孟 丹， 劉玲童， 宮輝力， 李小娟， 蔣博武

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048； 2.北京市城市環(huán)境過(guò)程與數(shù)字模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，北京 100048； 3.水資源安全北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

0 引言

城市化在給人類帶來(lái)發(fā)達(dá)的物質(zhì)文明的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列不同程度的環(huán)境破壞與環(huán)境威脅，城市化與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系研究成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。城市化與生態(tài)環(huán)境之間存在復(fù)雜的交互耦合脅迫機(jī)制，體現(xiàn)在城市化在發(fā)展過(guò)程會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞與城市化發(fā)展需要依托生態(tài)環(huán)境2個(gè)方面[1]。因此，在當(dāng)前城市化不斷推進(jìn)過(guò)程中，如何協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，具有現(xiàn)實(shí)意義。從國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市化與生態(tài)環(huán)境的相關(guān)研究來(lái)看，研究重點(diǎn)主要涉及城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)的理論研究，生態(tài)環(huán)境對(duì)城市化的響應(yīng)關(guān)系研究，城市化、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系研究[2-7]。方創(chuàng)琳等[8]學(xué)者構(gòu)建了“多要素-多尺度-多情景-多模塊-多智能體”集成的時(shí)空耦合動(dòng)力學(xué)模型的理論框架。目前關(guān)于城市化與生態(tài)環(huán)境關(guān)系研究多是基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建兩個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)體系[9-11]，而基于遙感數(shù)據(jù)像元尺度的研究較少。遙感技術(shù)的發(fā)展為二者的研究提供了新的途經(jīng)，廖李紅等[12]基于DMSP/OLS和Landsat數(shù)據(jù)分析了晉江市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系； Wang等[13]利用DMSP/OLS 和 MODIS地表溫度數(shù)據(jù)，討論了中國(guó)城市擴(kuò)張的時(shí)空特征及其與城市熱島強(qiáng)度的關(guān)系。

夜間燈光遙感影像以其獨(dú)特的夜間低光探測(cè)能力，在表征人類活動(dòng)方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，夜間燈光遙感數(shù)據(jù)被廣泛的應(yīng)用于描述人類活動(dòng)、城市發(fā)展等方面[14-19]。城市化是人口、經(jīng)濟(jì)水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、城市建成區(qū)等方面的綜合體現(xiàn)，眾多的研究顯示，夜間燈光遙感數(shù)據(jù)與城市化影響指標(biāo)有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度[20-21]。生態(tài)環(huán)境受到多種生態(tài)因子的共同作用與影響，利用遙感技術(shù)充分挖掘遙感影像中包含的生態(tài)環(huán)境信息，對(duì)生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)有著非常重要現(xiàn)實(shí)意義。徐涵秋[22]基于遙感技術(shù)提出了一種新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index，RSEI)。它完全基于遙感信息，集成了最直觀反映生態(tài)環(huán)境的多重指標(biāo)，可以對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行快速地監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，已用于雄安新區(qū)、阜新市、渭南市、長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)等地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量評(píng)估[23-25]。

2019年2月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《大運(yùn)河文化保護(hù)傳承利用規(guī)劃綱要》，要求各地區(qū)各部門(mén)要嚴(yán)格遵循綱要規(guī)定，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況認(rèn)真貫徹落實(shí)。目前京杭大運(yùn)河存在生態(tài)環(huán)境及人文環(huán)境關(guān)注度不足等問(wèn)題[26]。南水北調(diào)東線工程的實(shí)施和中國(guó)大運(yùn)河申遺成功，為京杭大運(yùn)河生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和城市發(fā)展提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[27]。開(kāi)展京杭大運(yùn)河沿線城市化及生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系研究，對(duì)京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有現(xiàn)實(shí)意義。因此本文基于遙感數(shù)據(jù)對(duì)1992年、1997年、2002年、2007年、2013年及2018年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市化水平、生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間評(píng)價(jià)研究，運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型對(duì)城市化與生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)度分析，旨在為京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供決策支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

京杭大運(yùn)河始建于春秋時(shí)期，完成于隋朝，繁榮于唐宋，取直于元代，疏通于明清。京杭大運(yùn)河在中國(guó)歷史上發(fā)揮了政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化交流等重要作用，至今山東濟(jì)寧以南 1 100 多km的航道仍在被利用[28-29]。京杭大運(yùn)河位于我國(guó)中東部腹地，途徑北京、河北、天津、山東、江蘇和浙江等省市，溝通了海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江和錢(qián)塘江5大水系，連接太湖、洪澤湖、駱馬湖等一系列湖泊。地理位置介于E116°～120°，N39°～30°之間。京杭大運(yùn)河沿線是我國(guó)人口分布集中區(qū)域，也是最具發(fā)展?jié)摿Φ慕?jīng)濟(jì)發(fā)展帶，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快，城市化水平較高。本文選取京杭大運(yùn)河沿線的20個(gè)城市作為研究區(qū)，如圖1所示。將運(yùn)河沿線地區(qū)從北至南依次劃分為京津冀段、山東段、江蘇段、浙江段。京津冀段包括北京、天津、廊坊、滄州； 山東段包括德州、聊城、濟(jì)南、泰安、濟(jì)寧、棗莊； 江蘇段包括徐州、宿遷、淮安、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫、蘇州； 浙江段包括嘉興和杭州。

圖1 研究區(qū)域和范圍示意圖Fig.1 Sketch map of study area and scope

1.2 研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

論文主要數(shù)據(jù)源包括Landsat數(shù)據(jù)、夜間燈光數(shù)據(jù)、建成區(qū)矢量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，具體如表1所示。

表1 研究數(shù)據(jù)列表Tab.1 List of the research data

Landsat數(shù)據(jù)包括TM和OLI兩種數(shù)據(jù)，共采用120幅Landsat遙感影像。遙感影像數(shù)據(jù)成像時(shí)間多為5—10月份。Landsat數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正，用于消除大氣、光照等因素對(duì)地物反射的影響。

夜間燈光數(shù)據(jù)包括DMSP/OLS和NPP/VIIRS2種。DMSP/OLS影像可以記錄到城市和鄉(xiāng)村等的穩(wěn)定燈光，影像分辨率達(dá)到了30″(約1 km)。研究采用穩(wěn)定燈光年度影像，影像剔除掉偶然燈光的背景噪聲。NPP/VIIRS夜晚燈光數(shù)據(jù)影像分辨率達(dá)到了15″(約 450 m)，直接記錄燈光的輻射亮度，提高了探測(cè)敏感度，消除了燈光過(guò)飽和現(xiàn)象，但是NPP/VIIRS數(shù)據(jù)存在一些背景噪聲。由于可獲取的DMSP/OLS數(shù)據(jù)時(shí)間段是1992—2013年，故研究選用1992年、1997年、2002年、2007年和2013年5期DMSP/OLS穩(wěn)定夜間燈光數(shù)據(jù)，和2018年9月份NPP/VIIRS數(shù)據(jù)用于研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列的城市化水平分析。由于2種夜間燈光數(shù)據(jù)空間分辨率、光譜響應(yīng)方式等方面存在差異，因此在計(jì)算夜間燈光指數(shù)之前，需對(duì)2種夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行整合[30-31]，選取2012年、2013年2種夜間燈光數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)的建模與驗(yàn)證。

建成區(qū)矢量數(shù)據(jù)采用宮鵬團(tuán)隊(duì)制作的中國(guó)城市基本土地利用類別測(cè)繪(EULUC-China-2018)。該數(shù)據(jù)對(duì)建成區(qū)進(jìn)行了分類(http: //data.ess.tsinghua.edu.cn/)。本研究利用該數(shù)據(jù)計(jì)算建成區(qū)面積占市域面積比例。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于京杭大運(yùn)河沿線2018年各城市的統(tǒng)計(jì)年鑒，研究選取指標(biāo)主要包括非農(nóng)人口比例、第二三產(chǎn)業(yè)占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)比重，構(gòu)建城市化綜合指數(shù)，用于驗(yàn)證夜間燈光指數(shù)是否能夠確切地反映城市化水平。

2 研究方法

2.1 夜間燈光指數(shù)

利用夜間燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建表征城市化水平的夜間燈光指數(shù)。夜間燈光指數(shù)以京杭大運(yùn)河沿線城市2018年建成區(qū)為界，計(jì)算建成區(qū)范圍內(nèi)各年份的燈光斑塊的相對(duì)燈光強(qiáng)度作為夜間燈光指數(shù)(I)，公式為：

(1)

式中：DNi為建成區(qū)內(nèi)i級(jí)的灰度值；ni為建成區(qū)內(nèi)第i灰度等級(jí)的像元總數(shù)；N為建成區(qū)內(nèi)燈光的像元總數(shù)。

參考陳晉等的研究，選取非農(nóng)業(yè)人口比例、建成區(qū)面積比例、第二三產(chǎn)業(yè)占 GDP 比例這 3項(xiàng)指標(biāo)分別表達(dá)人口、空間、經(jīng)濟(jì)的城市化指標(biāo)(權(quán)重分別定為0.4，0.2和0.4)，構(gòu)建城市化綜合指數(shù)[32]，用于驗(yàn)證夜間燈光指數(shù)是否能夠確切的反映城市化水平。

參考梁龍武等的研究，劃分城市化水平類型。將當(dāng)年夜間燈光指數(shù)均值的1倍、1.2倍設(shè)定為劃分標(biāo)準(zhǔn)[5]。城市化水平類型區(qū)分別為高城市化區(qū)(>1.2倍) 、中城市化區(qū)(1～1.2倍) 、低城市化區(qū)(<1倍) 3種類型。

2.2 RSEI指數(shù)

RSEI[22]是利用遙感影像，整合多個(gè)自然因子，對(duì)生態(tài)狀況進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的新型遙感生態(tài)指數(shù)。該指數(shù)集成了植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和建筑指數(shù) 4 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別代表綠度、濕度、熱度和干度 4大生態(tài)要素，然后進(jìn)行主成分分析。把4個(gè)指標(biāo)中的主要的信息集中到第一主成分PC1上。對(duì)主成分分析后的 PC1進(jìn)行歸一化處理后即為所建的RSEI，其值介于[0，1]之間。RSEI值越接近1，生態(tài)越好，反之生態(tài)越差。將各年份的生態(tài)環(huán)境指數(shù)以0.2為間隔分為5級(jí)，依次為生態(tài)環(huán)境差、較差、一般、良好、優(yōu)秀等級(jí)。

2.3 城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)模型

城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度模型由耦合度模型與耦合協(xié)調(diào)度模型兩部分組成[5]。

1)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合度模型。耦合度是一個(gè)物理學(xué)概念，是指兩個(gè)(或兩個(gè)以上的)系統(tǒng)通過(guò)各種相互作用，而彼此影響的現(xiàn)象。耦合被廣泛地應(yīng)用到研究城市化與生態(tài)環(huán)境交互脅迫關(guān)系之中，表示式為：

(2)

式中：C為城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的耦合度，且0≤C≤1；F(x)為城市化系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值；G(y)為生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)值；k為調(diào)節(jié)系數(shù)，且k≥2，常取k=2。

2)城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度模型。利用協(xié)調(diào)度模型，判斷兩個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展程度。計(jì)算公式如下：

T=αF(x)+βG(y)

(3)

(4)

式中：D為協(xié)調(diào)度；T為城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)；α，β為設(shè)定權(quán)重。因?yàn)槌鞘谢l(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)，兩個(gè)系統(tǒng)的重要性是相同的，所以取α=β=0.5。

3)協(xié)調(diào)度劃分。根據(jù)協(xié)調(diào)度D及城市化系統(tǒng)F(x)和生態(tài)壞境系統(tǒng)G(y)的大小，對(duì)城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)類型進(jìn)行劃分，分類原則如表2所示。

表2 城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)類型劃分原則Tab.2 Classification principles of coupling and coordination types between urbanization and eco-environment

3 結(jié)果與分析

3.1 城市化水平評(píng)價(jià)結(jié)果

分析2013年DMSP/OLS與NPP/VIIRS 2種燈光數(shù)據(jù)，建立回歸方程如下：

DN=5.400 1R+6.796 7

(5)

式中：R為NPP/VIIRS 數(shù)據(jù)的夜光輻射強(qiáng)度；DN為擬合成DMSP/OLS數(shù)據(jù)的像元灰度值。

利用式(5)可以將NPP/VIIRS燈光數(shù)據(jù)模擬該年份的DMSP/OLS數(shù)據(jù)。由于2種夜間燈光數(shù)據(jù)存在2012年和2013年的數(shù)據(jù)疊合期，所以利用以上2013年的數(shù)據(jù)建立的模型對(duì)2012年的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，通過(guò)比較2012年真實(shí)DMSP/OLS數(shù)據(jù)與由NPP/VIIRS模擬的DMSP/OLS數(shù)據(jù)的差異來(lái)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的整合效果。由NPP/VIIRS數(shù)據(jù)得到的DMSP/OLS模擬數(shù)據(jù)灰度值分布范圍更廣，因此將模擬的DMSP/OLS灰度值大于63的像元直接調(diào)整為63，人為制造與DMSP/OLS數(shù)據(jù)類似的飽和效應(yīng)。結(jié)果顯示通過(guò)本研究模擬的DMSP/OLS數(shù)據(jù)與真實(shí)DMSP/OLS數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.8，均方根誤差RMSE為6.24，數(shù)據(jù)整合效果較好。

圖2為1992年、1997年、2002年、2007年、2013年共5期DMSP/OLS數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)擬合處理的2018年NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)。

(a) 1992年 (b) 1997年 (c) 2002年 (d) 2007年 (e) 2013年 (f) 2018年

圖2 1992—2018年夜間燈光強(qiáng)度圖Fig.2 Map of night light intensity from 1992 to 2018

利用夜間燈光數(shù)據(jù)，計(jì)算各城市1992—2018年夜間燈光指數(shù)。以 2018 年為例，將根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得出城市化綜合指數(shù)與2018年夜間燈光指數(shù)(表3)進(jìn)行擬合，得出夜間燈光指數(shù)和城市化綜合指數(shù)之間為正相關(guān)性，兩者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92，表明夜間燈光指數(shù)能夠準(zhǔn)確地表征城市化水平。本研究同樣計(jì)算整個(gè)市轄區(qū)的夜間燈光指數(shù)，分析其與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算的城市化綜合指數(shù)的相關(guān)性相關(guān)系數(shù)僅為0.85。結(jié)合圖2也可以看出像杭州這樣迅速發(fā)展的城市，城市化水平很高，但是由于市轄區(qū)范圍較大，若計(jì)算市轄區(qū)范圍的燈光指數(shù)，導(dǎo)致城市化水平低估。所以本研究采用建成區(qū)范圍內(nèi)計(jì)算的夜間燈光指數(shù)代表城市化水平，進(jìn)行京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)1992—2018年城市化水平研究。

表3 2018年各城市城市化綜合指數(shù)表Tab.3 Comprehensive urbanization index of each city in 2018

統(tǒng)計(jì)每個(gè)城市夜間燈光指數(shù)均值，將1992—2018年的城市化水平進(jìn)行可視化分析，以此分析城市化水平的發(fā)展過(guò)程，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市發(fā)展水平具有空間不平衡性，呈現(xiàn)出南北高，中部低的空間格局，中部城市區(qū)位優(yōu)勢(shì)及發(fā)展動(dòng)力不足，仍以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與工業(yè)為主，因此經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較慢，經(jīng)濟(jì)水平較低。北京、天津、無(wú)錫、蘇州、杭州城市化水平明顯高于其他城市。從研究時(shí)段來(lái)看，1997—2002年間，蘇州、杭州由中城市化水平轉(zhuǎn)變?yōu)楦叱鞘谢剑瑩P(yáng)州、鎮(zhèn)江由低城市化水平轉(zhuǎn)變?yōu)橹谐鞘谢剑?2002—2007年間，嘉興由低城市化水平轉(zhuǎn)變?yōu)橹谐鞘谢剑溆喑鞘邪l(fā)展水平變化不大?？傮w而言京津冀段的城市化水平較高。北京是我國(guó)重要的政治、文化、經(jīng)濟(jì)中心，有著良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，城市化水平較高。天津有著良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)與區(qū)位優(yōu)勢(shì)，是北方的重要經(jīng)濟(jì)中心。山東段的城市化水平總體相對(duì)較低，作為省會(huì)城市的濟(jì)南經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，處于中城市化水平； 其余城市均處于低城市化水平。京杭大運(yùn)河的通航河段主要分布在黃河以南的濟(jì)寧以南地區(qū)，山東段內(nèi)建有濟(jì)寧港、棗莊港等。江蘇是一個(gè)南北發(fā)展差異非常顯著的省份，1993年蘇南、蘇中、蘇北的人均GDP是4.4∶2.1∶1，1997年有所縮小，但仍達(dá)3.9∶1.9∶1[33]。為轉(zhuǎn)變這一極化發(fā)展的格局，20世紀(jì)90年代以來(lái)江蘇省大力實(shí)施了區(qū)域共同發(fā)展戰(zhàn)略，其中蘇錫常都市圈發(fā)展迅速。蘇錫常都市圈位于長(zhǎng)江三角洲，2016年國(guó)家規(guī)劃的《長(zhǎng)江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》要求蘇錫常都市圈全面強(qiáng)化與上海的功能對(duì)接與互動(dòng)，加快推進(jìn)滬蘇通、錫常泰跨江融合發(fā)展。其中，蘇州是是江蘇省內(nèi)的第一經(jīng)濟(jì)強(qiáng)市，除了早期是運(yùn)河重要的城市之外，由于距離上海近，堪稱是上海周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)的第二城，再配合以運(yùn)河等交通設(shè)施的輔助，蘇州城市發(fā)展很有潛力。但是縱貫江蘇南北腹部的新宜城鎮(zhèn)聚合軸(基本上是江北沿大運(yùn)河地帶)卻一直沒(méi)有得到明確的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略與政策支持。揚(yáng)州、淮安等城市，在古代大運(yùn)河剛剛開(kāi)通的時(shí)候，這些城市也隨之興起，成為當(dāng)時(shí)我國(guó)發(fā)展最有潛力的城市，但是當(dāng)大運(yùn)河的地位沒(méi)有那么重要的時(shí)候，這些城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展就逐漸落后了。浙江段城市化水平較高，杭州是大運(yùn)河的終點(diǎn)，是受大運(yùn)河影響最大的城市。自從大運(yùn)河開(kāi)通以后，我國(guó)南方城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸有了起色，大運(yùn)河帶動(dòng)了杭州的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，現(xiàn)如今，杭州在教科文衛(wèi)、旅游產(chǎn)業(yè)、高端產(chǎn)業(yè)、信息文創(chuàng)等新興產(chǎn)業(yè)上做得很出色，使得杭州成為我國(guó)發(fā)展最快的城市。南水北調(diào)東線“一期”工程通水后，工程沿線揚(yáng)州至泰安7個(gè)地級(jí)市的GDP總和從2013年的2.004 4萬(wàn)億元迅速增長(zhǎng)到2018年的2.955 7萬(wàn)億元。工程通水后對(duì)泰安市、濟(jì)寧市經(jīng)濟(jì)發(fā)展無(wú)明顯影響，抑制了棗莊市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)了徐州市、宿遷市、淮安市、揚(yáng)州市等4市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[34]，但是城市化水平仍較低。

(a) 1992年 (b) 1997年 (c) 2002年 (d) 2007年 (e) 2013年 (f) 2018年

圖3 1992—2018年城市化水平空間演變圖Fig.3 The spatial distribution of urbanization levels from 1992 to 2018

為探究城市化水平的空間不平衡性的主要原因，本文搜集整理了研究時(shí)段內(nèi)的非農(nóng)人口比例、建成區(qū)比重、第二三產(chǎn)業(yè)占GDP比重這3項(xiàng)指標(biāo)。從統(tǒng)計(jì)資料中可以看出，在研究初期京津冀段的第二三產(chǎn)業(yè)占GDP比重最高，浙江段、江蘇段次之，山東段最低，2013年浙江段超過(guò)京津冀段，第二三產(chǎn)業(yè)占 GDP 比重最大。2002年之前，建成區(qū)比重指標(biāo)排序從大到小依次為京津冀段、浙江段、江蘇段、山東段，此后浙江段、江蘇段、山東段開(kāi)展了大規(guī)模的城市化建設(shè)，建成區(qū)比重均超過(guò)京津冀段。非農(nóng)人口比例逐年增加，但是排序沒(méi)有變化，從大到小依次為京津冀段、江蘇段、浙江段、山東段。

3.2 RSEI計(jì)算結(jié)果

利用Landsat影像，基于遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算得出1992—2018年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)RSEI，見(jiàn)圖4。

(a) 1992年 (b) 1997年 (c) 2002年 (d) 2007年 (e) 2013年 (f) 2018年

圖4 1992—2018年RSEI圖Fig.4 Map of RSEI from 1992 to 2018

首先對(duì)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。統(tǒng)計(jì)1992—2018年6期RSEI的總體均值和標(biāo)準(zhǔn)差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 1992—2018年研究區(qū)整體生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Overall eco-environment evaluation results of the study area from 1992 to 2018

由表4可以看出，1992—2018年間，該研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化不大，1997年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差，這與1997年我國(guó)發(fā)生了嚴(yán)重的干旱災(zāi)害有關(guān)，2007年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況相對(duì)較好。1992—1997年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)下降狀態(tài)，RSEI平均值從0.62下降至0.59。1997—2007年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)上升狀態(tài)，RSEI平均值從0.59上升至0.73。2007—2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差，RSEI平均值從0.73下降至0.63。

為分析1992—2018年26 a間京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)各城市生態(tài)環(huán)境水平變化過(guò)程與變化規(guī)律，對(duì)各城市RSEI的均值進(jìn)行空間制圖，見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況普遍較好，各城市的RSEI均大于0.4，包括一般生態(tài)環(huán)境區(qū)和良好生態(tài)環(huán)境區(qū)。1992年滄州、濟(jì)南、棗莊、宿遷、鎮(zhèn)江、常州等城市生態(tài)環(huán)境一般； 1997年濟(jì)南、泰安、棗莊的生態(tài)環(huán)境狀況一般； 2002年滄州、濟(jì)南、泰安、棗莊、宿遷、鎮(zhèn)江的生態(tài)環(huán)境為一般； 2007年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境均為良好； 2013年泰安、棗莊、揚(yáng)州、常州的生態(tài)環(huán)境為一般； 2018年廊坊、聊城、泰安、棗莊、濟(jì)南的生態(tài)環(huán)境狀況一般； 其余均為良好生態(tài)環(huán)境區(qū)。由于本文構(gòu)建的RSEI是基于植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和建筑指數(shù)這4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，把4個(gè)指標(biāo)中的主要的信息集中到第一主成分上。針對(duì)以上4個(gè)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況及變遷因素進(jìn)行分析。依據(jù)《中國(guó)森林資源報(bào)告(2014—2018)》，京津冀段、山東段、江蘇段、浙江段的森林覆蓋率依次為27.25%，17.51%，15.20%和59.43%。生長(zhǎng)季的作物、城市綠化植物同樣可增加區(qū)域植被指數(shù)。地表溫度與地表覆蓋、人為熱排放、氣象條件等多種因素有關(guān)，且隨著時(shí)間變化較快，由于城市熱島現(xiàn)象的存在，中心城區(qū)的地表溫度普遍高于郊區(qū)。城市建筑用地的增多對(duì)區(qū)域氣候環(huán)境造成重要影響，研究表明城市建筑指數(shù)越高的地區(qū)，城市的地表溫度越高，熱島效應(yīng)就越明顯。研究區(qū)從北向南，降水量逐漸增多，使得濕度增加，并有利于植被生長(zhǎng)，且南方地區(qū)河網(wǎng)密集，濕度普遍高于北方，導(dǎo)致南方的城市生態(tài)環(huán)境總體狀況優(yōu)于北方的城市。北京市生態(tài)環(huán)境普遍較好，分析原因，北京山區(qū)約占全市總面積的62%，橫跨北部燕山山脈和西部太行山山脈，山區(qū)的植被覆蓋度較高，2016年北京森林覆蓋率為43.77%，且呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)[35]。天津地區(qū)生長(zhǎng)季植被覆蓋度一般在0.55～0.65 之間波動(dòng)[36]，天津市河網(wǎng)密集，增加濕度的同時(shí)，又可以緩解城市熱島效應(yīng)?？傮w而言京津冀段、江蘇段、浙江段的生態(tài)環(huán)境較好； 而山東段的泰安、濟(jì)南、棗莊等中部城市的生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差，其他城市的生態(tài)環(huán)境相對(duì)較好?？梢钥闯?992—2018年間，滄州植被指數(shù)有所增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提升，這與滄州市緊緊圍繞創(chuàng)建國(guó)家生態(tài)園林城市宏偉藍(lán)圖，積極加快城鎮(zhèn)園林綠化、村莊綠化和綠道體系建設(shè)關(guān)系密切。

(a) 1992年 (b) 1997年 (c) 2002年 (d) 2007年 (e) 2013年 (f) 2018年

圖5 1992—2018年研究區(qū)城市尺度生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間演變圖Fig.5 Spatial evolution map of city-scale eco-environment quality from 1992 to 2018

基于每個(gè)城市植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和建筑指數(shù)這4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)第一主成分的貢獻(xiàn)分析，植被指數(shù)、濕度分量對(duì)第一主成分為正貢獻(xiàn)，地表溫度和建筑指數(shù)對(duì)第一主成分為負(fù)貢獻(xiàn)。各城市每個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率各異，總體而言，京津冀段以建筑指數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)為主； 山東段以地表溫度的負(fù)貢獻(xiàn)為主； 江蘇段以建筑指數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)為主； 浙江段以植被指數(shù)的正貢獻(xiàn)為主。

3.3 城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)度結(jié)果

根據(jù)耦合協(xié)調(diào)模型，利用各城市遙感生態(tài)環(huán)境指數(shù)均值與和夜間燈光指數(shù)的平均值，計(jì)算得出1992—2018年生態(tài)環(huán)境與城市化的耦合協(xié)調(diào)度(圖6)，根據(jù)耦合協(xié)調(diào)分類原則，劃分耦合協(xié)調(diào)類型，并將耦合協(xié)調(diào)分類結(jié)果進(jìn)行空間制圖(圖7、圖8)。由圖6、圖7可以看出，1992年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)杭州為瀕臨失調(diào)，其余城市為中度協(xié)調(diào)， 1992—1997年北京由中度協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葏f(xié)調(diào)，杭州由瀕臨失調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸葏f(xié)調(diào)，1997—2002年天津、蘇州由中度協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葏f(xié)調(diào)，2007年京杭大運(yùn)河沿線城市以高度協(xié)調(diào)為主導(dǎo)，說(shuō)明1992—2007年間京杭運(yùn)河沿線地區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度呈上升趨勢(shì)； 2013年、2018年再次轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸葏f(xié)調(diào)為主導(dǎo)。結(jié)合圖8，協(xié)調(diào)度變化主要是因?yàn)?992—2002年期間，沿線城市的城市化水平較生態(tài)環(huán)境低，城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)處于中度協(xié)調(diào)為主，隨著城市化水平的提高，到2007年達(dá)到高度協(xié)調(diào)為主，此后城市化發(fā)展水平超過(guò)了生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r，因此2013年、2018年再次轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸葏f(xié)調(diào)為主?？傮w而言，研究區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度處于較高的水平，僅杭州在1992年因生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r超前于城市化發(fā)展水平，協(xié)調(diào)度為瀕臨失調(diào)，隨著杭州城市的快速發(fā)展，協(xié)調(diào)度達(dá)到高度協(xié)調(diào)，2018年生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r相較于城市化發(fā)展水平相對(duì)滯后，協(xié)調(diào)度的狀況再次變?yōu)闉l臨失調(diào)。

圖6 1992—2018年各城市城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)度圖Fig.6 Coordination between urbanization and ecoenvironment of various cities from 1992 to 2018

(a) 1992年 (b) 1997年 (c) 2002年 (d) 2007年 (e) 2013年 (f) 2018年

圖7 1992—2018年城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)類型演變圖Fig.7 Evolution of the type of coupling and coordination between urbanization and eco-environment from 1992 to 2108

(a) 1992年 (b) 1997年 (c) 2002年 (d) 2007年 (e) 2013年 (f) 2018年

圖8 1992—2018年城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)子類型演變圖Fig.8 Evolution of the subtypes of coupling and coordination between urbanization and eco-environment from 1992 to 2108

圖8表明1992—2018年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)同效應(yīng)子類型逐漸由城市化滯后為主轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境滯后、系統(tǒng)均衡發(fā)展、城市化滯后多種類型并存。2007—2013年，廊坊、濟(jì)南、泰安、濟(jì)寧、徐州等城市由城市化滯后演變?yōu)橄到y(tǒng)均衡發(fā)展。北京、天津、杭州、嘉興、蘇州、無(wú)錫等城市在2013年以后發(fā)展為生態(tài)環(huán)境滯后。表明近年來(lái)京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)在城市化進(jìn)程不斷加快時(shí)，生態(tài)環(huán)境的發(fā)展相對(duì)滯后。各級(jí)政府在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，需要注重對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

4 結(jié)論與展望

本文以京杭大運(yùn)河沿線城市為研究區(qū)，采用DMSP/OLS，NPP/VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)和Landsat影像，構(gòu)建夜間燈光指數(shù)和遙感生態(tài)指數(shù)，并利用耦合協(xié)調(diào)度模型分析1992—2018年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)關(guān)系。雖然當(dāng)前不乏大運(yùn)河重要河段及沿線典型城市的城市化及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的研究，但對(duì)于大運(yùn)河沿線整體的城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)分析的研究較少。本文主要結(jié)論如下。

1)本文以DMSP/OLS夜間燈光為基準(zhǔn)，利用NPP/VIIRS數(shù)據(jù)模擬DMSP/OLS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合，從而構(gòu)建建成區(qū)的夜間燈光指數(shù)表征城市化水平。夜間燈光指數(shù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的城市化綜合指數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.92，表明夜間燈光指數(shù)能夠準(zhǔn)確地表征城市化水平。研究表明1992—2018年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)高城市化水平的城市逐年增多，中城市化水平城市和低城市化水平城市的數(shù)量減少。京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市發(fā)展水平具有空間不平衡性，呈現(xiàn)出南北高，中部低的格局。1992—1997年，城市化發(fā)展速度較為緩慢，1997—2013年為城市化水平迅猛發(fā)展時(shí)期，2013—2018年，城市化水平穩(wěn)步提升。

2)1992—2018年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)RSEI均大于0.4，表明京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況均較好。泰安、濟(jì)南、棗莊等中部城市的生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差，其他城市的生態(tài)環(huán)境相對(duì)較好?？傮w來(lái)看，1997年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差，而2007年生態(tài)環(huán)境狀況相對(duì)較好。

3)1992年、1997年及2002年京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市化與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)類型以中度協(xié)調(diào)為主，2007年以高度協(xié)調(diào)為主，2013年、2018年轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸葏f(xié)調(diào)占主導(dǎo)地位。協(xié)調(diào)度變化的原因?yàn)橄到y(tǒng)協(xié)同發(fā)展子類型整體上逐漸由城市化滯后演變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境滯后。

在研究中仍存在一些問(wèn)題值得討論，本文選用的遙感生態(tài)指數(shù)，僅能反映部分生態(tài)環(huán)境狀況，并不能反映如河流生態(tài)環(huán)境、空氣質(zhì)量、水土流失、生物多樣性等生態(tài)環(huán)境指標(biāo)； 遙感數(shù)據(jù)選擇方面，本文多選用5—10月份的Landsat遙感影像，由于遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果受影像質(zhì)量與成像時(shí)間影響較大，在后續(xù)的研究中應(yīng)該處理更多的遙感影像，提高數(shù)據(jù)精度。此外本文僅對(duì)京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市化水平與生態(tài)環(huán)境狀況及兩者耦合協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算與分析，后續(xù)還可以深入分析城市化水平、生態(tài)環(huán)境狀況以及兩者耦合協(xié)調(diào)變化的影響因素，以期為京杭大運(yùn)河沿線地區(qū)城市發(fā)展及生態(tài)保護(hù)提供更多的數(shù)據(jù)支撐。