全球7000多个城市的长期城市扩张差异：结合二维城市区域与三维城市建筑体积的分析视角

《Environmental Impact Assessment Review》：Disparities of long term urban expansion over 7000 cities globally: Insights combining two-dimensional urban area and the three-dimensional urban building volume

定量评估全球7617个城市1990-2020年二维及三维城市扩张，揭示人口校准的扩张模式与驱动差异。研究构建2D-UEI和3D-UEI指标，发现74.3%城市扩张率超人口增长，南亚三维扩张最快，人口因素主导二维扩张而基础设施影响三维扩张，为可持续城市发展提供新依据。

　　城市扩张是全球城市化进程中的重要组成部分，其动态变化对于提升土地利用效率、优化城市规划具有深远影响。然而，由于缺乏连续性的全球三维建筑数据，我们对城市扩张长期动态的理解仍然存在局限。本研究提出了一种基于人口校准的分析框架，用于量化全球范围内7617个城市自1990年至2020年的二维和三维城市增长，填补了对全球城市三维扩张长期动态研究的知识空白。通过构建两个指标（2D-UEI和3D-UEI），我们运用分类和聚类验证方法，探索了全球不同地区主导的城市扩张类型。随后，我们开发了一套涵盖城市基础设施、社会经济状况以及生物物理条件的综合因素，并采用XGBoost-SHAP模型揭示了二维和三维城市扩张的驱动因素之间的差异。研究结果表明，在过去的三十年中，二维和三维城市扩张的速度均超过了人口增长，其中5567个城市（占所有城市的74.3%）经历了不同程度的扩张。从1990年至2020年，全球城市扩张呈现出“缓慢增长—加速扩张—随后减缓”的模式，城市面积、建筑体积和人口分别增长了76.8%、87.7%和51.7%。在不同地区中，南亚的城市扩张速度最高（2D-UEI=1.48；3D-UEI=1.27），而撒哈拉以南非洲则经历了最高的人口增长。在城市扩张类型方面，受二维和三维扩张主导的城市分别占总城市的32.8%和30.3%。此外，基于SHAP的分析表明，二维扩张主要由人口因素驱动，而三维增长则更多受到城市基础设施的影响。全球范围内二维和三维城市扩张之间的微妙差异，可以为推动城市形态转型和资源利用效率提供依据。

城市扩张是全球城市化进程中不可忽视的现象，其不仅体现在城市面积的扩展，还涉及建筑高度的增加，进而对社会经济条件和自然环境产生深远影响。城市扩张模式的变化，往往反映了城市发展的不同阶段和不同区域的特征。例如，在过去三十年中，全球范围内的城市扩张呈现出明显的加速趋势，但近年来又逐渐趋于平稳。这一变化趋势的背后，既有自然条件的限制，也与社会经济因素、政府政策密切相关。在一些快速发展的地区，城市扩张主要表现为向外扩展，而在另一些地区，城市则更倾向于向垂直方向发展，即通过增加建筑高度来拓展城市空间。这种趋势的变化不仅影响了城市的空间结构，也对城市生态环境、交通状况、能源消耗等方面产生了连锁反应。

城市扩张的三维结构是衡量城市垂直发展水平的重要指标，它不仅反映了城市空间利用的效率，还对城市的社会经济条件和自然环境产生深远影响。通过调整建筑高度、密度和表面材料，三维城市扩张能够显著改变城市内部的局部气候，从而影响城市热岛效应的强度。此外，三维城市扩张还能有效提升垂直空间的利用效率，控制城市无序扩张。然而，复杂的三维建筑结构也可能导致阳光照射不足，加剧交通拥堵等问题。因此，重新审视和分析不同地区城市扩张的模式，尤其是在三维空间中的表现，对于提升城市空间利用效率、探究其生态和环境影响具有重要意义。

在城市扩张的研究中，学者们通常从扩张模式、驱动因素以及环境影响三个方面进行探讨。现有的研究涵盖了不同空间尺度和时间范围内的城市扩张分析，重点关注二维水平扩张和三维城市增长。例如，Chakraborty等人（2022）指出，在1985年至2015年间，全球北方的城市主要通过填满发展进行扩张，而全球南方的城市则呈现出向外扩张的趋势。Huang和Xu（2022）则基于30米分辨率的年度不透水地表数据，量化了全球城市扩张的动态特征，并发现中国和印度的城市扩张速度显著高于其他国家。近年来，随着遥感技术的发展，越来越多的研究开始关注三维城市扩张的驱动因素和其对环境的影响。例如，Liu等人（2024）融合了多源遥感数据和SAR微波后向散射观测，构建了2015年全球城市结构（GUS-3D）数据集。Frolking等人（2024）则利用ERS、QuikSCAT和ASCAT卫星的微波后向散射观测，构建了全球城市时间序列数据集。此外，Esch等人（2022）采用WSF 3D方法和最新的Sentinel-2卫星影像，开发了全球三维建筑库存数据集。在区域尺度上，Frantz等人（2021）结合支持向量机模型和Sentinel-1与Sentinel-2影像，绘制了德国10米分辨率的建筑高度地图。Wu等人（2023）则应用多源地球观测数据和机器学习技术，构建了中国首个10米分辨率的建筑高度数据集。Tang等人（2025）整合了ICESat-2与多种卫星数据，估算出纽约市和深圳的建筑高度。Domingo等人（2023）结合西班牙四个城市的地籍数据和激光雷达测量，分析了1965年至2015年间城市结构的水平和垂直变化。此外，一些组织和商业公司也发布了大规模的三维城市数据集，如Google Earth、Microsoft Building Footprints、CityGML和OpenStreetMap（Gr?ger和Plümer，2012；He等人，2023b）。然而，由于早期遥感技术的限制，大多数现有的全球三维城市建筑数据集仅从2010年开始。自1990年代以来，长期的三维城市结构时间序列数据相对有限，这导致了我们对城市扩张在二维和三维视角下的时空动态变化理解存在一定的空白。

可持续发展目标（SDG）11强调，缓解城市空间不平等是推动可持续城市发展的关键。然而，目前不同地区之间城市扩张与人口增长之间仍存在显著的不匹配现象。现有的研究通常基于城市扩张面积或建筑体积增长速率，计算单位人口的城市土地或建筑体积的变化。例如，Zhou等人（2022）发现，全球南方的城市建筑体积人均增长远低于世界平均水平。Li等人（2022a）则分析了全球75,102个高人口密度区域的人均建成区面积变化趋势。然而，目前缺乏一个能够直接量化人口校准的城市扩张过程的指标，能够反映城市扩张与人口增长之间的关系。因此，提出一个基于人口校准的城市扩张指标，将二维城市扩张、三维城市扩张和人口增长纳入统一的分析框架，具有重要意义。

在城市扩张的驱动因素方面，现有研究发现，二维城市扩张通常与自然条件、人口增长、经济发展和政府政策密切相关。近年来，越来越多的研究开始关注三维城市扩张的驱动因素及其对环境的影响。与水平扩张相比，垂直扩张更多受到城市发展水平的影响，并与城市人口密度、土地供应、交通状况和建筑技术密切相关。然而，大多数以往的研究分别探讨了二维和三维城市扩张的驱动因素，缺乏一个能够进行直接比较的分析框架。这种研究空白限制了我们对水平和垂直增长的决定因素如何在全球尺度上相互作用或差异的理解。此外，由于全球城市发展规划政策和数据获取的限制，尽管土地稀缺（如地方政府的年度土地供应）是影响二维和三维城市扩张的重要因素，但将全球城市政策纳入扩张的驱动因素中仍然存在困难。因此，本研究整合了全球道路交通数据和长期城市建筑、社会经济数据，在统一的框架下探讨了二维和三维城市扩张的驱动因素之间的差异，为指导城市规划和实现可持续城市发展提供了科学依据。

本研究的核心在于构建一个统一的城市扩张分析框架，以人口校准为基础，量化二维和三维城市扩张的动态变化。该框架不仅能够将城市扩张的两种形式放在同一速率尺度下进行比较，还能够揭示人口、土地和建筑增长之间的差异。通过构建两个新的指标（2D-UEI和3D-UEI），我们从二维和三维视角分别分析了全球范围内7617个城市自1990年至2020年的扩张过程。随后，我们提出了一种基于2D-UEI和3D-UEI空间关系的城市扩张类型分类方法。最终，我们采用XGBoost-SHAP模型，系统地量化并揭示了城市扩张与潜在驱动因素之间的复杂关系。据我们所知，这是首次基于人口校准的长期全球二维和三维城市扩张研究。该研究为理解全球城市基础设施发展、能源消耗和综合环境影响提供了新的视角。

在研究方法上，我们采用了多源数据融合和机器学习技术，以确保分析的全面性和准确性。通过整合全球道路交通数据、长期城市建筑数据以及社会经济数据，我们能够在统一的框架下分析不同城市扩张类型之间的差异。此外，我们还通过构建2D-UEI和3D-UEI指标，使得城市扩张的测量更加精准和可比。这一指标的构建不仅考虑了城市扩张的物理表现，还结合了人口因素，从而更真实地反映城市扩张与人口增长之间的关系。基于这些指标，我们进一步对城市扩张类型进行了分类，并通过SHAP分析模型揭示了不同驱动因素对城市扩张的影响程度。这一方法的创新性在于，它能够将城市扩张的两种形式纳入同一分析框架，从而为城市规划和政策制定提供更加科学和系统的依据。

在研究过程中，我们还特别关注了不同地区城市扩张模式的差异。例如，南亚地区的城市扩张速度最高，而撒哈拉以南非洲则经历了最高的人口增长。这种区域差异表明，不同地区在城市扩张过程中所面临的挑战和机遇各不相同。在一些发展迅速的地区，城市扩张主要依赖于经济和技术的推动，而在另一些地区，城市扩张则更多受到政策和社会因素的影响。因此，理解这些差异对于制定有针对性的城市发展策略具有重要意义。通过本研究，我们不仅揭示了全球城市扩张的整体趋势，还分析了不同地区和不同类型城市扩张的特征，从而为全球城市可持续发展提供了新的思路。

此外，本研究还强调了城市扩张对生态环境的影响。城市扩张的三维结构不仅改变了城市的空间布局，还对局部气候、能源消耗和环境质量产生了重要影响。例如，建筑高度的增加可能导致城市热岛效应的加剧，而建筑密度的提升则可能影响空气流通和日照条件。这些因素共同作用，使得城市扩张的环境影响更加复杂。因此，在制定城市规划和政策时，必须充分考虑城市扩张的生态影响，以实现可持续发展目标。通过本研究，我们希望为城市规划者和政策制定者提供科学依据，使他们能够更好地理解城市扩张的驱动因素和其对环境的影响，从而制定更加合理的城市发展战略。

本研究的结果表明，二维和三维城市扩张的速度均超过了人口增长，这一趋势在全球范围内具有普遍性。然而，不同地区和不同类型城市在扩张速度和模式上存在显著差异。例如，南亚地区的城市扩张速度最快，而撒哈拉以南非洲则经历了最高的人口增长。这些差异可能与各地区的经济发展水平、土地资源状况、基础设施建设和政策导向密切相关。因此，在制定城市发展战略时，必须充分考虑这些因素，以实现更高效的资源利用和更可持续的城市发展。通过本研究，我们希望为全球城市扩张研究提供新的视角，并为城市规划和政策制定提供科学依据，从而推动城市形态的优化和资源利用效率的提升。

在研究过程中，我们还发现，城市扩张的驱动因素在全球范围内存在显著差异。例如，人口因素在二维城市扩张中起着主导作用，而在三维城市扩张中，城市基础设施则更为关键。这种差异可能与城市发展的不同阶段和不同区域的特征有关。在一些发展初期的城市，人口增长是推动城市扩张的主要动力，而在一些已经进入成熟阶段的城市，基础设施的完善则成为城市扩张的关键因素。因此，理解这些差异对于制定有效的城市发展战略具有重要意义。通过本研究，我们希望揭示这些差异，并为不同地区和不同类型城市的发展提供针对性的建议。

综上所述，本研究通过构建基于人口校准的分析框架，量化了全球范围内城市扩张的动态变化，揭示了二维和三维城市扩张之间的差异，并分析了不同地区和不同类型城市扩张的特征。这些研究结果不仅填补了全球城市三维扩张研究的知识空白，还为城市规划和政策制定提供了科学依据。通过本研究，我们希望为全球城市可持续发展提供新的思路，并推动城市形态的优化和资源利用效率的提升。