PNAS：非洲城市形态的尺度化
期刊：PNAS
中文题目：非洲城市形态的尺度化
英文题目：Scaling of the morphology of African cities
作者：Rafael Prieto-Curiel, Jorge E. Patino, and Brilé Anderson
发表日期：2023年2月23日
摘要
非洲的基础设施仍有很大一部分尚未建成。这些新建筑的选址与建造方式至关重要，因为当下的决策将影响数十年。由此形成的城市形态将对城市的能源需求产生持久的影响。由于数据匮乏，长期以来，在非洲对这些需求进行估算与预测一直颇具挑战。然而，鉴于未来三十年非洲将经历大规模的城市化，这一障碍必须予以克服，以引导城市走上可持续与有韧性的发展轨道。基于非洲大陆近2亿栋建筑的位置与地表信息，我们估算了近6000座城市的建筑间距。通过建筑物的占地面积数据，我们可以构建城市形态指标，用于比较非洲各城市的拉伸度、蔓延程度及空置状况。我们建立了BASE模型，其中建筑之间的平均间距是建筑数量及其平均面积、以及城市空间布局的蔓延程度和伸长度的函数关系。城市中各类设施之间的平均间距——我们用以衡量其与交通出行相关的能源需求的指标——增长速度超过了人口规模平方根的增长速度，这一现象源于建筑数量的亚线性增长与建筑规模及空间蔓延程度的亚线性扩张共同作用的结果。我们估计，当一座城市的常住人口翻一番时，其交通领域的能源需求将增至三倍。
研究背景
人口迁移与城市化是全球人口结构变化的重要驱动力，而非洲作为未来三十年城市化速度最快的大陆，其城市增长模式尤为引人关注。尽管全球许多地区已完成城市化进程，非洲的城市化浪潮才刚刚开始，城市形态的塑造将深刻影响未来数十年的能源消耗、碳排放和居民生活质量。然而，当前对非洲城市形态的系统性分析严重匮乏。以往研究受限于数据不足，多集中于少数特大城市，中小城市——恰恰是未来城市化最主要的承载空间——往往被排除在分析之外。同时，传统研究多依赖人口密度数据来间接推断城市形态，难以精确刻画建筑尺度的空间格局。近年来，高分辨率卫星遥感技术的进步和开源数据的涌现，为突破这一瓶颈提供了可能。Google AI Africa Open Buildings数据集首次实现了非洲大陆尺度建筑足迹的精确提取，使得大规模、精细化的城市形态比较研究成为现实。
研究数据与方法
（1）研究数据。本研究整合了多源高分辨率空间数据。建筑足迹数据来源于Google AI Africa Open Buildings数据集，该数据集基于深度学习模型和高分辨率（50厘米像素）卫星影像提取了非洲大陆绝大部分地区的建筑位置与面积信息。研究以Africapolis项目定义的urban agglomeration 为城市分析单元（该定义要求聚落人口不少于1万人且建筑间距不超过200米，保证了跨国别的可比性），从中筛选出近6000个城市内的约1.83亿栋建筑。在此基础上，研究进一步融合了德国航空航天中心（DLR）提供的建筑高度数据、OpenStreetMap提供的街道网络数据以及NASA的NASADEM地形高程数据（包括高程差、平均坡度等指标），形成了覆盖建筑形态、交通网络和自然地理条件的多维数据集。
（2）研究方法。研究的核心方法论是构建了BASE模型来分解城市内部建筑间的平均距离。该模型基于圆内两点平均距离的经典公式，将城市i内任意两栋建筑之间的平均距离Di表达为四个乘性因子的函数：Di=
。其中Bi为建筑数量，Ai为建筑平均面积，两者直接从数据中观测得到；Si为蔓延度，反映建筑在空间上的分散程度；Ei为延伸度，衡量城市形状偏离圆形的程度（数值越接近1表示越接近圆形）。后两个指标被构建为无量纲系数，可在不同规模城市间进行比较。研究还定义了碎片化指数
，用以衡量城市因非紧凑形态（而非单纯因建筑数量增多或面积增大）所导致的额外距离增量。在多中心性测度上，研究采用核密度估计构建建筑足迹的密度表面，进而通过等高线邻接树识别城市内的多个中心，并计算多中心性指数。为揭示城市规模对形态的影响，研究采用幂律模型Y=αPβ对所有关键指标（建筑数量、面积、蔓延度、延伸度及平均距离）进行缩放分析，并在非洲五大次区域层面分别拟合，以捕捉区域异质性。
研究结果
（1）建筑数量与面积随城市规模呈非对称增长，且大城市建筑单体更大但人均建筑数更少。从全非尺度来看，城市人口增长10倍，建筑数量增长9.6倍（缩放系数βB=0.96），呈现亚线性增长，表明大城市人均建筑数量减少，反映了基础设施的共享效应。与此同时，建筑平均面积则随城市规模增大而增大——人口增长10倍的城市，其建筑平均面积增大17%（βA=1.07）。非洲大陆建筑总足迹约合1万平方公里，其中绝大多数为小型住宅（68.5%的建筑小于50平方米），但大型建筑虽然数量稀少却占建成面积的相当比例。区域差异显著：在西非，人口增长10倍的城市，其建筑平均面积增大幅度高达40%，而在南非，建筑规模在不同规模城市间几乎无差异。
图1(A)城市的形态可能是狭长型、蔓延型，或兼而有之，这取决于其建筑的布局位置。（B)在九座人口规模相近（介于140万至230万之间）的城市中观测到的建筑用地范围。形状较为狭长的城市其直径更大，这意味着建筑物之间的平均间距更长。城市扩张程度越高，建筑物之间的空间通常也越大，从而导致更长的步行距离。（C)建筑物数量的增加Bi,其面积Ai,城市蔓延Si,以及城市拉长Ei随着城市人口的增加。（D)建筑物数量的累积比例（Top)以及表面积（Bottom）由大于某一面积的建筑物所构成的城市。图中突出显示了阿克拉和班吉的观测曲线。
（2）城市平均建筑间距的增长快于人口平方根，导致交通能源需求呈超线性增长。全非范围内，平均建筑间距的缩放指数βD为0.532，高于平方根规律（0.5），意味着城市距离增长快于人口增长。但区域差异悬殊——中非仅为0.400，北非则高达0.574，北非大城市因人均占有空间更大、城市更延伸和蔓延而加剧了负面影响。研究以交通能源需求Ti∝PiDi估算，城市人口翻倍时其交通能源需求增加约三倍（缩放指数达1.532）。最极端情景下，若城市同时呈现高延伸和高蔓延，能源需求增幅可达3.21倍。全非前1%的最大城市（共50个）容纳了40%的人口，却贡献了80%的交通能源需求，凸显大城市在能耗调控中的关键地位。
图2（A）城市的中心被界定为其最为密集的区域，其周边1公里范围内可能由一些规模大于城市其他部分的建筑构成（形成“金字塔型城市”），也可能由规模更小的建筑构成（形成“山谷型城市”），且该周边范围的占地面积可大可小。仅凭城市中心即可对城市进行特征刻画。（B–D）人口较多的城市，其中心区域的建筑数量更多、体量更大，因此中心附近的用地范围也更为广阔。在人口超过一百万的城市中，至少有30%的市中心区域已实现建成。（E）大多数城市（除了一些主要位于东非的城市外）的蔓延程度较低，空置率也较低。因此，高效利用城市中心附近的土地对于遏制城市蔓延至关重要。
（3）大城市中心区域的建成密度和建筑高度显著高于小城镇，且中心密度与整体蔓延呈负相关。通过对城市最密集中心点周边1公里范围内的分析发现，人口超过100万的城市，其中心区域30%至40%的地表已被建筑覆盖；而人口不足10万的小城镇，该比例尚不足10%。人口增长10倍的城市，其中心区域建筑平均面积增大22%，且建筑高度高出25%，综合体积则增长为小城市的3.4倍。研究还引入“空置度”指标（中心1公里圆圈内未建成面积与总面积之比），发现大多数城市（尤其是东非部分城市除外）随着规模增大，中心空置度下降、空间利用更紧凑。这表明，大城市的紧凑化趋势主要从其核心区域开始向外辐射。
图3在选定城市群中，距建筑物占地面积密度最大值点250米缓冲区内城市用地范围的可视化。Top：在最大密度点处建筑物占地面积密度极高的城市群示例。Middle：建筑物用地密度值接近大陆平均水平的城市群。Bottom：在最大密度点处建筑物用地密度极低的城市群。二维核密度估计采用250米的带宽进行计算。
（4）地形起伏、国际边界邻近性和多中心结构显著影响城市形态，加剧延伸和蔓延。研究揭示，地形起伏较大（高程差大、坡度陡）的城市，因自然屏障限制了道路和建筑布局，往往更呈现延伸和蔓延形态。邻近国际边界的城市则增长更快且形态更延伸，反映了跨境经济活动对城市空间的塑造作用。街道网络方面，更延伸和蔓延的城市拥有更长的平均街道长度——中非城市平均街道长度（211米）是北非（82米）的两倍以上，直接影响步行适宜性和宜居性。在多中心性方面，研究通过对建筑足迹密度表面的等高线树分析发现，多中心城市（如蒙巴萨、马普托）往往比单中心城市（如奥朱）呈现更高的延伸度和蔓延度，建筑间距也更长，提示多中心发展模式在非洲语境下未必能自动带来空间紧凑性，需配合土地利用政策加以引导。
图4建筑物基底密度的三维呈现。顶部：奥朱（尼日利亚），一座单中心城市，拉长程度与蔓延程度均较低；中部：蒙巴萨（肯尼亚），一座多中心城市，拉长程度较高但蔓延程度较低；底部：马普托（莫桑比克），一座多中心城市，其伸展程度较低，但蔓延程度较高。每座城市均按不同的空间尺度绘制，所用的三维图由R语言中的rayshader包生成。
研究意义
文章构建了一套公开可用的城市形态指标体系，并估算了城市间的空间距离。研究基于非洲数百万栋建筑的占地面积数据、城市集聚区边界、街道网络数据以及地形特征等多源数据，识别出近六千座城市中多种不同的扩展模式。这些方法用于估算城市地区日益延长的通勤时间以及运送数以百万计人口所需的能源。设计紧凑、高密度且互联互通的城市形态，将有助于提升城市的可持续性和宜居性。
创新之处
（1）数据尺度的突破。首次将非洲近6000个城市纳入统一分析框架，覆盖了从数千人的小城镇到千万级人口的特大城市，填补了以往研究对中小城市的系统性忽视。（2）模型方法的创新。BASE模型将平均建筑间距分解为四个乘性因子，使城市形态各维度的贡献可量化、可比较，超越了传统的单一密度或蔓延指标。（3）区域比较的精细化。揭示了非洲五大次区域在城市形态缩放上的显著差异（如北非与中非呈相反趋势），挑战了“全球城市尺度规律具有普适性”的简化假设。（4）多源数据的融合。首次将建筑足迹、建筑高度、街道网络、地形高程和多中心性等多维度数据整合于同一分析框架，构建了城市形态的综合表征体系。
启示
首先，本研究挑战了传统的城市缩放定律，证明城市形态的演变并非简单的平方根规律，而是由建筑数量、面积、蔓延和延伸共同决定的复杂过程，需对各个维度进行分解分析。其次，强调了区域异质性的重要性——不同地理、历史和政策背景下的城市表现出截然不同的规模效应，提示城市理论建构需充分考虑地方语境，不宜简单套用全球平均规律。第三，该研究展示了开源大数据和深度学习方法在数据稀缺地区城市研究中的巨大潜力，为全球南方国家的城市研究提供了可复制的方法论范例。第四，它提醒学界应将研究视野从少数特大城市拓展至大量中小城市——这些“隐形”城市恰是未来城市化的主体。最后，该研究成功地将物理形态指标（建筑间距）与功能需求（交通能耗）建立定量关联，为城市形态-能源-排放链条的建模提供了可操作的范式，推动了城市地理学从形态描述向功能预测的深化。
文献来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2214254120
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：王晓辰
初审：任 杰
复审：杜 军
终审：鲁 鹏