1、 年 第 期 许友芹，等：年长三角城市群城市化与生态环境耦合协调度变化监测引文格式：许友芹，朱广祥，李小鹏，等 年长三角城市群城市化与生态环境耦合协调度变化监测 测绘通报，（）：年长三角城市群城市化与生态环境耦合协调度变化监测许友芹，朱广祥，李小鹏，赵文清，徐 栋（青岛房地产建筑设计院有限责任公司，山东 青岛；青岛市即墨区住房和城乡建设局，山东 青岛；中铁二十二局集团第三工程有限公司，福建 厦门；上海立信会计金融学院统计与数学学院，上海；北京师范大学遥感科学国家重点实验室，北京）摘要：城市化的发展与生态环境紧密相关，利用遥感方法可准确地进行城市化与生态质量耦合协调度动态监测与分析，为区域的城市
2、化建设、生态治理及发展规划提供必要的参考依据。本文以长三角城市群为例，利用 系列数据和 夜间灯光数据分别建立表征区域生态环境的遥感生态指数（）和表征区域城市化水平的灯光指数（），采用耦合协调度模型探究了 年长三角城市群城市化与生态环境耦合协调度时空变化特征。结果表明：年，长三角城市群城市化水平不断提高，城市化指数由 年的.提高至 年的.；年，长三角城市群生态环境质量不断下降，生态等级为优的区域不断收缩，其中上海市与南京市最明显；年，耦合协调度总体呈现上升趋势，且各城市空间差异性较大。关键词：灯光指数；遥感生态指数；耦合协调度模型；长三角城市群中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，
3、；，；，）：，（）（）：，.，收稿日期：基金项目：浙江省自然科学基金（）；风云卫星先行计划（.）；浙江省气象科技计划（；）；新疆气象局引导性计划（）作者简介：许友芹（），女，硕士，教授级高级工程师，主要从事建筑给排水、市政给排水、海绵城市等工程设计与研究工作。：通信作者：徐 栋。：测 绘 通 报 年 第 期：；随着全球城市化的持续推进，当前城市间的发展和竞争不再仅局限于单个城市，而是越来越多地呈现出“一超多强”的城市群竞争发展模式。作为城市发展的最高空间组织形式，城市群通过依托区域内完善的交通、通信等基础设施网络，有效地将区域内多个城市聚集并形成空间组织紧凑、经济联系密切的城市“集合体”。目前
4、，城市群已经成为中国经济高速发展的核心引擎。其中，长三角、珠三角和京津冀组成的三大城市群的 占比已经超过了。然而，随着城市群经济高速发展、城市化持续推进，地区人类活动强度不断上升（建设用地扩张、热岛效应、大气污染等），致使自然和生态环境面临极大的压力。区域城市化与生态环境之间的交互耦合关系，引起了众多学者的广泛关注与研究。文献借助脱钩理论构建了城市化与生态环境的综合评价体系，并分析了天津市城市化与生态环境的交互耦合关系；文献通过权重系数与单因素方差法对伊宁市城市化和生态环境综合指数进行计算，并利用耦合协调度模型对两者的耦合协调度进行了判别分析；文献从脆弱性角度研究了城市化与生态环境之间的协调发
5、展。一方面，以上学者在评估城市化水平时主要采用了两种方法，即复合指标法和主要指标法。从现有的研究来看，不管是复合指标法还是主要指标法在测度区域城市化水平时均存在很多问题。对于复合指标法，目前，虽然大多数的复合指标都具有很好的表征性和学科性，但缺乏一定的普遍性，限制了复合指标法的应用范围。对于主要指标法，单一指标不能准确地反映出城市化的其他特征。另一方面，以上学者在定量分析生态环境时，主要利用了基于统计数据的人为定权方法，会放大主观性对研究结果精度的影响。遥感技术的发展为解决上述问题提供了技术上的可能性。一方面，结合夜间灯光数据提取区域城市建成区并测度城市化水平等相关研究越来越多，众多的研究表明
6、，基于夜间灯光数据提取的灯光指数能准确地表征区域城市化水平；另一方面，有学者提出了一种新型区域生态环境的遥感评价指数，该方法选取了湿度、绿度、干度、热度指标，采用主成分分析法（）构建了表征生态环境的遥感生态指数。遥感生态指数评价方法选取的指标权重均由遥感数据本身性质决定，不受人为因素影响，且各个指标均由遥感影像获取，有较好的现势性，便于快速评价生态环境质量的时空变换。本文以长三角城市群为研究区，利用灯光指数（）和遥感生态指数，并采用耦合协调度模型量化长三角城市群城市化与生态环境两者的可持续发展水平，以期为长三角城市群的可持续协调发展提供有效科学的决策支持，与此同时也为研究城市化与生态环境耦合关
7、系提供一种新的探索方向。研究区域与数据.研究区概况长江三角洲城市群位于中国东部沿海地区（如图 所示），紧邻黄海与东海，拥有众多沿海港口。长三角城市群包含了上海市、安徽省 个地级市、江苏省 个地级市和浙江省 个地级市，共计 个城市。因此，现阶段长三角城市群的面积远超过以往任何时期，达.万，常住人口约为.亿人，占全国总人口的.。图 长三角城市群位置.数据来源与预处理本文选用的遥感数据包括 夜间灯光数据、陆地资源系列卫星（）数据。夜间灯光数据来源于美国国家地球物理数据中心，分别为 年的 数据，该数据去除火光等偶然噪声后得到农村、城市及其他区域分散的稳定灯光；影像数据为美国地质调查局（）网站提供的。年
8、 第 期 许友芹，等：年长三角城市群城市化与生态环境耦合协调度变化监测 研究方法.城市化指数参照文献的灯光指数构建方法，利用区域平均灯光强度指标（）和区域灯光面积指标（）构建城市化指数（），公式为 （）式中，为区域 的城市化指数；为区域 的平均灯光强度指标；为区域 的灯光面积指标；、分别为其权重。本文选取、均为.。其中 （）（）|（）（）式中，为区域范围内灯光总强度；为第级别的灯光灰度值；为灯光灰度等级为 的像元总数；为像元总个数；为长三角城市群范围内灯光像元的面积，即像元值大于 的像元数量；为长三角城市群整个区域的面积，即像元的总数量。.遥感生态指数文献 提出的遥感生态指数选用湿度、绿度、热
9、度、干度 个能够直观反映生态环境质量的指标表征生态系统状况。其中，湿度、绿度、热度、干度分别采用湿度指数、植被指数、地表温度、裸土指数表示。为了消除各个指数数值不一致对遥感生态指数产生的影响，需要对具有不同量纲的指数进行标准化处理。并利用主成分分析对标准化的指标进行降维处理。因此，每个指标的权重不是人为确立的，而是依据每个指标对第一主成分（）的贡献率确定，公式为 （，）（）.湿度指数利用遥感缨帽变换获取湿度分量已被广泛应用于生态环境评价。和 反射率数据的湿度分量计算公式分别为.（）.（）.绿度指标植被是表征区域生态环境最敏感的因子。归一化植被指数（）能较好地反映植被覆盖率、植物丰富度及叶面积指
10、数，其在生态植被变化监测中得到广泛的应用，指数范围介于（，）。计算公式为 （）（）（）式中，、分别为红波段和近红外波段。.热度指标利用地表温度表征热度指标，采用 用户手册提出的模型并结合 最新修订的参数计算地表温度。对于 数据，首先对波段（热红外）进行辐射定标，计算得到热红外 的辐射亮度值，一般由 部分组成：地面的辐射亮度经过大气层后卫星传感器接收到的能量、大气向上辐射的能量、大气向下辐射到达地面后反射的能量。其中，卫星传感器接收热红外辐射亮度的计算公式为（）（）（）（）（）（）式中，为大气向下辐射的能量；为大气向上辐射的能量；为大气在热红外的透过率；为地表比辐射率；（）为黑体辐射亮度值；为地
11、表温度。依据普朗克公式反函数，可计算得出地表温度，公式为 （）（）式中，、为定标常数，在影像元数据中获得。根据文献经验方程计算地表比辐射率为 .（）.干度指标建筑用地和裸土是造成城市干化的主要原因，因此，利用建筑指数（）和裸土指数（）两种光谱指数计算干度指标，种指数的范围均在（，），计算公式为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，、分别为、遥感影像中的蓝色波段、绿色波段、短波红外 的反射率。测 绘 通 报 年 第 期.综合评价模型构建由于各项指标的量纲存在差异，为便于后续的波段合成、主成分变换，需要对各项指标进行标准化处理以统一各项指标的量纲，即可以降低不同指标范围不
12、一致引起的计算结果的误差。计算公式为 （）（）（）式中，为标准化后的指数；为标准化之前的指数；、分别为该指数的最大值和最小值。.耦合协调度模型耦合度是一种评价区域发展过程中城市化水平与生态环境质量之间相互作用规律的指标，该指标反映了区域发展的科学性、合理性及可持续性的原则，以此可以科学有效地模拟区域发展的特征与演变规律。利用物理学中的耦合度模型分析长三角城市群城市化与生态环境之间的耦合规律，公式为 （）（）（）式中，为耦合度（）。的值越大，表明城市化与生态环境发展越协调；为综合城市化指数（）；为遥感生态指数。耦合度模型反映子系统之间协调性，因此，子系统的数值并不能直接影响它们之间协调度的大小。
13、例如 和 均很低，但两者之间的耦合度却很高，即两个子系统之间“假协调”现象。因此，引入了耦合协调度模型，公式为 （）式中，为长三角城市群市城市化与生态环境之间的耦合协调度（简称协调度），其中 ，的值越大，表明长三角城市群市城市化与生态环境发展越协调；为综合评价指数；为耦合协调度；、为待定系数，其中 。考虑长三角城市群市的特殊性，城市化对生态环境的影响是巨大的，而生态环境只是影响城市化的其中一方面因素。因此，、分别取.、.。为了更深入了解长三角城市群市各区县的城市化与生态环境之间的耦合协调规律，将协调度按 种协调发展亚类划分。结果与分析.城市化指数图 为 年长三角城市群的城市化指数。总体而言，年
14、长三角城市群市城市化水平不断提高，平均城市化指数从 年的.上 升 至 年 的.。除 此 以 外，从两个年份的最值中也可以看出，城市化指数最大值与最小值之间相差较大，这说明长三角城市群市城市化发展存在地区差异性，地区发展不平衡，但从两年的最值数据可以看出这个差异有降低的趋势。图 年长三角城市群城市化分布.遥感生态指数.构建 评价生态环境质量的关键在于将多个因子转换为一个定量化的评价指数。因此，将各项指标按照式（）标准化处理后进行主成分分析，得到、年主成分分析结果（见表）。由表 可知：两个时期的第一主成分贡献率分别为.和.，且每个指标都较稳定，这表明第一主成分已集中了 个指标的绝大部分特征。在 中
15、，湿度、绿度均为正，表明这 年 第 期 许友芹，等：年长三角城市群城市化与生态环境耦合协调度变化监测两个指标对生态环境质量起积极作用；热度、干度符号均为负，表明这两个指标对生态环境起负面作用。绿度的系数最大，表明生态环境质量的主导因素是绿度。除了第一主成分，其他主成分在大小和符号上都表现不太稳定，难以表征生态环境质量。表 主成分分析结果年份指标湿度.绿度.热度.干度.特征值.贡献率（）.湿度.绿度.热度.干度.特征值.贡献率（）.长三角城市群市生态环境质量分析对 进行标准化，构建（如图 所示），为了从总体上分析近 年长三角城市群市生态环境质量，计算了两个时期表征生态环境质量的各项指标与遥感生态
16、指数 的均值（见表）。由表 可知，长三角城市群市、年的 均值分别为.、.，总体而言，生态环境质量呈略微下降态势。此外，对生态环境质量影响最大的绿度在 年也呈下降态势，而对生态环境质量有负面影响的热度和干度呈明显上升趋势，干度指标反映了长三角城市群市城市建设用地的变化，这说明了城市化建设对区域生态环境质量的影响是巨大的，特别是城市建成区面积的增加，目前已成为影响长三角城市群市生态环境质量的重要因素。表 各项指标与 均值年份指标湿度绿度热度干度.图 年长三角城市群的 分布测 绘 通 报 年 第 期 由图 可知，生态为优的区域在明显收缩。其中，上海市、苏中、苏南地区变化最为明显。这意味着城市化过程中的生态环境状况不容乐观，且城市发展快的地区生态环境质量整体偏低；而城市化发展慢的地区生态环境质量整体偏高。说明城市化与生态环境质量呈负相关关系。.耦合协调度为了更深入了解长三角城市群市各城市化水平发展情况，列出了长三角城市群市各城市的耦合协调模式变化情况（如图 所示）。总体而言，各城市的耦合协调模式均向高度协调发展方向发展，这也证明了上述结论。其次，各城市之间差异较大，其中上海市从 年已经处于高度