综述：遥感用于城市能源系统：连接对地观测与城市尺度的能源建模

《Sustainable Cities and Society》：Remote sensing for urban energy systems: bridging Earth Observation with urban-scale energy modeling

　　

•综述了213个地球观测数据集和1577项可持续城市能源研究。
•将地球观测数据与城市能源系统相关变量关联，用于城市能源分析。
•提出了地球观测到城市能源系统词典和SMPA综述框架。
•识别了尺度、代理变量生成和模型集成方面的瓶颈。
•优先关注数据融合、人工智能赋能建模、验证和可重复工作流程。

引言

城市地区占全球能源消耗和温室气体排放的很大比例（ürge-Vorsatz, Petrichenko, Staniec and Eom, 2013, Kennedy et al., 2009, Satterthwaite, 2008），使得理解与优化城市能源系统成为追求可持续发展的一项关键优先事项。城市持续扩张，预计到2050年，全球近70%的人口将居住在城市地区（联合国，2019）。这种增长增加了城市能源供应、配送和需求管理的复杂性（Fan, Lei, Piscitelli and Mo, 2025）。城市能源系统包含一系列相互关联的组成部分，包括建筑能耗、区域供热与制冷网络、交通能源需求和分布式发电（Keirstead, Jennings and Sivakumar, 2012, Zhu et al., 2025, Qian, Fang and Jing, 2025）。

地球观测（包括遥感观测和衍生地理空间产品）提供具有空间明确性、时间一致性和日益提高的空间分辨率的数据，能够表征城市能源动态的关键决定因素[9]。卫星和航空平台现在常规采集地表温度、建筑形态、植被覆盖、不透水面范围以及人为热排放等信息（Slonecker, Jennings and Garofalo, 2001, Zhou et al., 2019），这些信息均直接关联城市内部能源的生成、消耗与损耗。此类数据与能源建模框架的整合可增强城市能源评估的空间粒度与物理真实性，特别是在传统计量或调查型能源信息缺失的数据稀缺情境中（Keirstead, Jennings and Sivakumar, 2012）。

然而，地球观测与城市能源系统交叉领域的研究仍呈现概念与方法论上的碎片化（Team, 2012）。一项关键挑战在于，地球观测研究与城市能源研究常以不同方式刻画城市。地球观测研究通常聚焦于可观测的地表模式与可提取的地理空间特征，而城市能源系统研究则围绕系统行为、能源相关变量及规划或运营问题组织。因此，地球观测数据往往以主题特定的方式被使用，而未被系统关联至城市能源系统分析所用的变量与问题结构。现有文献的应用层面碎片化进一步加剧了这一脱节，研究往往集中于相对孤立的主题，如屋顶光伏潜力评估或城市热岛分析（Li, Ding, Liu and Wang, 2016, Chen, Zhao, Li and Yin, 2006）。结果，地球观测数据对全系统城市能源系统分析的潜在贡献仅得到部分实现，跨应用领域的累积知识仍难以建立。

为应对这些挑战，本综述按三个步骤组织。首先，我们绘制地球观测数据集版图并关联相关城市能源系统研究。其次，我们采用“源–方法–代理变量–应用”框架组织综述，以阐明地球观测数据如何关联至用于城市能源分析的代理变量。最后，我们讨论地球观测赋能城市能源系统研究的主要瓶颈与未来方向。

图1

遥感与建成环境交叉领域已涌现大量综述文献。现有综述的一个重要群体围绕特定应用领域组织。这些综述聚焦于城市热岛缓解（Zhou et al., 2019）、建筑足迹提取（Li et al., 2024）、城市气候与环境（Manapragada et al., 2025, Weng, 2009），或太阳能光伏潜力估算（Avtar et al., 2019）。它们在界定明确的子领域内提供了有价值的综合，并推动了关于遥感如何支持城市研究的领域特定认知。

第二类综述考察了遥感与更广泛城市分析及多源数据整合的关系。Yu and Fang（2023）提供了基于文献的城市遥感与空间大数据综述，追溯了过去数十年城市遥感研究的方法论轨迹，并在更广泛的城市研究视角下定位新兴城市大数据流（Yu and Fang, 2023）。Xing et al.（2024）综合了遥感与社会感知的方法论协同，特别强调将物理观测与数字生成的城市足迹相结合/耦合的整合策略（Xing et al., 2024）。

在上述贡献基础上，本综述填补了一项互补性缺口。现有综述已就特定应用领域和更广泛的城市遥感方法提供了强有力的综合，但较少关注可用的地球观测资源版图如何与城市能源系统分析所需的变量、代理变量及应用结构相连接。特别是，城市形态、气候、基础设施与人类活动之间的跨领域关系较少通过整合的城市能源系统视角加以考察（Team, 2012）。这产生了对一种以翻译为导向的综述框架的需求，以映射地球观测观测与产品如何通过特定方法处理、转化为中间代理变量，并关联至下游城市能源系统应用。

为弥合上述研究缺口，本综述旨在提供关于地球观测数据如何与城市能源系统研究中的变量、代理变量和应用相连接的结构化综合。地球观测数据对城市能源系统应用的效用不仅由数据可得性决定。不同的观测模态在空间分辨率、时间频率、覆盖范围和测量机制方面存在固有约束，这些约束决定了其针对特定能源相关任务的适用性。因此，理解这些观测约束是评估地球观测到城市能源系统翻译路径的先决条件。具体而言，本综述旨在：
（i）系统绘制与城市能源系统研究相关的地球观测资源版图，包括其数据特征、主题覆盖范围以及潜在的能源相关应用路径；
（ii）构建并分析城市能源系统文献语料库，以表征地球观测数据在城市能源研究中的使用情况，特别关注应用领域、分析方法、代理变量及下游能源相关结果；
（iii）通过考察地球观测数据固有的时空特征如何塑造“源–方法–代理变量–应用”模式、未被充分利用的数据–应用关联、翻译瓶颈及未来研究方向，综合地球观测到城市能源系统的翻译路径。

本文其余部分组织如下。第2节描述数据集与文献语料库构建，随后介绍用于分析的城市能源系统分类、遥感到城市能源系统词典、SMPA框架及编码程序。第3节呈现主要结果，涵盖地球观测数据集版图、源到代理变量的翻译过程以及城市能源系统的下游应用。第4节讨论地球观测赋能城市能源系统研究的主要瓶颈、局限与未来方向。第5节作结论。

文献片段

文献检索

为构建全面的分析基础，本研究采用双轨检索策略，涵盖上游数据源与下游应用文献。该双轨设计旨在确保系统覆盖：（i）可用的地球观测资源；（ii）其在城市能源系统中的记录使用情况。

可用性、构成与元数据结构

基于第2节所述的数据集构建，本节首先考察有哪些类型的地球观测资源可供城市能源系统研究公开使用，以及它们在多大程度上可被视为模型就绪的输入。在空间上，精选的地球观测清单以全球可用数据集为主。在清单中，72.8%的数据集具有全球覆盖，美国特定资源占15%，而专注于其他区域的数据集仍相对有限。总体而言，尽管存在不均衡

地球观测翻译至城市能源应用的瓶颈

如图12所示，该图将文献强度（蓝色）与GEE就绪数据集的潜在可得性（虚线圆圈）在测量–应用矩阵中并列呈现，揭示了上游地球观测资源基础的广度与其下游分析采用之间的不匹配。研究仍集中于成熟的基于热、气候和土地覆盖的路径，特别是城市热岛和城市微气候分析，而许多测量–应用

结论

本综述考察了地球观测数据如何转化为城市能源系统研究可用的变量。为连接地球观测的观测逻辑与城市能源系统的应用逻辑，本研究开发了两个相互关联的分析工具：一个地球观测到城市能源系统词典，将地球观测可观测量和代理变量关联至城市能源系统相关变量；以及一个“源–方法–代理变量–应用”框架，追溯文献中的翻译路径。这些工具共同为比较如何提供了结构化基础

声明：生成式AI及AI辅助技术在稿件撰写过程中的使用

在撰写本文过程中，作者使用ChatGPT辅助语言编辑和文本组织。使用该工具后，作者对稿件进行了审阅和必要的编辑，并对已发表文章内容承担全部责任。

CRediT作者声明

王心宇：概念化、方法论、形式化分析、可视化、原创草稿撰写、审阅与编辑。
张世红：概念化、数据整理、形式化分析、审阅与编辑。
黄琦琦：调查、数据整理、审阅与编辑。
卢庆辉：验证、调查、审阅与编辑。
王哲：概念化、资源、监督、资金获取、审阅与编辑。

未引用参考文献

（Wulder et al., 2019）

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利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述工作。

致谢

作者感谢海岸城市气候韧性国家重点实验室（ITC-SKLCRCC26EG01）和国家杰出青年科学基金项目（项目编号52322813）的支持。

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