王仁義，蘇 濤*，徐良泉，邸俊楠

(1.安徽理工大學(xué) 空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2.安徽理工大學(xué) 礦山采動(dòng)災(zāi)害空天地協(xié)同監(jiān)測(cè)與預(yù)警安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南232001)

0 引言

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與人類的生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)[1]。在中國(guó)高速城市化進(jìn)程的背景下,城市群成為經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的核心區(qū)域,也是環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的敏感區(qū)域。由于城市化的加速發(fā)展,人類活動(dòng)密度不斷上升,環(huán)境污染[2]、土地退化[3]等一系列生態(tài)環(huán)境問題日益突出。因此,持續(xù)監(jiān)測(cè)和分析城市群城市化與生態(tài)環(huán)境變化的耦合協(xié)調(diào)具有重要的意義。

遙感技術(shù)能夠方便、及時(shí)、大面積、客觀地反映地表相關(guān)信息。一方面,夜間燈光數(shù)據(jù)結(jié)合了傳統(tǒng)遙感的特性,同時(shí)具有能夠直接表征人類活動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)。因此,夜間燈光數(shù)據(jù)被眾多學(xué)者們應(yīng)用于城市相關(guān)領(lǐng)域的研究[4-5]。此外,陳晉等[6]構(gòu)建了綜合夜間燈光指數(shù)(Compounded Night Light Index,CNLI),并驗(yàn)證該指數(shù)與表征城市化的復(fù)合指數(shù)具有較高的相關(guān)性,表明該指數(shù)可用于表征區(qū)域城市化水平。近年來,研究證實(shí),基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取的燈光指數(shù)能夠準(zhǔn)確反映區(qū)域城市化水平[7-9],并且與植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[10]。另一方面,徐涵秋[11]利用新型遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的總體狀況及其復(fù)雜程度進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的分析,以此來反映生態(tài)環(huán)境的狀況。近年來,學(xué)者們通過運(yùn)用遙感影像數(shù)據(jù)計(jì)算FVC,并與RSEI相結(jié)合評(píng)估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,已在保護(hù)區(qū)[12]、城市[13]和流域[14]等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

我國(guó)城市化與生態(tài)環(huán)境之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注[15-16]。其中,梁龍武等[17]選取京津冀城市群13個(gè)地級(jí)市為研究對(duì)象,采用系統(tǒng)指數(shù)評(píng)估模型以及耦合協(xié)調(diào)度模型對(duì)城市化與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。賀清云等[18]以長(zhǎng)江中游城市群28個(gè)城市為研究對(duì)象,基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)模型定量分析了研究區(qū)域的城市化與生態(tài)環(huán)境時(shí)空演變規(guī)律。黃莘絨等[19]探究了長(zhǎng)三角城市群26個(gè)城市城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的時(shí)空演變特征以及城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度。盡管以上研究已深入探討城市化和生態(tài)環(huán)境之間的相互作用和協(xié)同發(fā)展,但研究對(duì)象集中在省、地級(jí)市等,忽略了將區(qū)(縣)作為基礎(chǔ),限制了對(duì)其進(jìn)行更加深入和全局范圍內(nèi)的探討。此外,許多學(xué)者采取了基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的復(fù)合指標(biāo)法,可以有效減少主觀因素,從而提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,但卻無法滿足廣泛的需求。

綜上所述,本文以長(zhǎng)江三角洲城市群203個(gè)區(qū)(縣)為基本研究單元,選用“類 DMSP-OLS ”夜間燈光數(shù)據(jù)和MODIS遙感數(shù)據(jù),利用表征城市化水平的CNLI指數(shù)、表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的RSEI指數(shù)與表征地表植被覆蓋的FVC指數(shù),通過分析20年間該城市群的城市化水平、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和植被覆蓋水平的變化特征,構(gòu)建表征城市化與生態(tài)環(huán)境之間耦合程度的城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)指數(shù)(Urbanized and Ecological Coupling Index,UECI),以期為城市群發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供決策和依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本文選擇研究區(qū)為長(zhǎng)江三角洲城市群(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)三角城市群)屬于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)區(qū)域內(nèi),橫跨三省一市,由上海市、江蘇省9市、浙江省8市與安徽省8市,共計(jì)26個(gè)城市組成,總面積21.17萬km2[20]。截止2021年,長(zhǎng)三角城市群人口已達(dá)1.658億,生產(chǎn)總值(GDP)約為23.08萬億元。長(zhǎng)三角城市群是中國(guó)東南沿海重點(diǎn)建設(shè)的國(guó)家級(jí)城市群之一,憑借著自身的優(yōu)越地理位置和國(guó)家政策支持,其人口聚集程度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等綜合實(shí)力在全國(guó)城市群中居最高等級(jí),是引領(lǐng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量。

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

本文使用數(shù)據(jù)以時(shí)間跨度5年為間隔,選用2002、2007、2012、2017、2021年長(zhǎng)三角城市群的MODIS數(shù)據(jù)和夜間燈光遙感數(shù)據(jù)。

1.2.1 MODIS數(shù)據(jù)

選用由美國(guó)國(guó)家航空航天局(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/)提供的地表反射率產(chǎn)品(MODIS 09A1)、地表溫度產(chǎn)品(MODIS 11A2)與植被指數(shù)產(chǎn)品(MODIS 13A1)。所有MODIS產(chǎn)品均由GEE云平臺(tái)[21]數(shù)據(jù)庫(https:∥developers.google.com/earth-engine/datasets/catalog/modis)提供,可以直接調(diào)用。為此,在GEE云平臺(tái)上調(diào)用MODIS地表反射產(chǎn)品的云掩膜算法,對(duì)目標(biāo)時(shí)序內(nèi)地表反射產(chǎn)品進(jìn)行去云處理,并且對(duì)經(jīng)過去云處理后的MODIS 09A1以及MODIS 11A2與MODIS 13A1進(jìn)行均值擬合[22]得到研究區(qū)內(nèi)目標(biāo)年份的最優(yōu)MODIS影像數(shù)據(jù)。

1.2.2 夜間燈光遙感數(shù)據(jù)

夜間燈光數(shù)據(jù)來源于中國(guó)“類DMSP-OLS”夜間燈光遙感數(shù)據(jù)集[23]。該數(shù)據(jù)集空間分辨率為1 km,時(shí)間為1992—2021年,大大延長(zhǎng)了夜間燈光數(shù)據(jù)的可用性,為相關(guān)研究領(lǐng)域提供了新的數(shù)據(jù)來源。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建CNLI

本文選用“類 DMSP-OLS”夜間燈光數(shù)據(jù)構(gòu)建夜間燈光指數(shù)CNLI評(píng)價(jià)長(zhǎng)三角城市群的城市化發(fā)展水平。CNLI為某一區(qū)域內(nèi)平均燈光強(qiáng)度(MLI)與燈光面積占該區(qū)域面積比例(LAP)的乘積,定義為[24]:

CNLI=MLI×LAP,

(1)

(2)

(3)

式中:DNi為第i級(jí)建成區(qū)燈光像元的灰度值,ni為第i級(jí)建成區(qū)燈光像元的數(shù)量,DNM為該區(qū)域內(nèi)燈光像元的最大灰度值,NL、AreaN分別為該區(qū)域(1≤DN≤DNM)內(nèi)燈光像元總數(shù)和占據(jù)總面積,Area為該區(qū)域總面積。

為便于分析研究區(qū)域內(nèi)部城市化的發(fā)展,本文參考文獻(xiàn)[25-26],將CNLI劃分為高[0.64,1]、較高[0.32,0.64)、中等[0.16,0.32)、較低[0.08,0.16)和低[0,0.08)五個(gè)等級(jí)。

2.2 構(gòu)建RSEI

首先利用GEE平臺(tái)采用主成分分析(Principal Components Analysis,PCA)法將綠度(用歸一化植被指數(shù)(NDVI)表征[27])、濕度(用纓帽變換產(chǎn)生的濕度分量(WET)表征[28-29])、熱度(用地表溫度(LST)表征[30])和干度(用裸土指數(shù)(SI)、建筑指數(shù)(IBI)構(gòu)建NDBSI表征[31])四個(gè)分量指標(biāo)進(jìn)行合成,各級(jí)分量指標(biāo)運(yùn)算如表1所示。

表1 各分量指標(biāo)運(yùn)算公式和說明

由于上述4個(gè)分量指標(biāo)的量綱不統(tǒng)一,將4個(gè)分量指標(biāo)歸一化處理后再進(jìn)行PCA,然后將第一主成分(PC1)的結(jié)果再次歸一化處理并建立RSEI,其值越接近0,表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差;反之,其值越接近1,表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好,即:

RSEI=f(NDVI,WET,LST,NDBSI)。

(4)

為了更好地進(jìn)行量化評(píng)價(jià),采用普遍使用的等間距分級(jí)法對(duì)RSEI進(jìn)行分級(jí)[32],以數(shù)值0.2為間隔,將RSEI劃分為優(yōu)[0.8,1]、良[0.6,0.8)、中等[0.4,0.6)、較差[0.2,0.4)和差[0,0.2)五個(gè)等級(jí)。

2.3 構(gòu)建FVC指數(shù)

FVC是衡量生態(tài)綠化程度的量化指標(biāo)[33]。FVC和 NDVI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,通過建立二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,可以用NDVI直接提取FVC信息[14],計(jì)算如下[34]:

(5)

式中:FVC為植被覆蓋度,NDVI為歸一化植被指數(shù),NDVIsoil為土壤部分的NDVI值,取0.05;NDVIveg為植被部分的NDVI值,取0.95。

為了便于分析,將FVC劃分為5個(gè)等級(jí)[35]:高植被覆蓋度[0.75,1]、中高植被覆蓋度[0.6,0.75)、中等植被覆蓋度[0.45,0.6)、中低植被覆蓋度[0.3,0.45)和低植被覆蓋度[0,0.3)。

FVC與RSEI中用NDVI表征綠度分量均可以評(píng)價(jià)植被狀況,但二者之間并未重復(fù)[12]。RSEI是通過耦合4個(gè)次級(jí)分量指標(biāo)構(gòu)建的一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好壞的指數(shù),而FVC是直接衡量地表植被綠化狀況的重要指標(biāo)。因此,RSEI與FVC是2個(gè)相對(duì)獨(dú)立評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變化的重要數(shù)據(jù)[13]。

2.4 構(gòu)建UECI

為了快速、便捷地評(píng)價(jià)長(zhǎng)三角城市群城市化發(fā)展水平與生態(tài)環(huán)境變化的耦合協(xié)調(diào)程度,本文在耦合模型[36-38]的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一個(gè)基于“生態(tài)環(huán)境-植被覆蓋-城市化水平”的相關(guān)評(píng)估指標(biāo)。由于標(biāo)準(zhǔn)化后RSEI、FVC與CNLI三項(xiàng)指數(shù)值為0～1。因此,構(gòu)建一個(gè)UECI,由RSEI、FVC與CNLI組成,并在“X-Y-Z”平面上建立函數(shù),以 RSEI為X軸,FVC為Y軸,CNLI為Z軸。在“X-Y-Z”坐標(biāo)系中設(shè)點(diǎn)Nmax為(1,1,1),點(diǎn)Nmax到原點(diǎn)O(0,0,0)的距離為ONmax;將RSEI、FVC、CNLI在坐標(biāo)系中表示為點(diǎn)N(RSEI,FVC,CNLI),點(diǎn)O到點(diǎn)N的距離為ON;將ON與ONmax之比視為UECI。當(dāng)RSEI、FVC和CNLI均為1時(shí),表明該地區(qū)城市化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)程度最好;反之,當(dāng)RSEI、FVC和CNLI均為0時(shí),表明該地區(qū)城市化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)程度最差。UECI計(jì)算如下:

(6)

式中:t為時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)三角城市群城市化時(shí)空變化分析

根據(jù)式(1)～式(3),對(duì)2002—2021年長(zhǎng)三角城市群進(jìn)行評(píng)定,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。由圖1(a)和圖1(b)的MLI與LAP指數(shù)變化可以看出:① 長(zhǎng)三角城市群整體與局部均呈現(xiàn)穩(wěn)定上浮趨勢(shì)。② 夜間燈光亮度可以直接反映城市化強(qiáng)度與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)總量[39-40],長(zhǎng)三角城市群較高燈光亮度區(qū)域空間擴(kuò)張趨勢(shì)為從沿海城市不斷向內(nèi)陸城市進(jìn)行擴(kuò)張。2002年燈光亮度較高的區(qū)域主要分布于直轄市與省會(huì)城市的主城區(qū),其他區(qū)(縣)的燈光亮度明顯較低;到2021年,上海市整體上燈光明亮,主城區(qū)基本上連為一體,甚至蔓延至近滬地區(qū)與蘇錫常都市圈,東部沿海城市得到了高速發(fā)展。另外,內(nèi)陸地區(qū)南京都市圈、杭州都市圈也基本連為一體。由圖1(c)的CNLI變化可以反映出,在20年間長(zhǎng)三角城市群的城市化水平均呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢(shì),由2002年的0.11升至2021年的0.35,增長(zhǎng)了約2.2倍。

(a)MLI均值變化

(b)LAP均值變化

(c)CNLI均值變化

此外,根據(jù)構(gòu)建各區(qū)(縣)CNLI以等間距分級(jí)法劃分為高城市化水平[0.8,1]、較高城市化水平[0.6,0.8)、中等城市化水平[0.4,0.6)、較低城市化水平[0.2,0.4)和低城市化水平[0,0.2)五個(gè)等級(jí),以及經(jīng)過20年城市高速發(fā)展,利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法[41],將2002—2021年CNLI變化值劃分為4類。其中,城市化發(fā)展水平以及發(fā)展變化的區(qū)(縣)數(shù)量及占比,如圖2所示。相較于2002年,2021年長(zhǎng)三角城市群所有區(qū)(縣)的CNLI均得到提升。其中,低速增長(zhǎng)區(qū)(縣)共計(jì)59個(gè),占總區(qū)(縣)的29.06%;較低增速發(fā)展的區(qū)(縣)共計(jì)41個(gè),占20.20%;而較高增速發(fā)展與高速發(fā)展的區(qū)(縣)共計(jì)103個(gè),占長(zhǎng)三角城市群區(qū)(縣)的50%以上。

(a)CNLI等級(jí)劃分區(qū)(縣)數(shù)量

(b)CNLI變化值劃分區(qū)(縣)數(shù)量及比例

經(jīng)過20年的不斷發(fā)展可以看出,長(zhǎng)三角城市群區(qū)(縣)城市群內(nèi)部高速發(fā)展區(qū)域主要分為2類: ① 省會(huì)城市和直轄市主城區(qū);② 沿海城市區(qū)(縣)。根據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)可知,上海、南京等城市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值與年末人口常住數(shù)量排名均位于前列,擁有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和穩(wěn)定的流入人口,能更好地帶動(dòng)周邊地區(qū)以及該城市群城市化的高速發(fā)展,使其城市化水平處于一直增長(zhǎng)狀態(tài)。而位于沿海城市,上海、寧波等是中國(guó)改革開放的前沿地區(qū),其招商引資與人才引進(jìn)為長(zhǎng)三角城市群的城市化帶來豐厚資源與巨大動(dòng)力;作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)最活躍、人口密度最大的長(zhǎng)三角城市群,其梯次結(jié)構(gòu)和成群特色更加鮮明。

3.2 長(zhǎng)三角城市群生態(tài)指數(shù)與植被覆蓋的時(shí)空變化分析

3.2.1 長(zhǎng)三角城市群生態(tài)指數(shù)時(shí)空變化分析

2002—2021年長(zhǎng)三角城市群PCA中第一主成分結(jié)果及各年RSEI均值如表2所示?？梢钥闯? ① 各年第一主成分(PC1)的貢獻(xiàn)率均可達(dá)到60%,其20年的平均貢獻(xiàn)率超過70%,說明PC1整合了4個(gè)指標(biāo)的大部分特征信息。② 從各指標(biāo)對(duì)PC1的特征值向量來看,NDVI和WET始終為正,LST和NDBSI始終為負(fù),說明RSEI可以有效地保證NDVI和WET對(duì)研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量具有正影響,而LST和NDBSI具有負(fù)影響,這也與實(shí)際情況相符。綜上所述,PC1有效地整合了各指標(biāo)的特征,可用于構(gòu)建RSEI模型。

長(zhǎng)三角城市群的RSEI平均值為0.6,表明20年間長(zhǎng)三角城市群平均生態(tài)環(huán)境處于良好水平階段。其次,RSEI從2002年的0.601上升至2007年的0.629,上升了4.66%;在2007—2017年呈現(xiàn)下降趨勢(shì),下降了8.59%,2017—2021年又逐漸上升,形成“N”字趨勢(shì),2002—2021年總體上升幅度約為2%;整體上呈現(xiàn)出內(nèi)陸城市區(qū)(縣)生態(tài)環(huán)境優(yōu)于沿海城市區(qū)(縣)的空間分布特征。其中,過去20年間RSEI退化區(qū)域主要集中于近滬地區(qū)(蘇錫常都市圈、嘉興等)與蘇北地區(qū)(鹽城、揚(yáng)州、泰州和南通),而杭州主城區(qū)外各區(qū)(縣)與安徽區(qū)域內(nèi)(除合肥外)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提高。

表2 2002—2021年長(zhǎng)三角城市群主成分分析中第一主成分的結(jié)果及均值

2002—2021年長(zhǎng)三角城市群RSEI等級(jí)面積及占比與RSEI等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣?；鶊D如圖3所示。20年間,RSEI等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域面積呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降再增長(zhǎng)的趨勢(shì)。等級(jí)較高(優(yōu)和良好)區(qū)域面積上升幅度約為3.46%,等級(jí)較低(較差和差)區(qū)域面積共上升1.91%,但該區(qū)域面積占比主要等級(jí)為優(yōu)與良好,意味著長(zhǎng)三角城市群生態(tài)總體狀況良好。

(a)RSEI面積及占比

(b)RSEI轉(zhuǎn)移矩陣?；鶊D

此外,2000年, RSEI較低(差和較差)的區(qū)(縣)共有21個(gè),主要位于上海、蘇錫地區(qū)以及南京、杭州的主城區(qū);RSEI較高(良好和優(yōu))的區(qū)(縣)共有68個(gè),主要集中在長(zhǎng)三角城市群南部區(qū)域。2012年,RSEI均值較低的區(qū)(縣)較2002年增加12個(gè),共有33個(gè),在原有基礎(chǔ)上不斷向各主城區(qū)的近郊以及長(zhǎng)三角城市群北部城市的主城區(qū)擴(kuò)展;高RSEI的區(qū)(縣)數(shù)量出現(xiàn)下降,共有58個(gè)。2021年,差RSEI的區(qū)(縣)相較于2002年、2012年減少至0,較差RSEI的區(qū)(縣)數(shù)量相較于2012年,也呈現(xiàn)輕微下降趨勢(shì);高RESI的區(qū)(縣)相較于2012年得到一定恢復(fù),呈現(xiàn)上升趨勢(shì),共計(jì)70個(gè)區(qū)(縣),但環(huán)境壓力仍然不容樂觀,生態(tài)環(huán)境壓力依舊向中心城市主城區(qū)輻射。

3.2.2 長(zhǎng)三角城市群植被覆蓋時(shí)空變化分析

長(zhǎng)三角城市群FVC均值變化如圖4(a)所示,形成“W”型趨勢(shì),總體上處于下降趨勢(shì),總體下降幅度約為6.80%。2002—2021年FVC的平均值為0.651 ,表明長(zhǎng)三角城市群在20年內(nèi)植被覆蓋水平處于中高植被覆蓋。在過去20年,FVC改善和退化區(qū)域與RSEI變化基本一致,主要集中區(qū)域均以上海區(qū)(縣)為核心,不斷向近郊以及外圍區(qū)域輻射,使得區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和植被覆蓋水平發(fā)生相對(duì)退化;隨著近年來長(zhǎng)三角城市群加強(qiáng)區(qū)域環(huán)境協(xié)同治理,持續(xù)深化區(qū)域生態(tài)環(huán)境共保聯(lián)治,使得區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與植被覆蓋水平得到逐步改善,但人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境之間的矛盾仍要十分關(guān)注。

長(zhǎng)三角城市群FVC等級(jí)面積及占比與FVC等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣?；鶊D如圖4(b)和圖4(c)所示。高植被覆蓋區(qū)域面積變化的趨勢(shì)同長(zhǎng)三角城市群整體植被覆蓋的變化趨勢(shì),在各年份中其所占比例均遠(yuǎn)高于低與中低植被覆蓋;中高植被覆蓋度的區(qū)域面積雖呈現(xiàn)下降趨勢(shì),從2002年的40.19%降至2021年的31.71%,但仍是長(zhǎng)三角城市群主要的植被覆蓋等級(jí);等級(jí)較低(中等、中低和低)區(qū)域面積上升11.35%。

(b)FVC面積及占比

(c)FVC轉(zhuǎn)移矩陣?；鶊D

長(zhǎng)三角城市群FVC較低的區(qū)域主要分布于上海、南京、杭州的中心地區(qū)及其近郊等人類活動(dòng)強(qiáng)度較大的區(qū)域;高植被覆蓋的區(qū)域主要集中于長(zhǎng)三角城市群南部區(qū)域,其中,2002年主要集中在安徽與浙江境內(nèi),隨著城市范圍不斷向周圍地區(qū)擴(kuò)張,2021年長(zhǎng)三角城市群南部區(qū)域的高植被覆蓋區(qū)(縣)減少至31個(gè)。

3.3 長(zhǎng)三角城市群城市化水平與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、植被覆蓋水平的耦合協(xié)調(diào)分析

根據(jù)式(6)計(jì)算了2002—2021年長(zhǎng)三角城市群的UECI指數(shù)并進(jìn)行耦合程度分析。2002—2021年,長(zhǎng)三角城市群總體UECI呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì),從2002年的0.540上升至2021年的0.559,總體上升幅度約為3.52%,表明20年間長(zhǎng)三角城市群城市化與生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)發(fā)展處于改善狀況。

為了進(jìn)一步分析長(zhǎng)三角城市群UECI指數(shù)特征,將UECI劃分為三級(jí)耦合協(xié)調(diào)程度:低級(jí)耦合協(xié)調(diào)程度(0

圖5 長(zhǎng)三角城市群UECI分級(jí)城市數(shù)量及占比Fig.5 Quantity and proportion of UECI classified cities in YRDUA

長(zhǎng)三角城市群20年間UECI不僅在數(shù)值上發(fā)生變化,其空間分布特征也有著明顯差異。為了探索長(zhǎng)三角城市群耦合變化的空間特征,采用1 km×1 km網(wǎng)格對(duì)2002—2021年長(zhǎng)三角城市群UECI指數(shù)及其20年間變化影像進(jìn)行重采樣,得到197 938個(gè)樣本點(diǎn),進(jìn)行全局和局部空間自相關(guān)分析。研究時(shí)期長(zhǎng)三角城市群UECI全局Moran’I均為正值,通過99.9%置信度下的顯著性檢驗(yàn)(P=0.001),說明長(zhǎng)三角城市群UECI從區(qū)縣尺度來看,存在明顯的空間正相關(guān)特征。

為了進(jìn)一步分析長(zhǎng)三角城市群區(qū)縣尺度UECI局部空間自相關(guān)性,將表現(xiàn)出空間局部自相關(guān)特征的地級(jí)單元分為4類:低-低值(L-L)、高-高值(H-H)、低-高值(L-H)和高-低值(H-L)集聚區(qū)。其中,2002—2021年長(zhǎng)三角城市群UECI呈現(xiàn)以H-H集聚區(qū)和L-L集聚區(qū)為主的空間分布格局,L-H集聚區(qū)和H-L集聚區(qū)較少出現(xiàn)。其中,2002年H-H類型區(qū)域即UECI熱點(diǎn)區(qū)域,主要分布在長(zhǎng)三角城市群南部區(qū)域,如安慶岳西縣、池州各區(qū)縣、宣城和杭州等南部區(qū)縣,隨著周邊地區(qū)UECI變化不均勻(南部升高、中部下降),之后熱點(diǎn)區(qū)域消失。相較于2002年,2012年在其空間分布基礎(chǔ)上增加了安慶潛山市和太湖縣;2021年中部區(qū)域(南京、常州和蘇州等區(qū)縣)呈現(xiàn)出斑塊狀的H-H型區(qū)域,說明在城市建設(shè)發(fā)展的同時(shí),生態(tài)環(huán)境得到改善,中部區(qū)域的UECI受到一定積極影響,呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì),憑借城市化與生態(tài)環(huán)境積極協(xié)調(diào)發(fā)展的優(yōu)勢(shì),未來仍能實(shí)現(xiàn)H-H區(qū)域恢復(fù);2002年,L-L型區(qū)域即UECI冷點(diǎn)區(qū)域,主要出現(xiàn)在長(zhǎng)三角城市群長(zhǎng)江沿岸區(qū)縣以及蘇錫常城市群,2012年增加了杭州、湖州和紹興三市交界的區(qū)縣,2021年冷點(diǎn)區(qū)域逐漸向北移動(dòng),形成了鹽城、南通等沿海港口區(qū)域連成一片的格局。

此外,長(zhǎng)三角城市群UECI變化的樣本點(diǎn)主要分布于第一、三象限,表明長(zhǎng)三角城市群城市化與生態(tài)環(huán)境之間耦合變化存在明顯的空間正相關(guān)性。其中,Moran’I指數(shù)為0.671,表明長(zhǎng)三角城市群UECI變化的空間分布呈聚集性而非隨機(jī)性。其次,可以看出,H-H集聚區(qū)域,即UECI改善區(qū)域,主要分為2類:一類是擁有城市化水平較高增速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和植被覆蓋水平改善并存的城市,主要分布于杭州、紹興、寧波和金華的主城區(qū),這與杭州等地政府完善公共服務(wù)、提高城市生活質(zhì)量以及其擁有良好的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)息息相關(guān);另一類是城市化進(jìn)程有較高增速的城市,其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和植被覆蓋水平出現(xiàn)較低退化,但在整體上經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)協(xié)同治理取得積極進(jìn)展,如上海近郊、蘇錫常都市圈,以及南京與合肥等區(qū)域;而L-L集聚區(qū)域,即UECI降低區(qū)域,主要集中于長(zhǎng)三角城市群北部區(qū)縣,如鹽城、南通和揚(yáng)州等。

4 結(jié)論

本文基于GEE云計(jì)算平臺(tái),以長(zhǎng)三角城市群為研究區(qū),通過多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立CNLI、RSEI與FVC等指數(shù),分析該區(qū)域的城市化發(fā)展水平和生態(tài)環(huán)境狀況,并基于相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支撐,構(gòu)建UECI對(duì)城市群20年間城市群的城市化水平、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和植被覆蓋水平進(jìn)行區(qū)域耦合協(xié)調(diào)分析。結(jié)論如下:

① 在20年間,長(zhǎng)三角城市群CNLI從2002年的0.11上升至2021年的0.35,不論從整體上還是各區(qū)縣的城市化水平均有所提升。其中,城市化進(jìn)程高速發(fā)展的區(qū)域主要是省會(huì)城市與沿海城市的主城區(qū)縣。

② 長(zhǎng)三角城市群20年間平均RSEI為0.6,表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于良好水平階段且平均FVC為0.651,植被覆蓋水平也處于中高覆蓋水平,即RSEI與FVC在區(qū)域生態(tài)環(huán)境研究中的結(jié)果較為一致。

③ 基于構(gòu)建UECI,可以快速便捷地識(shí)別出長(zhǎng)三角城市群總體以及各區(qū)縣的城市化水平與生態(tài)環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)狀況。其中,長(zhǎng)三角城市群整體上從2002年的0.540上升至2021年的0.559,上升幅度約為3.52%;此外,2021年高級(jí)耦合協(xié)調(diào)程度的城市數(shù)量逐漸增加,表明城市化與生態(tài)環(huán)境耦合狀態(tài)總體穩(wěn)定且逐漸改善。