By 超神經
內容提要：你有想象過 2100 年，這個世界是什麼樣子的嗎？我們所在的城市，會以怎樣的方式發展呢？最近，兩位數據科學家用數據科學和機器學習，預測了 2100 年全球城市擴張趨勢。
關鍵詞：城市化 預測 機器學習 數據科學
前段時間，一段利用 AI 修復民國北京街景的視頻火遍全網，全民穿越回 100 年前，感受了一下當年的京城生活。
看着畫面裏的磚瓦房、馬車、集市上擺攤的商販，大家紛紛感慨，100 年的變化是如此之大。
的確，一個世紀的時間裏，很多城市都經歷了翻天覆地的變化。建築越來越高、交通越來越便捷、城市面積越來越大……
上海（左）與首爾（右）的城市化對比圖
研究人員利用衛星圖像繪製了 1985 年至 2015 年間城市增長的地圖。研究表明，過去 30 年裏，全球城市面積擴張了 80%，城市人口增長率遠遠高於全球人口增長率。
而 100 年後，甚至更久之後，世界各地的城市將會發展成什麼樣子？
現在，利用數據科學與模擬模型，就能夠根據歷史數據與國情、社會，預測出城市的發展模式。
學習歷史，預測未來
近期，美國特拉華大學數據科學家 Jing Gao與丹佛大學的校友兼教授 Brian O'Neill，發佈了一個全球模擬模型，利用數據科學和機器學習，觀察城市將如何變化。
作者 Jing Gao 目前爲特拉華大學
地理空間數據科學助理教授
Jing Gao 表示，她對城鎮發展的方式格外着迷。放眼全球，從印度新德里到法國巴黎，全球範圍內的城市發展都不盡相同。
以芝加哥，洛杉磯和紐約爲例，這些城市就其土地面積的擴展而言，增長方式就各不相同。
於是，爲了解釋城市化在未來長期的不確定性，Jing Gao 和 O'Neill 使用建模框架結合蒙特卡羅方法，開發了符合共享社會經濟路徑 (SSPs)的五個場景。
模型利用數據科學和機器學習技術，對城市化的發展趨勢，進行了每十年一次的長期觀察，可預測在不同的社會和經濟條件下，城市土地在未來 100 年將如何變化。
研究人員論文於 5 月 8 日發表在《自然通訊》
爲了瞭解這種變化是如何發生的，Jing Gao 和 O'Neill 使用數據科學分析了 15 組全球衛星遙感數據集，瞭解過去 40 年來的城市土地變化。
這些遙感數據集的精度大約 125 英尺（38 米）左右，這一精度能夠展現出城市每一區域的大致外觀。
Jing Gao 說：「通過挖掘歷史數據，顯示出三種不同的城市化風格：城市化，穩定城市化和快速城市化。」隨着時間的推移，各國會從快速城市化向穩定城市化、再到城市化發展。
衆所周知，美國和大多數西歐國家已經實現了城市化，印度和中國之前經歷了快速發展，現在已經過渡到穩定城市化。目前包括許多非洲國家還正處於快速城市化階段。
城市總面積將超過 2.25 億個足球場
但是，僅通過遙感數據瞭解寬泛的區域發展，還不足以從全球角度瞭解城市化是如何在地方進行的。
爲此，研究人員將世界劃分爲 375 個小區域，並針對每個區域同時運行一個定製的發展模型，然後將所有模型結果拼湊在一起，以繪製一張全球地圖。
建模框架示意圖，其中包括兩個新的
數據驅動的城市仿真模型
比如，美國大陸被建模爲 28 個獨立的區域，中國被建模爲 26 個區域。不同區域的模型，使用不同的發展模型參數來進行估計。
研究小組的預測顯示，到 2100 年，地球上城市總面積將增長 1.8 倍到 5.9 倍。
十年間城市建設更新流程圖
白色爲輸入數據和中間輸出，橙色爲輸出
根據預測結果，本世紀全球將新建約 618,000 平方英里（160 萬平方公里）的城區。這個面積大約是 4.5 倍個德國，或者說，它超過 2.25 億個足球場的面積。
這是根據過去幾十年的城市發展規律，總結評估而來，假設如果不發生大規模的戰爭、疾病、革命等變革性事件。
另外，如果這一百年間，我們有幸見證外星文明等重大事件，也會影響模型結果。
環保意識越強，城市擴張速度越慢
但是，城市擴張的方式，在很大程度上取決於未來幾年的社會趨勢。這包括經濟增長、人口變化和生活方式習慣的趨勢，以及我們對人類環保的態度。
在五種共享的社會經濟路徑下
21 世紀全球城市土地總量變化曲線
淺藍色：可持續發展；深藍色：道路中部
黃色：區域競爭；橙色：不平等；紅色：化石燃料開發
在美國，如果人們關注可持續發展，例如綠色發展和環保意識，那麼城市擴張的可能性最少。
在這種情況下，到 2100 年，城市土地預計將增長 1.3 倍。
但是，如果人們在同一時間範圍內傾向於高度物質主義發展，大量消耗化石燃料。比如，預測中亞洲各國，城市的擴張速度會非常高，甚至比本世紀初美國城市擴張速度還要高四倍。
美國東北部在不同發展模式下的城市擴張趨勢預測
顏色越深表示城市化程度更高
大多數人沒有意識到諸如建築物和道路之類的景觀變化，可能會影響他們的生活。
比如，在特拉華州，在海岸附近建造的房屋通常以犧牲農田爲代價。
雖然這些開發項目可能會幫助地區的經濟繁榮，但它們也可能會帶來其他意想不到的後果，比如增加沿海洪災和海平面上升的可能性。
如果真的發生了這些極小概率的事件，別說城市繼續發展，可能某些城市還會不可避免成爲歷史。
而且，無論選擇哪種社會經濟模型，模擬結果都表明，到本世紀末，全球的大多數國家都將實現城市化。
那麼問題來了，你覺得八十年後，你在哪個城市？又在城市的哪裏？
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15788-7.pdf
—— 完 ——
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