基于三维城市扩张视角的城市空间绿色利用效率评估

《Journal of Environmental Management》：Assessment of Urban Space Green Use Efficiency based on the three-dimensional urban sprawl perspective

三维视角下城市空间绿色利用效率评估及驱动因素研究，通过构建包含效率测算、时空演变分析和影响因素识别的完整框架，利用超效率SBM模型和地理探测器模型，对比二维建成区面积与三维建筑体量指标对274个中国地级市空间利用效率评估的差异，揭示自然地形、城市活力和土地开发水平对效率的主导影响，提出垂直空间优化与水平扩张协同的政策建议。

　　城市空间的合理高效利用是应对土地资源有限性的重要策略。以往的研究多采用二维视角框架，而我们首次引入了三维视角指标——城市建筑体积，以更细致地刻画城市扩张在效率评估中的表现。本研究选取了中国274个地级市作为案例，利用高分辨率建筑高度数据和经济社会数据验证了这一新概念。完整的研究框架包括城市空间绿色使用效率（USGUE）的评估、空间差异驱动因素的识别以及影响因素的重要性分析。基于超级效率基于epsilon的测量模型（Super-EBM）的松弛分析，我们比较了“二维”和“三维”空间输入对效率分析的影响。研究结果表明，三维扩张表现出与二维扩张不同的趋势。城市建筑体积在量化效率差异方面优于建成区面积。与城市建成土地发展水平、城市活力和自然地形特征相关的变量是USGUE的主要驱动和影响因素。值得注意的是，与其它城市相比，中部和东北部城市虽然建成区面积相似，但建筑高度和USGUE相对较低。充分关注水平扩张与垂直发展的协调，将有效提升USGUE并提高城市化质量。

城市作为复杂且动态的人类聚居地，具有高密度的人口、经济活动和基础设施（Harris and Ullman, 1945; Marcotullio and Solecki, 2013）。城市为人类生产力和日常生活提供关键的空间支持，构成了人类活动的基础（Scott and Storper, 2015）。国际间的城市发展存在显著差异，这些差异受到社会经济因素和自然地理条件的影响。根据联合国土统计局的统计，2022年全球人口超过101万的城市数量为512个，预计到2030年将达到662个，覆盖全球超过50%的人口居住在城市区域（UN, 2022）。在全球发展过程中，城市的重要性因此被凸显，并带来了前所未有的社会、经济、环境和生物多样性挑战与机遇（Koroso et al., 2021; Liu et al., 2020b）。

全球城市化进程伴随着人类对自然环境的转变和适应（Tian et al., 2022）。城市化包括土地利用类型的转变、旧建筑拆除重建带来的城市更新，以及城市景观的变化，如城市扩张和高层建筑（Roberts, 2000; Xu et al., 2020）。总体来看，全球建成区面积自1975年至2015年已翻倍（Estoque et al., 2021; Sun et al., 2024）。Shi等人报告称，全球城市面积从2000年的157,733平方公里迅速增加到2020年的470,632平方公里，全球、大陆和国家层面的城市扩张程度各不相同（Shi et al., 2023a）。预计到2030年，全球城市面积将达到120万平方公里，超过人口增长的速度。因此，最近的全球城市扩张呈现出坡度上升的趋势，城市从平坦地区向崎岖和未开发地区扩展，主要受到土地资源有限性的驱动（Shi et al., 2023b）。

关于可持续发展目标（SDG）指标11.3.1，以及不同国家的城市发展水平和城市化情况，合理利用土地和提升效率至关重要（Jiang et al., 2022a; Koroso and Zevenbergen, 2024; Koroso et al., 2020）。中国在全球范围内经历了最快的人口增长和最大的建成区面积增加。从2012年到2023年，中国的城市化率从53.10%增长至66.16%。到2022年，中国的城市居民人口达到9.2亿，全国建成区面积为62,420.53平方公里，共有297个地级市，数量为全球之最。尤其是在近年来，中国的“新城市化”和“功能分区战略”等政策强调可持续、低碳的城市发展（Xu et al., 2024a）。因此，中国成为评估在生态和环境约束下城市空间利用效率的有价值的案例（He and Zhou, 2024; Su et al., 2024b）。这有助于提供独特的见解，以识别全球城市化趋势并探索可持续城市发展的路径（Wei et al., 2023a）。

城市化对居民的环境和生态影响是重要的关注领域（Chen et al., 2022b）。城市区域对环境变化有显著贡献，例如气候变化和生态系统破坏（De Vos et al., 2024; Frolking et al., 2024; Wei et al., 2023b）。尽管城市区域仅占地球陆地表面的不到3%，但它们却承担了近80%的温室气体排放，并消耗了全球约75%的能量（Zhong et al., 2023）。城市化被广泛认为是耕地流失、生态系统退化和物种灭绝的主要驱动因素（Bolund and Hunhammar, 1999; Li et al., 2022; Tu et al., 2021）。高密度不透水表面导致蒸发量减少和温度上升，加剧了城市热岛效应（Liu et al., 2021）。不足的人为规划城市绿地、水体和通风走廊，会加重热环境威胁。各大洲的不同城市在城市化过程中都面临类似挑战（Hu et al., 2024; Zhong et al., 2023）。此外，城市活动产生的温室气体排放、工业废弃物和颗粒物会阻碍高质量发展（Schneider et al., 2010）。这强调了对现有城市土地利用效率的关注。所谓“城市土地绿色利用”强调对现有城市土地的集约利用，控制不透水表面的扩展，力求增加城市的有益产出并减少不良产出（Li et al., 2024; Tan et al., 2021）。也就是说，基于利用城市土地的多因素输入和输出进行综合考虑，可以实现对城市之间差异的比较。

目前，许多研究评估了城市土地利用效率（ULUE）或城市土地绿色利用效率（ULGUE）（Liao et al., 2023; Lu et al., 2018; Ma et al., 2024b; Xue et al., 2022）。无论单一指标只考虑单位面积的经济产出，还是一个结合多种输入和输出的复杂系统，现有的土地要素指标都是单一且同质化的。大多数研究仅从二维视角考虑建成区作为土地输入，这种做法无法充分捕捉空间利用的差异。尽管有部分研究关注了不同尺度下的城市建筑高度、体积、城乡梯度和景观格局指数（Huang et al., 2022; Li et al., 2023b; Ruan et al., 2022; Zhang et al., 2022），但据我们所知，目前尚无研究将三维土地输入纳入评估USGUE的框架中。不同的数据输入会直接影响效率评估的结果，尤其是城市建成区扩展和建筑体积变化的趋势在不同城市之间并不一致。从二维视角评估的ULUE或ULGUE可能会低估或高估不同发展阶段城市的真实空间效率值，进而影响政策制定和治理措施的实施。城市空间的变化连接了二维的城市扩张与三维度的建筑高度增加，避免了对关键特征如建筑高度增加的忽视。三维城市空间输入，即建筑体积，可以比二维建成区面积更直接地描述城市化进程。在同一建成区面积下，维持相对较高建筑高度的城市具有更大的容积率，能够承载更多的社会经济发展。在严格的市区发展边界内提升内部空间效率，有助于产业升级和绿色、低碳增长（Zhou and Lu, 2023）。在方法论上，现有的研究大多采用计量经济学方法来识别ULGUE的影响因素。然而，USGUE的影响因素可能涉及社会经济和自然因素以及复杂的非线性关系，这强调了使用机器学习方法的必要性。地理探测器模型主要处理空间差异因素，但其在不同离散化和分级方法上的应用仍存在局限（Xue et al., 2022）。现有的研究框架需要一个完整的范式，以考虑如何筛选适当的驱动和影响因素。

为了解决这些研究空白，我们提出了USGUE的概念，将传统的城市建成区土地输入替换为城市空间输入。我们选择中国，这一快速城市化的地区，作为案例研究，并构建了一个包括效率评估、时空变化分析和驱动因素识别的研究框架。利用超级效率基于epsilon的测量模型（Super-EBM），我们对274个中国地级市进行了USGUE评估。在空间分析之后，我们使用基于最优参数的地理探测器（OPGD）和极端梯度提升（XGBoost）模型来研究USGUE的驱动因素。我们对USGUE与传统ULGUE之间的相似性和差异性进行了深入分析，并试图揭示我们提出的三维指标的优势。本研究回答了三个主要问题：（1）基于USGUE概念，一个完整的研究框架应包含哪些必要元素？（2）从三维视角来看，USGUE是否比传统研究中的二维视角ULGUE表现更好？（3）使用中国的三维城市化特征作为案例研究，有哪些必要的政策启示？我们提出的研究视角有助于在全球范围内测量和识别可持续城市空间利用的路径。