[论文解读] Precise mapping, spatial structure and classification of all the human settlements on Earth

Emanuele Strano, Filippo Simini+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2020

Human Mobility and Location-Based Analysis被引用 6

一句话总结

本文提出世界人居足迹2015年版，这是一个10米分辨率的全球人类聚居地清单，可实现对城市与乡村格局的精确制图与分类。基于仅涉及扩散与集中城市化的空间模型，研究发现人类聚居地覆盖了地球可居住陆地1.47%的面积，并呈现出四种截然不同的形态类型，推动了全球土地利用建模及对人类引起环境变化的理解。

ABSTRACT

Human settlements (HSs) on Earth have a direct impact on all natural and societal systems but detailed and quantitative measurements of the locations and spatial structures of all HSs on Earth are still under debate. We provide here the World Settlement Footprint 2015, an unprecedented 10 m resolution global spatial inventory of HSs and a precise quantitative analysis and spatial model of their coverage, geography and morphology. HSs are estimated to cover 1.47% of the habitable global dry-land surface and can be classified, by means of their deviation from scaling structure, into four main pattern typologies. A minimal spatial model, based on dynamic interactions between dispersal and centralized urbanization, is able to reproduce all the settlement patterns across regions. Our dataset and settlement model can be used to improve the modelling of global land use changes and human land use cycles and interactions and can ultimately advance our understanding of global anthropization processes and human-induced environmental changes.

研究动机与目标

• 创建地球所有人类聚居地的精确、高分辨率全球清单。
• 量化人类聚居地在可居住陆地上的空间覆盖范围与地理分布。
• 基于其形态结构与尺度规律的偏离程度，对人类聚居地进行分类。
• 开发一个动态空间模型，解释通过扩散与集中城市化形成聚居格局的机制。
• 支持改进全球土地利用变化与人为环境影响的建模。

提出的方法

• 利用10米分辨率的卫星影像，对全球范围的人类聚居地进行制图，实现前所未有的空间精度。
• 应用空间聚类与分割算法，从遥感数据中识别并划定单个聚居地。
• 采用基于对尺度结构偏离程度的形态分类系统，将聚居地划分为四种类别。
• 开发一个最小化空间模型，模拟人口扩散与集中城市化之间的动态相互作用。
• 通过模拟与对比，验证模型再现区域聚居格局的能力。
• 将数据集与模型整合进一个框架，用于分析全球土地利用周期与人为化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 人类聚居地在可居住陆地上的精确全球空间范围与分布是怎样的？
• RQ2 如何基于其空间结构与形态模式，对人类聚居地进行系统性分类？
• RQ3 基于扩散与集中城市化动态的最小化动态模型，在多大程度上能再现观测到的全球聚居格局？
• RQ4 人类聚居地对全球土地利用变化与环境转变的定量贡献是什么？
• RQ5 高分辨率聚居地制图如何改善人类土地利用周期与人为化过程的建模？

主要发现

• 人类聚居地覆盖了地球可居住陆地表面1.47%的面积，为人为土地利用提供了精确的全球量化数据。
• 基于对尺度规律的结构偏离程度，识别出四种截然不同的聚居地形态类型，反映出城市化区域差异。
• 由扩散与集中城市化动态驱动的最小化空间模型，成功再现了不同地理区域中观测到的全部聚居格局。
• 世界人居足迹2015年数据集支持高分辨率的人类土地利用分析，为改进全球土地利用建模提供了基础。
• 本研究建立了聚居地形态、空间结构与人为环境变化之间的定量关联。
• 该数据集与模型提供了一个可扩展的框架，可在前所未有的空间细节下监测与理解全球人为化过程。