清華新聞網(wǎng)6月17日電 6月11日,，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系宮鵬教授研究組聯(lián)合國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)在《環(huán)境研究快報(bào)》(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(duì)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(jìn)程,。當(dāng)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(yù)計(jì)在未來將會(huì)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(duì)當(dāng)?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(píng)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(duì)于城市發(fā)展和生態(tài)保護(hù)愈發(fā)重要,。但目前這類數(shù)據(jù)特別是多時(shí)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(guān)的數(shù)據(jù)集,。針對(duì)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(shí)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(dòng)地根據(jù)不透水面的分布進(jìn)行劃定,。得到的邊界數(shù)據(jù)是評(píng)價(jià)城市生態(tài)環(huán)境和建成區(qū)構(gòu)成的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)單元,。同時(shí)，作為全球城市研究的重要基礎(chǔ)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(biāo)的相關(guān)研究,，為全球城市科學(xué)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(duì)比,。左圖(a)是兩套數(shù)據(jù)在沈陽地區(qū)的多期結(jié)果對(duì)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(shí)序的GAIA數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，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(diǎn)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(kuò)張算法，疊加上邊界地區(qū)的形態(tài)學(xué)處理,，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(tái)進(jìn)行開發(fā),，繪制了全球多時(shí)相的城市邊界數(shù)據(jù),。通過對(duì)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(shí)現(xiàn)全球范圍的快速制圖和多時(shí)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(shí)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(gè)全球代表性城市的邊界結(jié)果（2018年）
通過分析GUB多時(shí)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(guān)的附屬類型（例如綠地和水體等）,。研究人員進(jìn)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(gè)激增到1000多個(gè),，呈現(xiàn)出明顯的城市化進(jìn)程,。同時(shí)，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(dá)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(dá)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(xué)博士畢業(yè)生,、美國愛荷華州立大學(xué)博士后李雪草為論文第一作者，清華大學(xué)地學(xué)教授宮鵬,、美國愛荷華州立大學(xué)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(jī)構(gòu)參與了論文的研究工作，包括清華大學(xué)中國新型城鎮(zhèn)化研究院健康城市研究中心,、清華大學(xué)中國城市研究院,、北京師范大學(xué)、中山大學(xué),、華東師范大學(xué),、北京城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、美國加州大學(xué)戴維斯分校,、美國地質(zhì)勘探局（USGS）和Google等相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究人員,。該研究得到了清華大學(xué)Delos Living LLC項(xiàng)目和唐仲英基金會(huì)、愛荷華州立大學(xué)以及國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)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(xué)系
編輯：李華山
審核：程曦
