以下文章来源于理解时空 ，作者蒋会平
基于土地利用效率指标的
1990-2015年中国城市化可持续性评估
Jiang et al.
npj Urban Sustain.
中国快速城市化的可持续性对于2030年可持续发展议程而言至关重要。本研究将对地观测与人口普查数据相结合，使用土地利用效率指标对中国433个城市1990-2015年的土地、人口，以及经济领域的城市化程度进行评估。研究表明，土地消耗对人口增长率（LCRPGR）的提升与经济增长对土地消耗率（EGRLCR）的下降同时发生。中国东北地区的LCRPGR与EGRLCR的变化相比于其他城市较为异常，这可能意味着该地区可能更容易受到社会经济或者环境变化的影响。中国中部地区超大城市可能正在经历无节制的发展，亟需加强管理。资源依赖型的城市则面临严重的挑战，这类城市需要积极采取经济转型与人口迁移措施。尽管如此，不同收入等级群体间的土地利用效率指标差异已经在缩小，表明中国的城市化进程正朝着更加可持续的方向发展。
引文格式：
Jiang, H., Sun, Z., Guo, H., Weng, Q., Du, W., Xing, Q., & Cai, G., 2021. An assessment of urbanization sustainability in China between 1990 and 2015 using land use efficiency indicators. Npj Urban Sustainability, 1(1), 1-13.
01
研究背景
联合国大会于2015年九月提出的2030 年可持续发展议程为所有国家实现后续15年的可持续发展描绘了蓝图。其中，针对城市的2030 年议程目标（SDG11：使城市和人类居住地具有包容性、安全性、弹性和可持续发展性）提出了多项需要精细本地数据的指标。如SDG 11.3.1 – LCRPGR。然而，目前计算SDG 11.3.1指标的研究仍非常稀少，这是因为计算土地消耗率需要使用建成区数据，而估计人口增长率则需要对人口数据进行空间分解，这两个任务都具有十分大的挑战性。
联合国强调，2030 年可持续发展议程的目标应平衡可持续发展的三个不可分割的维度：经济、社会，以及环境，然而，空间扩张与经济增长的协调尚未在SDG11的评估框架下确立。然而，目前关于城市化的研究大多集中在城市的空间扩张，少有研究关注这在城市空间扩张的背景下，土地、人口，以及经济城市化之间关系。此外，许多研究仅仅基于人口普查数据而忽视了多源数据的空间融合，这类研究的时空覆盖率和精度都十分有限。
为解决经济维度缺失的问题，本研究提出了一个补充指标—EGRLCR。这一指标可以定量估计LCR和经济增长率（EGR）之间的协调性。通过结合LCRPGR和EGRLC，本研究可以在SDG11的评估框架下统一定义并描述土地，人口，以及经济城市化之间的关系。
中国正在经历空前的城市化进程。所有的城市都面临快速城市化的冲击，并且表现出了相对差异较大的土地利用效率。然而，目前我们对空间、人口，以及经济维度的演化以及多尺度分化的进程所知甚少。为弥合这一知识鸿沟，我们需要从社会经济区划、人口规模、城市功能，以及收入水平等多角度进行分析，从而描绘出中国城市化的全景图。
本研究使用了多源遥感影像对城市不透水面进行制图，随后将其转化为城市聚集区。此外，我们通过研究中国1990-2015年间5年间隔的城市化时空演变，计算土地利用效率指标。最后，本研究强调了几个关于中国城市化时空演变的重大发现，并阐述可能的应对政策，以促进城市区的可持续发展。
02
研究方法
图1 城市不透水面制图流程图
本研究的方法主要包括三个步骤：
生成城市不透水面并将其转换为城市聚集区聚集区；
使用土地利用效率指标量化土地消耗，人口以及经济增长；
多角度（社会经济区划、人口规模、功能类型，以及收入群体）评估中国城市化的可持续发展性。
图1为获取1990-2010年城市不透水面制图产品的流程图。本研究对每年的NDBI时序数据取均值，然后使用bimodal方法获取潜在的不透水面区域（PIS）；为了对裸地区域进行制图，本研究获取PII的年均值，根据经验阈值生成裸图区域的潜在不透水面（IS_bare）；随后，基于NDWI的年均值，NDVI的年最大值，以及坡度数据生成水体掩膜，植被掩膜，以及山体区域。PIS和IS_bare在去掉水体、植被，以及山体地区后的结果作为目标的不透水面区域（TIS）。城市的不透水面区域则根据城市的边界以及行政区范围进行提取，并使用3*3的众数滤波进行优化，得到最终的城市不透水面范围（MUIS）。对于2015年的城市区域，我们使用了孙博士的产品。
随后，本研究将城市不透水面产品转化为城市聚集区，也叫城市建成区。具体的流程为：
根据联合国推荐的最小的城市土地面积大小以及最小间隔距离，将所有可能的不透水面区域合并；
剔除不满足城市区域最小的制图单元的区域并填充主城区范围的空洞，以确保主城区的连续性；
保留在功能上依赖主城区的郊区或是农村作为建成区；
人工补充并且调整了部分隶属于公共区域的透水面，如公园还有绿道。
本研究中，我们使用了SDG 11.3.1，即LCRPGR来量化城市土地消耗以及人口增长的关系。由于SDG 11.3.1主要描述了人口压力对于城市扩张的影响，但忽视了经济维度的影响。本研究中，我们提出了一个辅助指标EGRLCR，来描述城市土地消耗以及经济增长之间的关系。
我们将样本城市从社会经济区（中国东部，中国中部，中国西部，以及中国东南部）、是否资源依赖，以及收入规模（包括高收入、中上收入、中下收入和低收入城市）的角度进行分析。此外，我们还将目标城市根据LCRPGR跟成了四个类别，根据EGRLCR分成五个类别，从而量化土地消耗率，人口以及经济增长之间的关系。
03
实验结果与讨论
对于1990-2010年的城市不透水面产品，我们每年使用了4000个点进行精度验证；2015年的城市不透水面产品则通过224，000个点验证。这些产品的年OA、PA还有UA均值为91.24%、92.58%，以及89.65%。
本文的研究指标，LCRPGR指标，可以衡量城市在任何特定时间的紧凑程度，并评估它们是否随着时间的推移而变得更加紧凑或不紧凑。如果该值低于1，意味着土地利用的紧凑程度较高，而高于1则意味着土地利用的紧凑程度较低。一个可接受的LCRPGR值应该持平于1，表明城市地区的居住密度趋于稳定；同样，EGRLCR指标衡量的是城市在任何特定时间的生产力，评价的是城市的生产密度。理想情况下，较高的数值意味着土地利用在单位GDP方面有更好的经济表现。城市需要合理地扩大建成区，使土地利用更有效率，因为他们需要在扩张过程中有序地规划未来的人口和经济增长。如果城市地区的实际增长与人口和经济增长不相称，就可能导致土地利用效率的下降，包括空间不平等的加剧和聚集经济的减弱。
对于土地消耗对人口增长率指标（LCRPGR），LCRPGR的均值整体呈现先下降后上升趋势，并在2015年达到峰值。然而，LCR的峰值出现在1990-1995年间，而PGR的峰值则出现在1995-2000年间。1990-1995年间，0< LCRPGR≤1类型的城市在所有城市中占比最高，为47%；而到了2010-2015年间，LCRPGR > 2类型的城市变为占比最高的城市，占比为52%。LCRPGR > 2类型的城市整体占比呈现了显著上升的趋势，而LCRPGR≤0的城市则在整个过程中都在1%以内。
对于经济增长对土地消耗率指标（EGRLCR），其均值从1990-2020年间呈现下降趋势，2000-2010年间上升，但在2010-2015年间出现了最低值。然而，LCR的最低值出现在2005–2010年间，而EGR的最低值则出现在1995-2000年间。值得注意的是，相比于EGR和PGR，LCR的变化程度相对较小，EGR和PGR则整体表现出了下降趋势。1990-1995年间，EGRLCR > 4的城市占比最多，占46%；而到了2010-2015年间，1< EGRLCR≤2成为了占比最高的城市类型，占37%。
不同经济区之间LCRPGR和EGRLCR的发展存在差异。1990-1995年间，中国东北地区的LCRPGR均值取得了最大值（1.81），而到了2010–2015年间，全中国各地区的值均到达了顶峰。其中，东北地区依旧具有最大值（3.7）。1990-2015年间，东北地区LCRPGR变化呈上升趋势，其他地区则呈平稳小幅上升趋势。此外，东北地区的各类城市需要面临土地与人口城市化发展不平衡的情况，而中部地区的超大城市的空间扩张可能超出了控制范围。
1990-1995年间，中国东北地区的EGRLCR均值取得了最大值（4.64），而在2010-2015年间，东北地区的EGRLCR则取得了最低值。1990-2015年间，全国范围的EGRLCR呈现下降趋势，除了2010-2015时间段外，东北地区的均值一直处于最高值。因此，东北地区的各类城市可能在2010-2015年间遭受了比其余地区更严重的经济萧条，从而导致了2010年后城市土地消耗与经济增长的不平衡。
资源依赖型的城市在1995–2000, 2005–2010以及2010–2015年间的LCRPGR均值比非资源依赖型的城市略高，并且在1990-2015这个时间段内，资源型城市LCRPGR的上升趋势比非资源型城市的更为明显，资源依赖型与非资源依赖型的城市之间的差异愈来愈大。这意味着资源依赖型的城市需要土地消耗率与低人口增长率的情况下采取更有效的措施来进行空间管控以及人口迁移。对于非资源依赖型的城市而言，其EGRLCR的下降趋势相比于非资源依赖型的城市而言更加明显。此外，同一种功能类型的城市之间EGRLCR的值的不同也在逐渐变小。因此，资源型城市在城市土地消耗与经济增长的协调性方面更脆弱，更容易受到经济下行的影响。
对于高收入城市，在1990–1995, 1995–2000，以及2000–2005年间，其LCRPGR的均值明显高于其它类型的城市，而不同城市之间的差距则在2005-2015年间显著缩小。然而，中高收入城市组和中低收入城市组城市之间的差异均变大，表明人均GDP较低城市的土地和人口城市化之间的平衡可能需要从其他社会经济角度进行更详细的分析。在 1990-1995 年期间，平均 EGRLCR 似乎与人均 GDP 成反比，但在整个演变过程中，不同收入群体的城市之间的差距趋于缩小。在2010-2015年间，不同收入阶层城市间的土地利用效率在经济维度上趋于稳定和同质化。此外，1990-2015年期间，中高收入和中低收入城市的EGRLCR变化比高收入城市的下降趋势更为明显。尽管如此，中国不同收入水平城市的城镇化演进正朝着更可持续、更协调的过程发展。
与其他有关中国城市化的研究相比，本研究还从城市功能和收入水平的角度来深入探讨城市化模式。我们发现，中部和东北部地区的资源依赖型城市由于其爆炸性的空间扩张以及人口和经济增长的持续放缓而更值得关注。从长远来看，这些城市在平衡土地、人口和经济城市化方面将面临严峻挑战。值得注意的是，在2010-2015年期间，中部地区的超大城市显示出最快的增长趋势，这表明超大城市的空间扩张可能失去控制，应该成为加强监管的重点。同时，东北地区城市的平均LCRPGR明显高于其他地区，表明政策重点应放在那里，而不是放在西部地区。此外，从1990年到2015年，不同收入群体之间的土地利用效率指标的差距已经缩小，这表明中国的城市化进程正在走向一个更可持续和协调的过
04
结论
本研究得出的结论可反映中国不同社会经济区域、人口规模、功能类型和收入水平的城市的城市化趋势，不仅为全国范围内的可持续发展评估建立了基线，而且为国际上实施目标11.3提供了一个比较案例。
总之，在过去几十年中，政策在塑造中国的城市化模式方面发挥了重要作用。为了制定有效的监管政策，决策者应该认真考虑城市在资源和环境方面的差异。要使城市地区更加可持续，扭转土地、人口和经济城市化之间的不平衡发展，中国需要更有针对性的法规，以质量而不是数量作为目标。
作者简介
蒋会平，中国科学院空天信息创新研究院博士后。研究兴趣包括城市环境遥感，城市可持续性，城市韧性，土地利用/覆盖变化，全球气候变化响应，以及联合国可持续发展目标
孙中昶，中国科学院数字地球重点实验室副研究员。研究领域、方向为城市环境遥感、机载InSAR技术与应用。
翁齐浩，欧洲科学院外籍院士、 美国科学促进会（AAAS）会士、电气与电子工程师协会（IEEE）会士、美国地理学会（AAG）会士、美国摄影测量与遥感学会（ASPRS）会士、亚太人工智能学会（AAIA）会士，现任香港理工大学地理信息学和人工智能讲座教授、曾任美国印第安纳州立大学城市与环境变化中心主任和教授和美国航天局高级研究员。现为地球观测组织的全球城市观测和信息系统项目负责人并任《国际摄影测量与遥感学会期刊》（ISPRS J P&RS）主编。翁教授的研究侧重于遥感科学和技术在城市环境与生态系统中的应用、土地利用和土地覆盖的变化和城市化的环境效应等。
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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