通过估算美国单体建筑物高度揭示城乡居住空间的差异
通过估算美国单体建筑物高度揭示城乡居住空间的差异
城市建筑物高度是进行气候模拟、人口模拟、居住条件测算的关键变量，但现有高度数据集存在覆盖范围有限或空间分辨率较低的问题。本文通过整合遥感数据并使用机器学习方法，为大尺度精细建筑物高度制图提供了解决方案，并发布了美国逐栋建筑物高度数据集。同时，使用精细三维建筑数据分析了美国城市与乡村的居住空间差异。本文发布的数据集能够在在多个研究领域中具有广泛应用潜力，为研究人类活动的环境影响提供数据支持；本文对于居住空间的关注有助于改善未来人居生活条件、促进可持续的城市发展。
全面、定量地理解城市要素有助于实现联合国2030年“可持续城市和社会”发展目标。居住空间是反映居住条件和生活质量的重要指标，也是塑造城市景观的关键要素。现有研究使用建筑面积作为分析居住空间的基础数据，而建筑物的垂直结构受关注依旧较少，尤其是在大范围和精细尺度上。因此，本文利用多源卫星观测数据与建筑足迹数据对2020年美国1.2亿栋建筑物的高度进行估算，揭示了大范围、精细尺度下建筑物高度的空间分布模式，并由此分析了城乡居住空间的差异。
图1 遥感探测植被方法示意图
美国建筑物高度数据集质量评估
本文估算得到的数据集与独立参考数据一致性较高，其精度优于其他建筑物高度数据集。总体而言，美国高度估算模型的R2和RMSE分别为0.82和3.30 m，各州的平均RMSE为2.5 m。与谷歌地球目视解译的建筑物参考高度相比，本文开发的建筑物估算模型在估计城市建筑物的高度方面表现良好，并且能够以较高精度估算得到地标建筑的高度（R2=0.84）。此外，将估算高度数据集与Arehart1、Li2、USGS3发布的数据集进行比较，本文的数据集都以更精细的分辨率显示出更可靠的精度。例如，在低层和高层区域，参考高度和估计高度的平均高度差分别为1.5 m和1.2 m，优于Li2的结果。所得到的数据集对于刻画复杂的土地利用和城市建筑景观有重要意义。
建筑物高度呈现出空间异质性
美国建筑物的高度在城市间和城市内部均呈现出显著的空间异质性。美国城市中心的平均高度为12.4 m，是乡村平均高度（5.4 m）的两倍多。城市中心的建筑物高度更高，并且高度呈现出由城市中心向周边高度逐渐递减的距离衰减模式。城市中心的建筑物与城市周边的建筑物普遍在大城市中高度差异大，距离衰减模式显著；而在小城市中城市中心和周边建筑物高度相近。建筑物高度的研究结果有助于理解城市建筑物高度的空间分布模式并量化城市地表的粗糙程度，在分析城市形态与城市气候、能源排放等研究中发挥重要作用。
城市有限的空间降低了居住不平等程度
美国城市的人均居住空间（745.7 m3）明显低于乡村（966.8 m3），二者相差30%。美国西部地区的城乡居住空间差异（>40%）大于东部地区（32.4%），且几乎是美国中部地区（22.3%）的两倍。然而，城市人均居住空间的不平等程度相对于乡村较小，二者差距为11%。城市更严格的分区方法促进了人均居住空间的公平分配，减少了居住空间的不平等程度。研究结果强调了在制定应对住房挑战政策的过程中，考虑住房资源区域差异的重要性。
三维建筑体积揭示了比二维建筑足迹更大的居住空间差异
相比建筑面积，采用建筑体积量化的美国人均居住空间城乡差异更大。考虑建筑物的垂直高度，美国乡村的人均居住空间比城市大5.5%。这一差距的大小因区域而异。在美国中部和东部地区，利用建筑体积与建筑面积衡量的人均居住空间差异显著；而在美国西部地区，采用建筑体积与建筑面积衡量的人均居住空间几乎相同。研究结果强调了在研究城乡居住空间差异时考虑建筑物高度的重要性。虽然人均居住面积通常被用来量化居住空间，但它不能完全反映城乡之间居住空间的差异，特别是在城市建筑物比乡村建筑物更高且更宽敞的区域。
总结与展望
本文提供了美国全境范围内的建筑物高度地图，并据此分析了城乡居住空间差异。研究结果强调，虽然城市的人均居住空间比乡村小，但是不平等程度低于乡村。该研究基于多源卫星观测数据和建筑足迹数据为大范围、精细尺度的建筑物高度估算开发了一种可靠的方法，并提供了美国高质量的建筑物高度数据集。该数据集反映了包含建筑足迹和建筑物高度的最详细三维建筑信息，为城市可持续发展研究提供了重要基础数据，有助于研究人类活动与自然生态系统之间的复杂相互作用。
- Arehart, J., Pomponi, F., D'Amico, B., and Srubar Iii, W. (2021). A New Estimate of Building Floor Space in North America. Environmental Science & Technology 55, 10.1021/acs.est.0c05081.
- Li, M., Koks, E., Taubenböck, H., and van Vliet, J. (2020). Continental-scale mapping and analysis of 3D building structure. Remote Sensing of Environment 245, 111859, https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111859.
- Falcone, J.A. (2016). U.S. national categorical mapping of building heights by block group from Shuttle Radar Topography Mission data.