孫照輝，陳穎彪，吳獻(xiàn)文，韓富狀

(1.廣州全成多維信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511457；2.廣州大學(xué) 地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006；3.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510)

0 引言

我國目前仍處于城市化快速發(fā)展階段，社會(huì)經(jīng)濟(jì)顯著提升，城市人口數(shù)量持續(xù)增加。但在城市建成區(qū)不斷擴(kuò)張、城市人類活動(dòng)強(qiáng)度不斷提高的過程中，城市熱島、大氣污染、土地荒漠化等問題頻現(xiàn)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境受到巨大挑戰(zhàn)[1，2]。一方面，城市化水平的快速發(fā)展，需要大量資源消耗并使土地利用方式發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受到巨大壓力。另一方面，生態(tài)環(huán)境惡化將制約城市化，約束社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)正由高速度發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，如何處理好城市化和生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系顯得尤為重要，如何把握二者之間的平衡點(diǎn)是亟待解決的問題[4]。而實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與城市化的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展，是處理社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)關(guān)系的重要支撐，也是落實(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，開展生態(tài)環(huán)境與城市化特征的耦合協(xié)調(diào)研究顯得十分關(guān)鍵。

當(dāng)前，生態(tài)環(huán)境與城市化之間耦合協(xié)調(diào)的研究已引起眾多學(xué)者的關(guān)注。孫斌等基于面板數(shù)據(jù)，采用熵值法和耦合協(xié)調(diào)度模型，評價(jià)黃河流域城市群內(nèi)58個(gè)城市的城鎮(zhèn)化與生態(tài)保護(hù)的耦合狀況[5]。閆明濤等運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型和地理探測器，基于區(qū)縣面板數(shù)據(jù)，分析了136個(gè)區(qū)縣內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)水平和影響因素[6]。陳潔等使用社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)指標(biāo)體系，刻畫南京市社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的耦合度[7]。總體上，當(dāng)前生態(tài)環(huán)境與城市化耦合協(xié)調(diào)的研究多使用面板數(shù)據(jù)開展，缺乏詳細(xì)的空間信息，難以對小尺度空間進(jìn)行刻畫。近年來，基于遙感技術(shù)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)以及城市化特征水平分析受到廣泛關(guān)注。其中，一種利用遙感影像快速評價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)，即遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)被廣泛地應(yīng)用[8，9]。此外，夜間燈光(NTL)遙感數(shù)據(jù)被廣泛地運(yùn)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算，其與城市發(fā)展水平的高相關(guān)性已得到證實(shí)[10，11]。

作為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最高，人類活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一，粵港澳大灣區(qū)因其特殊區(qū)位及發(fā)展機(jī)遇受到廣泛關(guān)注。但在大灣區(qū)城市化水平不斷推進(jìn)的同時(shí)，其內(nèi)部生態(tài)環(huán)境也受到巨大的脅迫作用。因此，了解大灣區(qū)內(nèi)部生態(tài)環(huán)境與城市化特征的耦合協(xié)調(diào)狀況尤為關(guān)鍵。鑒于此，本研究以粵港澳大灣區(qū)為研究區(qū)，利用遙感影像數(shù)據(jù)，使用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)及城市化特征水平分析指標(biāo)，開展過去20年間大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合協(xié)調(diào)演變研究，以期為推動(dòng)大灣區(qū)生態(tài)文明建設(shè)，以及促進(jìn)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)位于珠江下游區(qū)域，包括香港和澳門特別行政區(qū)，以及珠三角城市群9市，共計(jì)11個(gè)城市。大灣區(qū)地處南亞熱帶區(qū)域，大部分位于北回歸線以南，整體屬亞熱帶季風(fēng)氣候。大灣區(qū)作為中國發(fā)展最快的區(qū)域之一，在過去二十年，經(jīng)濟(jì)得到巨大發(fā)展，人口數(shù)量急劇增加。2000年至2020年，大灣區(qū)的地區(qū)生產(chǎn)總值由2.3萬億人民幣增加至11.6萬億人民幣，人口數(shù)量由4 789萬人增長至8 639萬人[12]。但由于大灣區(qū)地域廣闊，區(qū)域內(nèi)城市發(fā)展差異明顯，因此各子區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和城市化特征水平的空間異質(zhì)性顯著。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究所使用的主要數(shù)據(jù)包括用于評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的MODIS遙感影像數(shù)據(jù)以及用于分析城市化特征水平的NTL數(shù)據(jù)，并分別選取2000、2005、2010、2015以及2020年共計(jì)5個(gè)年份數(shù)據(jù)。其中，MODIS遙感影像數(shù)據(jù)包括MOD13A1、MOD11A2、MOD09A1等系列數(shù)據(jù)集。NTL數(shù)據(jù)使用跨傳感器校正的“類NPP-VIIRS”NTL數(shù)據(jù)，其空間分辨率為500 m。該NTL數(shù)據(jù)，解決了DMSP-OLS和NPP-VIIRS兩類NTL數(shù)據(jù)不可比的問題，有效地?cái)U(kuò)寬了NTL數(shù)據(jù)的可用時(shí)間長度，并已被驗(yàn)證可用于反映區(qū)域內(nèi)部細(xì)節(jié)信息及其在長時(shí)間序列上的變化情況[13]。

2 研究方法

2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

本研究使用RSEI作為評價(jià)大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)。RSEI是一種利用遙感影像提取綠度、濕度、干度以及熱度等參數(shù)，進(jìn)行區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況快速監(jiān)測，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量快速評價(jià)的指標(biāo)[8]。RSEI的計(jì)算函數(shù)公式如下：

RSEI=f(Greenness，Wetness，Dryness，Heat)

(1)

式中：Greenness為綠度；Wetness為濕度；Dryness為干度；Heat為熱度。其中，綠度指標(biāo)選取歸一化植被指數(shù)(NDVI)，表征區(qū)域內(nèi)植被綜合狀況；濕度指標(biāo)選取多光譜影像經(jīng)纓帽變換后的濕度分量進(jìn)行表征[14]；干度指標(biāo)選取由土壤指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)所合成的NDBSI，表征地表裸露及土地退化情況[15]；熱度指標(biāo)選取地表溫度(LST)表征。此外，由于上述指標(biāo)的量綱不一致，故需對綠度、濕度、干度以及熱度的計(jì)算值進(jìn)行歸一化處理。

在獲得歸一化處理后的綠度、濕度、干度以及熱度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行主成分分析。主成分分析基于數(shù)據(jù)降維的數(shù)學(xué)思想，將綠度、濕度、干度以及熱度重新組合，即將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)綜合指標(biāo)，進(jìn)而選取主成分分析運(yùn)算后具有最大方差的第一主成分(PCI)，以計(jì)算大灣區(qū)的RSEI。

2.2 城市化特征水平分析

本研究使用綜合夜間燈光指數(shù)(CNLI)作為反映人類活動(dòng)強(qiáng)度和城市化水平等城市化特征的指標(biāo)[13]。該指標(biāo)已被證實(shí)與反映城市化水平的面板指標(biāo)具有較強(qiáng)的一致性，能夠被有效地運(yùn)用在城市化水平監(jiān)測及長時(shí)間序列上的時(shí)空分析[16]。CNLI被定義為區(qū)域NTL平均值與區(qū)域NTL面積占比的乘積，其涉及NTL分布的兩類屬性，即區(qū)域NTL平均強(qiáng)度屬性和反映NTL空間延展性的面積屬性，計(jì)算公式為：

CNLIi=Ii×Si

(2)

(3)

(4)

式中：CNLIi表示區(qū)域i的綜合夜間燈光指數(shù)；Ii和Si分別表示區(qū)域i的NTL平均值和NTL面積占比；ni表示區(qū)域i內(nèi)的NTL像元數(shù)；DNj表示區(qū)域i內(nèi)第j個(gè)NTL像元的灰度值；Arealight表示區(qū)域i內(nèi)存在NTL的面積；Area表示區(qū)域i的總面積。

2.3 耦合協(xié)調(diào)象限劃分

本研究通過對大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以及城市化特征水平分析結(jié)果進(jìn)行象限劃分，以評價(jià)大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與城市化特征水平之間的耦合協(xié)調(diào)程度?；赗SEI和CNLI的計(jì)算結(jié)果，對大灣區(qū)內(nèi)各街道(鎮(zhèn))所求得的RSEI和CNLI進(jìn)行z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理，以實(shí)現(xiàn)將不同量級的RSEI和CNLI轉(zhuǎn)化為同一量度的z-score分值進(jìn)行比較。x軸表征標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，y軸表征標(biāo)準(zhǔn)化的城市化特征水平，進(jìn)而可劃分出4個(gè)象限：象限Ⅰ表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高-城市化特征水平高，象限Ⅱ表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低-城市化特征水平高，象限Ⅲ表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低-城市化特征水平低，象限Ⅳ表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高-城市化特征水平低。RSEI和CNLI的z-score標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

(5)

(6)

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化

根據(jù)上述生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法，定量反演大灣區(qū)在2000、2005、2010、2015以及2020年的RSEI，并計(jì)算大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)的RSEI均值，進(jìn)而使用均值標(biāo)準(zhǔn)差分級法劃分為5類等級，獲得大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))在各時(shí)間點(diǎn)上的RSEI均值等級(見圖1)。

從圖1可知，大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))在2000-2020年的RSEI空間異質(zhì)性顯著。其中，低RSEI均值等級單元主要分布在珠江入?？诩捌鋬砂秴^(qū)域；較低RSEI均值等級單元與低RSEI均值等級單元緊密相連，分布在其外圍區(qū)域；較高RSEI均值等級單元分布于較低RSEI均值等級單元外側(cè)及高RSEI均值等級單元集聚區(qū)內(nèi)部；而高RSEI均值等級單元成片分布，分布于肇慶、江門以及惠州東部等大灣區(qū)核心區(qū)外圍區(qū)域。2000-2020年，大灣區(qū)低RSEI均值等級單元區(qū)域持續(xù)擴(kuò)張，單元數(shù)量由173增加至201，大部分由較低RSEI均值等級單元轉(zhuǎn)變而成。較高RSEI均值等級單元數(shù)量由121減少為54，其中部分轉(zhuǎn)化為較低RSEI均值等級單元，其余轉(zhuǎn)變?yōu)楦逺SEI均值等級單元。這反映出部分大灣區(qū)核心區(qū)外圍區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)，生態(tài)壓力出現(xiàn)降低跡象。總體上，大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))的RSEI差異明顯，過去20年間區(qū)域生態(tài)環(huán)境受壓顯著，低RSEI均值等級單元區(qū)域持續(xù)向外擴(kuò)張，在珠江入海口兩岸形成呈倒“U”型、成片的低RSEI均值等級單元集聚區(qū)。

圖1 2000-2020年粵港澳大灣區(qū)RSEI等級分布Fig.1 Distribution of RSEI grades in the GBA from 2000 to 2020

3.2 大灣區(qū)城市化特征水平變化

根據(jù)上述城市化特征水平分析方法，定量反演大灣區(qū)在2000、2005、2010、2015以及2020年的CNLI，并計(jì)算大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)的CNLI均值，進(jìn)而使用均值標(biāo)準(zhǔn)差分級法劃分為5類等級，獲得大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))在各時(shí)間點(diǎn)上的CNLI均值等級(見圖2)。

從圖2可知，大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))在2000-2020年的CNLI的空間分布與RSEI近似，均有顯著的空間異質(zhì)性現(xiàn)象。其中，高CNLI均值等級單元集中分布在深圳、香港、廣州、東莞等大灣區(qū)核心區(qū)及其周圍；較高CNLI均值等級單元零星穿插于高CNLI均值等級單元中；較低CNLI均值等級單元位于較高CNLI均值等級單元與低CNLI均值等級單元之間，形成局部集聚區(qū)；低CNLI均值等級單元主要分布在大灣區(qū)西部與北部等非核心區(qū)域，呈大片面狀分布。2000-2020年，大量較高和較低CNLI均值等級單元轉(zhuǎn)變?yōu)楦逤NLI均值等級，高CNLI均值等級單元由零星分布于珠江入?？趦砂?，持續(xù)向外擴(kuò)張，單元數(shù)量由145大幅度增加至204。大量低CNLI均值等級單元轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低CNLI均值等級單元，其數(shù)量顯著降低，由295減少為231?？傮w上，大灣區(qū)核心區(qū)與非核心區(qū)各街道(鎮(zhèn))的CNLI差異顯著，過去20年間CNLI均值等級不斷提升，低CNLI均值等級單元數(shù)量減少，高CNLI均值等級單元區(qū)域持續(xù)擴(kuò)張，經(jīng)歷“點(diǎn)-線-面”演變過程，最終在珠江入?？跂|側(cè)區(qū)域出現(xiàn)成片集聚區(qū)。

圖2 2000-2020年粵港澳大灣區(qū)CNLI等級分布Fig.2 Distribution of CNLI grades in the GBA from 2000 to 2020

3.3 生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合協(xié)調(diào)演變

基于z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各街道(鎮(zhèn))RSEI和CNLI，對大灣區(qū)2000-2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)與城市化特征水平分析結(jié)果進(jìn)行象限劃分(見圖3)。從圖3中可知，大灣區(qū)內(nèi)處于象限Ⅰ和象限Ⅲ，即生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高-城市化特征水平高及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低-城市化特征水平低的街道(鎮(zhèn))數(shù)量相對較少，大量的街道(鎮(zhèn))位于象限Ⅱ和象限Ⅳ，即生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低-城市化特征水平高和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高-城市化特征水平低。根據(jù)各象限表征的基本內(nèi)涵，可對各象限內(nèi)的街道(鎮(zhèn))單元進(jìn)行分區(qū)，即4種生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合協(xié)調(diào)類型(見圖4)：象限Ⅰ內(nèi)的單元，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與城市化特征水平均較高，兩者耦合協(xié)調(diào)狀況良好(高階耦合協(xié)調(diào)型)；象限Ⅱ內(nèi)的單元，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低而城市化特征水平較高，城市化特征水平優(yōu)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，即生態(tài)環(huán)境滯后于城市化(生態(tài)環(huán)境滯后型)；象限Ⅲ內(nèi)的單元，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與城市化特征水平均較低，雖兩者耦合協(xié)調(diào)狀況良好，但屬于初級耦合(低階耦合協(xié)調(diào)型)；象限Ⅳ內(nèi)的單元，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高而城市化特征水平較低，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量領(lǐng)先于城市化特征水平，即城市化滯后于生態(tài)環(huán)境(城市化特征滯后型)。

圖3 2000-2020年粵港澳大灣區(qū)RESI與CNLI象限劃分Fig.3 Quadrants division of RESI and CNLI in the GBA from 2000 to 2020

根據(jù)圖4及數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，2000-2020年間，大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))單元的生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合協(xié)調(diào)演變趨勢不盡相同，即生態(tài)環(huán)境壓力減緩和生態(tài)環(huán)境惡化單元同時(shí)存在。高階耦合協(xié)調(diào)型單元的數(shù)量由8增加至39，由零星分布轉(zhuǎn)為局部集中，主要為部分生態(tài)環(huán)境滯后型單元轉(zhuǎn)化而成，其在香港、深圳、東莞等區(qū)域具有小范圍集聚現(xiàn)象。生態(tài)環(huán)境滯后型單元的數(shù)量由181增加至216，主要由低階耦合協(xié)調(diào)型單元轉(zhuǎn)化而來，在空間上由分散分布演化為大面積片狀分布，主要集中在佛山、廣州、東莞等區(qū)域。低階耦合協(xié)調(diào)型單元的數(shù)量大幅度減少，由79減少為37，主要是由于部分單元轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境滯后型單元。城市化特征滯后型單元廣泛分布在肇慶、江門、惠州北部等大灣區(qū)核心區(qū)外圍區(qū)域，但其數(shù)量由281減少為257，尤其是臨近大灣區(qū)核心區(qū)的城市化特征滯后型單元發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖4 2000-2020年粵港澳大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合分區(qū)Fig.4 Coupled zoning of ecological environment and urbanization characteristics in the GBA from 2000 to 2020

根據(jù)4種生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合協(xié)調(diào)類型的本質(zhì)特征，其在未來的發(fā)展中應(yīng)注意生態(tài)環(huán)境保護(hù)與城市發(fā)展相協(xié)調(diào)。其中，高階耦合協(xié)調(diào)型單元的生態(tài)環(huán)境狀況良好，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)要注意維護(hù)生態(tài)環(huán)境的良好態(tài)勢；生態(tài)環(huán)境滯后型單元內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，致使區(qū)域生態(tài)壓力較大，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)修復(fù)，優(yōu)先開展生態(tài)建設(shè)；低階耦合協(xié)調(diào)型單元內(nèi)城市化特征水平較低，且生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低于大灣區(qū)均值，應(yīng)開展生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙贏；城市化特征滯后型單元內(nèi)具有良好的生態(tài)環(huán)境，但城市化特征水平低，應(yīng)將其作為大灣區(qū)綠色保護(hù)屏障。

4 結(jié)論

本研究以粵港澳大灣區(qū)為研究區(qū)，利用遙感影像數(shù)據(jù)，使用生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)及城市化特征水平分析指標(biāo)，開展過去20年間大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合協(xié)調(diào)演變研究。結(jié)果表明：

1)大灣區(qū)各街道(鎮(zhèn))的RSEI差異明顯，過去20年間區(qū)域生態(tài)環(huán)境受壓顯著，低RSEI均值等級單元區(qū)域持續(xù)向外擴(kuò)張，在珠江入?？趦砂缎纬沙实埂癠”型、成片的低RSEI均值等級單元集聚區(qū)；

2)大灣區(qū)核心區(qū)與非核心區(qū)各街道(鎮(zhèn))的CNLI差異顯著，過去20年間CNLI均值等級不斷提升，低CNLI均值等級單元數(shù)量減少，高CNLI均值等級單元區(qū)域持續(xù)擴(kuò)張，經(jīng)歷“點(diǎn)-線-面”演變過程，最終在珠江入?？跂|側(cè)區(qū)域出現(xiàn)成片集聚區(qū)；

3)基于RSEI與CNLI均值等級的象限劃分，可將大灣區(qū)街道(鎮(zhèn))單元的生態(tài)環(huán)境與城市化特征耦合協(xié)調(diào)類型劃分為高階耦合協(xié)調(diào)型、生態(tài)環(huán)境滯后型、低階耦合協(xié)調(diào)型以及城市化特征滯后型等4種類型。