清華新聞網(wǎng)6月17日電 6月11日，清華大學地球系統(tǒng)科學系宮鵬教授研究組聯(lián)合國內(nèi)外多家研究機構在《環(huán)境研究快報》(Environmental Research Letter)上發(fā)表題為“基于全球人造不透水面GAIA的全球城市邊界制圖”（Mapping global urban boundaries from the global artificial impervious area (GAIA) data）的論文，對外發(fā)布了全球1990、1995、2000、2005、2010、2015和2018年的全球城市邊界數(shù)據(jù)集。
過去30年來，全球經(jīng)歷了空前的城市化進程。當前，全球城市人口已經(jīng)超過了農(nóng)村，且城市人口的比例預計在未來將會繼續(xù)增加。這些新增的城市人口將主要集中在發(fā)展中國家和區(qū)域（例如東亞和非洲），對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展提出了新挑戰(zhàn)。評估城市建成區(qū)和周邊生態(tài)環(huán)境依賴于空間顯性的城市區(qū)域范圍，對于城市發(fā)展和生態(tài)保護愈發(fā)重要。但目前這類數(shù)據(jù)特別是多時相數(shù)據(jù)的獲取仍然以人工目視解譯為主，缺乏在區(qū)域和全球尺度上較為一致的制圖方法和相關的數(shù)據(jù)集。針對這一問題，宮鵬研究組發(fā)起基于已開發(fā)的全球高分辨率（30米）人造不透水面制圖產(chǎn)品(Global Artificial Impervious Area-GAIA)提取多時相（1990、1995、2000、2005、2010、2015和2018年）的全球城市邊界（Global Urban Boundary-GUB）數(shù)據(jù)集的研究。GUB數(shù)據(jù)集采用全球一致的邊界定義和繪制方法，通過算法能自動地根據(jù)不透水面的分布進行劃定。得到的邊界數(shù)據(jù)是評價城市生態(tài)環(huán)境和建成區(qū)構成的重要基礎數(shù)據(jù)和評價單元。同時，作為全球城市研究的重要基礎數(shù)據(jù)，GUB數(shù)據(jù)能夠支持聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標的相關研究，為全球城市科學發(fā)展提供決策支持。
圖1 本研究獲取的城市邊界與人工解譯結(jié)果對比。左圖(a)是兩套數(shù)據(jù)在沈陽地區(qū)的多期結(jié)果對比圖；右圖(b)是在左圖城鄉(xiāng)交界處的放大結(jié)果。
GUB數(shù)據(jù)集以長時序的GAIA數(shù)據(jù)為基礎，包括了全球所有面積超過1平方公里的城市及周邊居民點的邊界。其算法內(nèi)涵是結(jié)合宏觀尺度的核密度分析和微觀尺度的鄰域擴張算法，疊加上邊界地區(qū)的形態(tài)學處理，實現(xiàn)自動地劃定城市的空間范圍和輪廓。該數(shù)據(jù)集主要借助谷歌地球引擎（Google Earth Engine）平臺進行開發(fā)，繪制了全球多時相的城市邊界數(shù)據(jù)。通過對比人工解譯的結(jié)果，GUB數(shù)據(jù)集能夠很好地捕獲到城鄉(xiāng)邊緣地區(qū)的輪廓特征，并且可以實現(xiàn)全球范圍的快速制圖和多時相結(jié)果更新，從而大大降低了人工解譯城市邊界的人力成本和定義的主觀性。該算法具有較好的魯棒性，能同時很好地刻畫大城市和小城市的輪廓特征。在國家尺度上，基于GUB城市邊界數(shù)據(jù)得到的城市大小與人工解譯數(shù)據(jù)較為接近，證明了算法在推廣到全球和多期制圖的可行性。
圖2 選取的8個全球代表性城市的邊界結(jié)果（2018年）
通過分析GUB多時相城市邊界數(shù)據(jù)，研究人員可以獲取城市的面積，包括了城市內(nèi)部的不透水面及相關的附屬類型（例如綠地和水體等）。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，目前全球超過1000平方公里的城市邊界主要集中在北美、歐洲、以及中國和日本的沿海城市。從1990年到2018年，全球面積超過1000平方公里的城市從400個激增到1000多個，呈現(xiàn)出明顯的城市化進程。同時，在全球尺度上，研究成果顯示城市邊界內(nèi)的不透水面占城市面積的比例從1990年的53%增加到了2018年的60%，說明全球城市不透水面的增長變得更加集約。分析發(fā)現(xiàn)，美國的城市面積是中國的1.2倍，但是人均城市面積卻是中國的近3倍。由于高密度的人口分布，日本是城市邊界內(nèi)部不透水面占比最高的區(qū)域（約為70%）。
圖3 (a)全球城市邊界面積超過100平方公里的城市分布（2018年）；(b)多期城市面積-大小排序曲線，小圖代表著多期排名前10的城市面積-大小排序。
可以看到，1990年全球排名前10的城市群主要包括洛杉磯（美國）、達拉斯（美國）、東京（日本）、芝加哥（美國）、約翰內(nèi)斯堡（南非）、邁阿密（美國）、底特律（美國）、紐約（美國）、舊金山灣區(qū)（美國）、西雅圖（美國）。到2018年，全球排名前10的城市群主要包括珠三角區(qū)域（中國）、洛杉磯（美國）、除上海外的長三角地區(qū)（中國）、芝加哥（美國）、達拉斯（美國）、休斯頓（美國）、北京（中國）、約翰內(nèi)斯堡（南非）、紐約（美國）和上海（中國）。
清華大學博士畢業(yè)生、美國愛荷華州立大學博士后李雪草為論文第一作者，清華大學地學教授宮鵬、美國愛荷華州立大學副教授周宇宇為論文通訊作者。國內(nèi)外多家合作組織和機構參與了論文的研究工作，包括清華大學中國新型城鎮(zhèn)化研究院健康城市研究中心、清華大學中國城市研究院、北京師范大學、中山大學、華東師范大學、北京城市規(guī)劃設計研究院、美國加州大學戴維斯分校、美國地質(zhì)勘探局（USGS）和Google等相關機構的研究人員。該研究得到了清華大學Delos Living LLC項目和唐仲英基金會、愛荷華州立大學以及國家重點研發(fā)項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab9be3
數(shù)據(jù)網(wǎng)址：http://data.ess.tsinghua.edu.cn/
供稿：地學系
編輯：李華山
審核：程曦
