京杭大运河沿线地区城市化与生态环境耦合协调关系研究

doi:10.6046/zrzyyg.2020423

京杭大运河沿线地区城市化与生态环境耦合协调关系研究

孟丹^,¹^,²^,³, 刘玲童¹^,²^,³, 宫辉力¹^,²^,³, 李小娟¹^,²^,³, 蒋博武¹^,²^,³

1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048

2.北京市城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地,北京 100048

3.水资源安全北京实验室,北京 100048

Coupling and coordination relationships between urbanization and ecological environment along the Beijing-Hangzhou Grand Canal

MENG Dan^,¹^,²^,³, LIU Lingtong¹^,²^,³, GONG Huili¹^,²^,³, LI Xiaojuan¹^,²^,³, JIANG Bowu¹^,²^,³

1. College of Resources Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China

2. Base of the State Key Laboratory of Urban Environmental Process and Digital Modeling, Beijing 100048, China

3. Beijing Laboratory of Water Resources Security, Beijing 100048, China

责任编辑: 李瑜

收稿日期: 2020-12-31 修回日期: 2021-05-18

基金资助:

国家重点研发计划子课题“河流、河口污染的溯源与治理规划”(2017YFC0406004)

Received: 2020-12-31 Revised: 2021-05-18

作者简介 About authors

孟丹(1980-),女,博士,副教授,主要从事资源环境遥感应用方面的教学与科研工作。Email: mengdan@cnu.edu.cn。

摘要

以京杭大运河沿线地区城市为研究对象,运用夜间灯光数据和Landsat数据分别建立表征城市化水平的夜间灯光指数和表征生态环境质量的遥感生态指数,研究京杭大运河沿线地区城市1992—2018年的城市化及生态环境变迁; 运用耦合协调度模型及其分类原则判定两者协同发展格局,为京杭大运河沿线地区城市与生态环境协调发展提供科学依据和决策支持。结果表明: ①京杭大运河沿线地区城市发展水平具有空间不平衡性,呈现出南北高,中部低的空间格局,1992—2018年京杭大运河沿线地区高城市化水平的城市逐年增多,1992—2002年为城市化缓慢发展阶段,2002—2013年为城市化进程加速阶段,2013—2018年为城市化稳步提升阶段; ②1992—2018年京杭大运河沿线地区遥感生态指数均大于0.4,表明京杭大运河沿线地区生态环境均较好,1992—2002年京杭大运河沿线地区生态环境状况相对稳定,2002—2007年生态环境质量提升,2007—2018年生态环境质量有所下降; ③1992—2018年京杭大运河沿线地区城市化与生态环境系统耦合协调度先上升后下降,协同发展类型整体上逐渐由城市化滞后演变为生态环境滞后,生态环境质量需要进一步提高。大运河沿线地区在发展经济的同时,也应加大对生态环境的保护。

关键词： 京杭大运河; 城市化; 生态环境; 耦合协调

Abstract

This paper aims to study the coupling and coordination relationships between the urbanization and ecological environment in the areas along the Beijing-Hangzhou Grand Canal from 1992 to 2018. To this end, it builds the remote sensing ecological index (RSEI) based on Landsat data to characterize the quality of the ecological environment and establishes the compounded night light index (CNLI) based on DMSP/OLS and NPP/VIIRS nighttime light (NTL) data to characterize the urbanization level. Meanwhile, it determines the coordinated development pattern between the urbanization and ecological environment in the area by applying a coupling and coordination degree model and its classification principles. The results are as follows. ① The urban development level along the Beijing-Hangzhou Grand Canal is characterized by spatial imbalance. It is high in the southern and northern areas but low in the middle areas. During 1992—2018, the number of cities with a high urbanization level increased year by year. The periods from 1992 to 2002, from 2002 to 2013, and from 2013 to 2018 witnessed the slow development, the accelerated development, and the steady improvement of urbanization, respectively. ② During 1992—2018, the RSEI values were all greater than 0.4, indicating a high-quality ecological environment. The ecological environment in the areas along the canal was relatively stable from 1992 to 2002, improved from 2002 to 2007, and deteriorated from 2007 to 2018 to a certain degree. ③ During 1992—2018, the coupling and coordination degree between urbanization and the ecological environment increased first and then decreased. In terms of the coordinated development type, urbanization lagged behind the ecological environment firstly and then the latter gradually lagged behind the former, indicating that the quality of the ecological environment needs further improving. That is, it is necessary to strengthen the protection of the ecological environment while developing the economy along the Beijing-Hangzhou Grand Canal.

Keywords： Beijing-Hangzhou Grand Canal; urbanization; eco-environment; coupling coordination

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本文引用格式

孟丹, 刘玲童, 宫辉力, 李小娟, 蒋博武. 京杭大运河沿线地区城市化与生态环境耦合协调关系研究[J]. 自然资源遥感, 2021, 33(4): 162-172 doi:10.6046/zrzyyg.2020423

MENG Dan, LIU Lingtong, GONG Huili, LI Xiaojuan, JIANG Bowu. Coupling and coordination relationships between urbanization and ecological environment along the Beijing-Hangzhou Grand Canal[J]. Remote Sensing For Natural Resources, 2021, 33(4): 162-172 doi:10.6046/zrzyyg.2020423

0 引言

城市化在给人类带来发达的物质文明的同时,也带来了一系列不同程度的环境破坏与环境威胁,城市化与生态环境的关系研究成为人们关注的焦点。城市化与生态环境之间存在复杂的交互耦合胁迫机制,体现在城市化在发展过程会对生态环境产生一定的破坏与城市化发展需要依托生态环境2个方面^[1]。因此,在当前城市化不断推进过程中,如何协调两者之间的关系,实现经济与生态环境可持续发展,具有现实意义。从国内外关于城市化与生态环境的相关研究来看,研究重点主要涉及城市化与生态环境耦合协调的理论研究,生态环境对城市化的响应关系研究,城市化、经济和生态环境耦合协调关系研究^{[2,3,4,5,6,7]}。方创琳等^[8]学者构建了“多要素-多尺度-多情景-多模块-多智能体”集成的时空耦合动力学模型的理论框架。目前关于城市化与生态环境关系研究多是基于社会经济统计数据来构建两个系统的指标体系^[9,10,11],而基于遥感数据像元尺度的研究较少。遥感技术的发展为二者的研究提供了新的途经,廖李红等^[12]基于DMSP/OLS和Landsat数据分析了晋江市城市化与生态环境耦合协调关系; Wang等^[13]利用DMSP/OLS 和 MODIS地表温度数据,讨论了中国城市扩张的时空特征及其与城市热岛强度的关系。

夜间灯光遥感影像以其独特的夜间低光探测能力,在表征人类活动方面显示出巨大的优势。近年来,夜间灯光遥感数据被广泛的应用于描述人类活动、城市发展等方面^{[14,15,16,17,18,19]}。城市化是人口、经济水平、产业结构、城市建成区等方面的综合体现,众多的研究显示,夜间灯光遥感数据与城市化影响指标有着较强的关联度^[20,21]。生态环境受到多种生态因子的共同作用与影响,利用遥感技术充分挖掘遥感影像中包含的生态环境信息,对生态环境综合评价有着非常重要现实意义。徐涵秋^[22]基于遥感技术提出了一种新型遥感生态指数(remote sensing based ecological index,RSEI)。它完全基于遥感信息,集成了最直观反映生态环境的多重指标,可以对区域生态环境进行快速地监测和评价,已用于雄安新区、阜新市、渭南市、长白山自然保护区等地区的生态质量评估^[23,24,25]。

2019年2月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《大运河文化保护传承利用规划纲要》,要求各地区各部门要严格遵循纲要规定,结合当地的实际情况认真贯彻落实。目前京杭大运河存在生态环境及人文环境关注度不足等问题^[26]。南水北调东线工程的实施和中国大运河申遗成功,为京杭大运河生态环境的保护和城市发展提供了新的机遇和挑战^[27]。开展京杭大运河沿线城市化及生态环境耦合协调关系研究,对京杭大运河沿线地区城市的经济可持续发展、生态环境保护等具有现实意义。因此本文基于遥感数据对1992年、1997年、2002年、2007年、2013年及2018年京杭大运河沿线地区城市化水平、生态环境状况进行长时间评价研究,运用耦合协调度模型对城市化与生态环境状况进行耦合协调度分析,旨在为京杭大运河沿线地区的经济可持续发展和生态文明建设提供决策支持。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

京杭大运河始建于春秋时期,完成于隋朝,繁荣于唐宋,取直于元代,疏通于明清。京杭大运河在中国历史上发挥了政治、经济、军事、文化交流等重要作用,至今山东济宁以南 1 100 多km的航道仍在被利用^[28,29]。京杭大运河位于我国中东部腹地,途径北京、河北、天津、山东、江苏和浙江等省市,沟通了海河、黄河、淮河、长江和钱塘江5大水系,连接太湖、洪泽湖、骆马湖等一系列湖泊。地理位置介于E116°~120°,N39°~30°之间。京杭大运河沿线是我国人口分布集中区域,也是最具发展潜力的经济发展带,经济发展速度快,城市化水平较高。本文选取京杭大运河沿线的20个城市作为研究区,如图1所示。将运河沿线地区从北至南依次划分为京津冀段、山东段、江苏段、浙江段。京津冀段包括北京、天津、廊坊、沧州; 山东段包括德州、聊城、济南、泰安、济宁、枣庄; 江苏段包括徐州、宿迁、淮安、扬州、镇江、常州、无锡、苏州; 浙江段包括嘉兴和杭州。

图1

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图1 研究区域和范围示意图

Fig.1 Sketch map of study area and scope

1.2 研究数据及预处理

论文主要数据源包括Landsat数据、夜间灯光数据、建成区矢量数据、统计数据等,具体如表1所示。

表1 研究数据列表

Tab.1 List of the research data

数据	时间	获取途径
Landsat TM	1992年、1997年、2002年、2007年	地理空间数据云http: //www.gscloud.cn/
Landsat OLI	2013年、2018年	地理空间数据云http: //www.gscloud.cn/
DMSP/OLS	1992年、1997年、2002年、2007年、2012年、2013年	美国国家海洋和大气管理局https: //www.ngdc.noaa.gov
NPP/VIIRS	2012年、2013年、2018年	美国国家海洋和大气管理局https: //www.ngdc.noaa.gov
建成区数据	2018年	中国城市基本土地利用类别测绘http: //data.ess.tsinghua.edu.cn/
统计数据	2018年	2018年沿线城市统计年鉴

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Landsat数据包括TM和OLI两种数据,共采用120幅Landsat遥感影像。遥感影像数据成像时间多为5—10月份。Landsat数据预处理主要包括辐射定标、大气校正,用于消除大气、光照等因素对地物反射的影响。

夜间灯光数据包括DMSP/OLS和NPP/VIIRS2种。DMSP/OLS影像可以记录到城市和乡村等的稳定灯光,影像分辨率达到了30″(约1 km)。研究采用稳定灯光年度影像,影像剔除掉偶然灯光的背景噪声。NPP/VIIRS夜晚灯光数据影像分辨率达到了15″(约 450 m),直接记录灯光的辐射亮度,提高了探测敏感度,消除了灯光过饱和现象,但是NPP/VIIRS数据存在一些背景噪声。由于可获取的DMSP/OLS数据时间段是1992—2013年,故研究选用1992年、1997年、2002年、2007年和2013年5期DMSP/OLS稳定夜间灯光数据,和2018年9月份NPP/VIIRS数据用于研究区长时间序列的城市化水平分析。由于2种夜间灯光数据空间分辨率、光谱响应方式等方面存在差异,因此在计算夜间灯光指数之前,需对2种夜间灯光数据进行整合^[30,31],选取2012年、2013年2种夜间灯光数据用于数据的建模与验证。

建成区矢量数据采用宫鹏团队制作的中国城市基本土地利用类别测绘(EULUC-China-2018)。该数据对建成区进行了分类(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/)。本研究利用该数据计算建成区面积占市域面积比例。

统计数据来源于京杭大运河沿线2018年各城市的统计年鉴,研究选取指标主要包括非农人口比例、第二三产业占国内生产总值(gross domestic product,GDP)比重,构建城市化综合指数,用于验证夜间灯光指数是否能够确切地反映城市化水平。

2 研究方法

2.1 夜间灯光指数

利用夜间灯光数据构建表征城市化水平的夜间灯光指数。夜间灯光指数以京杭大运河沿线城市2018年建成区为界,计算建成区范围内各年份的灯光斑块的相对灯光强度作为夜间灯光指数(I),公式为:

(1)

I = \overset{63}{\sum_{i = 1}} D N_{i} \frac{n_{i}}{63 N}

式中: DN_i为建成区内i级的灰度值; n_i 为建成区内第i灰度等级的像元总数; N为建成区内灯光的像元总数。

参考陈晋等的研究,选取非农业人口比例、建成区面积比例、第二三产业占 GDP 比例这 3项指标分别表达人口、空间、经济的城市化指标(权重分别定为0.4,0.2和0.4),构建城市化综合指数^[32],用于验证夜间灯光指数是否能够确切的反映城市化水平。

参考梁龙武等的研究,划分城市化水平类型。将当年夜间灯光指数均值的1倍、1.2倍设定为划分标准^[5]。城市化水平类型区分别为高城市化区(>1.2倍) 、中城市化区(1~1.2倍) 、低城市化区(<1倍) 3种类型。

2.2 RSEI指数

RSEI^[22]是利用遥感影像,整合多个自然因子,对生态状况进行快速监测与评价的新型遥感生态指数。该指数集成了植被指数、湿度分量、地表温度和建筑指数 4 个评价指标,分别代表绿度、湿度、热度和干度 4大生态要素,然后进行主成分分析。把4个指标中的主要的信息集中到第一主成分PC1上。对主成分分析后的 PC1进行归一化处理后即为所建的RSEI,其值介于[0,1]之间。RSEI值越接近1,生态越好,反之生态越差。将各年份的生态环境指数以0.2为间隔分为5级,依次为生态环境差、较差、一般、良好、优秀等级。

2.3 城市化与生态环境耦合协调模型

城市化与生态环境耦合度模型由耦合度模型与耦合协调度模型两部分组成^[5]。

1)城市化与生态环境耦合度模型。耦合度是一个物理学概念,是指两个(或两个以上的)系统通过各种相互作用,而彼此影响的现象。耦合被广泛地应用到研究城市化与生态环境交互胁迫关系之中,表示式为:

(2)

C = {[\frac{F (x) G (y)}{{(\frac{F (x) + G (y)}{2})}^{2}}]}^{1 / k}

式中: C为城市化与生态环境系统的耦合度,且0≤C≤1; F(x)为城市化系统综合评价值; G(y)为生态环境系统综合评价值; k为调节系数,且k≥2,常取 k=2。

2)城市化与生态环境协调度模型。利用协调度模型,判断两个系统之间的协调发展程度。计算公式如下:

(3)

T = αF (x) + βG (y)

(4)

D = \sqrt[]{CT}

式中: D为协调度; T为城市化与生态环境系统综合发展指数; α,β为设定权重。因为城市化发展与生态环境保护,两个系统的重要性是相同的,所以取α=β=0.5。

3)协调度划分。根据协调度D及城市化系统 F(x)和生态坏境系统 G(y)的大小,对城市化与生态环境耦合协调类型进行划分,分类原则如表2所示。

表2 城市化与生态环境耦合协调类型划分原则

Tab.2 Classification principles of coupling and coordination types between urbanization and eco-environment

综合类别	协调度水平	亚类别	系统指数值对比	子类别	类型
协调发展	0.8<D≤1	高度协调	G(y)-F(x)>0.1	城市化滞后	Ⅴ1
			\|G(y)-F(x)\|≤0.1	系统均衡发展	Ⅴ2
			G(y)-F(x)<-0.1	生态环境滞后	Ⅴ3
转型发展	0.6<D≤0.8	中度协调	G(y)-F(x)>0.1	城市化滞后	Ⅳ1
			\|G(y)-F(x)\|≤0.1	系统均衡发展	Ⅳ2
			G(y)-F(x)<-0.1	生态环境滞后	Ⅳ3
	0.4<D≤0.6	濒临失调	G(y)-F(x)>0.1	城市化滞后	Ⅲ1
			\|G(y)-F(x)\|≤0.1	系统均衡发展	Ⅲ2
			G(y)-F(x)<-0.1	生态环境滞后	Ⅲ3
不协调发展	0.2<D≤0.4	中度失调	G(y)-F(x)>0.1	城市化滞后	Ⅱ1
			\|G(y)-F(x)\|≤0.1	系统均衡发展	Ⅱ2
			G(y)-F(x)<-0.1	生态环境滞后	Ⅱ3
	0<D≤0.2	严重失调	G(y)-F(x)>0.1	城市化滞后	Ⅰ1
			\|G(y)-F(x)\|≤0.1	系统均衡发展	Ⅰ2
			G(y)-F(x)<-0.1	生态环境滞后	Ⅰ3

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3 结果与分析

3.1 城市化水平评价结果

分析2013年DMSP/OLS与NPP/VIIRS 2种灯光数据,建立回归方程如下:

(5)DN=5.400 1 R+6.796 7,

式中: R为NPP/VIIRS 数据的夜光辐射强度; DN为拟合成DMSP/OLS数据的像元灰度值。

利用式(5)可以将NPP/VIIRS灯光数据模拟该年份的DMSP/OLS数据。由于2种夜间灯光数据存在2012年和2013年的数据叠合期,所以利用以上2013年的数据建立的模型对2012年的数据进行模拟,通过比较2012年真实DMSP/OLS数据与由NPP/VIIRS模拟的DMSP/OLS数据的差异来评价数据的整合效果。由NPP/VIIRS数据得到的DMSP/OLS模拟数据灰度值分布范围更广,因此将模拟的DMSP/OLS灰度值大于63的像元直接调整为63,人为制造与DMSP/OLS数据类似的饱和效应。结果显示通过本研究模拟的DMSP/OLS数据与真实DMSP/OLS数据的相关系数为0.8,均方根误差RMSE为6.24,数据整合效果较好。

图2为1992年、1997年、2002年、2007年、2013年共5期DMSP/OLS数据和经过拟合处理的2018年NPP/VIIRS夜间灯光数据。

图2

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图2 1992—2018年夜间灯光强度图

Fig.2 Map of night light intensity from 1992 to 2018

利用夜间灯光数据,计算各城市1992—2018年夜间灯光指数。以 2018 年为例,将根据统计数据计算得出城市化综合指数与2018年夜间灯光指数(表3)进行拟合,得出夜间灯光指数和城市化综合指数之间为正相关性,两者的皮尔逊相关系数达到0.92,表明夜间灯光指数能够准确地表征城市化水平。本研究同样计算整个市辖区的夜间灯光指数,分析其与统计数据计算的城市化综合指数的相关性相关系数仅为0.85。结合图2也可以看出像杭州这样迅速发展的城市,城市化水平很高,但是由于市辖区范围较大,若计算市辖区范围的灯光指数,导致城市化水平低估。所以本研究采用建成区范围内计算的夜间灯光指数代表城市化水平,进行京杭大运河沿线地区1992—2018年城市化水平研究。

表3 2018年各城市城市化综合指数表

Tab.3 Comprehensive urbanization index of each city in 2018

城市	非农人口比例	第二三产业占GDP比重	建成区比重	城市化综合指数	建成区灯光指数
城市	0.4	0.4	0.2	城市化综合指数	建成区灯光指数
北京	0.86	0.99	0.24	0.79	0.86
天津	0.83	0.99	0.26	0.78	0.81
廊坊	0.59	0.90	0.26	0.65	0.60
沧州	0.52	0.92	0.2	0.62	0.41
德州	0.56	0.91	0.13	0.61	0.53
聊城	0.60	0.90	0.16	0.63	0.42
济南	0.72	0.96	0.21	0.71	0.70
泰安	0.61	0.92	0.11	0.63	0.59
济宁	0.59	0.90	0.11	0.62	0.63
枣庄	0.6	0.93	0.13	0.64	0.61
徐州	0.65	0.90	0.14	0.65	0.59
宿迁	0.60	0.89	0.13	0.62	0.58
淮安	0.63	0.90	0.12	0.64	0.63
扬州	0.67	0.95	0.17	0.68	0.76
镇江	0.71	0.97	0.22	0.72	0.79
常州	0.89	0.98	0.36	0.82	0.85
无锡	0.76	0.99	0.47	0.79	0.90
苏州	0.76	0.99	0.42	0.78	0.92
嘉兴	0.59	0.97	0.39	0.70	0.76
杭州	0.78	0.98	0.11	0.73	0.87

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统计每个城市夜间灯光指数均值,将1992—2018年的城市化水平进行可视化分析,以此分析城市化水平的发展过程,见图3。由图3可以看出京杭大运河沿线地区城市发展水平具有空间不平衡性,呈现出南北高,中部低的空间格局,中部城市区位优势及发展动力不足,仍以传统农业与工业为主,因此经济发展速度较慢,经济水平较低。北京、天津、无锡、苏州、杭州城市化水平明显高于其他城市。从研究时段来看,1997—2002年间,苏州、杭州由中城市化水平转变为高城市化水平,扬州、镇江由低城市化水平转变为中城市化水平; 2002—2007年间,嘉兴由低城市化水平转变为中城市化水平,其余城市发展水平变化不大。总体而言京津冀段的城市化水平较高。北京是我国重要的政治、文化、经济中心,有着良好的经济基础,城市化水平较高。天津有着良好的经济基础与区位优势,是北方的重要经济中心。山东段的城市化水平总体相对较低,作为省会城市的济南经济发展较好,处于中城市化水平; 其余城市均处于低城市化水平。京杭大运河的通航河段主要分布在黄河以南的济宁以南地区,山东段内建有济宁港、枣庄港等。江苏是一个南北发展差

图3

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图3 1992—2018年城市化水平空间演变图

Fig.3 The spatial distribution of urbanization levels from 1992 to 2018

异非常显著的省份,1993年苏南、苏中、苏北的人均GDP是4.4∶2.1∶1,1997年有所缩小,但仍达3.9∶1.9∶1^[33]。为转变这一极化发展的格局,20世纪90年代以来江苏省大力实施了区域共同发展战略,其中苏锡常都市圈发展迅速。苏锡常都市圈位于长江三角洲,2016年国家规划的《长江三角洲城市群发展规划》要求苏锡常都市圈全面强化与上海的功能对接与互动,加快推进沪苏通、锡常泰跨江融合发展。其中,苏州是是江苏省内的第一经济强市,除了早期是运河重要的城市之外,由于距离上海近,堪称是上海周边地区经济的第二城,再配合以运河等交通设施的辅助,苏州城市发展很有潜力。但是纵贯江苏南北腹部的新宜城镇聚合轴(基本上是江北沿大运河地带)却一直没有得到明确的产业战略与政策支持。扬州、淮安等城市,在古代大运河刚刚开通的时候,这些城市也随之兴起,成为当时我国发展最有潜力的城市,但是当大运河的地位没有那么重要的时候,这些城市的经济发展就逐渐落后了。浙江段城市化水平较高,杭州是大运河的终点,是受大运河影响最大的城市。自从大运河开通以后,我国南方城市的经济发展逐渐有了起色,大运河带动了杭州的经济发展,现如今,杭州在教科文卫、旅游产业、高端产业、信息文创等新兴产业上做得很出色,使得杭州成为我国发展最快的城市。南水北调东线“一期”工程通水后,工程沿线扬州至泰安7个地级市的GDP总和从2013年的2.004 4万亿元迅速增长到2018年的2.955 7万亿元。工程通水后对泰安市、济宁市经济发展无明显影响,抑制了枣庄市经济发展,促进了徐州市、宿迁市、淮安市、扬州市等4市的经济发展^[34],但是城市化水平仍较低。

为探究城市化水平的空间不平衡性的主要原因,本文搜集整理了研究时段内的非农人口比例、建成区比重、第二三产业占GDP比重这3项指标。从统计资料中可以看出,在研究初期京津冀段的第二三产业占GDP比重最高,浙江段、江苏段次之,山东段最低,2013年浙江段超过京津冀段,第二三产业占 GDP 比重最大。2002年之前,建成区比重指标排序从大到小依次为京津冀段、浙江段、江苏段、山东段,此后浙江段、江苏段、山东段开展了大规模的城市化建设,建成区比重均超过京津冀段。非农人口比例逐年增加,但是排序没有变化,从大到小依次为京津冀段、江苏段、浙江段、山东段。

3.2 RSEI计算结果

利用Landsat影像,基于遥感生态指数计算方法,计算得出1992—2018年京杭大运河沿线地区RSEI,见图4。

图4

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图4 1992—2018年RSEI图

Fig.4 Map of RSEI from 1992 to 2018

首先对该区域的生态环境状况进行总体评价。统计1992—2018年6期RSEI的总体均值和标准差,统计结果见表4。

表4 1992—2018年研究区整体生态环境评价结果

Tab.4 Overall eco-environment evaluation results of the study area from 1992 to 2018

指标	1992年	1997年	2002年	2007年	2013年	2018年
平均值	0.62	0.59	0.60	0.73	0.63	0.63
标准差	0.24	0.32	0.24	0.25	0.29	0.29

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由表4可以看出,1992—2018年间,该研究区的生态环境变化不大,1997年京杭大运河沿线地区生态环境相对较差,这与1997年我国发生了严重的干旱灾害有关,2007年京杭大运河沿线地区生态环境状况相对较好。1992—1997年京杭大运河沿线地区生态环境质量呈现下降状态,RSEI平均值从0.62下降至0.59。1997—2007年京杭大运河沿线地区生态环境质量呈现上升状态,RSEI平均值从0.59上升至0.73。2007—2018年生态环境质量变差,RSEI平均值从0.73下降至0.63。

为分析1992—2018年26 a间京杭大运河沿线地区各城市生态环境水平变化过程与变化规律,对各城市RSEI的均值进行空间制图,见图5。可以看出,京杭大运河沿线地区的生态环境状况普遍较好,各城市的RSEI均大于0.4,包括一般生态环境区和良好生态环境区。1992年沧州、济南、枣庄、宿迁、镇江、常州等城市生态环境一般; 1997年济南、泰安、枣庄的生态环境状况一般; 2002年沧州、济南、泰安、枣庄、宿迁、镇江的生态环境为一般; 2007年京杭大运河沿线地区生态环境均为良好; 2013年泰安、枣庄、扬州、常州的生态环境为一般; 2018年廊坊、聊城、泰安、枣庄、济南的生态环境状况一般; 其余均为良好生态环境区。由于本文构建的RSEI是基于植被指数、湿度分量、地表温度和建筑指数这4个评价指标,把4个指标中的主要的信息集中到第一主成分上。针对以上4个指标对研究区生态环境状况及变迁因素进行分析。依据《中国森林资源报告(2014—2018)》,京津冀段、山东段、江苏段、浙江段的森林覆盖率依次为27.25%,17.51%,15.20%和59.43%。生长季的作物、城市绿化植物同样可增加区域植被指数。地表温度与地表覆盖、人为热排放、气象条件等多种因素有关,且随着时间变化较快,由于城市热岛现象的存在,中心城区的地表温度普遍高于郊区。城市建筑用地的增多对区域气候环境造成重要影响,研究表明城市建筑指数越高的地区,城市的地表温度越高,热岛效应就越明显。研究区从北向南,降水量逐渐增多,使得湿度增加,并有利于植被生长,且南方地区河网密集,湿度普遍高于北方,导致南方的城市生态环境总体状况优于北方的城市。北京市生态环境普遍较好,分析原因,北京山区约占全市总面积的62%,横跨北部燕山山脉和西部太行山山脉,山区的植被覆盖度较高,2016年北京森林覆盖率为43.77%,且呈现出增加的趋势^[35]。天津地区生长季植被覆盖度一般在0.55~0.65 之间波动^[36],天津市河网密集,增加湿度的同时,又可以缓解城市热岛效应。总体而言京津冀段、江苏段、浙江段的生态环境较好; 而山东段的泰安、济南、枣庄等中部城市的生态环境相对较差,其他城市的生态环境相对较好。可以看出1992—2018年间,沧州植被指数有所增加,生态环境质量有所提升,这与沧州市紧紧围绕创建国家生态园林城市宏伟蓝图,积极加快城镇园林绿化、村庄绿化和绿道体系建设关系密切。

图5

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图5 1992—2018年研究区城市尺度生态环境质量空间演变图

Fig.5 Spatial evolution map of city-scale eco-environment quality from 1992 to 2018

基于每个城市植被指数、湿度分量、地表温度和建筑指数这4个评价指标对第一主成分的贡献分析,植被指数、湿度分量对第一主成分为正贡献,地表温度和建筑指数对第一主成分为负贡献。各城市每个指标的贡献率各异,总体而言,京津冀段以建筑指数的负贡献为主; 山东段以地表温度的负贡献为主; 江苏段以建筑指数的负贡献为主; 浙江段以植被指数的正贡献为主。

3.3 城市化与生态环境耦合协调度结果

根据耦合协调模型,利用各城市遥感生态环境指数均值与和夜间灯光指数的平均值,计算得出1992—2018年生态环境与城市化的耦合协调度(图6),根据耦合协调分类原则,划分耦合协调类型,并将耦合协调分类结果进行空间制图(图7、图8)。由图6、图7可以看出,1992年京杭大运河沿线地区杭州为濒临失调,其余城市为中度协调, 1992—1997年北京由中度协调转变为高度协调,杭州由濒临失调转变为中度协调,1997—2002年天津、苏州由中度协调转变为高度协调,2007年京杭大运河沿线城市以高度协调为主导,说明1992—2007年间京杭运河沿线地区城市化与生态环境系统耦合协调度呈上升趋势; 2013年、2018年再次转变为中度协调为主导。结合图8,协调度变化主要是因为1992—2002年期间,沿线城市的城市化水平较生态环境低,城市化与生态环境系统处于中度

图6

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图6 1992—2018年各城市城市化与生态环境协调度图

Fig.6 Coordination between urbanization and eco-environment of various cities from 1992 to 2018

图7

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图7 1992—2018年城市化与生态环境耦合协调类型演变图

Fig.7 Evolution of the type of coupling and coordination between urbanization and eco-environment from 1992 to 2108

图8

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图8 1992—2018年城市化与生态环境耦合协调子类型演变图

Fig.8 Evolution of the subtypes of coupling and coordination between urbanization and eco-environment from 1992 to 2108

协调为主,随着城市化水平的提高,到2007年达到高度协调为主,此后城市化发展水平超过了生态环境发展状况,因此2013年、2018年再次转变为中度协调为主。总体而言,研究区城市化与生态环境系统耦合协调度处于较高的水平,仅杭州在1992年因生态环境发展状况超前于城市化发展水平,协调度为濒临失调,随着杭州城市的快速发展,协调度达到高度协调,2018年生态环境发展状况相较于城市化发展水平相对滞后,协调度的状况再次变为濒临失调。

图8表明1992—2018年京杭大运河沿线地区城市化与生态环境协同效应子类型逐渐由城市化滞后为主转变为生态环境滞后、系统均衡发展、城市化滞后多种类型并存。2007—2013年,廊坊、济南、泰安、济宁、徐州等城市由城市化滞后演变为系统均衡发展。北京、天津、杭州、嘉兴、苏州、无锡等城市在2013年以后发展为生态环境滞后。表明近年来京杭大运河沿线地区在城市化进程不断加快时,生态环境的发展相对滞后。各级政府在发展经济的同时,需要注重对生态环境的保护。

4 结论与展望

本文以京杭大运河沿线城市为研究区,采用DMSP/OLS,NPP/VIIRS夜间灯光数据和Landsat影像,构建夜间灯光指数和遥感生态指数,并利用耦合协调度模型分析1992—2018年京杭大运河沿线地区城市城市化与生态环境耦合协调关系。虽然当前不乏大运河重要河段及沿线典型城市的城市化及生态环境评价的研究,但对于大运河沿线整体的城市化与生态环境耦合协调分析的研究较少。本文主要结论如下。

1)本文以DMSP/OLS夜间灯光为基准,利用NPP/VIIRS数据模拟DMSP/OLS数据,实现数据整合,从而构建建成区的夜间灯光指数表征城市化水平。夜间灯光指数和统计数据计算得出的城市化综合指数的皮尔逊相关系数为0.92,表明夜间灯光指数能够准确地表征城市化水平。研究表明1992—2018年京杭大运河沿线地区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数量减少。京杭大运河沿线地区城市发展水平具有空间不平衡性,呈现出南北高,中部低的格局。1992—1997年,城市化发展速度较为缓慢,1997—2013年为城市化水平迅猛发展时期,2013—2018年,城市化水平稳步提升。

2)1992—2018年京杭大运河沿线地区RSEI均大于0.4,表明京杭大运河沿线地区生态环境状况均较好。泰安、济南、枣庄等中部城市的生态环境相对较差,其他城市的生态环境相对较好。总体来看,1997年京杭大运河沿线地区生态环境相对较差,而2007年生态环境状况相对较好。

3)1992年、1997年及2002年京杭大运河沿线地区城市化与生态环境协调类型以中度协调为主,2007年以高度协调为主,2013年、2018年转变为中度协调占主导地位。协调度变化的原因为系统协同发展子类型整体上逐渐由城市化滞后演变为生态环境滞后。

在研究中仍存在一些问题值得讨论,本文选用的遥感生态指数,仅能反映部分生态环境状况,并不能反映如河流生态环境、空气质量、水土流失、生物多样性等生态环境指标; 遥感数据选择方面,本文多选用5—10月份的Landsat遥感影像,由于遥感生态指数计算结果受影像质量与成像时间影响较大,在后续的研究中应该处理更多的遥感影像,提高数据精度。此外本文仅对京杭大运河沿线地区城市化水平与生态环境状况及两者耦合协调关系进行了计算与分析,后续还可以深入分析城市化水平、生态环境状况以及两者耦合协调变化的影响因素,以期为京杭大运河沿线地区城市发展及生态保护提供更多的数据支撑。

参考文献

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城市化与生态环境关系的相关研究已成为人地关系地域系统研究的热点问题与前沿领域。基于1999-2016年WOS和CNKI数据库中城市化与生态环境相关研究主题的文献样本数据,利用Excel、SPSS和CiteSpace软件,通过学科共现分析、文献共被引分析、突现词探测、关键词共现分析和多维尺度分析等,系统梳理了城市化与生态环境关系研究领域的前沿、知识基础、现状热点与发展动态,结果显示：①研究前沿从城市化与生态环境系统的单一要素逐渐走向多要素综合研究,由单向作用逐步转向系统间和系统外部的相互作用研究;②快速城市化背景下土地利用变化、生态系统服务、气候变化、景观格局和生态环境效应等方面已成为近期研究热点;③国内相关研究缺乏在多尺度视角下利用新技术集成方法进行跨学科的综合性研究。最后,提出了城市化与生态环境的基本格局—过程—机理、跨区域的多尺度研究、城市化的生态环境效应及其影响因素、快速城市化过程中生态环境问题形成与优化调控、城市化与生态环境的可持续发展等领域的研究展望。

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