导语

为了有效地评估城市形态对环境、经济和人类福祉的影响，掌握全球城市基础设施建设的信息至关重要。近日，PNAS 发表的一项研究根据地面探测卫星的数据，得到了500米分辨率的2015 年全球城市建成高度数据集，并揭示了大陆、国家和城市层面建成高度的巨大空间差异和不平等现象。结果显示，一些发达国家的人均城市已建基础设施比发展中国家高出30多倍。该研究有助于人们更好地理解城市化对建筑材料需求、能源使用和城市发展强度的影响，揭示了发展中国家为实现可持续发展目标所需的基础设施需求规模。

关键词：城市科学，可持续发展

论文题目：

Satellite mapping of urban built-up heights reveals extreme infrastructure gaps and inequalities in the Global South

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2214813119

1. 三维建成高度数据助力城市发展研究

评估基础设施不公平性对于理解不同地区和国家的城市异质性发展模式至关重要。一般来说，城市形态特征包括二维城市面积、密度和三维城市建成高度。目前，已有不少学者利用夜间灯光等多源数据刻画城市二维特征，而缺少足够的城市建成高度信息帮助人们更好地理解城市能源使用、温室气体排放等实际问题。因此，研究者基于500米分辨率的Sentinel-1地面范围探测数据（Ground Range Detected , GRD）评估全球城市建成高度，获得的全球城市建成高度数据集有利于人们深入认识城市活动如何改变地球，揭示城市基础设施的空间不平等，并辅助开展能源和气候研究。

2. 通过城市密度和建成高度分析城市形态

全球城市建成高度数据集为描述城市形态提供了关键信息（见图1）。总的来说，城市地区以低密度和扩张性发展为主，城市建成高度较低。不同城市和地区之间的建成高度展示出了巨大的空间差异，建成高度偏高的城市主要分布在东亚和西欧。另外，即使城市规模相似，城市建成高度模式也会各不相同。例如中国和美国国土面积相近，中国城市的平均建成高度是美国的两倍，这也侧面反映城市容纳人口的能力不同。

图1. 从卫星观测数据得出的全球城市建成高度。条形图的颜色和高度代表每个500米网格中的建成高度。

研究基于城市建筑密度和建成高度（平均值和方差）将所有城市归为六大类，分别为密度小且高度均匀地偏低、密度大且高度均匀地偏低，密度小且高度不均匀地偏低、密度大且高度不均匀地偏低，密度小且高度均匀地偏高和密度大且高度均匀地高，分别对应图2坐标系中的（1）至（6）。部分类别中呈现出地理空间上的聚类（见图2）。例如，美国南大西洋地区以低密度的城市为主，建成高度低且均匀，而东亚的城市主要是高楼，但密度不大。

图2. 根据密度和建成高度（平均值和方差），将面积大于100平方公里的城市的城市形态分为六类。

全球南北方国家的基础设施建设差距巨大

该研究主要探讨全球北方国家（Global North，发达国家）和全球南方国家（Global South，发展中国家）之间的基础设施建设差异和不公平性（以下均简称为北方国家或南方国家）。研究表明，全球最发达的国家的人口量与其对全球建成基础设施总量的贡献量不成比例（见图3）。占全球人口16%的北方国家（45个）与占全球人口74%的南方国家（114个）拥有的城市基础设施数量几乎相等。中国、美国和日本这三个国家的城市基础设施建设规模最大，其总量占全球总量的50%。北方国家阵营中有更多国家（如美国、日本、俄罗斯等）对全球已建基础设施总量的贡献超过2%。

图3. 全球北方国家和南方国家城市的已建成基础设施占比。

尽管中国等一些国家的城市建设基础设施总量很大，但与北方国家相比，人均水平仍然相当低。由图4可以看出，全球90%的人口的人均基础设施水平低于北方国家的平均水平，北方的人均城市建成基础设施约为南方国家的3倍。研究还表明，人均GDP和人均城市基础设施之间存在显著且强烈的关联。此外，几乎所有非洲国家的人均基础设施水平均低于其他南方国家。

图4.

(A)各国人均城市建成区基础设施情况。红、绿、蓝虚线是北方国家、南方国家和所有国家的平均水平。条形宽度代表每个国家的人口占比，颜色反映每个国家的人均GDP，红点表示北方国家。(B)南、北方国家的人均建成基础设施量。(C)南、北方国家人均GDP与建成基础设施的关系。(D)人均建成基础设施分布图。

全球南北方国家的基础设施建设严重不平等

研究还评估了各城市内部基础设施空间不平等水平。结果发现，大多数国家的城市建成区基础设施均存在不平等现象，但与北方国家（平均值为0.49）相比，南方国家的不平等程度（平均值为0.58）更大（图5A、B）。然而，南、北国家各城市之间的建成区基础设施不平等的差异小于人均建成区基础设施不平等的差异。此外，非洲国家的不平等与其他南方国家相比更大（见图5E），许多非洲和亚洲国家的不平等指数都在0.6以上。但与城市人均基础设施不同，研究结果显示基础设施不平等与人均GDP之间没有显著关联（见图5D），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。

图5.

(A)各国城市建设基础设施的不平等。红、绿、蓝虚线是北方国家、南方国家和所有国家的平均水平。条形宽度代表每个国家的人口占比，颜色代表每个国家的人均GDP，红点表示北方国家。(B) 南、北方国家的基础设施不平等。(C)不同的不平等性衡量参数情况下，南、北方国家的基础设施不平等。(D)人均GDP与基础设施不平等的关系。(E)基础设施不平等地图。

3. 城市建成高度信息帮助促进可持续发展

根据该研究研发的全球城市建成高度数据集显示，与全球平均水平相比，发展中国家的人均城市建成基础设施存在极大差距。若与发达国家的平均水平相比，差距甚至更大，一些发达国家的人均城市已建基础设施比发展中国家高出了30多倍。用不平等指数衡量城市已建基础设施的不平等，该指标在大多数国家中都偏高，但发展中国家的指标结果却更高。

全球城市基础设施建设的巨大不平等意味着可持续发展将面临巨大挑战，因为基础设施直接或间接地影响了联合国可持续发展规划72%的目标。该研究虽揭示了全球基础设施不平等问题，但仍需要进一步探索能缓解不平等现象的高效方法。

另外，城市建成高度信息对于推进城市气候和能源建模工作有巨大潜力。该信息可以显著改进建筑面积的量化，进而优化建筑实体和能耗建模。高层建筑比低层建筑往往要消耗更多能量，并向大气中释放更多人为热通量。准确估算建筑人为热通量有利于更好地理解建筑对城市气候的贡献，进一步促进可持续发展。