态能源消耗数据集。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NEP。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。生态尺度和适应的植被覆盖类型，当前应用范围较易于实施的生态系统植被固碳模型包括CASA、3-PGS、M图2-5基于机器学习的城市植被覆盖信息提取.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，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.时空大数据分析支撑城市碳汇分析与固碳潜力挖掘项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”（简称“碳专项”，成本和抵御社会风险具有战略意义。以遥感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，引起的固图2-6城市生态系统固碳（碳吸收，单位：克碳/平方·年）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是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等果，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.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，模拟段。如城市生态系统植被退化区域、城市旧城改造区域等，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、建图2-8城市规划推动城市“零碳”发展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，图3-1城市“零碳”数字孪生建设总体架构基础设施层：依托遥感、无人机、物联网感知设备等多类设施现城市节能降碳的全方位管理。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。完善的数据图3-2“零碳”城市数据体系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考依据。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，是城市构建数字孪生城市信息模型CIM平台，通过GIS、BIM、IoT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.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.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，基于等企业碳核算相关数据统一管理，实现绿色低碳数据图3-6企业数据中心绿色转型.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、能源全景监测方面图3-7数字孪生低碳楼宇.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孪生技术被认为是未来智慧交通体系建设的关键技术之一和核心支进行城市交通碳排放的测算和管理，推动建设更高效、更绿色的智图3-8车-路-云协同的新型智能交通体系.绿色智慧城市管理在城乡规划建设管理过程中，城市总体规划与城镇体系规划中包含对区域内的农林湖草等自然资源生态绿地空间系统建议。通过在数字孪生系统中基于城市用地现状进行城市生态绿地空间规划模拟，实现固碳结果的动态模拟计算，并比较分析规划模拟前后的碳汇增量或固碳减排的效果，对比分析不同规划方案下能够为城市增图3-9城市规划模拟仿真“双碳”监测数据资源池，构建“双碳普查”、“双碳核查”、综合展示、运行监测、辅助决策和优化管理为目标，技术上乡生态管理、减排方面发力，其中代表性的工作是基于数字孪生平台，创新农业发展和新能源应用模式，开发和优化了渔光互发展稻渔产业、地面种植农作物的立体应用模式，发挥自然资源效新动能。长株潭是长沙市、株洲市、湘潭市三市结合的生态“绿心”核功能空间布局为发展目标，基于城市时空大数据底座，辅助划定生业用地五条控制线和战略留白区，塑造山清水秀的生态空间、集约高效的生产空间，构建友好的生活空间、红色基因与人文空间。一增加城市碳汇能力并减少城市碳排放。发展现代服务业。整合产业少城市的碳排放。数字技术贯穿于长株潭绿色发展的全进程，天空地一体化监测系统，是实现数字技术支撑绿色发展的关键。该区域融合高分辨率续监测在城乡生态系统保护上的迫切性，该区以铁塔为平台，集成密集的自然资源实时监测高清摄像头，在有线、无线网络支持下，实现高效智能的多传感器信息采集和解译通道，构筑空天地一体化基于多元回归、决策树、深度学习算法融合，建立机器学习模建区域双碳生态规划辅助决策信息平台，实现生态脆弱区及环境因子识别等全流程数字化服务，为区域生态规划调研、辅助方案设计和规划成果编制等提供平台支撑。平台与省自然资源调查中心“智图4-3湖南省自然资源调查监测系统24.3.杭州余杭，助力打造生态共富“双碳革新”眼”是该区在减污降碳协同管理方面的典型场景应用，实现减排及碳排放情况动态监管、科学评估，形成与科技、金融等专业服务连碳眼”，基于设计的污染减排与碳减排协同企业指数，动态监测和对比分析企业环境污染及排碳情况，推动环境污染防治由端到端治理向源头防治转变，为全国其他地区探索污染减排协同路径，提供余杭解决方案和样板。图4-4“余杭碳眼”——减污降碳协同管理场景应用3“余杭碳眼”集成电力和水资源消耗、大气污“余杭碳眼”通过