作者与单位
杨永春1,2，菅煜婷1
1.兰州大学资源环境学院，兰州 730000；
2.兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000
发表刊物：地理学报
通讯作者邮箱：yangych@lzu.edu.cn
01
摘要
人工智能（Artificial Intelligence, AI）引发的新一轮技术革命已成为全球各国抢抓的竞争优势，同时也会引发城市地理学的革新。本文回溯了人工智能发展历程，提出了面向人工智能的城市人地系统概念模型，从数据表达、场景应用、空间变革、城市发展等4个方面梳理与总结了人工智能介入的城市地理研究，并提出了学科智能化转型面临的困境、情境、探索路径与未来展望。研究发现：① 面向人工智能的城市人地系统要素交互更加复杂。② 人工智能成为城市地理研究主要手段的趋势逐渐明显，具有高效率、低成本、学习能力强的数据处理优势，对空间感知与智慧决策也具有重要意义；人工智能引发了空间变革，不仅打造了复杂的虚拟空间，同时重构了社会空间；人工智能助力建设智慧城市并打造城市前沿应用平台。③ 智能化转型下的城市地理研究面临数据与技术困境以及全球与地方变革、科技伦理与人文价值发展等情境，未来可在突破技术壁垒、关注城市空间建设与治理、注重多元智能转向效应研究等3方面探索发展路径，学科亟待全面转型升级。
02
引言
当下以互联网产业化和工业智能化为标志，以技术融合为主要特征的人工智能，作为抢占社会经济发展制高点的第4次变革，不仅正对全球格局和人类社会产生极其深刻的影响，同时也以一系列颠覆性技术改变着城乡面貌，重塑人与自然的关系。城市作为时代的中心，自然而然地受到了人工智能最快、最直接、最彻底的影响。
在全球层面，超级大国高度关注这一领域的霸权竞争并将人工智能纳入到国家战略中。世界经济论坛（World Economic Forum, WEF）认为中国和印度等新兴经济体受到的影响相较于发达国家可能更大。在学术研究层面，随着智能化、数字化的跨越式发展，人工智能正在深刻影响并扩展科学发现的边界，日趋成为各个学科关注的热点问题，呈现出学科多元性、综合性和交叉性。
从学科发展历史看，人类每一次技术革命都将带来学科发展的巨大变革，并将孕育新的学科范式产生。地理学作为国家先导性、基础性、全局性的战略支撑和战略手段，正在世界百年未有之大变局中面临新的价值转型、目标优化和方式变革，而其经久不衰、蓬勃发展的根源正是在于不断吸收先进技术的同时进行自我革命，可能的“人工智能研究范式”可为地理学提供更为综合、多元、理性的研究视角、方法和平台。就城市地理学而言，其作为应对全球变化、可持续发展和人地关系和谐的重要战略性工具，人工智能可为促进其学科体系现代化提供全新的技术和思路。因此，城市地理学须把握人工智能机遇，以高度的历史责任，重新审视学科的未来发展。
目前，仍然存在以下科学问题有待解答：① 人工智能介入地理学研究的路径是什么？即人工智能转向下地理学研究的时间演化路径与可能存在的空间作用路径分别是什么？② 面向人工智能的城市地理学研究发生了哪些层面的变革？③ 智能化转型下的城市地理研究面临哪些关键问题？可能的探索路径又是什么？
03
地理学研究中的“智能革命”
1人工智能转向下的地理学研究
在地理学研究中，一方面，人工智能技术为解决地理学的科学难题提供了新方法和新思路；另一方面，不断产生的时空数据也支持了人工智能的模型训练和算法研发。
基于CiteSpace工具和CNKI数据库，以“人工智能”“地理”进行“篇关摘”检索，共计获得1992—2023年已收录的核心及以上级别的文献292篇（图1）。地理学的人工智能研究起步较早，但前期受到的关注较少，以2015年为分水岭，发文量快速上升，表明人工智能逐步成为研究热点。基于CNKI和“Web of Science”（WOS）两个平台展现相关成果突现词与突现时间（表1）。国外研究中，“Artificial neural network（人工神经网络）”突现度最高，“Genetic algorithm（遗传算法）”突现时间最长；国内研究中，“专家系统”突现度最高，“决策支持系统”突现时间最长，这体现了学科间的融合与交叉。此外，值得关注的是随着信息通信与智能技术的发展，AI+城市科学新兴交叉研究领域逐渐发展，城市地理相关领域研究面临智能化与融合创新的新机遇与新挑战。
图1 1992—2023年人工智能介入地理研究的文献量统计
Fig. 1 Quantitative statistics in geographic research with artificial intelligence intervention, 1992-2023
表1 国内外研究前15位突现词及其突现度与突现时间
Tab. 1 The top 15 emerging terms in domestic and international research, along with their prominence
and the time of their emergence
2面向人工智能的城市人地系统概念模型
人地系统研究在过去100多年中一直是中国人文地理学的重要组成部分。地理学的人工智能变革不应仅停留在方法或技术的“表象”上，其本质更应是影响深远的思想和系统模拟、预测等的革命及应用，即地理学应融合人工智能时代所建立的科学范式，至少应促进人地关系地域系统研究的认识革命。本文基于人—地核心体系、技术体系、场景体系等维度，构建了面向人工智能的城市人地系统概念模型（图2），展示了人工智能介入的结构与范式及其对城市人地系统综合、复杂的影响。智能技术为城市人地系统的监测与调控提供了新兴技术手段的同时，还深刻影响了要素交互、联系尺度、耦合关系、动态演进、互动反馈模式。因此，面向人工智能的城市人地系统表现为要素更多元、交互更复杂、联系更紧密、尺度更多维、技术更智能多样、人类主观能动性和调控干预能力更强的特点。
图2 面向人工智能的城市人地系统概念模型
Fig. 2 Urban human-environmental systems for artificial intelligence: A conceptual model
04
人工智能介入的城市地理研究
人工智能技术以多维、多元的渠道介入、拓展与丰富城市地理学研究，对学科发展产生广泛而深刻的影响。这是新、旧现象、方法、视角相互碰撞、融合并孕育新观点、结论与理论，同时引发学科创新与进步的过程，它们具有同源异流、交互影响、相互促进的逻辑关系。
1数据表达：从人工解释到智慧驱动
人工智能作为通用基础性技术，在数据挖掘与处理表达、模型构建与空间分析等方面不断发展，成为城市地理主要研究手段的趋势愈发明显（表2），并逐渐对空间交互、地理复杂性甚至研究范式产生影响。尽管人工智能具有高效率、低成本、学习能力强的优势，但发展对数据有极高的依赖性，数据越多越智能，这导致泛人工智能的数据采集与应用在一定程度上增大了城市研究需承担的法律风险。
表2 地理大数据分类及应用
2场景应用：从智能感知到智慧决策
在社会经济与生态环境变化相互交织、快速发展的时代，城市人居环境建设的评估、检测及分析变得前所未有的紧迫。新一代通信智能技术的日益深入，为人类智能感知和智慧决策提供了更有效、便捷与准确的依据，丰富了人本主义的城市治理与规划。在空间感知方面，基于人工智能的GIS街景识别和分析已从2维、2.5维、3维表达扩展到高维表达。基于海量标准地图，借助语义分割模型和全卷积神经网络等人工智能技术，构建多要素的识别分类器，从而能够对城市各要素进行大规模的高精度识别。在智慧决策方面，人工智能技术如群体智能算法、机器学习、深度学习等已介入（城市） 地理学研究，为人类科学决策提供依据。
3空间变革：从人地协同到虚拟交互
一方面，智能技术作为驱动力直接影响城市空间形态、结构和功能，如智能技术不仅会促使城市空间结构网络化、扁平化，形成整体分散、局部集中的多节点、模块化结构，也会促使城市空间功能复合化、碎片化。另一方面，智能技术也可通过影响人类社会的生产生活方式改变城市（实体）空间。当然虚拟空间与实体空间的交织也会改变城市空间模式。此外，人工智能技术也会介入城市形态研究，如基于规则推演、参数化等人工智能算法实现城市空间形态生成技术，大力推进了城市的智能化设计。
人工智能与社会空间重构
在产业空间重构方面，“机器代人”和智能制造（Intelligent Manufacturing）通过多元路径推动产业空间演变。在居住空间重构方面，人工智能会通过作用于结构性和附着性空间要素而对居住空间产生直接影响。在活动空间重构方面，在AI、5G、物联网、AR、VR等新技术引领下，城市活动开始向大规模线下化、线上化趋缓转变，越来越多的实体空间被线上赋能而转变为线下新空间。由于线下化的物化功能实现了实体资源和服务的跨区域投放，这会导致城市区位扁平化、去中心化，地理中心性在一定程度上开始让位于物流中心性。未来线上线下将呈泛在化、智慧化和融合化走向。此外，智能技术使居民活动在出行决策、活动形式、新时空利用等方面产生影响。在文化空间方面，人工智能赋能文化空间数字化和智慧化，并通过改变人类生活习惯和交往范式进而产生新的文化。一方面，虚拟文化空间蓬勃发展，不断拓展时空边界，另一方面，文化空间的智慧管理迈上新台阶。
人工智能与虚拟空间建构
随着技术演进，“距离已死”“地理消亡”的时空压缩已成为事实，地理实体空间对人类活动的限制、约束作用减弱，公众的时空灵活性与流动性在不断增强。依托人工智能、数字孪生等新兴技术，虚拟空间在有效延拓实体空间边界并加快空间活动的同时，使更多的生产生活、研发与管理活动在虚拟空间中发生，颠覆了传统空间活动的主体关系与资源配置的逻辑。基于XR技术的虚实空间更进一步促进了城市空间的虚实融合、交互与协同。目前学界对于虚拟空间与实体空间的关系、关联结构、时空行为、虚实交互的社区生活圈均有一定的探讨，但虚拟空间对实体空间的影响方向、虚拟空间中政治、经济的系统性治理等有待进一步探讨。
4城市发展：从机器城市到智慧城市
人工智能技术的不断创新与升级，持续推动智慧城市研究与实践向更高层次发展。由此，人类社会将从机器城市时代、数字城市时代转向智慧城市时代。智慧城市被称为新型城镇化的标准，是实现创新驱动、产业升级以及缓解人类生存压力的有效途径。智慧城市建设主要包含“自上而下”和“自下而上”两种模式，政府、企业、高校和市民都承担着关键角色。在理论层面，研究主要集中在智慧城市内涵、发展阶段、支撑要素、评价体系、逻辑框架以及发展战略与对策等方面。在实践层面，一方面，智慧城市建设逐渐从技术驱动向人本主义导向转变，主要包括与智慧城市运行系统相关的各子领域和子系统的升级改造，如智慧经济、智慧交通、智慧医疗、智慧社区等。另一方面，搭载人工智能快车的规划和智慧城市建设平台也有了巨大进展（表3）。系列成果与应用平台在促进城乡规划、城市治理、国土空间管理的智能化转型以及推进智慧城市建设等方面均具有重要意义。
表3 人工智能城市前沿应用平台(部分)
Tab. 3 Cutting-edge applications platform for artificial intelligence in cities (partial)
05
智能化转型下城市地理研究的
困境、情境与探索路径
1内生困境与外生情境
人工智能作为通用基础性技术，在数据挖掘与处理表达、模型构建与空间分析等方面不断发展，成为城市地理主要研究手段的趋势愈发明显（表2），并逐渐对空间交互、地理复杂性甚至研究范式产生影响。尽管人工智能具有高效率、低成本、学习能力强的优势，但发展对数据有极高的依赖性，数据越多越智能，这导致泛人工智能的数据采集与应用在一定程度上增大了城市研究需承担的法律风险。
数据与技术发展困境
·数据不确定性大，训练样本成本高。提高数据采集、筛选及处理的准确度，研发在小样本情况下获得稳健的模型值得进一步探索。·缺乏专用模型和算法，技术共享壁垒高。当前数据、算法和模型的共享处于较低水平，发展路径暂不清晰。·技术难以转化和应用，设备性能要求高。全国范围内的超级计算机应用与普及范围小，广大研究团队使用的计算设备性能有限甚至不足以支撑科学研究。综上，由于数据、技术、设备等的制约，当前城市地理研究需要关注下列两个问题：①多尺度的城市数据暂未得到有效利用。通过不同采集方式获取的不同属性格式与时空分辨率的多元数据应用场景显著增加，但因强烈的时空异质性、噪声、缺失等因素普遍存在质量差、不确定性高等问题，横纵向均无可比性。②实际应用所需的有效数据信息匮乏，关键数据对研究体系的影响占比过大。因人工智能算法、模型的设计水平与数据样本训练水平参差不齐，以及多尺度要素的多变量存在非平稳变化、稀疏观测或无法直接观测等情况，致使传统人工智能技术在信息提取的过程中存在一定局限。此外，研究人员对地学规律的认知仍需提升，如需注重研究的跨尺度及其效应的分析，由单一尺度静态化“表征—过程—机制”分析向多尺度动态化的复杂交互综合研究转变。
全球与地方发展情境
未来人工智能的快速发展和广泛应用将对全球与地方发展造成难以估量的深度影响，这为城市地理学变革提供了新兴外生情境。·全球层面，人工智能竞争与博弈可能重塑大国权力结构，引发新型地缘政治关系和国家安全问题。① 人工智能通过改变知识处理、理解、存储、传播方式等实现对现有知识结构的重塑，进一步增强先发国的知识垄断权力。②人工智能通过创造新产品、改变生产和运输方式等颠覆各行各业，重构全球价值链与生产链。先发国在完善本国生产链、提升生产结构韧性的同时，后发国对技术引进的依赖进一步加剧，更易被锁定在低技术产品供应位置。跨国公司通过整合发展“AI+业务”，将被人工智能赋予更多的支配权和更高地位。③人工智能冲击现有国际安全结构的稳定性，加剧弱国安全问题。一方面，人工智能算法技术和智能武器已在现代战争中发挥作用；另一方面，人工智能技术的军民两用性使相关研发企业，尤其是跨国公司拥有更大的支配权和干预能力。④随着全球金融体系的数字化和智能化，国际金融体系持续扩张与开放，一方面，“多米诺骨牌效应”风险和监管难题加剧；另一方面，南北国家间资源和财富的流向不对等加剧，国家间差距以乘数效应累积。因此，在人工智能冲击下的国际政治变革中，发达国家相较于发展中国家，发展机遇更大，承受风险更小。·地方层面，人工智能可能引发系列社会影响。①“机器代人”通过提升产业自动化和智能化水平改变就业格局和劳动力市场，可能对社会公平、社会结构甚至社会价值观产生消极影响；另一方面，也会促使劳动力向第三产业转移，促进产业结构升级和劳动生产率的提高，缓解老龄化带来的消极影响，推进高质量发展。②非均衡效应与“索洛悖论”等问题。人工智能技术可能会强化城市与区域发展及其结构体系的“马太效应”。从长远看，有研究认为机器代人在未来会降低工资、减少投资从而抑制繁荣，以及人工智能技术在宏观层面可能对中国经济呈现出新“索洛悖论”特征。 综上，人工智能介入下可能导致“全球—地方”关系巨变，城市地理学应密切关注前沿话题，以地理学视角为全人类提供更科学、更具深度的现象认知与机理解析，为国家提供更有效的治理或政策方案。
科技伦理与人文价值发展情境
·算法与数据伦理问题。用户与机构巨大的不对等地位，使数据权利与数据权力严重失衡，引发数据滥用、数据隐私泄露、算法黑箱以及资本介入下的信息资源垄断甚至是对关键话语权的掌控等一系列问题。此外，人类正在将诸多事情的决定权转移给具备高度智能的算法，最终可能导致尖锐的社会矛盾、完全机械化的世界观、人的齐一性和个体自由的彻底丧失。·智能机器的伦理问题。一方面，人类对服务型机器人的情感依赖引发系列伦理问题；另一方面，人工智能技术的自动决策使责任归属变为难题，系统做出错误决策而造成的不良后果究竟由哪一方承担？其核心在于要判别人工智能是否属于真正意义上的人格实体或具有道德主体地位？目前学术界普遍支持现阶段人工智能缺失自我感知，依然处于机械与工具范畴，不过仍然存在削弱人类主体地位的风险。·法律与治理盲区问题。此方面研究相对欠缺，未来需要政府、学术界、企业和社会公众共同努力，确保人工智能技术的发展符合社会利益和人类价值观。
2探索路径
关注数据收集与技术问题，破除相关壁垒或困境
·提高关键数据获取和应用能力。·注重跨学科研究，开发专用模型与算法。·注重多尺度数据整合，加强技术转化与应用能力。
关注城市空间建设与治理问题，提升城市智能转向正效应
人工智能为人地系统耦合的理解、模拟、优化等提供了有效的方法。未来城市空间建设与治理的路径将主要聚焦于以下3方面：·空间布局与优化。·智能感知与自主学习。·智慧决策与协同治理。
关注多元智能转向效应研究，强化未雨绸缪能力
·人工智能介入下的地缘政治与国家安全问题。①分析人工智能时代关键城市在国家与国际地缘政治格局中的战略地位以及人工智能技术如何提升城市战略价值，改变城市间的互动与合作关系。②考察人工智能在国家安全、城市防御与应急系统中的应用，包括智能动态监测与分析、智能预警应急系统、灾害预测与模拟等。·人工智能介入下的社会公平与区域竞争。①评估人工智能对不同区域、行业、人群的就业影响以及对于不同群体在资源分配、公共服务、技术运用等方面的差距，考察数字鸿沟对社会公平的影响，尤其是如何保障弱势群体的利益。②研究人工智能如何促进区域经济增长与创新，推动区域产业结构升级，以及如何制定促进区域协调发展的策略，避免区域间发展失衡。·人工智能介入下的技术扩散与全球治理。① 分析城市间技术传播路径与模式，探讨跨国公司在技术扩散中的角色，以及技术扩散对经济、社会、环境的影响。②探讨国际规则与治理标准，如国际合作机制的建设，以及如何在全球治理框架中体现公平与包容，确保技术扩散带来的利益能够惠及所有国家和社会群体。 ·人工智能介入下的人文价值与可持续发展。关注数据隐私、算法公正性、人机关系、文化传承与保护等问题以及资源开发利用、生态环境保护、智慧城市建设、政策支持与激励机制等议题。
06
展望
人工智能已快速介入城市地理学并导致其发生了“智能化转型”。在人工智能时代，城市地理学亟待全面转型，积极融入新技术、新方法和新思维，在智慧与实践中得到真正的飞跃。城市地理学应从：①从传统分析到智能化研究的转型；②从单一学科到多学科融合的转型；③从静态的单要素单尺度分析到动态的多要素多尺度综合分析的转型，这三方面谋求转型与突破。总之，城市地理学将在人工智能的驱动下，在推动智慧城市建设、提升城市治理水平和实现可持续发展方面发挥更重要的作用。
