研究快速城市化背景下如何平衡生态环境和城市化发展对促进城市群可持续发展具有重要意义。本文立足遥感视角,结合日间光学遥感和夜间灯光遥感数据,基于Google Earth Engine云平台对2000~2020年粤港澳大湾区城市群生态环境状况、城市化强度以及二者耦合协调度进行分析。结果表明:1) 粤港澳大湾区城市群在2000~2020年间RSEI均值稳定上升,生态环境呈现出好转的态势,但地区间的差异依旧显著;2) 经过20年的城市化发展,粤港澳大湾区城市群形成了以环珠江口的城市向四周逐步推进的城市化格局;3) 20年间粤港澳大湾区城市群的生态环境与城市化的协调程度空间分异较为明显,总体有所改善。研究结果可以为粤港澳大湾区城市群可持续发展提供数据支撑和科学参考。 It is of great significance to study how to balance the ecological environment and urbanization de-velopment under the background of rapid urbanization to promote the sustainable development of urban agglomerations. Based on the perspective of remote sensing, this paper combines the data of daytime optical remote sensing and nighttime light remote sensing, and based on the Google Earth Engine cloud platform to analyze the ecological environment, urbanization intensity and coupling coordination degree of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration from 2000 to 2020. The results show that: 1) the average RSEI of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration increased steadily from 2000 to 2020, and the ecological environment showed a trend of improvement, but the differences between regions were still significant; 2) after 20 years of urbanization development, The urban agglomeration of the Guang-dong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area has formed an urbanization pattern with cities surrounding the Pearl River Estuary gradually advancing to the surrounding areas; 3) in the past 20 years, the degree of coordination between the ecological environment and urbanization of the Guang-dong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration has been significantly different in space, and the overall level has improved. The research results can provide data support and scientific reference for the sustainable development of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration.
研究快速城市化背景下如何平衡生态环境和城市化发展对促进城市群可持续发展具有重要意义。本文立足遥感视角,结合日间光学遥感和夜间灯光遥感数据,基于Google Earth Engine云平台对2000~2020年粤港澳大湾区城市群生态环境状况、城市化强度以及二者耦合协调度进行分析。结果表明:1) 粤港澳大湾区城市群在2000~2020年间RSEI均值稳定上升,生态环境呈现出好转的态势,但地区间的差异依旧显著;2) 经过20年的城市化发展,粤港澳大湾区城市群形成了以环珠江口的城市向四周逐步推进的城市化格局;3) 20年间粤港澳大湾区城市群的生态环境与城市化的协调程度空间分异较为明显,总体有所改善。研究结果可以为粤港澳大湾区城市群可持续发展提供数据支撑和科学参考。
Google Earth Engine,粤港澳大湾区,生态环境,城市化,夜间灯光
Lin Qiu1,2,3, Huajan Zheng1,2,3*
1Surveying and Mapping Institute Lands and Resource Department, Guangzhou Guangdong
2Key Laboratory of Tropical Subtropical Natural Resources in South China, Ministry of Natural Resources, Guangzhou Guangdong
3Guangdong Natural Resources Science and Technology Collaborative Innovation Center, Guangzhou Guangdong
Received: Sep. 18th, 2022; accepted: Oct. 18th, 2022; published: Oct. 27th, 2022
It is of great significance to study how to balance the ecological environment and urbanization development under the background of rapid urbanization to promote the sustainable development of urban agglomerations. Based on the perspective of remote sensing, this paper combines the data of daytime optical remote sensing and nighttime light remote sensing, and based on the Google Earth Engine cloud platform to analyze the ecological environment, urbanization intensity and coupling coordination degree of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration from 2000 to 2020. The results show that: 1) the average RSEI of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration increased steadily from 2000 to 2020, and the ecological environment showed a trend of improvement, but the differences between regions were still significant; 2) after 20 years of urbanization development, The urban agglomeration of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area has formed an urbanization pattern with cities surrounding the Pearl River Estuary gradually advancing to the surrounding areas; 3) in the past 20 years, the degree of coordination between the ecological environment and urbanization of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration has been significantly different in space, and the overall level has improved. The research results can provide data support and scientific reference for the sustainable development of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area urban agglomeration.
Keywords:Google Earth Engine, Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area, Ecological Environment, Urbanization, Nighttime Light
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城市化是一个国家或地区发展到一定程度的必然结果,同时也是推进区域发展的重要动力。随着全球城市化的持续推进,呈现出城市化高级进程中的空间社会性过程,即逐步形成由多城市组成的有重要影响与发展活力的“城市群” [
随着城市化与生态质量之间的相互影响愈发明显,其耦合关系也引起了诸多学者的关注。陈悦 [
近年来,遥感技术快速发展为区域生态环境与城市化的监测、评估提供技术支撑。遥感技术具有覆盖面广、时空尺度多样、光谱信息丰富和快速获取数据等优势,可以弥补统计数据缺乏空间信息、难以栅格化等局限性,目前已逐渐成为地理环境监测 [
粤港澳大湾区作为国内湾区实践的先行者、经济最活跃、开放程度最高的地区之一,在区域全方位开放和经济发展中起引领作用。2018年,《粤港澳大湾区发展规划纲要》明确提出粤港澳大湾区要“建设富有活力和国际竞争力的一流湾区和世界级城市群” [
粤港澳大湾区(Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area, GBA)是世界四大湾区之一,位于华南地区(21.33˚~24.23˚N,111.219~115.25˚E),具有“9 + 2”的区域格局,包括香港特别行政区、澳门特别行政区和广东省广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市、肇庆市,总面积5.6万平方公里。2019年常住人口为7264.92万人,根据城市规模划分标准,区域内有超大城市2个(城区常住人口数 ≥ 1000万人)、特大城市2个(城区常住人口数500~1000万人)和大城市7个(城区常住人口数100~500万人),2018年GDP为10.696万亿元。粤港澳大湾区是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一,在区域全方位开放和经济发展中起引领作用,肩负建设国际科技创新中心、打造世界级城市群、支撑“一带一路”建设的重要任务。
中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)是美国国家航空航天局研制的搭载在Terra (1999年发射)和Aqua (2002年发射)卫星上的传感器,其成像扫描幅宽2330 km,具有36个中等分辨率水平(0.25~1 μm)的光谱波段。MODIS产品类型包括一级数据产品、大气标准产品、陆地标准产品和海洋标准产品,由于其覆盖范围广、回访周期短等优点,目前被广泛应用于植被动态监测以及植被生理生态的多种产品遥感反演、地表温度相关产品遥感和光学气溶胶厚度反演等相关研究。本文选用的MODIS数据包括MOD09A1、MOD11A2和MOD13A1产品,各产品参数配置见表1。
指标 | 产品 | 时间分辨率(天) | 空间分辨率(m) | 等级 |
---|---|---|---|---|
绿度 | MOD13A1 | 16 | 500 | L3 |
地表温度 | MOD11A2 | 8 | 1000 | L3 |
地表湿度 | MOD09A1 | 8 | 500 | L3 |
地表干度 | MOD09A1 | 8 | 500 | L3 |
表1. 研究指标及其数据产品
夜间灯光数据能够反映人类夜间灯光在地球表面的分布情况,与人类表面社会活动高度相关,因此被广泛地应用于城市化、人口分布和能源消耗 [
遥感生态指数(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI)由徐涵秋 [
RSEI = f ( Greeness , Wetness , Heat , Dryness ) (1)
式中,Greeness 、Wetness、Heat和Dryness分别为绿度分量、热度分量、湿度分量和干度分量。
首先本文基于MODIS数据计算得到4个生态分量,分别采用EVI指数表征绿度分量、日间地表温度数据(Daytime Land Surface Temperature, DLST)表征热度分量、缨帽变换后的第三分量表征湿度分量、归一化土壤差分指数(Normalized Difference Built-up and Soil Index, NDBSI)表征干度分量。然后利用主成分分析(Principal Components Analysis, PCA)方法实现客观、自动确定指标权重,在避免人为主观因素造成的偏差下进行多指标的合成 [
由于以上4个分量的量纲不统一,需要将上述指标进行标准化处理再进行PCA运算,并以第一主成分(PC1)来构建RSEI,此外,再次将PC1值进行标准化处理,从而实现研究期内的RSEI横向比较和分析。
根据先前学者指出DMSP/OLS的灯光数据存在异常,因此本文使用了一种基于像素本身波动特征伪不变目标校准模型来校准灯光数据 [
CNLI = LAP × MLI (2)
LAP = Area l i g h t Area (3)
MLI = ∑ i = 1 63 C i × D N i ∑ i = 1 63 C i × 63 (4)
式中,Arealight代表灯光区域的面积,Area则为区域的总面积;DNi是灯光像元的灰度值,Ci是灯光值为DNi的像元数量。
为了定量评估粤港澳大湾区城市群内部生态环境与城市化水平的耦合协调性,本文以城市CNLI为横坐标、RSEI为纵坐标构建“城市化–环境”二维平面耦合度模型,将耦合协调性距离D定义为“城市化–环境”坐标点与对角线和极限点的距离之和,当耦合协调性距离D越小,表明当城市的城市化水平和生态环境协调耦合程度越高 [
D i = | x i − y i | 2 + ( x i − 1 ) 2 + ( y i − 1 ) 2 (5)
式中,xi,yi分别为“城市化–环境”坐标点的横、纵坐标,即归一化后的CNLI指数和RSEI指数;Di为城市i的耦合协调距离。
Google Earth Engine (GEE)是一个集成了海量数据,并可以用于地理空间数据可视化及分析的免费云计算平台,其上存储的数据包括Landsat、Sentinel、MODIS等系列遥感影像,以及地表覆盖、夜间灯光等各类数据。依托Google公司在全球的百万台服务器,GEE具有强大的运算能力,摆脱了时间、空间的限制,可以实现大数据、多任务的并行运算 [
根据4.1中RSEI的计算公式,本文以5年为间隔,对2000年至2020年粤港澳大湾区的RSEI进行了计算,并统计了不同城市RSEI平均值,如表2所示,可以看出,研究区各市以及特别行政区的RSEI均值都呈现上升趋势。2000年至2020年期间,RSEI均值较高区域有肇庆市和惠州市,其中肇庆的生态质量最好,较低的有澳门、东莞市、佛山和中山市,其中澳门的生态质量最差。从各个地区来看,各地区RSEI均值变化存在一定的差异性,其中江门市、珠海市、深圳市和澳门RSEI均值变化波动比较明显,在2000至2005年呈现下降趋势,在2005年至2010年涨幅较为明显,总体呈现“先降后升”的特征。广州市、珠海市和香港RSEI均值则相对稳定。
年份 城市 | 2000年 | 2005年 | 2010年 | 2015年 | 2020年 |
---|---|---|---|---|---|
肇庆市 | 0.74 | 0.77 | 0.74 | 0.74 | 0.8 |
广州市 | 0.63 | 0.64 | 0.62 | 0.64 | 0.65 |
深圳市 | 0.53 | 0.52 | 0.56 | 0.54 | 0.58 |
佛山市 | 0.52 | 0.5 | 0.49 | 0.48 | 0.51 |
惠州市 | 0.7 | 0.73 | 0.73 | 0.73 | 0.76 |
中山市 | 0.57 | 0.47 | 0.51 | 0.47 | 0.5 |
东莞市 | 0.5 | 0.45 | 0.47 | 0.45 | 0.48 |
江门市 | 0.67 | 0.65 | 0.74 | 0.69 | 0.73 |
珠海市 | 0.58 | 0.52 | 0.6 | 0.56 | 0.58 |
香港特别行政区 | 0.65 | 0.68 | 0.69 | 0.7 | 0.71 |
澳门特别行政区 | 0.43 | 0.42 | 0.49 | 0.42 | 0.47 |
表2. 2000~2020年粤港澳大湾区城市群RSEI均值
图1是粤港澳大湾区不同年份的RSEI空间分布图,可以发现,2000~2020年粤港澳大湾区RSEI的变化特征可以总结为:1) 粤港澳大湾区RSEI总体呈上升趋势;2) 大湾区中心区域的低值RSEI像素呈扩张趋势。这一变化特征与粤港澳大湾区近年来在高速城市化进程的发展背景下不断推进的生态文明建设和绿色发展道路密切相关。
图1. 2000~2020年粤港澳大湾区RSEI空间分布
根据4.2中CNLI的计算公式,本文以5年为间隔,对2000年至2020年粤港澳大湾区的CNLI进行了计算,并统计了不同城市CNLI平均值,如图2所示,可以看出,经过20年的城市快速发展,粤港澳大湾区城市群各城市的CNLI都有所增加,澳门CNLI始终为最高值;惠州、江门和肇庆市的CNLI较低,
图2. 粤港澳大湾区城市群CNLI的均值变化
且持续稳定上升,惠州和江门CNLI增长一倍,尽管肇庆市CNLI最低,但其增长了约2.2倍,从2000年的0.05上升至2020年的0.16;在2005年至2010年期间,大部分地区CNLI变化最为显著,其中涨幅大于10%的区域有珠海市(21%)、广州(15%)、中山(14.8%)和佛山(13.46%)。
图3是粤港澳大湾区城市群不同年份的CNLI等级空间分布图,可以发现,大湾区11个城市中共有6个城市的CNLI等级有所提升,并且分为两个时间段,体现了大湾区城市化发展进程的重要特征:1) 2000~2010年间,深圳、珠海和广州的CNLI等级全部提升一个等级,地理优势和国家改革开放的政策使其成为经济水平快速发展的地区,城市化进程的加速和不透水表面的扩张导致了CNLI的上升;2) 2010~2020年间,惠州、江门和佛山的CNLI等级全部提升一个等级,大湾区城市化发展进程在由区域中心城市逐渐向边缘扩展,这一特征与粤港澳大湾区不断推进区域一体化建设、增强发展整体性的政策紧密相关。
图3. 2000~2020年粤港澳大湾区CNLI等级空间分布
本文依据各城市的RSEI和CNLI计算粤港澳大湾区耦合协调距离结果,如图4所示。总体而言,2000年至2020年,RSEI和CNLI之间的耦合协调距离大体呈现下降趋势,这说明粤港澳大湾区的生态环境和地区城市化的耦合协调发展总体有所改善。具体来说,20年间各地区耦合协调发展变化特征可以分为三个类型:1) 稳定下降:肇庆、惠州、江门、广州、珠海和香港耦合协调距离具有稳定下降趋势;2) 波动比较明显:澳门呈现波动幅度较大的特征,尤其在2010年达到最小值;3) 变化相对稳定:中山、佛山、深圳和东莞变化相对平稳,但是东莞和中山的耦合协调距离有微微上升趋势。
图4. 2000~2020年粤港澳大湾区生态环境与城市化耦合协调距离的变化
为了便于分析城市生态环境与城市化耦合协调特征,本文根据研究区耦合协调实际情况,将研究区耦合协调类型分为两大等级和七个类型,其具体耦合协调度分类及判别标准见表3。在此基础上,结合RSEI和CNLI的差值,将耦合协调类型分为三种差异类型(表4),以揭示生态环境质量与城市化之间的具体差异。
耦合协调距离范围 | 耦合协调类型 | 耦合协调等级 |
---|---|---|
1.5 ≤ D ≤ 1.7 | 严重失调 | 失调发展 |
1.2 < D ≤ 1.5 | 中度失调 | |
0.9 < D ≤ 1.2 | 轻度失调 | |
0.8 < D ≤ 0.9 | 勉强协调 | 协调发展 |
0.5< D ≤ 0.8 | 中度协调 | |
0.2 < D ≤ 0.5 | 良好协调 | |
0 ≤ D ≤ 0.2 | 优质协调 |
表3. 生态环境与城市化耦合协调度分类划分标准
分类依据 | 耦合协调差异类型 |
---|---|
0 ≤ |RSEI-CNLI| ≤ 0.1 | 同步型 |
RSEI-CNLI > 0.1 | 城市化滞后型 |
CNLI-RSEI > 0.1 | 生态质量滞后型 |
表4. 生态环境与城市化耦合协调度差异类型划分标准
图5和图6为2000~2020年粤港澳大湾区生态环境与城市化协调度等级和差异类型空间分布图,总体上,失调等级区域主要分布在边缘城市,而协调等级区域主要集中在大湾区中心的经济发展水平较高的城市。
结合图5和图6可以看出,2000~2020年,肇庆、惠州和江门都处于失调等级,并且全部是城市化滞后类型;而在所有地区中香港城市化与生态质量的耦合协调度最好,始终为良好协调,城市化与生态质量同步发展,其发展态势均优于其他区域;珠海市耦合协调关系明显改善,由轻度失调变为中度协调,由城市化滞后变为城市化与生态质量同步;中山虽然中度协调,但是由同步转变为生态质量滞后型;广州协调程度逐渐向好,由轻度失调转变为中度协调,但是始终是城市化滞后型;深圳始终保持中度协调和生态质量滞后型;东莞由中度协调转变为勉强协调,从生态质量滞后型变为同步型;澳门始终是生态质量滞后型。
图5. 2000~2020年粤港澳大湾区生态环境与城市化协调度等级空间分布
图6. 2000~2020年粤港澳大湾区生态环境与城市化差异类型空间分布
本文基于Google Earth Engine云平台,通过整合日间光学遥感和夜间灯光遥感等多源卫星数据分析了2000~2020年粤港澳大湾区城市群的生态环境状况和城市化进程特征与变化,并构建了耦合协调距离模型,进一步对城市化与生态环境耦合协调性进行分析和比较。结果表明:1) 粤港澳大湾区城市群在2000~2020年间RSEI均值稳定上升,生态环境呈现出好转的态势,但地区间的差异依旧显著;2) CNLI指数能够全面和综合的反映出城市群的城市化水平,研究期间内广州、佛山和珠海的CNLI增幅较大,尽管肇庆市的CNLI均值最低,但其增速比则显著高于其它地区;3) 经过20年的城市化发展,粤港澳大湾区城市群形成了以环珠江口的城市向四周逐步推进的城市化格局,其中高强度城市化城市包括广州、深圳、东莞、和港澳等地区,低强度城市化城市则分布在城市群边缘区域;4) 20年间粤港澳大湾区的生态环境和地区城市化的耦合协调发展变化特征有所不同,空间分异也较为明显,总体上,粤港澳大湾区城市群的生态环境与城市化的协调程度有所改善。
广东省省级科技计划项目(2018B020207002),广东省省级科技计划项目(2021B1212100003)。
邱 琳,郑华健. 基于Google Earth Engine的粤港澳大湾区生态质量与城市化耦合协调度分析Analysis of Coupling Coordination Degree of Ecological Quality and Urbanization of the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area Based on Google Earth Engine[J]. 测绘科学技术, 2022, 10(04): 240-252. https://doi.org/10.12677/GST.2022.104025
https://doi.org/10.1016/S0305-9006(03)00066-7
https://doi.org/10.5846/stxb201609231919
https://doi.org/10.3390/ijgi8090419
https://doi.org/10.1109/JPROC.2019.2948454
https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.06.031
https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2019.02.005
https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2018.05.055
https://doi.org/10.3390/rs11182185
https://doi.org/10.1080/01431161.2017.1331476
https://doi.org/10.5846/stxb202003250687
https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.06.031