نقشه برداری ماهواره ای از ارتفاعات ساخته شده شهری شکاف ها و نابرابری های زیرساختی شدید را در جنوب جهان نشان می دهد.

اهمیت

اطلاعات مربوط به ارتفاعات ساخته شده شهری در سطح جهان برای ارزیابی اثرات شکل و زیرساخت شهری بر محیط زیست، اقتصاد و رفاه انسان مورد نیاز است. این مطالعه یک اطلس جهانی از ارتفاعات ساخته شده شهری ارائه می دهد و تغییرات فضایی زیادی را در ارتفاعات ساخته شده در سطوح قاره، کشور و شهر نشان می دهد. نتایج نشان می‌دهد که شکاف‌های شدید در دسترس بودن زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری در جنوب جهانی و نابرابری بزرگ در زیرساخت‌های ساخته‌شده در اکثر کشورها، اما بزرگترین در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی است. اطلس این پتانسیل را دارد که درک ما از اثرات شهرنشینی بر تقاضای مواد خام، مصرف انرژی تجسم یافته و عملیاتی، و شدت توسعه شهری را بهبود بخشد.

خلاصه

اطلاعات در مورد زیرساخت های ساخته شده شهری برای درک نقش شهرها در شکل دادن به نتایج زیست محیطی، اقتصادی و اجتماعی ضروری است. فقدان داده در مورد ارتفاعات ساخته شده در مناطق بزرگ، توانایی ما را برای توصیف زیرساخت های شهری و تغییرات فضایی آن در سراسر جهان محدود کرده است. در اینجا، ما یک اطلس جهانی از ارتفاعات ساخته شده شهری را در حدود سال 2015 با وضوح 500 متر از داده های ماهواره ای شناسایی شده از محدوده زمینی Sentinel-1 ایجاد کردیم. 

نتایج نشان‌دهنده شکاف‌های شدید در سرانه زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری در جنوب جهانی در مقایسه با میانگین جهانی، و حتی شکاف‌های بزرگ‌تر در مقایسه با سطوح متوسط ​​در شمال جهانی است. سرانه زیرساخت های ساخته شده شهری در برخی از کشورهای شمال جهانی بیش از 30 برابر بیشتر از زیرساخت های موجود در جنوب جهانی است. نتایج همچنین نشان می‌دهد که زیرساخت‌های ساخته شده در 45 کشور در شمال جهانی، با 16 درصد جمعیت جهان، تقریباً معادل 114 کشور در جنوب جهانی، با حدود 74 درصد از جمعیت جهان است.

 نابرابری در زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری، همانطور که با یک شاخص نابرابری اندازه‌گیری می‌شود، در بیشتر کشورها بزرگ است، اما در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی، بزرگ‌ترین است. تجزیه و تحلیل ما مقیاس تقاضای زیرساخت در جنوب جهانی را نشان می دهد که برای دستیابی به اهداف توسعه پایدار مورد نیاز است. اما بزرگترین در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی است. 

تجزیه و تحلیل ما مقیاس تقاضای زیرساخت در جنوب جهانی را نشان می دهد که برای دستیابی به اهداف توسعه پایدار مورد نیاز است. اما بزرگترین در جنوب جهانی در مقایسه با شمال جهانی است. تجزیه و تحلیل ما مقیاس تقاضای زیرساخت در جنوب جهانی را نشان می دهد که برای دستیابی به اهداف توسعه پایدار مورد نیاز است.

برای هشدارهای PNAS ثبت نام کنید.

مدیریت هشدارهاامروزه 55 درصد از جمعیت جهان در مناطق شهری زندگی می‌کنند که انتظار می‌رود این نسبت تا سال 2050 به 68 درصد افزایش یابد ( 1 ). حدود 80 درصد از تولید ناخالص داخلی جهانی و دو سوم انتشار گازهای گلخانه ای به مناطق شهری نسبت داده می شود ( 2 ). با این حال، شهرها در سراسر جهان نابرابری زیرساختی عمیقی را نشان می دهند، با تنوع قابل توجهی در در دسترس بودن، تامین و دسترسی به زیرساخت ( 3 ).

از آنجایی که زیرساخت های شهری با رشد اقتصادی شهری و تولید ناخالص داخلی (GDP) در سطح شهر همبستگی زیادی دارد ( 4 و 5 )، سطوح بالای نابرابری زیرساخت ها می تواند به سطوح پایین تر بهره وری اقتصادی، سرمایه اجتماعی و رفاه انسانی کمک کند ( 6) . ، 7). ارزیابی نابرابری زیرساخت برای درک الگوهای توسعه ناهمگون شهرها در مناطق و کشورهای مختلف حیاتی است ( 8 ).

فرم شهری هم شامل مناطق شهری دو بعدی و تراکم و هم ارتفاعات ساخته شده سه بعدی (3-بعدی) (یعنی ویژگی های عمودی الگوهای کالبدی، چیدمان و ساختار شهرها) است ( 5 ، 9 ). مناطق شهری به طور گسترده به صورت دو بعدی با استفاده از تصاویر ماهواره ای از نورهای شبانه ( 10 ) و سری زمانی Landsat ( 11 ) نقشه برداری شده اند. با توجه به اینکه 60 تا 80 درصد از مصرف انرژی در مناطق شهری رخ می دهد ( 12 )، نقشه برداری از اشکال شهری، که نشان داده شده است بر مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه ای تأثیر می گذارد، مهم است ( 13 ، 14) .). 

از آنجایی که فرم شهری شامل بعد عمودی محیط ساخته شده است، نقشه برداری از ارتفاعات ساخته شده شهری می تواند اطلاعاتی در مورد عناصر حیاتی مناطق شهری ارائه دهد.همچنین یک همبستگی قوی بین تراکم ساخته شده شهری بالاتر، ساختمان های بلندتر و رشد اقتصادی شهری وجود دارد ( 4 ). مطالعه اخیر روی 477 شهر بزرگ با مجموعه داده های ماهواره ای سری زمانی جدید نشان داد که رشد حجمی شهری به شدت با تولید ناخالص داخلی در سطح شهر همبستگی دارد ( 5 ).

 پیشرفت های اخیر در سنجش از دور امکان توسعه چندین مجموعه داده جدید از مناطق ساخته شده سه بعدی را فراهم کرده است، از جمله یکی از مجموعه داده های موجود در ساختمان های سه بعدی در سراسر جهان (15)، یک نقشه مورفولوژی شهری با وضوح بالا ( 16 )، سری زمانی سه دهه منطقه عمودی ساخته شده ( 17 ) و گونه شناسی رشد شهری دو بعدی و سه بعدی برای نزدیک به 478 شهر در سراسر جهان ( 18)). 

با این حال، اطلاعات ارتفاع ساخته شده در مناطق بزرگ هنوز محدود است، که درک ما از توسعه شهری و پیامدهای آن برای استفاده از انرژی و انتشارات گلخانه ای را مخفی می کند ( 19 ، 20 ).در اینجا ما ارتفاعات ساخته شده شهری جهانی را در سطح شبکه 500-mx 500-m برای توصیف توزیع زیرساخت ها در مناطق شهری برآورد کردیم ( شکل 1 A و پیوست SI ، شکل های S13-18 ). ارتفاع ساخته شده به عنوان میانگین ارتفاع در یک شبکه 500 متری، شامل ساختمان ها و سایر زیرساخت ها مانند خیابان ها، پارکینگ ها و فضای سبز، با استفاده از مدلی که قبلا توسعه داده بودیم، محاسبه شد (21) .)

بر اساس داده های شناسایی شده محدوده زمینی Sentinel-1 (GRD). ما ارتفاعات ساخته شده شهری مشتق از GRD را با استفاده از منابع متعدد داده های مرجع اعتبارسنجی کردیم. ما دریافتیم که ارتفاع‌های ساخته‌شده شهری مطابقت خوبی با داده‌های مرجع نشان می‌دهند و می‌توانند تغییرات ارتفاعات ساخته‌شده از هسته‌های شهری تا مناطق حاشیه‌شهری را به تصویر بکشند. این مجموعه داده جدید ارتفاعات ساخته شده جهانی پتانسیل قابل توجهی برای بهبود درک ما از چگونگی تغییر سطح زمین توسط فعالیت های شهری، آشکار کردن نابرابری های فضایی زیرساخت های شهری و کمک به مطالعات انرژی و آب و هوا دارد.عکس. 1.

نتایج

شکل شهری شهرها با ترکیب تراکم شهری و ارتفاع ساخته شده.

اطلس جهانی ارتفاعات ساخته شده شهری ( شکل 1 الف ) اطلاعات حیاتی را برای توصیف فرم شهری به صورت دو بعدی تا سه بعدی در سراسر جهان فراهم می کند. به طور کلی، نواحی شهری تحت سلطه تراکم کم و توسعه گسترده با ارتفاعات ساخته شده شهری کم هستند. ارتفاعات ساخته شده، تغییرات فضایی زیادی را در شهرها و مناطق نشان می دهد. شهرهایی با سطح عمودی بالا عمدتاً در شرق آسیا و اروپای غربی قرار دارند. دو کشور با بیشترین وسعت کل شهری، ایالات متحده و چین، الگوهای متضادی از ارتفاعات ساخته شده دارند. میانگین ارتفاع ساخته شده در چین دو برابر بیشتر از ایالات متحده است. 

این موضوع مطالعات دیگری را تأیید می کند که تفاوت های مشابهی را در ارتفاعات ساخته شده بین این دو کشور پیدا کرده اند ( 5 ، 17) .). اگرچه مجموع وسعت شهری آنها مشابه است، اما به دلیل تفاوت در ارتفاعات ساخته شده، آنها در ظرفیت خود برای پذیرش جمعیت شهری متفاوت هستند. 

ما هم تراکم شهری (یعنی نفوذ ناپذیری) و هم ارتفاعات ساخته شده (یعنی میانگین و تنوع در یک شهر) را ارزیابی کردیم و شهرهای سراسر جهان را در شش دسته گروه بندی کردیم. برخی از این شش نوع شهر، خوشه بندی جغرافیایی را نشان می دهند ( شکل 1 B ). به عنوان مثال، منطقه اقیانوس اطلس جنوبی ایالات متحده توسط شهرهایی با تراکم کم، و ارتفاعات کم و همگن ساخته شده است، در حالی که شهرهای شرق آسیا عمدتاً بلند و نه چندان متراکم هستند.

اگرچه شباهت ها در تراکم شهری و ارتفاعات ساخته شده در سطح شهر در سطح جهانی قابل تشخیص است ( شکل 1 B )، اطلاعات با وضوح مکانی بالا در مورد ارتفاعات ساخته شده به دلیل تنوع زیاد در ارتفاعات ساخته شده در داخل هنوز مورد نیاز است. شهرها ( شکل 2 ). به طور کلی، بیشتر شهرها دارای یک قله مشخص در ارتفاعات ساخته شده در مرکز شهری هستند، با کاهش ارتفاع از مرکز به سمت خارج به مناطق اطراف. با این حال، برخی شهرها با چندین مرکز شهری (مانند کیپ تاون، آفریقای جنوبی، و دهلی نو، هند) وجود دارند که با بیش از یک قله ارتفاع ساخته شده نشان داده شده است. 

در برخی از شهرها مانند دهلی نو، که محدودیت‌های سیاستی در مورد ارتفاع ساختمان وجود دارد ( 22نتایج نشان می دهد که هم تراکم و هم ارتفاع ایجاد شده به طور کلی کم هستند. برخی از شهرهای بزرگ و کم‌مرتبه مانند آتلانتا، جورجیا در ایالات متحده، دارای ساختمان‌های بلند در مراکز شهری خود هستند، اما نسبت چنین ساختمان‌هایی بسیار کم است. شهرهایی مانند سئول، جمهوری کره (کره جنوبی)، مانند برخی از شهرهای اروپایی (مانند مونیخ، آلمان) دارای مناطق بزرگ با ارتفاعات بالا در خارج از مراکز شهری هستند.شکل 2.

شکاف های شدید در زیرساخت های ساخته شده شهری در جنوب جهانی.

ما دریافتیم که ثروتمندترین کشورهای جهان به طور نامتناسبی در کل زیرساخت های ساخته شده شهری جهانی مشارکت می کنند ( شکل 3)). در مجموع 45 کشور در شمال جهانی با مجموع 16٪ از جمعیت جهان، تقریباً به اندازه 114 کشور در جنوب جهانی، که حدود 74٪ از جمعیت جهان را در اختیار دارند، زیرساخت های ساخته شده شهری جهانی دارند. با هم، سه کشور برتر با بیشترین میزان زیرساخت های ساخته شده شهری، چین، ایالات متحده و ژاپن، حدود 50 درصد از کل جهان را تشکیل می دهند. 

به طور کلی، کشورهای بیشتری در شمال جهانی (به عنوان مثال، ایالات متحده، ژاپن، روسیه، آلمان، فرانسه، ایتالیا) وجود دارد که هر کدام بیش از 2٪ در کل زیرساخت های ساخته شده جهانی مشارکت دارند. شایان ذکر است که سطوح پایین شهرنشینی در جنوب جهانی ممکن است منجر به دست کم گرفتن زیرساخت های ساخته شده سرانه شود، زیرا ما فقط زیرساخت های شهری را در این تحلیل لحاظ کردیم.شکل 3.

این تجزیه و تحلیل تفاوت های بزرگی را در سرانه زیرساخت های ساخته شده در بین کشورها و شکاف های شدید در سرانه در دسترس بودن زیرساخت های شهری بین شمال جهانی و جنوب جهانی را آشکار می کند ( شکل  A و B ). اگرچه کل زیرساخت های ساخته شده شهری در برخی از کشورها مانند چین بزرگ است، سطح سرانه هنوز در مقایسه با شمال جهانی به طور قابل توجهی پایین تر است.

 یافته‌ها نشان می‌دهد که زیرساخت سرانه برای حدود 90 درصد جمعیت جهان کمتر از سطح متوسط ​​شمال جهانی است. متوسط ​​سرانه زیرساخت های ساخته شده شهری شمال جهانی تقریباً 300 متر ^مکعب است که تقریباً سه برابر در جنوب جهانی (108 متر ^{مکعب) است.}). 

برخی از کشورهای شمال جهانی (به عنوان مثال، ایالات متحده) دارای سرانه زیرساخت های ساخته شده بزرگتر از 600 متر ^مکعب هستند ، در حالی که این زیرساخت در برخی از کشورهای جنوب جهانی مانند بنگلادش به 20 متر ^مکعب می رسد که منعکس کننده یک وضعیت شدید است. اختلاف 30 برابری دامنه وسیع و تنوع زیرساخت های سرانه در شمال جهانی نشان می دهد که می توان سطوح بالایی از توسعه شهری با سطوح پایین زیرساخت سرانه داشت. 

علاوه بر این، با میانگین 47 متر ^مکعب ، تقریباً تمام کشورهای آفریقایی سطح زیربنای سرانه کمتری نسبت به سایر کشورهای جنوب جهانی دارند ( شکل 4 D). علاوه بر این، نتایج نشان می دهد که ارتباط معنی داری و قوی بین تولید ناخالص داخلی سرانه و سرانه زیرساخت شهری وجود دارد ( شکل 4 C و پیوست SI ، شکل S7 ). این رابطه نشان دهنده تقاضای زیادی برای زیرساخت های آینده در جنوب جهانی است.شکل 4.

نابرابری بزرگ در زیرساخت های ساخته شده شهری در جنوب جهانی

ما نابرابری‌های بزرگی را در زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری در بیشتر کشورها یافتیم، اما در کشورهای جنوب جهانی در مقایسه با کشورهای شمال جهانی، بیشترین نابرابری‌ها را یافتیم ( شکل 5 A و B ). با استفاده از روش های پیشنهاد شده توسط Pandey و همکاران. ( 3 ) و برلسفورد و همکاران. ( 23 )، ما یک شاخص نابرابری را محاسبه کردیم که سطح نابرابری فضایی را در زیرساخت های ساخته شده شهری اندازه گیری می کند. 

هر چه مقدار شاخص بالاتر باشد، نابرابری در زیرساخت های ساخته شده بیشتر می شود. به طور کلی، نابرابری در زیرساخت های ساخته شده در جنوب جهانی (میانگین: 0.58) در مقایسه با شمال جهانی (میانگین: 0.49) بیشتر است ( شکل 5 B و C و پیوست SI ، شکل S8).). با این حال، تفاوت در نابرابری زیرساخت های ساخته شده بین جنوب و شمال جهانی کمتر از زیرساخت های ساخته شده سرانه است. علاوه بر این، مشابه زیرساخت های سرانه، نابرابری در کشورهای آفریقایی در مقایسه با سایر کشورهای جنوب جهانی بزرگتر است ( شکل 5 E ). 

تعداد قابل توجهی از کشورهای آفریقا و آسیا دارای شاخص های نابرابری فوق العاده بالای بالای 0.6 هستند. با این حال، نتایج متفاوت از سرانه زیرساخت های شهری، ارتباط معنی داری بین نابرابری زیرساخت ها و تولید ناخالص داخلی سرانه نشان نمی دهد ( شکل 5 D) به این معنی است که توسعه اقتصادی خود ممکن است مشکل نابرابری زیرساخت را حل نکند. این دیگر تحقیقات اخیر را تأیید می کند که نشان می دهد نابرابری زیرساخت های شهری یکی از ویژگی های شهرنشینی است ( 3 ).شکل 5.

نقاط قرمز نشان دهنده کشورهای شمال جهانی است. ( ب ) نابرابری های زیرساختی در کشورهای جنوب و شمال جهانی. ( ج ) نابرابری‌های زیرساختی در کشورهای جنوب و شمال جهانی برگرفته از میانگین (متر�) و SD (پ�) از توزیع‌های زیرساختی ساخته‌شده با کران بالای 95 درصد محدود شده است. ( د ) رابطه بین تولید ناخالص داخلی سرانه و نابرابری های زیرساختی. ( ه ) نقشه نابرابری های زیرساختی. مرزهای سبز در نقشه نشان دهنده کشورهای جنوب جهانی است.

پیامدهای ارتفاعات ساخته شده شهری جهانی.

اطلس جهانی ارتفاعات ساخته شده پیامدهای مهمی برای استفاده از انرژی و کاهش تغییرات آب و هوا دارد. به عنوان مثال، مصرف انرژی مرتبط با حمل و نقل شهری به دلیل سهم زیادی از کل مصرف انرژی و پتانسیل کاهش تغییرات آب و هوا از اهمیت ویژه ای برخوردار است. تراکم جمعیت بالاتر با مایل های کمتر طی شده توسط وسایل نقلیه و مصرف انرژی مرتبط است ( 24 ). ارتفاعات ساخته شده نسبت به تراکم جمعیت، اندازه گیری مستقیم و مکانی-زمانی منسجم تری از شکل شهری را ارائه می دهد، که اغلب نیاز به کاهش مقیاس از داده های سطح منطقه ای دارد ( 25 ). 

علاوه بر این، ما یک رابطه منفی بین میانگین ارتفاعات شهری و مصرف انرژی مربوط به حمل و نقل پیدا کردیم ( شکل 6)). ما رابطه قوی بین مصرف انرژی مرتبط با حمل و نقل و اندازه گیری های دوبعدی وسعت شهری پیدا نکردیم ( ضمیمه SI ، شکل S9 ). شهرهایی با ارتفاع کمتر ساخته شده در مقایسه با شهرهای عمودی تر، مصرف انرژی مرتبط با حمل و نقل بالاتری دارند. 

این نشان می‌دهد که استراتژی‌های کاهش مصرف انرژی حمل‌ونقل ممکن است از طریق رشد عمودی استراتژیک که افراد بیشتری را در نزدیکی مشاغل قرار می‌دهد، به دست آید. با این حال، معاوضه بین انرژی کمتر حمل و نقل و شدت مواد و انرژی بیشتر برای ساخت و راه اندازی ساختمان های بلند باید در نظر گرفته شود.شکل 6.

بحث

تغییرات فضایی زیاد در ارتفاعات ساخته شده را می توان به عوامل مختلفی مانند تاریخچه کاربری و سیاست ها نسبت داد، به ویژه با توجه به سرمایه گذاری های اولیه زیرساختی، منطقه بندی، کدهای ساختمانی و محدودیت های ارتفاع. محدودیت‌های کاربری زمین و زیرساخت‌ها و سیاست‌های حمل‌ونقل از مهم‌ترین عوامل ایجاد ارتفاع ساختمان‌ها هستند. ارتفاعات ساخته شده در شرق آسیا به طور کلی بالاتر از آمریکای شمالی و اروپا است، در حالی که تراکم جمعیت نسبتاً پایین در اکثر شهرهای ایالات متحده بازتاب ارتفاع کمتر ساخته شده شهری است. 

علیرغم تراکم بالای جمعیت در چین و هند، ارتفاعات ساخته شده شهری در چین به طور قابل توجهی در مقایسه با هند بلندتر است که عمدتاً به دلیل مقررات نسبت مساحت در هند است ( 22) .). ارتفاعات ساخته شده عموماً در کشورهایی که در دهه های اخیر دچار شهرنشینی قابل توجهی شده اند در مقایسه با کشورهایی که انتقال شهرنشینی آنها چندین دهه پیش رخ داده است، بالاتر است ( 26 ). 

علاوه بر این، محدودیت منابع زمین و قیمت بالای زمین با ارتفاعات شهری بالاتر در آسیا و اروپا همبستگی دارد ( 27 ، 28 ).شکاف شدید در سرانه زیرساخت‌های ساخته‌شده در جنوب جهانی نشان‌دهنده تقاضای جهانی قریب‌الوقوع بزرگ برای مواد و افزایش انرژی و انتشارات گلخانه‌ای در صورت پر شدن این شکاف است. همچنین نتایج حاکی از افزایش تقاضا برای زیرساخت ها با توسعه اقتصادی است. برای رفع شکاف زیرساختی، حتی با فرض عدم رشد جمعیت، به بیش از مجموع زیرساخت‌های ساخته‌شده جهانی نیاز است. 

با رشد جمعیت مورد انتظار، این تقاضا می تواند بین 1.25 تا 1.65 برابر کل زیرساخت های ساخته شده شهری کنونی در جهان تحت سناریوهای مسیر اجتماعی-اقتصادی مشترک 1 (پایداری) و مسیر اجتماعی-اقتصادی مشترک 3 (رقابت منطقه ای) افزایش یابد (29) .)، به ترتیب. با تقاضای فزاینده برای مصالح ساختمانی و خاک‌های کمیاب تخصصی، ممکن است در توسعه زیرساخت‌ها در جنوب جهانی یک تاخیر مداوم وجود داشته باشد که منجر به سطوح پایین توسعه انسانی می‌شود. علاوه بر این، بیشتر پیش‌بینی‌های شهرنشینی آینده در بیشتر مطالعات تنها گسترش جانبی زمین شهری را در نظر گرفته‌اند. درک بهتر از رشد عمودی شهری برای توسعه پیش بینی های واقعی تر از تقاضای آینده برای زیرساخت های ساخته شده مورد نیاز است

.نابرابری بزرگ در زیرساخت های ساخته شده شهری در سرتاسر جهان مستلزم چالش های بزرگی برای توسعه پایدار است، زیرا زیرساخت ها به طور مستقیم یا غیرمستقیم بر 72 درصد از اهداف اهداف توسعه پایدار سازمان ملل تأثیر می گذارد (30) .). این چالش در جنوب جهانی، با نابرابری بیشتر زیرساخت ها، به ویژه در کشورهای آفریقایی، بزرگ ترین است. 

از آنجا که توسعه اقتصادی به خودی خود نابرابری زیرساخت ها را کاهش نمی دهد، تلاش ها و استراتژی های دیگری برای کاهش نابرابری زیرساخت های ساخته شده شهری مورد نیاز است. حتی اگر این مطالعه نابرابری زیرساخت‌های جهانی را مورد بررسی قرار داد، دامنه محدود این مطالعه مستلزم بررسی بیشتر در مورد شیوه‌های کارآمد، مؤثر و اقتصادی است که می‌تواند نابرابری زیرساخت‌ها را کاهش دهد.

 علاوه بر این، بررسی بیشتر نابرابری زیرساخت ها فراتر از سطح ملی در کشورهای بزرگ (مثلاً چین) با تغییرات منطقه ای قابل توجهی از زیرساخت های ساخته شده می تواند بینش های جدیدی را برای توسعه پایدار در مقیاس های کوچکتر ارائه دهد.اطلاعات در مورد تغییرات ارتفاع ساخته شده در داخل یک شهر پتانسیل قابل توجهی برای پیشبرد مطالعاتی مانند آب و هوای شهری و مدل سازی مصرف انرژی دارد ( 31 ، 32 ). 

تهویه در فضای باز می تواند تحت تأثیر تغییرات ارتفاع ساختمان قرار گیرد ( 33 ). ارتفاعات ساخته شده شبکه بندی شده همچنین به عنوان ورودی کلیدی برای برآورد سایر پارامترهای سطح شهری مهم مانند ناهمواری عمل می کند که می تواند به طور قابل توجهی بر محیط جوی شهری تأثیر بگذارد. مصرف انرژی حمل‌ونقل و انتشار گازهای گلخانه‌ای عموماً در شهرهایی با یک مرکز واحد بیشتر است، در مقایسه با شهرهایی با مراکز متعدد ( 34 ) که می‌توانند دسترسی کلی را افزایش دهند، طول سفر را کوتاه‌تر کنند و خدمات حمل‌ونقل عمومی را بهینه کنند ( 35) .).

 فراوانی ارتفاعات مختلف ساخته‌شده در داخل شهر می‌تواند به آشکار کردن کاربری‌های زمین شهری و الگوهای سفر کمک کند و بنابراین، از مطالعات در مورد حمل‌ونقل شهری و استفاده از انرژی حمایت کند.اطلس ارتفاعات ساخته شده می تواند درک ما را از تقاضا برای مصالح ساختمانی، استفاده از انرژی تجسم یافته و عملیاتی و کربن مرتبط بهبود بخشد ( 36-38 ) . 

به عنوان مثال، ارتفاع ساختمان برای تخمین فضای کف ساختمان، یک متغیر حیاتی در مدل سازی انرژی و تقاضای مصالح استفاده شده است ( 39 ). واضح است که مناطقی با ارتفاع زیاد ساخته شده حاوی مصالح ساختمانی بیشتری مانند سیمان هستند. با این حال، تغییرات فضایی زیاد ارتفاع‌های ساخته شده در اکثر مطالعات کربن به دلیل در دسترس بودن داده‌های محدود، به‌ویژه در جنوب جهانی در نظر گرفته نشده است ( 40 ، 41) .

). در مقایسه با نقشه‌های دوبعدی مناطق شهری، ارتفاع‌های ساخته شده می‌تواند به طور قابل توجهی در شهرهایی با مناطق شهری مشابه متفاوت باشد، که منجر به تفاوت‌های زیادی در حجم شهری و مصرف انرژی در این شهرها ی‌شود (42 ) . علاوه بر این، ساختمان‌های بلند نسبت به ساختمان‌های کم‌مرتبه انرژی بیشتری مصرف می‌کنند و شار گرمای انسانی بیشتری را به جو منتشر می‌کنند ( 42 ). برآورد دقیق شار حرارتی انسانی ساختمان برای درک بهتر سهم ساختمان‌ها در اقلیم شهری و حمایت بیشتر از توسعه پایدار مفید است.

اطلس ارتفاعات ساخته شده همچنین اطلاعات منحصر به فردی را برای تخمین و پیش بینی مصرف انرژی ساختمان و انتشار گازهای گلخانه ای ارائه می دهد. اطلاعات مربوط به ارتفاع ساخته شده می تواند به طور قابل توجهی کمیت فضای کف ساختمان را بهبود بخشد که یکی از مهم ترین عوامل در مدل سازی مصرف انرژی تجسم یافته و عملیاتی ساختمان است. 

برای مثال، فضای کف ساختمان یکی از متغیرهای کلیدی در مدل‌های ارزیابی یکپارچه است، مانند GCAM (مدل ارزیابی تغییرات جهانی) ( 43 ) و MESSAGE (مدلی برای استراتژی‌های جایگزین استراتژی تامین انرژی و اثرات کلی محیطی آن‌ها) ( 44) .) که می تواند تقاضاهای انرژی ساختمان در آینده را برای ارزیابی تأثیر تغییرات آب و هوا و توسعه استراتژی های کاهش پیش بینی کند. 

با این حال، اطلاعات فعلی در مورد فضای طبقه ساختمان، به ویژه در جنوب جهانی، محدود است ( 39 ). اگرچه مقیاس های فضای کف ساختمان به صورت خطی با وسعت شهری است، اما به دلیل تغییرات در ارتفاع ساخته شده، هنوز اختلافات قابل توجهی وجود دارد ( ضمیمه SI ، شکل S10).). به عنوان مثال، شهرستان های هادسون، نیوجرسی و کینگز، نیویورک رابطه بین فضای کف و وسعت شهری را به دلیل تفاوت های اساسی در ارتفاعات ساخته شده در این دو شهرستان دنبال نمی کنند. این مثال اهمیت ادغام ارتفاع‌های ساخته شده را در برآورد دقیق فضای کف ساختمان، حتی در سطح شهرستان، نشان می‌دهد.

 بدون در نظر گرفتن ارتفاع‌های ساخته شده، می‌توان در مطالعات آینده استفاده از انرژی ساختمان و انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با آن، تعصبات در فضای تخمینی طبقات ساختمان منتشر شود.مجموعه داده‌های مربوط به ارتفاعات و زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری جهانی همچنین می‌تواند از کاربردهایی مانند مقیاس‌بندی شهری ( 45 ، 46 ) و نقشه‌برداری توزیع جمعیت و پویایی ( 25 ، 45 ، 46 ) پشتیبانی کند. 

مطالعات نشان می‌دهد که حجم زیرساخت‌های شهری با جمعیت سریع‌تر از سطح شهری مقیاس می‌شود ( 45 ). اندازه‌گیری‌های مداوم زیرساخت‌های ساخته‌شده شهری سه‌بعدی یک شاخص شهری جامع‌تر برای بررسی روابط مقیاس قدرت-قانون اندازه شهر ارائه می‌کند.

 ارتفاعات ساخته شده همچنین می‌تواند ظرفیت ما را برای کاهش مقیاس جمعیت ملی به مقیاس‌های فضایی ظریف‌تر ارتقا دهد. در مقایسه با رویکردهای سنتی که فقط مناطق شهری دوبعدی (به عنوان مثال، نورهای شبانه) را در نظر می گیرند ( 7)ارتفاعات ساخته شده می تواند جمعیت را در شبکه هایی با وسعت شهری و فعالیت های انسانی مشابه متمایز کند. به عنوان مثال، ارتفاعات ساخته شده برای ترسیم پویایی جمعیت ساعتی همراه با سایر داده های سنجش از دور و مکانی استفاده شده است ( 25 ).

 علاوه بر این، ارتفاعات ساخته شده می تواند به نقشه برداری از کاربری های شهری (به عنوان مثال، تجاری، مسکونی، صنعتی) کمک کند ( 48 ). با کمک اطلاعات عمودی، کاربری های شهری با عملکردهای مختلف را می توان بهتر شناسایی کرد و بنابراین، پویایی زمانی (مثلاً روزانه) جمعیت ها را بهتر مشخص کرد.

مواد و روش ها

داده ها.

داده های Sentinel-1.

ما داده‌های Sentinel-1 GRD را به‌عنوان منبع اصلی داده در نقشه‌برداری ارتفاع ساخته‌شده شهری جهانی جمع‌آوری کردیم. داده‌های Sentinel-1 GRD، هر دو با مدارهای صعودی و نزولی، در حدود سال 2015 جمع‌آوری شدند که پوشش جهانی داده‌های Sentinel-1 در دسترس قرار گرفت ( 49 ). در اینجا، صحنه‌های GRD استفاده‌شده از حالت ابزار نوار وسیع تداخل‌سنجی جمع‌آوری شد، که از آن ضرایب پراکندگی برگشتی (یعنی VV [همقطبی‌سازی] و VH [قطبی‌شدن متقاطع]) از یک ابزار SAR با باند C دو قطبی در آنبورد گنجانده شد. با وضوح فضایی خام 10 متر.

مرجع داده های ارتفاع ساخته شده

ما داده های ارتفاع ساخته شده مرجع را در 37 شهر در ایالات متحده ( 7 ) و اروپا (30 ) ( ضمیمه SI ، شکل S6 ) برای توسعه و ارزیابی مدل جمع آوری کردیم. این مجموعه داده‌های مرجع با وضوح فضایی خوب (کمتر از 10 متر) عمدتاً از داده‌های تشخیص نور هوابرد و محدوده در ایالات متحده ( 21 ) و تصاویر استریو در اروپا ( 50 ) مشتق شده‌اند. شایان ذکر است که از ارتفاعات ساخته شده مرجع 27 شهر در ایالات متحده و اروپا برای کالیبره کردن مدل ارتفاع ساخته شده شهری استفاده شد، در حالی که ارتفاع 10 شهر باقی مانده برای ارزیابی ارتفاعات تخمین زده شده از Sentinel-1 استفاده شد. داده ها. 

داده های مرجع ثبت شده به عنوان شماره طبقه در 20 شهر چین (https://www.amap.com )؛ داده های ارتفاع مرجع در سائوپائولو، برزیل ( https://osmbuildings.org )؛ ونکوور، کانادا ( https://opendata.vancouver.ca )؛ و محصول شبکه بندی شده (10 متر) ارتفاع ساخته شده در آلمان به دست آمده از مشاهدات ماهواره ای ( 51 ) نیز به عنوان مجموعه داده های اضافی برای ارزیابی جمع آوری شد.

داده های مرز شهری

ما مرز مناطق شهری را با وضوح خوب (30 متر) در سال 2015 از مجموعه داده های مرز شهری جهانی جمع آوری کردیم ( 52 ). مناطق شهری تعریف شده در این مجموعه داده برای محاسبه زیرساخت سرانه برای کشورها و شهرستان ها و برای ترسیم مرزهای شهری شهرهای معرف استفاده شد.

داده های بانک جهانی

ما داده های جمعیت و تولید ناخالص داخلی هر کشور را در سال 2015 از بانک جهانی (https://data.worldbank.org ) جمع آوری کردیم. جمعیت برای محاسبه تولید ناخالص داخلی سرانه و زیرساخت های ساخته شده نشان داده شده در شکل ها استفاده شد. 3 و 4 . در مجموع، ما 159 کشور را مورد بررسی قرار دادیم که 45 کشور در شمال جهانی (به عنوان مثال، ایالات متحده و استرالیا) و 114 کشور در جنوب جهانی (مانند چین، مصر، هند) قرار دارند. 

شمال جهانی و جنوب جهانی بر اساس ویژگی های اجتماعی-اقتصادی و سیاسی تعریف شده اند و کشورهای این دو گروه در مطالعات اندکی متفاوت هستند ( 53) .). در این مقاله، نام کشورهای جنوب جهانی که به آن دسته از کشورهای در حال توسعه اطلاق می‌شود که مجموعه‌ای از آسیب‌پذیری‌ها و چالش‌ها را به اشتراک می‌گذارند، از برنامه توسعه سازمان ملل متحد به دست آمده است (54 ) .

داده های فضای طبقه ساختمان

ما سرانه فضای طبقه ساختمان های شهرستان های منتخب ایالات متحده را از آرهارت و همکاران جمع آوری کردیم. (39 ) برای کشف مفهوم ارتفاعات ساخته شده شهری در مدل سازی انرژی. با در نظر گرفتن شهرستان به عنوان واحد جغرافیایی، میانگین ارتفاع ساخته شده و درصد شهری (نسبت مساحت شهری در یک شهرستان به مساحت یک شهرستان) را محاسبه کردیم. 25 شهرستان برتر با مرتب سازی درصدهای شهری به ترتیب نزولی در ایالات متحده با مساحت کل شهرستان کمتر از 400 کیلومتر ^مربع انتخاب شدند تا اهمیت ارتفاعات ساخته شده را برجسته کنند.

داده های مصرف انرژی حمل و نقل شهری

ما از مجموعه داده مصرف انرژی مربوط به حمل و نقل ( 24 ) برای نشان دادن رابطه بین ارتفاع ساخته شده شهری و مصرف انرژی مربوط به حمل و نقل استفاده کردیم. این مجموعه داده شامل مصرف سرانه انرژی مرتبط با حمل و نقل در 31 شهر بود. میانگین ارتفاع ساخته شده برای هر شهر از ارتفاع ساخته شده شبکه بندی شده بر اساس مرز شهری محاسبه شد.

مواد و روش ها

نقشه برداری از ارتفاع ساخته شده شهری جهانی

ما ارتفاعات ساخته شده شهری را در سرتاسر جهان با استفاده از مدلی که قبلاً ( 21 ) بر اساس داده های Sentinel-1 GRD ایجاد کرده بودیم، تخمین زدیم. ما ارتفاع ساخته شده شهری را به عنوان ارتفاع متوسط ​​در یک شبکه 500 متری در حوزه شهری، شامل ساختمان ها و غیرساختمان ها مانند خیابان ها و پارکینگ ها تعریف کردیم ( ضمیمه SI ، شکل S1 ). ابتدا، داده‌های Sentinel-1 GRD (یعنی پراکندگی‌های پس‌انداز از VV و VH) را در سال 2015 و داده‌های ارتفاع ساختمان مرجع در 27 شهر از 37 شهر در ایالات متحده و اروپا (ضمیمه SI، شکل S6) را به 500- جمع‌آوری کردیم .

تفکیک متر، که با تجزیه و تحلیل حساسیت تفکیک پذیری از 100 متر تا 1 کیلومتر ( 21) تعیین شد.). برای کاهش تأثیر اشیاء مرتفع (به عنوان مثال، درختان)، ما مناطق غیر شهری را در داده‌های Sentinel-1 GRD با استفاده از نقشه وسعت شهری از لایه سکونت انسانی جهانی پنهان کردیم (55 ) .

 سپس، VVH، نشانگر ارتفاعات شهری، را با ادغام پراکندگی پس‌زمینه از اطلاعات دو قطبی (یعنی VV و VH) از داده‌هایSentinel-1 GRD در وضوح 500 متر استخراج کردیم (معادل 1 ) . در نهایت، ما مدل ارتفاع ساخته شده شهری را کالیبره کردیم ( معادل 2 ؛ به عنوان مثال، رابطه بین VVH و ارتفاع ساخته شده شهری تغییر یافته با ورود به سیستم):

VVH = VV*rVاچVVH=��*���[1]وln H = a * VVاچب+ ج ،ln �=�*����+�,[2]جایی که γ پارامتری برای مشخص کردن تاثیر نسبی VH بر VVH مشتق شده است،اچ�ارتفاع ساخته شده شهری تغییر یافته است وآ�،ب�، وج�ضرایبی هستند که باید در مدل ارتفاع شهری برآورد شوند.

در این مطالعه، γ طبق پیشنهاد لی و همکاران، 5 تعیین شد. ( 21 ). چنین مدل ارتفاع ساخته شده مبتنی بر فیزیکی می تواند برای تخمین ارتفاع ساخته شده شهری در سراسر جهان استفاده شود. ما مدل های ارتفاع ساختمان را با استفاده از داده های Sentinel-1 با مدارهای صعودی و نزولی، با پارامترهای کالیبره شده توسعه دادیم (به عنوان مثال،آ�،ب�، وج�) از -2.16، -0.45، 4.78، و -0.61، -0.79، و 2.31، به ترتیب. ارتفاعات نهایی جهانی که از ادغام نتایج مشاهدات صعودی و نزولی به دست می‌آید را می‌توانید از https://figshare.com/s/7f2b254ed18fac8eb7a0 دانلود کنید .

ما ارتفاعات جهانی ساخته شده شهری را بر اساس سه شاخص ارزیابی کردیم: ضریب همبستگی، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، و میانگین خطای مطلق (MAE). ابتدا، ما یک اعتبارسنجی متقاطع با استفاده از داده های ارتفاع ساخته شده مرجع در 27 شهر از 37 شهر در 10 کیلومتری انجام دادیم.

××دامنه 10 کیلومتری در ناحیه شهری در ایالات متحده و اروپا ( ضمیمه SI ، شکل S2 ). داده های ارتفاع ساخته شده مرجع به طور تصادفی به 10 برابر تقسیم شد و هر بار از یک برابر برای ارزیابی استفاده شد. دوم، ما ارتفاع شهری برآورد شده را با استفاده از 10 شهر باقیمانده از 37 شهر در حوزه 10 کیلومتری 10 کیلومتری در ناحیه شهری ( ضمیمه SI ، شکل S3 )، و در کل منطقه شهری در تمام 37 شهر ارزیابی کردیم.

 در نهایت، ما ارتفاع برآورد شده شهری را با استفاده از داده های مرجع شماره طبقات در 20 شهر در چین ( ضمیمه SI ، شکل S4 )، داده های مرجع ارتفاع ساختمان در سائوپائولو، برزیل ارزیابی کردیم. ونکوور، کانادا؛ و محصول ملی ارتفاع ساخته شده (10 متر) در آلمان از مشاهدات ماهواره ای (پیوست SI ، شکل S5 ).

ارتفاعات ساخته شده شهری جهانی مطابقت خوبی با داده های مرجع نشان می دهد و می تواند تغییرات ارتفاعات ساخته شده را به تصویر بکشد ( ضمیمه SI ، شکل S2 ). RMSE بین مرجع و ارتفاعات تخمینی ساخته شده شهری زیر 0.50 متر است و ضریب همبستگی بیشتر از 0.80 است ( ضمیمه SI ، شکل S3 ).

 ارتفاعات ساخته شده شهری برآورد شده در چین نیز قابل اعتماد هستند، همانطور که توسط شاخص های RMSE و MAE با استفاده از داده های مرجع شماره طبقات نشان داده شده است ( ضمیمه SI ، شکل S4 )، با ضریب همبستگی کمی پایین تر به دلیل تفاوت بین تعداد و ارتفاع طبقه نتایج مشابه (یعنی RMSE: 0.37~0.47 و MAE: 0.40~0.49) در سائوپائولو، برزیل به دست آمد. ونکوور، کانادا؛ و آلمان (پیوست SI ، شکل S5 )، با استفاده از داده های مرجع ارتفاع ساختمان و محصول شبکه بندی شده ارتفاع ساخته شده از ماهواره ها.

فرم شهری با ترکیب تراکم 2 بعدی و ارتفاع 3 بعدی.

ما شهرهای جهان را بر اساس فضای ویژگی تراکم شهری دوبعدی (نفوذ ناپذیری) و همچنین ارتفاعات ساخته شده سه بعدی (میانگین و تغییرات درون شهر) به شش نوع گروه بندی کردیم (ضمیمه SI، شکل S11 ) . ما میانگین و ضریب چارک پراکندگی (QCD) ( معادل 3 ) ارتفاعات ساخته شده و همچنین میانگین سطوح غیرقابل نفوذ (ISA) در هر شهر را برای توصیف فرم شهری در ابعاد عمودی و افقی محاسبه کردیم:

( QCD ) =س3-س1س1+س3،(QCD)=�3−�1�1+�3,[3]جایی که س1 �1 و س3 �3 چندک اول (صدک 25) و سوم (صدک 75) ارتفاع ساخته شده در هر منطقه شهری است. QCD می تواند تغییرات ارتفاعات ساخته شده را در داخل شهر ثبت کند و همچنین بین شهرهایی با میانگین ارتفاعات مختلف قابل مقایسه است.

 میانگین ISA می تواند نشان دهنده تراکم نفوذناپذیری کلی شهر باشد و از داده های ISA جهانی 30 متر محاسبه شد ( 56). ما آستانه‌های نفوذناپذیری، میانگین و QCD ارتفاع‌های ساخته‌شده (ارتفاع میانگین: 3؛ QCD: 0.6؛ میانگین ISA: 0.75) را برای طبقه‌بندی شهرها در سطح جهانی به شش نوع، عمدتاً بر اساس توزیع داده‌های هر ویژگی، تعریف کردیم. 

هدف اصلی مقایسه شهرها و نشان دادن نمای کلی از منظر جهانی فرم شهری با در نظر گرفتن تراکم دو بعدی و ارتفاع سه بعدی است. این آستانه ها را می توان به راحتی برای طبقه بندی مجدد شهرهای جهان تنظیم کرد. ما دریافتیم که تنوع ارتفاعات ساخته شده در شهرهای مرتفع کم است.

 بنابراین، ما انواع شهرهایی که هم بلند و هم در ارتفاعات ساخته شده ناهمگن باشند، نداشتیم. این شش نوع شهر عبارتند از (1) پراکنده و همگن کم، (2) متراکم و همگن کم، (3) پراکنده و ناهمگن کم، (4) متراکم و ناهمگن کم، (5) پراکنده و همگن بالا،سرانه و نابرابری زیرساخت های ساخته شده شهری در این تحقیق پیشنهاد شد که حجم ساخت و ساز شهری با ضرب مساحت و ارتفاعات شهری می تواند به عنوان نماینده ای برای زیرساخت های ساخته شده شهری در نظر گرفته شود.

 ما زیرساخت های ساخته شده شهری را در هر شبکه محاسبه کردیم و همه پیکسل ها را در هر کشور جمع کردیم. درصد جمعیت انباشته و زیرساخت سرانه در هر کشور با استفاده از سوابق جمعیتی بانک جهانی محاسبه شد. در مجموع 159 کشور در سراسر جهان (آنهایی که دارای رکورد تولید ناخالص داخلی نیستند، مانند جمهوری دموکراتیک خلق کره [کره شمالی] حذف شدند) در شکل‌ها مورد بررسی قرار گرفتند. 3 و 4 . در شکل 3، مساحت هر مستطیل نشان دهنده درصد کل زیرساخت های ساخته شده در هر کشور است. 

ما همچنین رابطه بین زیرساخت سرانه و تولید ناخالص داخلی در هر کشور را با استفاده از داده های بانک جهانی بررسی کردیم.با استفاده از روش پیشنهادی Pandey و همکاران. ( 3 ) و برلسفورد و همکاران. ( 23 ) (یعنی معادله 4 ) ، ما شاخص نابرابری زیرساخت های ساخته شده شهری را محاسبه کردیم که می تواند سطح نابرابری فضایی در زیرساخت ها را در هر یک از 119 کشور اندازه گیری کند (با تعداد کل مناطق شهری مشخص شده توسط شهری 2015 داده های مرزی بزرگتر از 10) در جنوب و شمال جهانی:

من=پμ ( 1 – μ )——-√; 0 < μ < 1 ،�=��(1−�);0<�<1,[4]که در آن I شاخص نابرابری است که از 0 (کمترین نابرابری) تا 1 (بالاترین نابرابری) متغیر است.

متر�وپ�میانگین و SD، به ترتیب، توزیع‌های زیرساختی ساخته‌شده هستند که توسط یک کران بالا در هر منطقه جغرافیایی محدود شده‌اند. این شاخص بررسی می‌کند که چگونه ناهمگونی‌های بین منطقه‌ای ( ضمیمه SI ، شکل‌های S8 و S12 ) با میانگین کلی توزیع‌های زیرساختی که توسط یک کران بالا محدود می‌شود، متفاوت است ( 3) .). ما همچنین سه کران بالا (یعنی 90، 95، و 100 چندک در توزیع‌های زیرساخت) را در محاسبه شاخص نابرابری آزمایش کردیم. 

ابتدا، چندک های 90، 95 و 100 را از توزیع زیرساخت در هر منطقه جغرافیایی به عنوان سه کران بالا محاسبه کردیم. دوم، ما توزیع‌های زیرساختی را در هر منطقه جغرافیایی ایجاد کردیم که توسط آن سه مرز بالا محدود شده بود. در نهایت، تحت هر کران بالایی محدود، SD (σ) و مقادیر میانگین (μ) برای محاسبه شاخص های نابرابری به دست آمد. نتایج ما تا حد بالایی متفاوت است، همانطور که در پیوست SI ، شکل S8 نشان داده شده است .