简讯：
目前大多数城市信息图仅为二维的，例如按城市覆盖类型划分的范围。另外，关于全球范围内城市建成区体量和发展强度的模式及变化的知识仍然空缺。为此本文使用ERS、QuikSCAT和ASCAT构建了1993—2020年全球的微波后向散射数据集，然后探索了477个大城市的第三维增长。结果表明，在中国、美国和欧洲的大城市中，城市后向散射与城市网格单元（8000多个，0.05°×0.05°大小）的建筑体量的独立估计相关。这三十年来，不同区域的城市后向散射的增加率显著不同。2010s，亚洲各地的增加率最高，特别是中国和东南亚。微波后向散射反映了城市建筑体量，在全球与城市网格单元尺度的GDP相关，在多数地区与城市尺度的GDP相关。此后向散射时间序列为了解几十年来城市体量增长的空间和时间模式提供了数据支持。本文由新罕布什尔大学地球海洋与空间研究所的Steve Frolking发表于Remote Sensing of Environment。
1. 研究背景：
城市空间结构，包括建筑高度和开发强度，是决定城市化对环境和社会经济影响的主要因素之一。建成的基础设施由于其较长使用寿命、碳密集型的运营以及确定的能源消耗模式，已被成为缓解环境变化的焦点。城市的增长包括三种模式：（1）横向扩散，占用外围的非城市土地；（2）内部填充，开发现有城市地区内未利用或利用不足的土地；（3）建筑结构的垂直增长。现有的研究大多将城市视为二维的，是城市区域和其他地块的排列。而城市建筑空间存有垂直维度，也就是“城市体量”。城市建筑体量是城市密度的一个方面，其增长可以提供更多的建筑面积，进而提供生活空间和就业密度。捕捉城市建筑体量的变化将使人们对城市经济活动有更加深入的了解，这是分析城市的横向增长是无法满足的。
微波散射计为衡量城市建筑体量提供了重要视角。对QuikSCAT的数据分析表明，结合其他遥感和地理空间数据，微波后向散射可以有效地提供更全面的（横向和纵向）城市空间结构变化和城市密集化的信息。
2. 研究内容：
（1）使用ERS、QuikSCAT和ASCAT构建了1993—2020年全球的微波后向散射数据集；
（2）量化了全球大城市三十年来微波后向散射的趋势；
（3）分析了微波后向散射与建筑体量以及城市经济的关系。
3. 研究结果：
（1）1993—2020年，后向散射时间序列呈现不等的增加率
1999—2020年（校准后的QuikSCAT和ASCAT），城市后向散射以不同的速度增加，并且在空间上集中，如图1所示。此外，后向散射的大小与城市网格单元的平均人口相关性并不强，至少图1中的城市如此。
图1：1999—2020年七个城市的11×11网格（0.05°×0.05°）的平均夏季后向散射PR。白色网格单元非城市。城市名称下的数字表示2015年所有城市网格单元的平均人口（千/平方公里）。
各地区绝大多数城市网格单元的夏季平均后向散射都呈上升趋势（图2）。这个趋势在ASCAT（2010s）表现最大，特别是在亚洲。不过欧洲是一个例外，几十年来有着接近的趋势，最高中值出现在2000s（QuikSCAT）。在亚洲大部分地区（中国、印度、中东和俄罗斯的亚洲地区），后向散射趋势在这三十年中增长稳定。拉丁美洲、北美和经合组织—太平洋地区出现了稳定但较低的增长速度，而非洲和东南亚的城市后向散射趋势在2010s出现了大幅增长（ASCAT）。只有经合组织—太平洋地区在1990s（ERS）的城市后向散射趋势在所有城市网格单元中都大于0。1990s经合组织—太平洋地区的后向散射趋势中值远高于其他地区，而2010s（ASCAT）的中值在中国和东南亚地区最高。
图2：大城市城市网格单元后向散射PR趋势的区域值范围，按传感器划分。
（2）后向散射与建筑体量相关联
在中国、欧洲和美国204个大城市的8248个城市网格单元（0.05°×0.05°）中，后向散射PR和3×3网格平滑的建筑体量是相关的（见图S4和表S2）。而美国的后向散射—建筑体量线性关系的斜率仅为中国和欧洲区域斜率的67%。结果与Frolking等人提出的后向散射PR与5×5网格平滑的建筑体量数据相关的观点接近。在城市尺度上，较高的后向散射和较大的建筑体量的空间模式是相似的。3×3平滑后，强反向散射和高建筑体量聚集在整个城市网格集的类似子集中，四个城市的情况如图3所示。
图S4：网格单元ASCAT反向散射与建筑体积的关系。中国（红色，n=2641），美国（灰色，n=3238），和欧洲（蓝色，n=2369）。区域的线性拟合显示为彩色线条，所有数据的线性拟合显示为黑色线条。
表S2：网格单元ASCAT背向散射与建筑体积的统计。
图3. 四个城市的后向散射PR和建筑体量。2015年夏季的平均ASCAT PR（左），3×3平均网格平滑的建筑体量（中），以及没有平滑的建筑体量（右栏）。
（3）后向散射与城市和区域范围内的GDP相关联
在1995年（ERS）、2005年（QuikSCAT）和2015年（ASCAT），城市尺度的后向散射PR与其GDP保持正相关（图4）。相当的GDP水平，城市尺度的后向散射值有很大的异质性。对于单个城市来说，在QuikSCAT（1999—2009年）和ASCAT（2007—2015年）时期，GDP—PR的相关性更加强烈（图5）。图5中的例子显示ERS—GDP的关系与QuikSCAT、ASCAT—GDP的关系并不连续，表明在某些情况下需要对ERS数据进行第二次校准。一般来说，在ERS较短的记录期间，后向散射的趋势较小，而且可能有更多噪声。
图4：Ln(GDP)—Ln(PR)。（a）2015年ASCAT，（b）2005年QuikSCAT，和（c）1995年ERS。
图5：城市尺度的GDP与后向散射的时间序列。ERS（1993—2000，黑色）、QuikSCAT（1999—2009，蓝色）和ASCAT（2007—2015，红色）。
此外，在2015年，区域范围内的城市尺度的后向散射总量与GDP之间存在强正相关关系（图6）。区域相关性从非洲的0.46到北美洲和俄罗斯、里海的超过0.9不等。
图6：2015年11个地区476个大城市的城市网格单元的城市尺度夏季平均ASCAT后向散射总量与GDP总量的对比。
4. 研究意义：
（1）微波后向散射提供了与城市建筑体量相关的长时序、全局的直接物理测量。城市建筑体量的增加预示了温室气体排放，进而限制了可用的缓解方案。
（2）尽管非洲的城市人口大幅增长，但其后向散射的增加相对较低（图2，图5）。这表明城市化过程中，人口与建筑、经济发展的增加之间存在差异。另有经济学家发现，许多城市的建筑体量理论上不足以
（3）1990、2000年和2010年的城市后向散射趋势在幅度和时间上都显示出明显的区域差异，近期的快速增长集中在亚洲，特别是中国，而欧洲和美国的增长相对较低且稳定。1978—2008年，中国的基础设施存量增加了9倍。这种经济增长很大程度上是通过基于土地的资本累积实现的。后向散射数据捕捉到了这一时期中国发生的显著的建筑和资本的累积热潮。
5. 引用格式：
Frolking, S., Mahtta, R., Milliman, T., & Seto, K. C. (2022). Three decades of global trends in urban microwave backscatter, building volume and city GDP. Remote Sensing of Environment, 281, 113225.
转自：“科研圈内人”微信公众号
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