向大规模利用的转变：中国267个自然城市中建筑规模与利用强度之间的长期关系

《Landscape and Urban Planning》：A shift toward extensive utilization: The long-term relations between building volume and utilization intensity in China’s 267 natural cities

中国267个自然城市1994-2021年建筑体积与利用强度的动态空间耦合关系研究，提出基于夜间灯光与三维建筑数据的LBI指数，揭示城市中心低效利用与周边高利用的梯度差异，发现城市扩张从高强度密集化转向低效分散化，需强化政策干预提升土地效率。

　　随着全球城市化进程的加快，中国在过去四十年中经历了显著的城镇化增长，其城镇化率提升了40个百分点。这一过程不仅改变了中国的地理面貌，也对生态环境、社会结构和经济发展产生了深远影响。然而，当前对于城市化不同阶段中建筑体量与利用强度之间动态空间耦合关系的理解仍存在不足。本研究旨在通过一种创新的方法，利用多源长期遥感数据，从精细化和城市整体两个层面刻画这种耦合关系，时间跨度从1994年到2021年。该方法整合了中国范围内的高分辨率夜间灯光数据、建筑足迹数据和建筑高度数据，建立了“光照建筑指数”（Lighted Building Index, LBI）来衡量人类活动相对于建筑体量的强度。通过这一指数，我们进一步将城市划分为五种不同的类型，并揭示了它们在发展过程中与耦合程度之间的动态互动关系。

研究发现，在空间维度上，城市中心区域的LBI值往往低于其周边地区，这一现象与通常所见的GDP和夜间灯光的空间分布趋势相悖。虽然夜间灯光和GDP能够有效反映城市的发展水平，但LBI则突显了建筑体量与利用强度之间的空间关系。更高的LBI意味着更高的利用效率，而较低的LBI则表明建筑体量与实际活动之间存在不匹配。在时间维度上，过去三十年间，中国城市化呈现出从“城市强化”向“城市弱化”的明显转变趋势，这一变化暗示了城市发展模式正在向更不高效的方向演进。随着经济增长，基础设施投资与利用强度之间的耦合关系也在逐渐减弱，这提示我们需要采取更有效的政策干预措施，以确保城市化过程的可持续性。

在中国，自改革开放以来，城市化进程迅速推进，城镇化率从25%增长至65%。在最近的18年里，土地城市化速度超过了人口城市化，新城市面积占全球新城市面积的47.5%，远高于美国的9%。然而，随着人口红利的逐渐消失，国内需求正在下降。尽管如此，增量规划政策仍然推动着新建筑的建设，导致城市建筑体量与利用强度之间的不匹配。以往的研究多采用二维视角来分析这一现象，但这种方法未能充分考虑城市内部空间异质性，特别是城市与农村之间的梯度变化以及城市核心区内部的差异。此外，一些研究仅关注建筑体量本身，而忽视了人类活动强度和人与环境互动的动态变化。虽然部分研究引入了人口数据作为衡量土地利用强度的指标，但基于行政统计数据进行人口分配可能导致数据误差。最后，多数研究采用自定义的指数来刻画城市形态，但这些指数往往依赖于有限数据集的绝对值，导致其结果对数据质量高度敏感，可靠性受限。

为了弥补这些不足，本研究提出了一种基于时间序列遥感数据和三维建筑结构数据的方法，以刻画城市建筑体量与利用强度之间的关系。该方法借鉴了以往基于比率的分析框架，将夜间灯光数据与建筑体量数据结合，用于建模人口分布。在此基础上，我们开发了一个适用于长期城市分析的专门方法，构建了一个以1公里分辨率网格为基础的评估框架，覆盖了从1994年到2021年的28年时间跨度。通过整合中国的建筑足迹、建筑高度和高分辨率夜间灯光数据，我们建立了LBI指数，即夜间灯光与建筑体量的比率，用于量化人类活动相对于建筑基础设施的强度。这种方法不仅能够揭示物理空间（建成环境）与经济活动（人类行为）之间的耦合关系，还能为城市类型的识别和城市演变轨迹的分析提供支持。

本研究的核心研究问题包括：1）如何衡量自然城市的利用模式？2）过去三十年中国城市经历了哪些城市化路径？3）中国主要城市的城乡梯度各层是如何发展的？通过这些研究问题，我们提出了一种创新的框架，用于在更大范围内描绘城市类型和演变轨迹，强调了人类活动对城市空间的长期影响。这一框架为政策制定者提供了有价值的工具，帮助他们优化城市发展战略，推动更加可持续的城市化进程。

从理论基础来看，本研究中的“城市”概念指的是一个空间上连续的自然城市区域，不同于行政定义的城市。这种区分在分析“行政城市”作为刚性管理工具时尤为重要，因为这些工具可能破坏空间上连续的城市集群。换句话说，我们所定义的“自然城市”是一个在空间上相互连接的城市区域。在中国，共有267个这样的自然城市，其面积均大于或等于100平方公里。通过这一概念，我们能够更准确地刻画城市空间的动态变化，而不受行政边界的影响。

在空间层面，研究揭示了自然城市中基础设施利用模式的显著差异。城市中心区域的LBI值通常低于周边地区，这与通常观察到的GDP和夜间灯光的空间分布趋势相反。虽然夜间灯光和GDP能够反映城市的发展水平，但LBI则揭示了建筑体量与利用强度之间的空间关系。这种差异表明，尽管城市中心区域在经济和社会活动方面较为活跃，但其建筑体量与实际活动之间的匹配程度并不理想。在一些城市，建筑体量的增长速度超过了实际利用强度，导致资源的浪费和环境的负担增加。这种现象在城市中心尤为明显，可能是由于城市扩张过程中对土地资源的过度占用，以及城市内部空间结构的不合理布局所导致。

在时间维度上，研究发现过去三十年间，中国城市化呈现出从“城市强化”向“城市弱化”的明显转变。这一趋势表明，城市的发展模式正在从高密度、高强度的扩张转向更加分散和低效的模式。这种变化可能与经济增长放缓、政策调整以及社会需求的变化有关。随着经济增速的减缓，基础设施投资的效率也在下降，导致建筑体量与利用强度之间的耦合关系减弱。这种趋势提醒我们，城市化不能仅仅依赖于建筑体量的增长，而应更加注重土地利用的效率和可持续性。

此外，研究还分析了城乡梯度对城市利用模式的影响。城乡之间的空间异质性在城市发展中起到了重要作用，不同地区的土地利用强度和建筑体量呈现出显著差异。例如，在一些城乡结合部，建筑体量的增长与人口增长和经济活动的增加并不同步，导致土地利用效率低下。而在城市周边的农村地区，由于基础设施的不足和经济条件的限制，土地利用强度较低，这可能对粮食安全和生态环境造成一定的影响。通过分析这些空间异质性，我们能够更全面地理解城市化过程中各个层次的发展动态，为制定针对性的政策提供依据。

本研究的创新之处在于，它首次将夜间灯光数据与三维建筑结构数据相结合，以刻画城市形态的演变。这种方法不仅能够提供更精确的城市利用模式分析，还能揭示城市内部不同区域之间的差异。例如，在一些城市，尽管整体建筑体量增长迅速，但中心区域的利用强度却相对较低，这可能是由于城市扩张过程中对土地资源的不合理配置所导致。通过LBI指数，我们能够更直观地比较不同区域的利用效率，并识别出那些存在资源浪费或利用不足的地区。这种分析对于优化城市规划和资源配置具有重要意义。

在实际应用中，本研究的方法可以为政策制定者提供重要的参考。通过识别不同城市的利用模式，政策制定者可以制定更加精准的城市管理策略，促进土地的高效利用。例如，在那些建筑体量增长迅速但利用强度较低的城市，可以采取措施提高土地利用效率，如优化城市功能布局、加强基础设施建设、提升公共服务水平等。同时，对于那些已经出现“城市弱化”或“城市收缩”趋势的城市，可以采取相应的措施，如促进经济多元化、改善居民生活质量、增强城市韧性等，以减缓城市发展的负面影响。

本研究还强调了城市化过程中城乡梯度变化的重要性。随着城市化的推进，城乡之间的差距不断扩大，这不仅体现在经济发展水平上，也体现在土地利用模式和社会结构上。通过分析城乡梯度的变化，我们可以更好地理解城市扩张对农村地区的影响，以及如何在城市化过程中平衡城乡发展。例如，在一些城市周边的农村地区，由于缺乏足够的基础设施和经济机会，居民的生活质量可能受到影响。因此，政策制定者需要关注这些地区的可持续发展，通过合理的规划和资源分配，促进城乡一体化，减少城乡差距。

综上所述，本研究通过引入LBI指数，提供了一种全新的视角来分析城市化过程中的建筑体量与利用强度之间的动态关系。这种方法不仅能够揭示城市内部不同区域之间的差异，还能反映城市在不同发展阶段的演变趋势。研究结果表明，中国城市化过程中存在明显的资源浪费和利用效率低下问题，特别是在城市中心区域。同时，城市化模式正从高强度向低效化转变，这提示我们需要采取更加科学和合理的政策干预措施，以确保城市化过程的可持续性。通过分析城乡梯度的变化，我们能够更好地理解城市扩张对农村地区的影响，并为城乡协调发展提供理论支持和实践指导。这一研究不仅具有重要的学术价值，也为政策制定者提供了宝贵的工具，帮助他们优化城市发展战略，推动更加可持续的城市化进程。