烏巖嶺保護(hù)區(qū)NDVI空間格局尺度及異質(zhì)性分析

周蔚張小偉

（1 國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019；2 浙江省森林資源監(jiān)測(cè)中心 310020）

烏巖嶺保護(hù)區(qū)NDVI空間格局尺度及異質(zhì)性分析

周蔚1張小偉2*

（1 國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019；2 浙江省森林資源監(jiān)測(cè)中心 310020）

基于TM影像提取的烏巖嶺NDVI數(shù)據(jù)，采用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)中Moran’s I和半變異函數(shù)分析的方法，選擇適宜尺度，并在該尺度上對(duì)烏巖嶺NDVI的空間格局研究。研究結(jié)果表明：（1）通過(guò)對(duì)各尺度上的Moran’s I和半變異函數(shù)的分析得到一個(gè)較佳空間自相關(guān)分析尺度為650m；（2）烏巖嶺風(fēng)景區(qū)NDVI具有顯著的空間自相關(guān)性在650m的尺度上，其空間自相關(guān)指數(shù)為0.16，且Z值為4.51，這說(shuō)明烏巖嶺風(fēng)景區(qū)植被空間關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)；（3）利用半變異函數(shù)對(duì)烏巖嶺的NDVI進(jìn)行全局空間分析，在650m的尺度上，NDVI的變程為1244.6m，即研究區(qū)具有空間自相關(guān)NDVI值的最大距離為1244.6m。

烏巖嶺；NDVI；空間自相關(guān)性；Moran’sI；半變異函數(shù)

近年許多學(xué)者投入到植被的空間結(jié)構(gòu)性研究中去，植物種群的空間分布特征以及環(huán)境因子對(duì)植物種群空間分布的影響，已成為生態(tài)學(xué)者廣泛關(guān)注的問(wèn)題[1-3]，也有部分學(xué)者對(duì)植被空間相關(guān)性進(jìn)行研究[4-6]。這些研究都是通過(guò)對(duì)植被空間結(jié)構(gòu)分析以期為決策提供依據(jù)，其研究方法多采用Moran’s I和半變異函數(shù)分析等方法。本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)TM影像NDVI的Moran’s I和半變異函數(shù)分析來(lái)研究烏巖嶺保護(hù)區(qū)植被的空間自相關(guān)性，為該景區(qū)空間格局研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

烏巖嶺國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于浙江省泰順縣的西北部，西與福建省的壽寧、福安接壤，北接浙江省的文成縣、景寧縣。地理位置處在北緯27°20＇52″—27°48＇39″，東經(jīng)119°37＇8″—119°50＇00″。保護(hù)區(qū)范圍除垟溪保護(hù)站外，其他均集中連片，總面積18861.5hm2。

烏巖嶺自然保護(hù)區(qū)地處浙南沿海山地，屬“南嶺閩甌中亞熱帶”氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)、四季分明、雨水充沛，具中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征。保護(hù)區(qū)內(nèi)森林植被在全國(guó)植被分區(qū)屬中亞熱帶常綠闊葉林南部亞地帶。由于獨(dú)特的自然地理?xiàng)l件，加上地處偏遠(yuǎn)高山，人煙稀少，保存有大面積原生性常綠闊葉林。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 輻射校正

本研究使用2010年8月LANDSAT衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)為遙感數(shù)據(jù)源。由于電磁波在地表到傳感器的傳輸過(guò)程中受大氣中水汽、灰塵及氣溶膠影響，使得傳感器獲取的原始信息與地表真實(shí)反射率相比有一定程度的失真，需要通過(guò)輻射校正進(jìn)行修正。

輻射校正按照校正后結(jié)果分為絕對(duì)校正和相對(duì)校正。絕對(duì)校正是指將遙感圖像的DN值轉(zhuǎn)換為地表反射率或地表反射輻亮度；相對(duì)校正是指使影像相同DN值表示相同地物反射率而不考慮地物的真實(shí)反射率。本文通過(guò)單幅影像提取NDVI進(jìn)行空間格局尺度及異質(zhì)性研究，因此對(duì)TM影像進(jìn)行絕對(duì)輻射校正以獲取真實(shí)NDVI值。

輻射校正方法包括不變目標(biāo)法、直方圖匹配法、黑目標(biāo)法、 ContrastReduetion法、綜合大氣校正法、輻射傳輸模型法等。其中，利用電磁波在大氣中的輻射傳輸原理建立輻射傳輸模型進(jìn)行輻射校正是精度較高的一種。常用的輻射傳輸模型有6s模型、LOWTRAN模型和MORTRAN模型等。本文采用6s模型進(jìn)行輻射校正。

2.2 幾何校正

采用GPS采點(diǎn)與1:1萬(wàn)地形圖相結(jié)合的方式對(duì)研究區(qū)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精校正，選取46個(gè)明顯地物點(diǎn)作為控制點(diǎn)，控制點(diǎn)殘差精度控制到0.3。由于本文采取的研究方法是選取不同尺度的NDVI值作為研究數(shù)據(jù)，對(duì)影像DN值的真實(shí)性要求較高而連續(xù)性要求不高，因此采用最鄰近法進(jìn)行重采樣。

3 研究方法

根據(jù)Tobler地理學(xué)第一定律[8]，即所有的事物都是相互聯(lián)系的，但是離得越近的事物，彼此之間的聯(lián)系越強(qiáng)。本文對(duì)經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何校正的研究區(qū)TM數(shù)據(jù)在100m-750m不同尺度下進(jìn)行NDVI值提取，并采用Moran’s I和半變異函數(shù)?對(duì)烏巖嶺風(fēng)景區(qū)的NDVI空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.1 空間自相關(guān)的量化指標(biāo)Moran’s I

Moran’s I指數(shù)是常用的空間相關(guān)性量化指標(biāo)之一。Moran’s I可以簡(jiǎn)單定義如下[10]：

式中，xi和xj是變量x在相鄰配對(duì)空間單元的取值，ˉx是變量x的平均值，wij是二元對(duì)稱空間權(quán)重矩陣，n是空間單元總數(shù)， σ為標(biāo)準(zhǔn)差。I指數(shù)的取值在-1到1之間，其中-1表示極強(qiáng)的負(fù)空間自相關(guān)，1表示極強(qiáng)的正空間自相關(guān)，取值0表示不相關(guān)。從地學(xué)角度來(lái)理解，如果I指數(shù)為正值，表示植被覆蓋類型傾向聚集，空間分布具有較好的整體性；反之，則表示空間分布呈現(xiàn)破碎化。

把隨機(jī)情況下的Moran’s I指數(shù)的期望值表示為EI：

EI的取值始終為負(fù)值，且EI與單元數(shù)n反向變動(dòng)，因此區(qū)域單元的規(guī)模越大，EI的絕對(duì)值就越小。但當(dāng)空間規(guī)模（n）較小時(shí)，EI可能是一個(gè)絕對(duì)值較大的負(fù)值，此時(shí)不能輕易的認(rèn)為存在較強(qiáng)的負(fù)空間自相關(guān)。

Moran’s I在隨機(jī)假設(shè)條件下的方差VAR(I)為：

式中k表示變量x的峰度，正態(tài)分布曲線的尖峭程度。

通過(guò)莫蘭指數(shù)顯著性校驗(yàn)公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化Z 值：

3.2 半變異函數(shù)?

半變異函數(shù)理論由應(yīng)用數(shù)學(xué)專家Matheron G創(chuàng)立，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的重要組成部分。半變異函數(shù)?（h）通過(guò)測(cè)算兩點(diǎn)空間屬性的變異程度與兩點(diǎn)間距的關(guān)系來(lái)描述要素的分布特征[11-12]。在一維的情況下，半變異函數(shù)被定義為區(qū)域化變量Z(x) 在點(diǎn)x 和x + h 處的值Z(x)與Z (x + h) 差的方差的一半為區(qū)域化變量Z (x)在x 軸方向上的半變異函數(shù),記為? (h) ,即

在滿足二階平穩(wěn)假設(shè)的條件下，有22.2-02

半變異函數(shù)可以產(chǎn)生3個(gè)基本參數(shù)，即塊金值、基臺(tái)值和變程。所謂塊金值也叫塊金方差，根據(jù)半變異函數(shù)定義，當(dāng)h=0時(shí)，其半變異函數(shù)值應(yīng)為0，然而在實(shí)際的樣本變半異函數(shù)計(jì)算過(guò)程中，其近似平滑曲線并不通過(guò)原點(diǎn)，而是具有一個(gè)正的截距，將其定義為塊金方差。半變異函數(shù)是一個(gè)單調(diào)遞增的函數(shù)，即?(h)隨著h的增大而增大，當(dāng)h超過(guò)某一個(gè)范圍時(shí)，半變異函數(shù)? (h)的值不再增大，在一個(gè)極限值附近擺動(dòng)，這個(gè)極限值被稱為基臺(tái)值或者閾值。所謂變程是指隨著h的增大，空間上Z(x)與Z (x + h)之間的相關(guān)性逐漸減小以至于消失這個(gè)過(guò)程中的h值。在地學(xué)應(yīng)用中，以塊金值與基臺(tái)值的比值表示隨機(jī)因子與結(jié)構(gòu)因子對(duì)空間總變異的影響，比值大則結(jié)構(gòu)因子影響大，比值小則隨機(jī)因子影響大。當(dāng)區(qū)域化變量在空間的變異性僅隨著距離而改變，而與方向無(wú)關(guān)時(shí)，稱為各向同性，否則則稱為各向異性。

4 結(jié)果與分析

4.1 研究尺度選擇

自相關(guān)性和尺度是密不可分的，本研究分別采用100m-750m多個(gè)尺度來(lái)分析比較烏巖嶺風(fēng)景區(qū)植被空間自相關(guān)性的較佳尺度。通過(guò)對(duì)各尺度的Moran’I、Moran’I的顯著性檢驗(yàn)指標(biāo)Z值、半變異函數(shù)的變程以及半變異函數(shù)塊金值進(jìn)行比較分析，從而獲得一個(gè)較佳尺度。

圖1

圖2

圖1、和圖2分別為各尺度上NDVI值的Moran’I值及各尺度上Moran’I的標(biāo)準(zhǔn)化Z值。從圖3-1和圖3-2不難看出隨著尺度的增大NDVI值的自相關(guān)指數(shù)和顯著性指標(biāo)Z值都呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，即相鄰空間單元之間距離越大，其空間自相關(guān)性越小。在尺度為650m時(shí)，Moran’I值有所反彈，達(dá)到0.16，之后再次下行。尺度為700m和750m時(shí)的Z值分別是3.37（大于2.58）和2.56（小于2.58），說(shuō)明顯著的空間自相關(guān)性的尺度分界線在700m和750m之間。

圖3

圖4

圖3和圖4分別是以球狀模型計(jì)算各尺度上的全局半變異函數(shù)的塊金值和變程值結(jié)果。前者表示一定尺度上烏巖嶺地區(qū)NDVI的變化量的隨機(jī)性大小，后者表示烏巖嶺地區(qū)NDVI自相關(guān)范圍大小[13]。從圖3-3和圖3-4可以看出，塊金值在顯著自相關(guān)時(shí)維持在0.004左右，650m尺度后，塊金值急劇上升，隨機(jī)因子影響迅速增大。變程在具有顯著自相關(guān)時(shí)基本上穩(wěn)定在1000m-1500m之間，650m尺度后也陡然上升，這里的變程已經(jīng)沒(méi)有意義。

根據(jù)Tobler地理學(xué)第一定律[7]，較小的尺度不具有典型性，綜合考慮自相關(guān)分析及半變異函數(shù)分析結(jié)果，選擇650m這個(gè)尺度作為對(duì)烏巖嶺植被結(jié)構(gòu)分析的最終尺度。

4.2 空間異質(zhì)性分析

在650m的尺度上，由Moran’s I的計(jì)算結(jié)果可以得到，烏巖嶺風(fēng)景區(qū)植被空間自相關(guān)性顯著，其全局Moran’s I指數(shù)為0.16，而Z值為4.51，Z值遠(yuǎn)大于顯著性為99%的臨界值2.58。進(jìn)一步計(jì)算各方向上Moran’s I值（表1），在西南-東北方向上Moran’s I值最大，呈顯著正相關(guān)，而東南-西北方向上Moran’s I值較小。烏巖嶺風(fēng)景區(qū)在東北-西南方向上植被整體性良好，而在東南-西北方向上受水體及人為因素影響，植被相對(duì)破碎。

表1 烏巖嶺保護(hù)區(qū)各方向Moran’s I值

對(duì)650m尺度上的NDVI值做半變異函數(shù)運(yùn)算，得到變程為1244.6m，塊金值為0.00494718，塊金值/基臺(tái)值為0.374644。即當(dāng)兩個(gè)樣本點(diǎn)的距離相距1244.6m以上，這兩點(diǎn)就不在具有空間自相關(guān)性。烏巖嶺風(fēng)景區(qū)NDVI的空間分布中隨機(jī)因子影響較小，隨機(jī)因子導(dǎo)致的空間變異占系統(tǒng)總變異的0.49%；結(jié)構(gòu)性因子占主導(dǎo)地位，結(jié)構(gòu)性因子導(dǎo)致的空間變異占系統(tǒng)總變異的99.51%。

圖5

4.3 結(jié)論

本文以TM影像為數(shù)據(jù)源，利用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)烏巖嶺風(fēng)景區(qū)進(jìn)行Moran’s I值分析和半變異函數(shù)分析，研究了其植被覆蓋在空間分布上的相關(guān)性及空間變異特征，可以得到如下結(jié)論：

1）烏巖嶺風(fēng)景區(qū)NDVI具有顯著的空間自相關(guān)性。通過(guò)對(duì)烏巖嶺NDVI進(jìn)行Moran’s I分析，可知其空間自相關(guān)指數(shù)為0.16，且Z值為4.51，這說(shuō)明烏巖嶺風(fēng)景區(qū)植被空間關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，相似的NDVI值傾向于聚在一起，不同的林分聚集性較強(qiáng)，具有較好的整體性。

2）通過(guò)對(duì)各尺度上的Moran’s I和半變異函數(shù)的分析得到一個(gè)較佳尺度為650m，并在這個(gè)尺度上對(duì)烏巖嶺地區(qū)的NDVI空間結(jié)構(gòu)性進(jìn)行分析。

3）利用半變異函數(shù)對(duì)烏巖嶺的NDVI進(jìn)行全局空間分析，從結(jié)果來(lái)看，在650m的尺度上，NDVI的變程為1244.6m，即研究區(qū)具有相似NDVI值的空間自相關(guān)距離為1244.6m。

4）烏巖嶺風(fēng)景區(qū)的NDVI值存在各向異性的分布特征，在東北-西南方向上呈顯著自相關(guān)，相似植被類型沿帶狀分布。

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