樊 晶 杨志刚 徐期瑚 郭盛才 杨超裕

(广东省林业调查规划院,广东 广州 510520)

自然保护地是生态建设的核心载体、中华民族的宝贵财富、美丽中国的重要象征，在维护国家生态安全中居于首要地位[1]。广东自然保护地建设管理起步较早，也是全国唯一的自然保护区建设示范省，这为全省自然保护地保护与发展提供了坚实的基础。但作为全国第一经济大省和人口大省，在国土开发和人类活动影响大的背景下，全省自然保护地保护与发展矛盾表现的更加直接和敏锐。2021 年6 月，中共广东省委办公厅、广东省人民政府办公厅印发了《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的实施意见》，围绕全省构建“一核一带一区”区域发展格局和“两屏一带”自然地理空间格局，以保护自然、服务人民、永续发展为目标，建立分类科学、布局合理、保护有力、管理有效，以国家公园为主体的自然保护地体系，实现严格保护、科学利用、精细管理、高效共享，不断满足人民群众对优美生态环境、优良生态产品、优质生态服务的需要，为粤港澳大湾区和绿美广东可持续发展奠定生态根基[2]。目前，全省已建立集管理、监测、监督、评估、执法为一体监督管理平台，努力打造“以国家公园为主体、以自然保护区为基础、以自然公园为补充”的具有广东特色的现代自然保护地体系，为广东省实现“四个走在全国前列”、当好“两个重要窗口”提供了有力的生态支撑。

夜光遥感数据具有空间覆盖范围大、数据结构简单、分析效率高等优势，能够有效的记录地表照明体的夜光辐射信息，相比于普通的遥感卫星影像，夜光遥感能够提供以人类活动为中心的独特视角，能够直接揭示地表人类社会经济活动的潜在规律[3-6]，因此在城市化监测和城市群发展研究[7-16]、社会经济参数估算[17-20]、灾害灾难评估[21-22]等领域有广泛的应用。夜光遥感影像的成熟应用为大尺度时空范围内自然保护地保护和发展的研究提供了新思路。本研究尝试将VIIRS 夜光遥感数据应用于全省自然保护地监测中，从夜间灯光增长规模差异性和椭圆标准差角度对2015— 2020 年广东省自然保护地时空演变格局过程进行分析，以期实现广东省自然保护地生态保护和科学利用的双赢格局，持续优化全省自然保护地整合，为全国第三次国土调查主要数据融合和生态保护红线划定工作提供科学的决策依据。

1.1 研究区概况

截至2021 年，广东省批复自然保护地1 361处，数量在全国居处于领先的地位，相比2019 年增加了2 处[23]，批复总面积306.72 万hm2，矢量总面积296.42 万hm2（含重叠），由于部分自然保护地存在交叉重叠现象，扣除矢量重叠后，去重后矢量总面积260.35 万hm2，占全省陆海总面积的10.64%。近年来，广东省全面启动自然保护地整合优化工作，持续推进自然保护地建设管理，由于风景名胜区不在此次整合优化工作的范围内，因此研究对象为1 331 处自然保护地（30 处风景名胜区除外），合计矢量面积为283.92 万hm2（表1）。

表1 研究区域概况Tab. 1 Description of study area

1.2 数据来源及处理

2011 年10 月，美国国家航空航天局成功发射搭载了红外成像辐射仪Suomi NPP 卫星，可用于探测光线，捕捉夜间灯光，VIIRS 数据能够探测到微弱光源，成像时间大约在当地时间凌晨1:30时左右，单位为nanoWatts/(cm2·sr)，简称nW/(cm2·sr)。相比于早期DMSP/OLS 数据, VIIRS 数据具有更高的空间分辨率和辐射分辨率，且已进行机载校准，很好地消除了灯光饱和效应，能够真实地反映地表灯光。本研究选取的2015、2016、2017、2018、2019、2020 VIIRS 数据是从科罗拉矿业大学学术部门公开获取（https://eogdata.mines.edu/products/vnl/）。首先，使用TIMESAT 软件包对夜光数据的质量进行修复。其次，利用广东省行政区边界对修复的VIIRS 数据进行裁剪和重投影，提取每期灯光数据中的我国区域的夜光影像。再次，利用矢量化后的广东省自然保护地区划数据对夜间灯光数据做掩膜提取，并将其矢量化，得到每个象元的夜光辐亮度值。因为灯光的亮度应大于0，利用栅格计算器提取亮值像元(DN＞0)，以此得到全省自然保护地的2015—2020 年VIIRS夜光遥感影像数据集（图1）。

图1 广东省自然保护地 2015 — 2020 年 VIIRS 夜光遥感影像Fig.1 The VIIRS nighttime light image of the Guangdong Protected Nature Areas from 2015 to 2020

1.3 研究方法

1.3.1 夜光总量与夜光增长率 由于人类社会经济活动对自然保护地发展具有较大影响，全省自然保护地整体特征在不同的时间尺度上存在差异。因此，研究这种差异能为揭示全省自然保护地的保护与发展格局变化提供相关信息。通过分析自然保护地夜间灯光数据能简单快速的掌握自然保护地人类社会经济活动时空演变格局。本研究选择夜光总量（Sum of Light , SOL）与夜光增长率（Light Growth Rate , LGR） 两个指标来评估的自然保护地夜间灯光规模的变化[24]。夜光总量(SOL)是指提取的自然保护地的空间范围内所有像元 (xi)DN 值总和[11]，可以直观反映全省自然保护地人类社会经济活动综合强度，为进一步表征夜光规模的变化，在统计了夜光总量的基础上，本研究再选取夜光增长率（LGR）来描述全省自然保护地规模的总体变化。其计算公式[9]分别为：

式中：ri为第i个像元的夜光辐亮度值；
n为研究区域内的像元总数；
a、b为年度。

1.3.2 标准差椭圆 标准差椭圆能从全局性空间的角度定量解释地理要素分布的中心性、展布性、方向性及空间形态等特征[25]。利用标准差椭圆的面积大小变化和重心移动距离这两个要素，来定量分析广东省自然保护地夜间灯光规模在空间上的集中程度、延展方向的变化趋势。本研究利用ArcGIS 10.6－Spatial Statistics Tools－度量地理分布－方向分布（标准差椭圆）工具得出椭圆重心、方位角、长短轴的标准差和面积等参数，其相应计算公式[26]如下所示：

式中，Gx，Gy表示椭圆重心，wi表示权重，本研究以夜间灯光数据的像元夜光辐亮度值作为权重，xi表示第i个像元的纬度，yi表示第i个像元的经度。a表示方位角，ðx，ðy分别表示椭圆长短轴的标准差。椭圆重心的迁移可以表征自然保护地夜间灯光规模发展的趋势，而椭圆的面积和长短轴可用于解读自然保护地的夜光规模在空间上变化的信息。

2.1 夜光总量和增长率分析

2015 — 2020 年间，广东省自然保护地夜间灯光总量整体上呈现较明显的增长趋势，一直处于成长发展的过程（图2）。2016 年的广东省自然保护地夜光增长率为0.72%，发展较为缓慢；
2017、2018 年广东省自然保护地快速发展，2017年的夜光增长率为11.23%，2018 年的夜光增长率为16.27%，均保持较高的夜光增长率，这与《中华人民共和国自然保护区条例（2017 年修订）》颁布和《建立国家公园体制总体方案》（2017）印发密切相关。2019 年中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》，并将原国土资源部、住房和城乡建设部、水利部、农业部、国家海洋局等部门的自然保护区、风景名胜区、自然遗产、地质公园、海洋公园等交由新组建的国家林业和草原局进行统一管理，因此，2019、2020 年广东省自然保护地发展较为平稳，2019 年夜光增长率为10.18%，2020 的夜光增长率为9.50%。2020年897 处自然保护地监测到有夜光覆盖，夜光总量为86 172.12 nW/(cm2·sr)。夜光总量在1 000 nW/(cm2·sr)以上保护地的共有14 处，夜光总量在100 ～1 000 nW/(cm2·sr)之间的保护地共有178处，夜光总量在10 ～100 nW/(cm2·sr) 之间的保护地共有409 处，夜光总量小于10 nW/(cm2·sr)的保护地共有488 处。

图2 广东省自然保护地2015 — 2020 年 VIIRS 夜光总量变化Fig.2 Change of SOL of the Guangdong Protected Nature Areas from 2015 to 2020

从夜光增长规模差异性的自然保护地区域来看，沿海地区的自然保护地在过去5 年较为活跃，夜光增长态势明显优于内陆区域，珠三角地区自然保护地的夜光总量规模和夜光增长规模明显高于其他地区，可能是由于粤港澳大湾区经济的带动作用，沿海地区和珠三角地区自然环境相对较为优越，人口密度大且集中，始终保持着平稳快速的增长。2015 — 2020 年间惠州大亚湾水产资源省级自然保护区、广东珠江口中华白海豚国家级自然保护区、汕头湿地市级自然保护区、深圳大鹏半岛市级自然保护区、深圳宝安铁岗石岩湿地市级自然保护区5 处自然保护地夜光规模增长突出，深圳罗湖东湖市级湿地公园、广东南澎列岛国家级自然保护区、湛江遂溪马头岭县级森林公园夜光总量实现零突破，从2015 年0 nW/(cm2·sr) 上 升 到2020 年200 nW/(cm2·sr) 左 右，说明这8 处自然保护地发展迅速，应及时监测其人类社会经济活动，以免其开发利用影响到其生态保护。此外，广东南雄孔江水源林县级自然保护区、汕头潮阳观音山县级森林公园、梅州大埔张弼士县级森林公园、潮州饶平汤溪县级湿地公园、清远佛冈长盛谷县级森林公园等100 余处县级自然保护地的基础设施和旅游服务设施薄弱，尚未开展旅游活动，因此其夜光增长规模差异性变化不大，显然自然保护地的基础设施规模和旅游服务设施规模是决定着夜光规模大小的关键因素，自然保护地的基础设施规模和旅游服务设施规模越大，其夜光增长规模也越大，对应人类社会经济活动强度也增长越快。

从不同类型自然保护地夜光总量差异性来看（图3），2020 年森林公园的夜间灯光总量最大，为46 602.07 nW/(cm2·sr)，其次为自然保护区和湿地公园，其夜光总量分别为25 762.22 nW/(cm2·sr)和10 411.40 nW/(cm2·sr)；
再次为地质公园和海洋公园，其夜光总量分别为2 768.43 nW/(cm2·sr)和624.85 nW/(cm2·sr)；
石漠公园的夜光总量最小，仅为3.14 nW/(cm2·sr)。这与不同类型保护地的数量和面积密切相关，因此，本研究计算了不同类型自然保护地夜光均值，结果显示，地质公园夜光均值较大，为153.80 nW/(cm2·sr)，说明地质公园人类活动综合强度较大，今后应重生态保护轻开发利用；
自然保护区、森林公园和海洋公园夜光均值次之，均在100 nW/(cm2·sr)左右，说明其人类活动综合强度中等，生态保护与开发利用总体上相对平衡；
湿地公园夜光均值为65.07 nW/(cm2·sr)，说明湿地公园人类活动综合强度较弱，今后应在生态保护的基础上探究其科学利用的路径；
石漠公园夜光均值仅为3.14 nW/(cm2·sr)，人类活动综合强度很小，可能是由于广东连南万山朝王国家石漠公园和广东乳源西京古道国家石漠公园刚刚批复成立，其管理较为规范，是南岭山地岩溶生态系统保护与生态修复的典范与样板。

图3 不同类型自然保护地2020 年VIIRS 夜光统计Fig.3 The VIIRS nighttime light statistical graph in various types of the Protected Nature Areas in 2020

从不同级别自然保护地夜光总量差异性来看（图4），2020 年自然保护地的夜光总量从大到小表现为：市级＞ 县级＞ 省级＞ 国家级，其夜光总量分别为36 140.49、14 920.40、12 848.22、3 230.04 nW/(cm2·sr)。市级自然保护地夜光均值最大，为181.61 nW/(cm2·sr)；
国家级和省级自然保护地夜光均值接近，分别为142.76、140.44 nW/(cm2·sr)；
县级自然保护地夜光均值最小，为43.75 nW/(cm2·sr)。综上发现，市级自然保护地人类社会经济活动综合强度较大，需要严格监督和规范其开发利用过程；
国家级和省级自然保护地人类活动综合强度中等，其保护和发展较为稳定；
县级自然保护地人类活动综合强度较低，需要在保护的基础上进一步完善其基础设施和旅游服务设施等，以扩大其科学利用的发展潜力。

图4 不同级别自然保护地2020 年VIIRS 夜光统计Fig.4 The VIIRS nighttime light statistical graph in various grades of the Protected Nature Areas in 2020

2.2 夜光标准差椭圆分析

根据广东省自然保护地的夜间灯光数据构建了标准差椭圆（图5）,并计算出自然保护地夜间灯光规模的标准差椭圆的各种参数（表2）。从标准差椭圆重心迁移轨迹来看，2015 — 2020 年间重心整体呈“Z”型向东南迁移，2015 — 2016 年和2017 — 2020 年间，自然保护地的重心向东南方向迁移趋势明显，说明东南部自然保护地开发利用趋势领先于其他区域。从标准差椭圆面积的变化来看，2015 — 2020 年间广东省自然保护地经历了一个先扩张后收缩的发展过程，表明2015—2019年间自然保护地内部夜间灯光总量因累计超过一定规模而外溢扩张，2019 — 2020 年间自然保护地夜间灯光总量在不断增加并累积。从标准差椭圆的长短轴变化来看，短轴呈现“变长－变短－变长”，长轴呈现“变短－变长－变短－变长－变短”波动式变化，说明广东省自然保护地朝东南沿海方向扩张趋势明显，而2016 — 2018 年间东南方向扩张强度较高，2018 — 2019 年间东南方向扩张强度较低。综合来看，2015 — 2020 年内广东省自然保护地沿着珠江口向东南沿海方向发展，粤港澳大湾区的发展对广东省自然保护地的保护与发展格局产生了较大的影响力。

表2 标准差椭圆参数Tab.2 The parameters of standard deviation ellipse

图5 广东省自然保护地 2015—2020 年夜光数据标准差椭圆Fig.5 The standard deviation ellipse of the Guangdong Protected Nature Areas from 2015 to 2020

本研究首次将夜光遥感数据应用于自然保护地研究中，从太空观测全省自然保护地的光芒，利用夜光总量、增长率指标和标准差椭圆模型直观监测广东省自然保护地人类社会经济活动，对其保护与发展格局进行分析，以期对未来广东省自然保护地发展规划及政策制定具有一定的参考价值，实现广东省自然保护地生态保护和科学利用的双赢格局，高质量建设广东特色的以国家公园为主体的自然保护地体系。主要研究结论如下。

（1）从发展来看，2015—2020 年广东省自然保护地的夜光总量均呈现出增长的态势，且沿着珠江口向东南沿海方向发展，作为沿海地区的大省，粤港澳大湾区社会经济的发展对广东省自然保护地人类活动产生了较大的影响力。如何发挥粤港澳大湾区辐射带动作用，优化保护与发展格局，促进全省自然保护地协调高质量发展是当前全省保护地建设管理的亟待解决的重点。要建立以统一管理体制为基础的多元共治体系，进一步理顺各级各类自然保护地与社区发展的关系，健全自然保护地开发利用活动与生态环境保护法律体系，确保全省自然保护地建设走向法制化和规范化。

（2）从区域来看，珠三角地区自然保护地的夜光总量规模和夜光增长规模明显高于其他地区，沿海地带的自然保护地人类活动强度也较高，成为夜光增长的重要贡献者。而粤北地区自然保护地地形复杂，山川较多，近年来的发展并不明显，希望借助南岭国家公园的品牌效应，在保护第一的前提下，充分挖掘其科学利用的潜力，实现绿色增值，为地方经济和当地群众提供发展利用的机会，从而实现自然保护地发展的良性循环。

（3）从级别来看，市级自然保护地开发利用强度较大，国家级和省级自然保护地保护与利用较为稳定。自然保护地的基础规模是决定着夜间灯光规模大小的关键因素，有条件的县级自然保护地，尤其是县级自然公园需要进一步科学完善其基础设施和旅游服务设施建设，积极探索保护与发展的平衡点，因地制宜地提出包括生态补偿、特许经营与协议保护等多元化发展机制，为全省自然保护地发展注入新的力量，助力优化全省自然保护地保护与发展格局。

（4）从类型来看，地质公园的人类活动综合强度较大，自然保护区、森林公园和海洋公园人类活动综合强度次之，湿地公园人类活动综合强度较弱。现有自然保护地是基于地方自愿申报设立，顶层设计不够，高保护价值区域存在缺失。整合优化应充分考虑填补地质公园保护空缺，优化自然保护区、森林公园和海洋公园保护与利用的平衡，探索湿地公园科学利用潜力。部分人类活动会对珍稀野生动物造成较大威胁，要避让自然保护地。确实不能避让时，一定要在野生动物栖息地构建廊道，以保证野生动物迁徙等活动。对已建成的工程设施，要通过建设如空中廊道、隧道等，为野生动物顺利通行提供便利条件。

夜光遥感就是利用遥感技术从太空观测夜间地球的光芒，能够直接揭示地表人类社会经济活动的潜在规律，本研究可实时监测全省自然保护地保护与发展的趋势，但VIIRS 数据的分辨率较低，对于小范围的自然保护地的人类社会经济活动监测预警效果不佳。因此，后续结合使用高分辨率的影像探究不同类型自然保护地保护与发展夜光数据的临界点，全面认识广东省自然保护地保护与发展规律，以满足全省自然保护地的土地集约化利用，宜保护则保护，宜利用则利用，在不断提升自然保护地生态价值的同时，促进全省自然保护地高质量可持续发展。

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