基于GEE的长三角城市群城市化与生态环境的动态研究.pdf

：引用格式：王仁义，苏涛，徐良泉，等基于的长三角城市群城市化与生态环境的动态研究无线电工程，（）：，（）：基于的长三角城市群城市化与生态环境的动态研究王仁义，苏涛，徐良泉，邸俊楠，（安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南；安徽理工大学 矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室，安徽 淮南）摘要：随着中国城市化的快速发展，城市群是区域经济协调发展的主要趋势及核心，其生态环境压力却日益见长，如何有效合理地对城市化与生态环境之间的关系进行评价是一个值得关注的问题。以长三角城市群（，）为研究区，选用遥感数据与“类”夜间灯光数据为数据源，对研究区域整体与区县的城市化水平、生态环境质量、植被覆盖水平以及其相关耦合程度进行了长时间序列的分析研究。研究结果表明：年长三角城市群整体和各区县的夜间灯光指数（，）均呈现上涨趋势；年长三角城市群的遥感生态指数（，）与植被覆盖度（，）总体均处于良好水平，由于区域内各区县具有特殊性，局部又呈现显著差异性；年长三角城市群的城市化与生态环境耦合协调指数（，）从年的 上升至年的，表明城市化水平与生态环境质量的耦合趋势保持稳定。关键词：；长三角城市群；夜间灯光指数；遥感生态指数；植被覆盖度中图分类号：；文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文 章 编 号：（），（，；，）：，“”，（）：（）；（）（），；（）：；收稿日期：基金项目：安徽理工大学引进人才科研启动项目（）；国家重点研发计划（）：（）；（）专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 引言生态环境质量与人类的生存和社会经济发展密切相关。在中国高速城市化进程的背景下，城市群成为经济协调发展的核心区域，也是环境问题日趋严重的敏感区域。由于城市化的加速发展，人类活动密度不断上升，环境污染、土地退化等一系列生态环境问题日益突出。因此，持续监测和分析城市群城市化与生态环境变化的耦合协调具有重要的意义。遥感技术能够方便、及时、大面积、客观地反映地表相关信息。一方面，夜间灯光数据结合了传统遥感的特性，同时具有能够直接表征人类活动强度的优势。因此，夜间灯光数据被众多学者们应用于城市相关领域的研究。此外，陈晋等构建了综合夜间灯光指数（，），并验证该指数与表征城市化的复合指数具有较高的相关性，表明该指数可用于表征区域城市化水平。近年来，研究证实，基于夜间灯光数据提取的灯光指数能够准确反映区域城市化水平，并且与植被覆盖度（，）呈现负相关。另一方面，徐涵秋利用新型遥感生态指数（，）对生态系统的总体状况及其复杂程度进行全面而准确的分析，以此来反映生态环境的状况。近年来，学者们通过运用遥感影像数据计算，并与相结合评估生态环境质量，已在保护区、城市和流域等各个领域得到广泛应用。我国城市化与生态环境之间的耦合协调关系已经引起了众多学者的关注。其中，梁龙武等选取京津冀城市群个地级市为研究对象，采用系统指数评估模型以及耦合协调度模型对城市化与生态环境系统进行综合评价。贺清云等以长江中游城市群个城市为研究对象，基于统计数据并运用耦合协调模型定量分析了研究区域的城市化与生态环境时空演变规律。黄莘绒等探究了长三角城市群个城市城镇化与生态环境的时空演变特征以及城镇化对生态环境的影响程度。尽管以上研究已深入探讨城市化和生态环境之间的相互作用和协同发展，但研究对象集中在省、地级市等，忽略了将区（县）作为基础，限制了对其进行更加深入和全局范围内的探讨。此外，许多学者采取了基于统计数据的复合指标法，可以有效减少主观因素，从而提高研究结果的准确性，但却无法满足广泛的需求。综上所述，本文以长江三角洲城市群个区（县）为基本研究单元，选用“类”夜间灯光数据和遥感数据，利用表征城市化水平的指数、表征生态环境质量的指数与表征地表植被覆盖的指数，通过分析年间该城市群的城市化水平、生态环境质量和植被覆盖水平的变化特征，构建表征城市化与生态环境之间耦合程度的城市化与生态环境耦合协调指数（，），以期为城市群发展与生态环境建设提供决策和依据。研究区与数据源 研究区概况本文选择研究区为长江三角洲城市群（简称长三角城市群）属于长江三角洲地区区域内，横跨三省一市，由上海市、江苏省市、浙江省市与安徽省市，共计个城市组成，总面积 万。截止年，长三角城市群人口已达 亿，生产总值（）约为 万亿元。长三角城市群是中国东南沿海重点建设的国家级城市群之一，凭借着自身的优越地理位置和国家政策支持，其人口聚集程度、经济发展水平等综合实力在全国城市群中居最高等级，是引领中国经济发展的重要力量。数据源与预处理本文使用数据以时间跨度年为间隔，选用、年长三角城市群的数据和夜间灯光遥感数据。数据选用由美国国家航空航天局（：）提供的地表反射率产品（）、地表温度产品（）与植被指数产品（）。所有产品均由云平台数据库（：专题：长时序定量遥感产品重建与应用 ）提供，可以直接调用。为此，在云平台上调用地表反射产品的云掩膜算法，对目标时序内地表反射产品进行去云处理，并且对经过去云处理后的以及 与 进行均值拟合得到研究区内目标年份的最优影像数据。夜间灯光遥感数据夜间灯光数据来源于中国“类”夜间灯光遥感数据集。该数据集空间分辨率为，时间为年，大大延长了夜间灯光数据的可用性，为相关研究领域提供了新的数据来源。研究方法 构建本文选用“类”夜间灯光数据构建夜间灯光指数评价长三角城市群的城市化发展水平。为某一区域内平均灯光强度（）与灯光面积占该区域面积比例（）的乘积，定义为：，（）（），（），（）式中：为第级建成区灯光像元的灰度值，为第级建成区灯光像元的数量，为该区域内灯光像元的最大灰度值，、分别为该区域（）内灯光像元总数和占据总面积，为该区域总面积。为便于分析研究区域内部城市化的发展，本文参考文献，将划分为高，、较高，）、中等，）、较低，）和低，）五个等级。构建首先利用平台采用主成分分析（，）法将绿度（用归一化植被指数（）表征）、湿度（用缨帽变换产生的湿度分量（）表征）、热度（用地表温度（）表征）和干度（用裸土指数（）、建筑指数（）构建表征）四个分量指标进行合成，各级分量指标运算如表所示。表各分量指标运算公式和说明 分量指标运算公式说明绿度（）湿度（）热度（）干度（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）表示产品中 波段的表面反 射 率，表 示产品 中 的波段数据，表示产品中的波段数据由于上述个分量指标的量纲不统一，将个分量指标归一化处理后再进行，然后将第一主成分（）的结果再次归一化处理并建立，其值越接近，表示生态环境质量越差；反之，其值越接近，表示生态环境质量越好，即：（，）。（）为了更好地进行量化评价，采用普遍使用的等间距分级法对进行分级，以数值 为间隔，将划分为优，、良，）、中等，）、较差，）和差，）五个等级。构建指数是衡量生态绿化程度的量化指标。和之间存在极显著的线性相关关系，通过建立二者之间的转换关系，可以用直接提取信息，计算如下：，（）式中：为植被覆盖度，为归一化植被指数，为土壤部分的值，取；为植被部分的值，取。为了便于分析，将划分为个等级：高专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 植被覆盖度，、中高植被覆盖度，）、中等植被覆盖度，）、中低植被覆盖度，）和低植被覆盖度，）。与中用表征绿度分量均可以评价植被状况，但二者之间并未重复。是通过耦合个次级分量指标构建的一个综合性评价生态环境质量好坏的指数，而是直接衡量地表植被绿化状况的重要指标。因此，与是个相对独立评价区域生态环境系统变化的重要数据。构建为了快速、便捷地评价长三角城市群城市化发展水平与生态环境变化的耦合协调程度，本文在耦合模型的基础上，构建了一个基于“生态环境植被覆盖城市化水平”的相关评估指标。由于标准化后、与三项指数值为 。因此，构建一个，由、与组成，并在“”平面上建立函数，以为轴，为轴，为轴。在“”坐标系中设点为（，），点到原点（，）的距离为；将、在坐标系中表示为点（，），点到点的距离为；将与之比视为。当、和均为时，表明该地区城市化发展与生态环境的耦合协调程度最好；反之，当、和均为时，表明该地区城市化发展与生态环境的耦合协调程度最差。计算如下：槡槡，（）式中：为时间节点。结果与分析 长三角城市群城市化时空变化分析根据式（）式（），对年长三角城市群进行评定，统计结果如图所示。由图（）和图（）的与指数变化可以看出：长三角城市群整体与局部均呈现稳定上浮趋势。夜间灯光亮度可以直接反映城市化强度与人类社会经济活动总量，长三角城市群较高灯光亮度区域空间扩张趋势为从沿海城市不断向内陆城市进行扩张。年灯光亮度较高的区域主要分布于直辖市与省会城市的主城区，其他区（县）的灯光亮度明显较低；到年，上海市整体上灯光明亮，主城区基本上连为一体，甚至蔓延至近沪地区与苏锡常都市圈，东部沿海城市得到了高速发展。另外，内陆地区南京都市圈、杭州都市圈也基本连为一体。由图（）的变化可以反映出，在年间长三角城市群的城市化水平均呈现稳定上升的趋势，由年的 升至年的，增长了约 倍。（）均值变化（）均值变化（）均值变化图长三角城市群及省级（直辖市）区域的、和的均值变化 ，（）此外，根据构建各区（县）以等间距分级专题：长时序定量遥感产品重建与应用 法划分为高城市化水平，、较高城市化水平，）、中等城市化水平，）、较低城市化水平，）和低城市化水平，）五个等级，以及经过年城市高速发展，利用自然间断点分级法，将年变化值划分为类。其中，城市化发展水平以及发展变化的区（县）数量及占比，如图所示。相较于年，年长三角城市群所有区（县）的均得到提升。其中，低速增长区（县）共计个，占总区（县）的；较低增速发展的区（县）共计个，占；而较高增速发展与高速发展的区（县）共计个，占长三角城市群区（县）的以上。（）等级划分区（县）数量（）变化值划分区（县）数量及比例图长三角城市群区（县）等级数量与占比及其变化 （）经过年的不断发展可以看出，长三角城市群区（县）城市群内部高速发展区域主要分为类：省会城市和直辖市主城区；沿海城市区（县）。根据中国统计局发布的相关数据可知，上海、南京等城市国内生产总值与年末人口常住数量排名均位于前列，拥有良好的社会经济基础和稳定的流入人口，能更好地带动周边地区以及该城市群城市化的高速发展，使其城市化水平处于一直增长状态。而位于沿海城市，上海、宁波等是中国改革开放的前沿地区，其招商引资与人才引进为长三角城市群的城市化带来丰厚资源与巨大动力；作为中国经济最活跃、人口密度最大的长三角城市群，其梯次结构和成群特色更加鲜明。长三角城市群生态指数与植被覆盖的时空变化分析 长三角城市群生态指数时空变化分析年长三角城市群中第一主成分结果及各年均值如表所示。可以看出：各年第一主成分（）的贡献率均可达到，其年的平均贡献率超过，说明整合了个指标的大部分特征信息。从各指标对的特征值向量来看，和始终为正，和始终为负，说明可以有效地保证和对研究区生态质量具有正影响，而和具有负影响，这也与实际情况相符。综上所述，有效地整合了各指标的特征，可用于构建模型。长三角城市群的平均值为，表明年间长三角城市群平均生态环境处于良好水平阶段。其次，从年的 上升至年的，上升了；在年呈现下降趋势，下降了，年又逐渐上升，形成“”字趋势，年总体上升幅度约为；整体上呈现出内陆城市区（县）生态环境优于沿海城市区（县）的空间分布特征。其中，过去年间退化区域主要集中于近沪地区（苏锡常都市圈、嘉兴等）与苏北地区（盐城、扬州、泰州和南通），而杭州主城区外各区（县）与安徽区域内（除合肥外）的生态环境质量明显提高。表 年长三角城市群主成分分析中第一主成分的结果及均值 年份贡献率 均值 专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 年长三角城市群等级面积及占比与等级转移矩阵桑基图如图所示。年间，等级为优的区域面积呈现先增长后下降再增长的趋势。等级较高（优和良好）区域面积上升幅度约为，等级较低（较差和差）区域面积共上升，但该区域面积占比主要等级为优与良好，意味着长三角城市群生态总体状况良好。（）面积及占比（）转移矩阵桑基图图长三角城市群面积及占比与转移矩阵桑基图 此外，年，较低（差和较差）的区（县）共有个，主要位于上海、苏锡地区以及南京、杭州的主城区；较高（良好和优）的区（县）共有个，主要集中在长三角城市群南部区域。年，均值较低的区（县）较年增加个，共有个，在原有基础上不断向各主城区的近郊以及长三角城市群北部城市的主城区扩展；高的区（县）数量出现下降，共有个。年，差的区（县）相较于年、年减少至，较差的区（县）数量相较于年，也呈现轻微下降趋势；高的区（县）相较于年得到一定恢复，呈现上升趋势，共计个区（县），但环境压力仍然不容乐观，生态环境压力依旧向中心城市主城区辐射。长三角城市群植被覆盖时空变化分析长三角城市群均值变化如图（）所示，形成“”型趋势，总体上处于下降趋势，总体下降幅度约为。年的平均值为，表明长三角城市群在年内植被覆盖水平处于中高植被覆盖。在过去年，改善和退化区域与变化基本一致，主要集中区域均以上海区（县）为核心，不断向近郊以及外围区域辐射，使得区域内生态环境质量和植被覆盖水平发生相对退化；随着近年来长三角城市群加强区域环境协同治理，持续深化区域生态环境共保联治，使得区域生态环境质量与植被覆盖水平得到逐步改善，但人口密度、经济发展与资源环境之间的矛盾仍要十分关注。长三角城市群等级面积及占比与等级转移矩阵桑基图如图（）和图（）所示。高植被覆盖区域面积变化的趋势同长三角城市群整体植被覆盖的变化趋势，在各年份中其所占比例均远高于低与中低植被覆盖；中高植被覆盖度的区域面积虽呈现下降趋势，从年的 降至年的，但仍是长三角城市群主要的植被覆盖等级；等级较低（中等、中低和低）区域面积上升。（）均值变化（）面积及占比专题：长时序定量遥感产品重建与应用 （）转移矩阵桑基图图长三角城市群均值、面积占比及转移矩阵桑基图 ，长三角城市群较低的区域主要分布于上海、南京、杭州的中心地区及其近郊等人类活动强度较大的区域；高植被覆盖的区域主要集中于长三角城市群南部区域，其中，年主要集中在安徽与浙江境内，随着城市范围不断向周围地区扩张，年长三角城市群南部区域的高植被覆盖区（县）减少至个。长三角城市群城市化水平与生态环境质量、植被覆盖水平的耦合协调分析根据式（）计算了年长三角城市群的指数并进行耦合程度分析。年，长三角城市群总体呈现上升态势，从年的 上升至年的，总体上升幅度约为，表明年间长三角城市群城市化与生态环境耦合协调发展处于改善状况。为了进一步分析长三角城市群指数特征，将划分为三级耦合协调程度：低级耦合协调程度（）、中级耦合协调程度（）与高级耦合协调程度（）。长三角城市群区（县）处于各耦合协调程度的数量与比例如图所示。年，中级耦合协调程度的区（县）作为主导，共有个，占；低级耦合协调程度的区（县）有个，占；高级耦合协调程度的区（县）仅有个，占；年，低级耦合协调程度的区（县）数量保持不变，同时高级耦合协调程度的区（县）数量增加至个；年，低级耦合协调程度的区（县）数量大幅下降，仅剩个，而高级耦合协调程度的区（县）数量逐渐上升，达到个。图长三角城市群分级城市数量及占比 长三角城市群年间不仅在数值上发生变化，其空间分布特征也有着明显差异。为了探索长三角城市群耦合变化的空间特征，采用 网格对年长三角城市群指数及其年间变化影像进行重采样，得到 个样本点，进行全局和局部空间自相关分析。研究时期长三角城市群全局均为正值，通过 置信度下的显著性检验（），说明长三角城市群从区县尺度来看，存在明显的空间正相关特征。为了进一步分析长三角城市群区县尺度局部空间自相关性，将表现出空间局部自相关特征的地级单元分为类：低低值（）、高高值（）、低高值（）和高低值（）集聚区。其中，年长三角城市群呈现以集聚区和集聚区为主的空间分布格局，集聚区和集聚区较少出现。其中，年类型区域即热点区域，主要分布在长三角城市群南部区域，如安庆岳西县、池州各区县、宣城和杭州等南部区县，随着周边地区变化不均匀（南部升高、中部下降），之后热点区域消失。相较于年，年在其空间分布基础上增加了安庆潜山市和太湖县；年中部区域（南京、常州和苏州等区县）呈现出斑块状的型区域，说明在城市建设发展的同时，生态环境得到改善，中部区域的受到一定积极影响，呈现好转态势，凭借城市化与生态环境积极协调发展的优势，未来仍能实现区域恢复；年，型区域即冷专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 点区域，主要出现在长三角城市群长江沿岸区县以及苏锡常城市群，年增加了杭州、湖州和绍兴三市交界的区县，年冷点区域逐渐向北移动，形成了盐城、南通等沿海港口区域连成一片的格局。此外，长三角城市群变化的样本点主要分布于第一、三象限，表明长三角城市群城市化与生态环境之间耦合变化存在明显的空间正相关性。其中，指数为，表明长三角城市群变化的空间分布呈聚集性而非随机性。其次，可以看出，集聚区域，即改善区域，主要分为类：一类是拥有城市化水平较高增速发展与生态环境质量和植被覆盖水平改善并存的城市，主要分布于杭州、绍兴、宁波和金华的主城区，这与杭州等地政府完善公共服务、提高城市生活质量以及其拥有良好的生态环境基础息息相关；另一类是城市化进程有较高增速的城市，其生态环境质量和植被覆盖水平出现较低退化，但在整体上经济、社会和生态协同治理取得积极进展，如上海近郊、苏锡常都市圈，以及南京与合肥等区域；而集聚区域，即降低区域，主要集中于长三角城市群北部区县，如盐城、南通和扬州等。结论本文基于云计算平台，以长三角城市群为研究区，通过多源卫星数据建立、与等指数，分析该区域的城市化发展水平和生态环境状况，并基于相关统计数据支撑，构建对城市群年间城市群的城市化水平、生态环境质量和植被覆盖水平进行区域耦合协调分析。结论如下：在年间，长三角城市群从年的 上升至年的，不论从整体上还是各区县的城市化水平均有所提升。其中，城市化进程高速发展的区域主要是省会城市与沿海城市的主城区县。长三角城市群年间平均为，表明生态环境质量处于良好水平阶段且平均为，植被覆盖水平也处于中高覆盖水平，即与在区域生态环境研究中的结果较为一致。基于构建，可以快速便捷地识别出长三角城市群总体以及各区县的城市化水平与生态环境的耦合协调状况。其中，长三角城市群整体上从年的 上升至年的，上升幅度约为；此外，年高级耦合协调程度的城市数量逐渐增加，表明城市化与生态环境耦合状态总体稳定且逐渐改善。?参考文献赵其国，黄国勤，马艳芹中国生态环境状况与生态文明建设生态学报，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：陈晋，卓莉，史培军，等基于 数据的中国城市化过程研究 反映区域城市化水平的灯光指数的构建遥感学报，（）：，（）：，（）：赵安周，张向蕊，相恺政，等基于夜间灯光和统计数据的黄土高原城镇化水平时空格局分析 自然资源遥感：，：，（）：专题：长时序定量遥感产品重建与应用 徐涵秋区域生态环境变化的遥感评价指数中国环境科学，（）：杨绘婷，徐涵秋基于遥感空间信息的武夷山国家级自然保护区植被覆盖度变化与生态质量评估应用生态学报，（）：王志超，何新华基于植被覆盖度和遥感生态指数的成都市锦江区生态质量评估生态与农村环境学报，（）：苏朔，宫兆宁，张文静，等北运河流域植被覆盖度变化及其生态环境质量评估环境科学学报，（）：，：，（）：梁龙武，王振波，方创琳，等京津冀城市群城市化与生态环境时空分异及协同发展格局生态学报，（）：贺清云，李慧平，欧阳晓长江中游城市群城市化与生态环境耦合协调分析及模拟预测生态科学，（）：黄莘绒，管卫华，陈明星，等长三角城市群城镇化与生态环境质量优化研究地理科学，（）：国家发展改革委，住房城乡建设部长江三角洲城市群发展规划 ：，：，：，：，：，（），：卓莉，史培军，陈晋，等 世纪年代中国城市时空变化特征 基于灯光指数方法的探讨地理学报，（）：，？，（）：，：，：，：，（）：，：，（）：，：，：，：陈子娴，周廷刚，李洪忠，等微博数据在生态环境监测中的潜力研究 以成渝城市群为例地理与地理信息科学，（）：，（）：，：齐亚霄，张飞，陈瑞，等 年天山北坡植被覆盖动态变化研究生态学报，（）：郑子豪，吴志峰，陈颖彪，等基于 的长三角城市群生态环境变化与城市化特征分析生态学报，（）：专题：长时序定量遥感产品重建与应用 年 无线电工程 第 卷 第 期 ，：，（）：，（）：，（）：陶鸿斌基于区域非点源污染分区分级风险评价方法研究兰州：兰州交通大学，作者简介王仁义男，（），硕士研究生。主要研究方向：生态遥感。（通信作者）苏涛男，（），博士后，副教授。主要研究方向：定量遥感及其应用。徐良泉男，（），硕士研究生。主要研究方向：水体遥感。邸俊楠女，（），硕士研究生。主要研究方向：城市遥感。专题：长时序定量遥感产品重建与应用