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论文信息
标题：Satellite mapping of urban built-up heights reveals extreme infrastructure gaps and inequalities in the Global South
时间：2022.10
作者：Yuyu Zhou, Xuecao Li, et al.
导读：作者基于遥感数据计算了500米分辨率的全球城市建筑高度数据集，这将为未来的城市密度、城市碳排放与城市气候研究提供基础。
研究摘要：
背景：有关城市建成区基础设施的信息对于了解城市在影响环境、经济和社会结果方面的作用至关重要。由于缺乏大面积建成区高度数据，我们描述全球城市基础设施及其空间变化的能力受到限制。
方法：根据 Sentinel-1 地面探测卫星数据，以 500 米分辨率绘制了 2015 年左右的城市建成区高度全球地图集。
结果：与全球平均水平相比，全球南方国家的人均城市建成区基础设施存在极大差距，与全球北方国家的平均水平相比差距更大。全球北方国家一些国家的人均城市建成区基础设施比全球南方国家高出 30 多倍。结果还显示，全球北方国家 45 个国家（占全球人口的 16%）的建成区基础设施总量大致相当于全球南方国家 114 个国家（占全球人口的 74%）的建成区基础设施总量。
1. 研究背景
目前，城市人口占世界人口的 55%，预计到 2050 年这一比例将上升到 68%。然而，世界各地的城市都表现出严重的基础设施不平等，基础设施的可用性、供应和使用存在显著差异。严重的基础设施不平等可能导致经济生产力、社会资本和人类福祉水平下降。评估基础设施不平等对于理解不同地区和国家城市的差异化发展模式至关重要
城市形态包括二维（2-D）城市区域和密度以及三维（3-D）建筑高度（即城市物理模式、布局和结构的垂直特征）。利用夜间灯光和时间序列Landsat的卫星图像，人们已经广泛地在二维中绘制了城市区域地图。60% ∼ 80% 的能源消耗发生在城市地区，因此绘制城市形态图非常重要。由于城市形态包括建筑环境的垂直维度，因此绘制城市建筑高度图可以提供有关城市地区关键要素的信息。
较高的城市建成区密度、较高的建筑物和城市经济增长之间也存在很强的相关性。遥感技术的最新进展使得人们能够开发出几组新的 3D 建成区数据集，包括全球 3D 建筑存量数据集、高分辨率城市形态地图、30 年垂直建成区时间序列以及全球近 478 个城市的城市 2D 和 3D 增长类型。然而，大面积的建筑高度信息仍然有限，这妨碍了我们对城市发展及其对能源使用和温室气体排放的影响的理解
在这里，我们以 500 米 x 500 米的网格级别估算了全球城市建筑高度，以表征城市地区基础设施的分布。建筑高度计算为 500 米网格内的平均高度，包括建筑物和其他基础设施，如街道、停车场和绿地。我们发现估计的城市建筑高度与参考数据高度吻合，并且可以捕捉从城市中心到近郊的建筑高度变化。这个新的全球建筑高度数据集具有巨大的潜力，可以增进我们对城市活动如何改变地球表面的理解，揭示城市基础设施的空间不平等，并有助于能源和气候研究。
2. 方法
2.1. 数据
收集了 Sentinel-1 GRD 数据，将其作为绘制全球城市建筑高度的主要数据源。Sentinel-1 GRD 数据（包括上升轨道和下降轨道）是在 2015 年左右收集的，当时 Sentinel-1 数据已覆盖全球。
收集了美国和欧洲的 37 个城市的参考建筑高度数据，用于模型开发和评估。这些精细空间分辨率（<10 米）参考数据集主要来自美国的机载光探测和测距数据以及欧洲的立体图像。
从全球城市边界数据集中收集了2015年精细分辨率（30米）的城市区域边界。该数据集中定义的城市区域用于计算国家和县的人均基础设施，并划定代表性城市的城市边界。
从世界银行收集了 2015 年各国的人口和 GDP 数据。人口数据用于计算人均 GDP 和建成基础设施。
2.2. 绘制全球城市建筑高度图
将 2015 年的 Sentinel-1 GRD 数据（即来自 VV 和 VH 的后向散射）和美国和欧洲 37 个城市中的 27 个城市的参考建筑物高度数据汇总到 500 米分辨率
为了减轻高架物体（例如树木）的影响，我们使用来自全球人类居住层的城市范围图掩盖了 Sentinel-1 GRD 数据中的非城市区域。
通过整合 Sentinel-1 GRD 数据中 500 米分辨率的双极化信息（即 VV 和 VH）的后向散射，推导出城市高度指标 VVH
其中 γ 是表征 VH 对导出的 VVH 的相对影响的参数，H是对数转换后的城市建筑高度，
a，b和c是城市高度模型中需要估计的系数。本研究中，γ 设置为 5。我们利用 Sentinel-1 上升和下降轨道数据开发了建筑物高度模型，并使用校准参数（即a，b和c) 分别为 -2.16、-0.45、4.78 和 -0.61、-0.79 和 2.31。
基于相关系数、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）三个指标对估算的全球城市建筑高度进行了评估。首先，我们使用 10 公里范围内 37 个城市中的 27 个城市的参考建筑高度数据进行了留一交叉验证。
我们在美国和欧洲的城市地区 10 公里范围内对 37 个城市的建筑高度进行了评估。将参考建筑高度数据随机分成 10 份，每次使用一份进行评估。其次，我们利用城市地区 10 公里×10 公里范围内剩下的 10 个城市以及所有 37 个城市的整个城市地区来评估估计的城市高度。最后，我们使用中国 20 个城市的楼层数参考数据、巴西圣保罗和加拿大温哥华的建筑高度参考数据以及德国卫星观测的全国建筑高度产品（10 m）来评估估计的城市建筑高度。参考城市建筑高度与估计城市建筑高度的 RMSE 在 0.50 m 以下，相关系数大于 0.80
2.3. 通过结合二维密度和三维高度来形成城市形态
根据二维城市密度（不透水）和三维建筑高度（城市内的平均值和变化）的特征空间，将世界城市分为六种类型。我们计算了每个城市建筑高度的平均值和四分位数离散系数 (QCD) 以及不透水表面面积 (ISA) 的平均值，以描述垂直和水平维度上的城市形态：
Q1和Q3分别是每个城市地区建筑高度的第一分位数（25 分位数）和第三分位数（75 分位数）。QCD 可以捕捉城市内部建筑高度的变化，也可以在具有不同平均高度的城市之间进行比较。平均 ISA 可以表示城市的整体不透水密度，它是根据 30 米全球 ISA 数据计算得出的。定义了建筑高度的不透水性、平均值和 QCD 阈值（平均高度：3；QCD：0.6；平均 ISA：0.75），将全球城市分为六种类型，主要基于每个特征的数据分布。
2.4. 预测
提出将城市面积乘以高度得到的城市建筑量可视为城市建筑基础设施的替代指标。我们计算了每个网格中的城市建筑基础设施，并将每个国家的所有像素加起来。每个国家的累计人口百分比和人均基础设施是使用世界银行的人口记录计算的。
计算了城市建成基础设施不平等指数，该指数可以衡量全球南北 119 个国家（2015 年城市边界数据划定的城市区域总数大于 10 个）基础设施空间不平等程度：
I是不平等指数，范围从 0（最低不平等）到 1（最高不平等），并μ和σ分别是每个地理区域受上限约束的建成基础设施分布的平均值和标准差。该指数考察区域间异质性如何随受上限约束的基础设施分布的总体平均值而变化
3. 结果
3.1. 全球城市建筑高度图集
全球城市建筑高度图集提供了从二维到三维描绘全球城市形态的关键信息。总体而言，城市地区以低密度和扩张性开发为主，城市建筑高度较低。不同城市和地区的建筑高度存在很大的空间差异。垂直度高的城市主要位于东亚和西欧。城市总面积最大的两个国家——美国和中国，其建筑高度模式截然不同。中国的平均建筑高度是美国的两倍。
评估了城市密度（即不渗透性）和建筑高度（即城市内的平均值和变化），并将全球城市分为六类。上述六种城市类型中，部分城市呈现出地理聚集性，如美国南大西洋地区城市密度低，建筑高度低且均质化，而东亚地区城市则以高层建筑为主，密度不高。
图1：( A ) 根据卫星观测得出的全球城市建筑高度。条形的颜色和高度代表每个 500 米网格中的建筑高度。( B ) 根据密度（不渗透性）和建筑高度（平均值和变化）将面积大于 100 平方公里的城市分为六种类型。这六种城市类型分别是 (1) 稀疏且均匀低，(2) 密集且均匀低，(3) 稀疏且异质低，(4) 密集且异质低，(5) 稀疏且均匀高，以及 (6) 密集且均匀高。
3.2. 高空间分辨率的建筑高度信息
由于城市内部的建筑高度差异很大，因此仍然需要高空间分辨率的建筑高度信息。大多数城市的市中心都有明显的建筑高度峰值，从中心向周边地区逐渐下降。但也有一些拥有多个市中心的城市（例如南非的开普敦和印度的新德里），其建筑高度峰值不止一个。
图2：图 1B中六种城市形态的代表性城市的 3-D 视图。无表示该大陆没有这样的城市群。
3.3. 全球南方城市建成基础设施存在巨大差距
世界上最富有的国家对全球城市建成基础设施总量的贡献不成比例（图 3）。全球北方共有 45 个国家，总人口约占全球 16%，但其全球城市建成基础设施数量几乎与全球南方 114 个国家相当，后者占全球人口约 74%。城市建成基础设施数量最多的三个国家是中国、美国和日本，这三个国家合计占全球总量的约 50%。总体而言，全球北方有更多的国家（例如美国、日本、俄罗斯、德国、法国、意大利），每个国家对全球总建成基础设施的贡献都超过 2%。
图3：全球北半球和南半球城市建成基础设施的份额。全球北半球共有 45 个国家，南半球共有 114 个国家，它们在全球建成基础设施中所占的百分比大致相当。图中显示了国家名称及其所占份额。
3.4. 全球南方城市建成基础设施存在巨大差距
各国人均建成基础设施存在巨大差异，北半球和南半球的人均城市基础设施可用性差距极大。尽管中国等一些国家的城市建成基础设施总量很大，但人均水平与北半球相比仍然低得多。
图4：( A ) 各国人均城市建成基础设施。红色、绿色和蓝色虚线分别代表北半球（N；人均 300 立方米）、南半球（S；人均 108 立方米）和所有（人均 163 立方米）国家的平均值。条宽代表每个国家人口占比。颜色代表每个国家的人均 GDP。红点表示北半球国家。( B ) 南半球和北半球人均建成基础设施。( C ) 南半球和北半球人均 GDP 与建成基础设施之间的关系。( D ) 人均建成基础设施地图。地图中的绿色边界表示南半球国家。
全球北方国家人均基础设施的巨大差异表明，在人均基础设施水平较低的情况下，城市发展水平也可能较高。此外，几乎所有非洲国家的人均基础设施水平都低于全球南方国家的其他国家，平均为 47 立方米。此外，结果显示人均 GDP 与人均城市基础设施之间存在显著而强烈的关联。
3.5. 全球南方城市建成基础设施存在巨大差距
我们发现大多数国家的城市建成基础设施存在很大不平等，但与全球北方相比，全球南方国家的不平等最大。总体而言，全球南方国家（平均值：0.58）的建成基础设施不平等程度高于全球北方国家（平均值：0.49）
然而，全球南北之间建成基础设施不平等的差异小于人均建成基础设施的差异。此外，与人均基础设施类似，非洲国家的不平等程度与全球南方其他国家相比更大。非洲和亚洲有相当多的国家不平等指数极高，超过 0.6。
然而，与人均城市基础设施不同，结果显示基础设施不平等与人均 GDP 之间没有显著关联，这意味着经济发展本身可能无法解决基础设施不平等问题。这证实了其他近期研究的结果。
图5：( A ) 各国城市基础设施建设的不平等。红色、绿色和蓝色虚线分别为北半球国家 (N；0.49)、南半球国家 (S；0.58) 和所有国家 (0.55) 的平均值。条形宽度代表每个国家的人口份额。颜色代表每个国家人均 GDP。红点表示北半球国家。( B ) 南半球和北半球国家基础设施的不平等。( C ) 根据平均值得出的南半球和北半球国家基础设施的不平等和 SD 受 95% 分位数上限约束的建成基础设施分布。( D ) 人均 GDP 与基础设施不平等之间的关系。( E ) 基础设施不平等地图。地图中的绿色边界表示全球南方国家。
3.6. 全球城市建筑高度的意义
全球建筑高度地图集对能源使用和减缓气候变化具有重要意义。例如，城市交通相关的能源消耗尤为重要，因为它在总能源使用中占很大比重，并且具有减缓气候变化的潜力。较高的人口密度与较低的车辆行驶里程和能源消耗相关。与人口密度相比，建筑高度提供了更直接、时空一致的城市形态测量方法，而人口密度通常需要从区域级数据中进行降尺度处理
发现城市的平均建筑高度与交通相关能源消耗呈负相关。与垂直度更高的城市相比，建筑高度较低的城市交通相关能源消耗更高。这表明，降低交通能源消耗的策略可以通过战略性垂直增长来实现，这种增长使更多人更接近工作地点。然而，必须考虑较低的运输能耗和建造及运营高层建筑所需的更高的材料和能源强度之间的权衡。
图6：交通运输相关能源消耗与城市平均建筑高度（m）。水平实线表示城市建筑高度第一分位数和第三分位数的范围。虚线为平均高度与人均能源消耗之间的拟合非线性回归曲线。Q，分位数；Std，标准差。
4. 结论
● 土地使用限制和交通基础设施及政策是建筑高度背后最重要的因素之一。东亚的建筑高度通常高于北美和欧洲，而大多数美国城市相对较低的人口密度反映出城市建筑高度较低。
● 与几十年前就开始进行城市化转型的国家相比，近几十年经历了显著城市化的国家的建筑高度通常更高。此外，亚洲和欧洲的城市高度较高与有限的土地资源和高昂的地价有关
● 南半球人均建成基础设施的巨大差距表明，如果填补这一差距，全球对材料的需求将大幅增加，而内涵能源和温室气体排放也将增加。研究结果还表明，随着经济发展，对基础设施的需求将不断增加。即使假设人口不增长，也需要超过当前全球建成基础设施总量来弥补基础设施缺口。
● 全球范围内城市建成基础设施的巨大不平等意味着可持续发展面临着巨大的挑战，全球南方国家面临的挑战最大，基础设施不平等现象更为严重，尤其是非洲国家。由于经济发展本身不会减少基础设施不平等，因此需要其他努力和策略来减少城市建成基础设施不平等。
● 城市内建筑高度变化的信息对推动城市气候和能源使用建模等研究具有重要潜力。室外通风会受到建筑物高度变化的影响。网格化建筑高度也是估算其他重要城市表面参数（如粗糙度）的关键输入，这些参数会显著影响城市大气环境。
● 建筑高度图集还为估算和预测建筑能耗及相关排放提供了独特信息。建筑高度信息可以显著改善建筑建筑面积的量化，而建筑建筑面积是建模建筑体现能耗和运营能耗的最重要因素之一。
● 全球城市建筑高度和基础设施数据集还可以支持城市缩放和绘制人口分布和动态，城市基础设施体积随人口增长的速度比城市范围的增长速度更快。对三维城市建筑基础设施的一致测量可以提供更全面的城市指标来研究城市规模的幂律缩放关系。
● 建筑高度还可以提高我们将国家人口缩小到更精细的空间尺度的能力。与仅考虑二维城市区域（例如夜间灯光）的传统方法相比，建筑高度可以区分具有相似城市范围和人类活动的网格中的人口。
原文链接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2214813119
Zhou, Yuyu, et al. "Satellite mapping of urban built-up heights reveals extreme infrastructure gaps and inequalities in the Global South." Proceedings of the National Academy of Sciences 119.46 (2022): e2214813119.
本文编辑 | 胡瑾瑜 南京林业大学风景园林专业
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