城市通常指组合城市设施和人口相对集中的领域。等领域经常被不透水表面,可以通过遥感图像解释( 30., 39]。本文中使用的图像是3亿分辨率的全球土地覆盖数据从1992年到2015年发布的气候变化倡议(CCI),欧洲太空总署的子公司,WorldCover会议于2017年3月( http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/)。CCI的优点是公众下载土地利用数据的能力,城市所覆盖的区域编码为190。到2018年底,据不完全统计,超过17在顶级期刊上发表的学术研究性质通信、环境遥感,和其他学科使用这些数据的变化进行研究和土地使用的影响 40)和地球系统模型( 41, 42]。可以找到更多的出版物 https://www.esa-landcover-cci.org/?q=node/184。

国家/地区(CR)行政边界数据提供了本文中提到的全球行政区域(GDAM, https://www.gadm.org/)和自然资源的中华人民共和国( http://www.mnr.gov.cn/)。有226个国家/地区。我们收集了1995年和2015年GDP数据的CR从国际货币基金组织的世界经济展望。此外,我们下载最新的城市人口从2018年世界城市化前景( https://population.un.org/wup/Download/),它被认为是最权威的全球城市人口数据( 43),和全球作物产量统计数据来自联合国粮食及农业组织。

回答研究问题,我们调查了全球城市化的时空变化根据三个维度:从1995年到2015年土地利用类型、城市覆盖率和密实度的变化的城市形态。

土地利用转移矩阵可以反映区域的动态类型之间的转换过程在某一地区在某一段的开始和结束。城市土地被选为研究重点。该方法提取的新的城市像素从1995年到2015年,叠加到1995年土地利用类型获得土地的比例从其他土地覆盖类型转移到城市土地。这些操作在ArcGIS10.4.1软件实现。

城市增长速度(food chemistry)采用评估城市覆盖率的变化在一段时间,城市扩张的主要指标的变化( 33, 44]。这城市土地面积用于前期标准化平均年增长率使格拉纳可比,促进横向比较的强度在不同的时期或城市土地利用的增长速度。 (1) 格拉纳 = UA 2015年 − UA 1995年 UA n 1995年 × 1 20. × One hundred. %, 在哪里 UA 2015年 和 UA 1995年 组合区域CRs的研究在2015年和1995年,分别。

城市扩张类型主要是用来描述新城市土地的空间形态的变化在一段时间。摘要景观扩张指数(LEI)从文献[ 45)是用来确定新的建设用地边际,填充,和飞地,然后各自的比例分布计算来衡量城市扩张的空间分布,确定城市形态已经成为更多的聚合或分散( 30.]。LEI可以由以下公式计算: (2) LEI = 一个 o 一个 o + 一个 v × One hundred. , 在哪里 一个 _o的面积是交叉新颖城市补丁和 一个 v 交叉的面积是新城市补丁缓冲区和开放空间。如果UGP > 50,新补丁填充扩展类型。如果0 < UGP < 50,新补丁的边际扩张类型。如果UGP = 0,新补丁领土扩张的类型。

全球LEI CR水平获得了使用面积加权求和法的花环,所有新城市补丁: (3) 潜育层 我 = ∑ j = 1 N LEI 我 j × 一个 j 一个 1995年 − 2015年 , 在哪里 潜育层 我 的整体景观扩张指数吗 我^th铬、 LEI 我 和 一个 我 LEI和区域的吗 j^th新添加的城市在CR片 我, 一个 1995年 − 2015年 新的城市区域的总量在CR吗 我从1995年到2015年,N是新补丁的数量。潜育层测量城市的聚集程度在全国范围内的整体景观。更大的值表示更多的聚合城市形态;否则,它是更分散。

土地利用统计数据来源NAUL如表所示 2。显然,NAUL主要起源于耕地、草地和森林。这三种类型的土地利用由NAUL土地资源的88.79%左右。

一般来说,城市土地资源的CRs赤道以北的主要是耕地和一般占50%以上。特别是,超过85%的NAUL在南亚和东南亚,以及中欧和东欧,来自侵占农田。例如,在乌克兰(96.53%)、印度(亚洲最大的种植面积(91.13%)),和世界主要大米市场exporters-Thailand(95.77%)和越南(94.91%)贡献了超过90%的NAUL耕种土地。中国有庞大的人口和人均耕地面积小,但NAUL来自耕地的82.02%,这对粮食安全构成潜在风险( 33]。有58 CRs,有超过80%的NAUL从耕地。这些CRs主要由上述CRs,以及发展CRs如印尼、马来西亚、巴基斯坦、白俄罗斯、罗马尼亚、和埃及。不过,日本、法国和意大利,三大发达CRs(七国集团成员),以及其他个人发达CRs希腊和波兰等,也是这个小组的成员,我们可以称之为“以耕地为主。“如果80%作为阈值,那么我们也确定组织是“由裸露的地区,”“以森林为主,”和“以草原为主。“其他单一类型不能满足阈值。有16个CR类型属于“由裸露区域”组,主要是位于极干旱地区,例如,格陵兰岛(98.20%)和也门(90.01%)。“由森林”CRs只包括法属圭亚那(89.28%)和安道尔(85.71%),“由草原”CRs只包括佛得角(100%),马恩岛(85.22%)、爱尔兰(83.11%)、尼日尔(82.78%)、苏丹(82.12%)、安提瓜和巴布达(81.21%),但CRs NAUL值在所有三组是非常小的。CRs的较大的地区,NAUL土地来源列在表中 3更丰富、没有人绝对主导地位(超过80%)。同时,有两个或三个主要NAUL类型,例如,农业、森林和草地在美国,而灌木、森林和农业是澳大利亚的主要类型。NAUL土地资源的空间分布如图所示 4。

城市扩张的空间分布率如图 2 (b)。在研究期间,亚洲有一个令人印象深刻的城市化率。我们发现,在所有的五个亚洲CRs除了哈萨克斯坦,文章显示超过20%,最高的文章显示集群。尤其是在吉尔吉斯斯坦,格拉纳达58.91%,使其成为世界上最快速增长的国家。NAUL增加了约12.78倍。格在中国和印度达到11.04%和10.41%,分别远高于2.86%在美国,4.19%在日本,这是七国集团中最快速增长的国家西方CRs。考虑到中国和印度有这么高的NAUL值,其高增长率确实是奇迹。事实上,不仅两CRs快速城市发展经验,而且他们的邻居有经验的高格。例如,格拉纳在不丹、巴基斯坦和孟加拉国达到45.12%,28.97%,和19.69%,分别。

由于高城市化、北美、大洋洲、西欧和北欧格经历了萧条,都低于世界平均水平(4.74%)。只有三个CRs在南美洲是高于平均:厄瓜多尔、法属圭亚那、特立尼达和多巴哥。然而,非洲也经历了快速的城市化。有98 CRs或regions-41在那里food chemistry超过全球平均水平(4.74%)。肯尼亚格最高,达到了29.27%,但NAUL只有373.09公里²。非洲最大的经济体,尼日利亚,NAUL最高,比增加 3.72 × 10 3 公里 2 ,格拉纳达7.41%。这两个指标都高于另一家大型CR在非洲的非洲,其值 3.52 × 10 3 公里 2 和4.93%。人口超过1.8亿,只有47.83%的城市化水平(WUP, 2018),尼日利亚将成为下一个全球城市化的新中心在中国和印度。埃及的情况相似。尽管其NAUL ( 1.76 × 10 3 公里 2 )小于尼日利亚和南非,其格拉纳(8.84%)高。埃及也有一个庞大的人口(近1亿),还有在未来城市化的巨大潜力。如果8000万人口,全球平均格拉纳(4.74%),和50%的城市化率作为标准,还有八CRs-called新兴城市增长G8-whose未来全球城市扩张将占全球多数。

国家LEI的空间分布如图 2 (c)。我们没有CRs认同花环大于50,即。,smart and compact measures of population expansion did not appear on the national scale. The top five LEI CRs were Gibraltar, Monaco, Singapore, Kuwait, and Hong Kong, with respective values of 30.54, 30.15, 23.70, 23.33, and 20.51. Overall, these CRs had very high urbanization rates, relatively high levels of urban development, and scarce land resources suitable for urban expansion. Therefore, it was difficult to convert land around original cities. Urban spatial development should fill gaps within original cities or empty spaces between existing patches. As a result, urban forms have become more compact.

大洋洲最高平均LEI 15.71,而亚洲最低为8.98。两个主要的花环CRs Oceania-Australia和新西兰,16.10和15.18,分别。与快速城市化所代表的中国和印度,亚洲城市的扩张主要通过耕地转换发生在原来的城市,导致了一个广泛的形态趋势。中国的LEI只有7.73,这是世界上主要的CRs的最低(G20 CRs),表示最明显的分散的城市扩张的趋势。“紧凑城市”的概念是在欧洲的LEI 10.42中引入的,并没有其他大洲。前三个CRs英国、荷兰和丹麦各自的花环为16.16,15.17和15.04。在美国,“精明增长”的诞生地LEI为14.24,高于平均水平的北美(11.93)。有趣的是,非洲的平均LEI CRs为12.36,仅次于大洋洲。此外,非洲是许多CRs代表地区的城市紧凑发展LEI大于18岁。南美洲的整体LEI 12.24及其代表CR,巴西,有一个值为12.29。 Though Brazil had the world’s sixth highest NAUL, the slums have been a typical problem for urbanization. They have, to some extent, increased the connectivity between new urban patches and improved compactness. Therefore, compared to China, India, and Russia, which also had high NAUL values, Brazil had the highest LEI.

中国最边远的补丁, 1.89 × 10 5 。美国最填满补丁( 4.91 × 10 4 )和边缘补丁( 8.88 × 10 4 在中国),和相应的数字 1.12 × 10 4 和 6.08 × 10 4 ,这表明,美国比中国城市的增加更紧凑。我们还发现,中亚地区最高,平均斑块面积的三种类型(图 5)。例如,阿拉伯联合酋长国最大的边远补丁(1.47公里的平均面积²(17.82公里)和边缘补丁²),吉尔吉斯斯坦的填满补丁是最大的(5.12公里²)。

城市扩张的威胁粮食安全已经广泛报道世界各地的学者( 46, 47]。最明显的证据是大量的耕地被用来为城市发展提供新的土地。全球城市化进程引起了 2.36 × 10 5 公里²耕地的损失,导致在大多数CRs NAUL的50%以上。然而,没有全球粮食产量的损失,根据粮农组织粮食统计数据。我们比较的总生产五大主食crops-barley,土豆,大米,大豆,小麦,1995年和2015年。结果显示增加了43.04% 1.58 × 10 9 来 2.26 × 10 9 吨 和一个人均作物增加11.27% (PCC)从0.275到0.306吨。PCC变化之间的相关系数和农业用地的比例所有土地来源NAUL (ArgR),以及food chemistry皮尔森系数测定,各自的结果−0.125和0.00215,表明全球PCC变化与ArgR弱正相关或不相关(即。、城市化似乎并没有影响到粮食安全和CRs更高比例的耕地被城市扩张实际上是更有可能增加PCC)。这些结果可能表明,农业科学技术的提高,作物产量的增加很大程度上弥补耕地的减少。然而,在不同的地区,我们发现弱PCC变化之间的相关性和ArgR大陆美洲相关系数为0.4215。格之间的相关性和PCC的变化表现出巨大的地区差异。除了欧洲和亚洲,为其他大洲没有相关性,但在欧洲,格拉纳和PCC的变化有一个弱负相关(−0.13738),这意味着快速城市化可能导致PCC的下降。没有发现类似的结果为其他大洲。事实上,31岁的欧洲CRs统计的数据,17 CRs CPP下降。尤其是波兰,有世界上最大的减少PCC人均减少超过0.43。在亚洲,相关系数为0.19,表明弱正相关,而城市化进程可以促进CPP的增加。 In fact, in Asian CRs, especially China and India, the total grain output and PCC increased steadily during rapid urbanization. Research shows that chemical fertilizers play a significant role in improving crop yields [ 48- - - - - - 50]。

全球城市人口从1995年到2015年增加了54.38%以上,从25.82亿年到39.86亿年。这是城市土地增长低于94.74%,表明比紧凑型城市发展越来越膨胀。至少有156 CRs(不包括那些缺乏人口数据)的城市土地扩张率超过了城市人口的增长速度。答案“城市土地扩张率超过了城市人口增长率?“是肯定的。中国、中亚、南亚、东南亚和东欧集聚区域,形成了一个巨大的差距。例如,土地城市化和人口城市化之间的不匹配导致城市形态的扩散的趋势在中国被广泛报道 30.]。为了遏制这一趋势,中国政府推出了“新城市化”的战略,促进城市化以人为本而不是简单的城市扩张。另一方面,这些地区也是世界上人口最稠密的地区,有大量的人来养活,因为有限的耕地资源。由于耕地的损失由于城市扩张威胁粮食安全,应充分关注其损失。非洲CRs城市地区也经历了快速增长在过去的20年,但城市人口增长更迅速。非洲大陆是唯一的城市人口增长速度远高于城市地区。世界上只有44 CRs属于这一类,超过27个位于非洲,占60%以上,这表明非洲城市增长但实际上变得越来越拥挤。在美洲,欧洲,大洋洲,土地城市化和人口城市化率基本保持平衡,这可能与这一事实有关这些大陆已经非常高城市化率在1995年研究的开始时期。例如,城市化率在北美,南美,和大洋洲都是77.3%,77%,和85%,分别是在1995年。城市土地扩张的回归分析和人口城市化率在1995年还显示,人口城市化率有显著的抑制影响城市土地扩张率(系数是1.87−0.001)的意义。

“紧凑城市”是一个从西方发达城市规划趋势CRs的目标是充分利用现有的城市空间,改善混合土地使用和推广的浓缩和改善城市基础设施( 30., 51]。代表高收入CRs和先锋的“紧凑城市”,西方发达CRs更加注意密实度比率在城市建设?从全球CRs相关测试,我们发现没有相关性为代表的经济发展水平人均GDP和紧凑度。富有CRs,如美国,加拿大,澳大利亚和日本,有很高的水平。我们可以发现,中等收入CRs,如印度尼西亚、伊拉克和土耳其,以及低收入CRs,比如马里、尼日尔、和苏丹,也有高的水平。然而,一些中等收入CRs的NAUL基数太小,所以我们推测,他们有很高的花环。城市扩张不需要占用大量的土地以外的城市人口密集的地区,也是最能满足城市发展要求填写内部的城市或缺口原始城市补丁( 30.]。通过进一步分析,我们发现,当低迷的CRs不到500公里²删除,相关系数为0.14。如果CRs低迷不到1000公里²被移除时,相关值高出0.40和相关显著,表明显著低迷增长的地区(> 1000公里²),经济发展水平在提高城市紧凑发展发挥了积极作用。例如,西方七国集团(G7)的平均LEI CRs为17.09,远远超过金砖四国CRs的9.32。补丁,我们还发现,经济密度(反映在夜灯的亮度)填充补丁1.19和1.42倍的值边缘和外围的小片,分别指示高经济密度有利于补丁紧凑发展。