基于MODIS-NDVI楚雄州植被覆蓋空間自相關(guān)研究

吳 鑄，藍(lán)宇騁，劉陽(yáng)飛

( 云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650200)

1 引言

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和平衡調(diào)節(jié)器，既是物質(zhì)能量交換的重要載體，又是研究地球輻射收支平衡的關(guān)鍵因子，是研究全球變化的“指示器”，能較好地為全球和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)變化研究提供科學(xué)依據(jù)[1，2]。歸一化植被指數(shù)(The Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)對(duì)綠色植被表現(xiàn)敏感，且能削弱大氣輻射、交叉輻射等影響，可反映植物生長(zhǎng)狀態(tài)及植被空間分布密度，加之其計(jì)算簡(jiǎn)便快速、成本低、可推廣性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于植被遙感監(jiān)測(cè)、植被物候研究、植被變化與環(huán)境因子關(guān)系研究，是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)之一[2]。近年來(lái)，植被研究主要在植被類型、植被變化及影響因素等方面進(jìn)行了探討，而對(duì)植被覆蓋空間自相關(guān)的研究相對(duì)較少。基于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究長(zhǎng)時(shí)間序列植被指數(shù)，可準(zhǔn)確反映植被覆蓋的生長(zhǎng)狀態(tài)以及時(shí)空分布特征及演化規(guī)律[3]?？臻g自相關(guān)性使用全局和局部?jī)煞N指標(biāo)來(lái)度量，全局指標(biāo)用于分析整個(gè)研究區(qū)域的空間相關(guān)性模式，采用單一值來(lái)反映該區(qū)域環(huán)境變量的自相關(guān)程度；局部指標(biāo)計(jì)算環(huán)境變量在每一個(gè)空間單元與鄰近單元的相關(guān)程度[4]。衡量全局空間自相關(guān)常用指標(biāo)有Global Moran’s I和Geary’s C，能夠用來(lái)檢驗(yàn)空間變量的取值是否與相鄰空間上該變量取值大小有關(guān)[5]。而局部空間自相關(guān)分析揭示植被覆蓋指數(shù)與鄰近空間單元指數(shù)之間的相關(guān)性，識(shí)別空間集聚和空間孤立特征，探測(cè)空間異質(zhì)性[6]，如空間關(guān)聯(lián)局域指標(biāo)(local indicators of spatial association，簡(jiǎn)稱LISA)以及Moran散點(diǎn)圖，則能有效地揭示空間要素或其屬性值在區(qū)域局部的空間相關(guān)性大小[7]。探究植被覆蓋的空間自相關(guān)不僅能揭示植被覆蓋的空間聚集特征，更能深層次地挖掘植被覆蓋的空間關(guān)聯(lián)模式，為植被覆蓋以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供依據(jù)[3]。

楚雄州地處云貴高原西部、滇中高原的主體部位，位于金沙江與紅河水系分水嶺地帶的生態(tài)脆弱區(qū)，本文將主要利用全局Moran’s I指數(shù)和局部Moran’s I指數(shù)分析長(zhǎng)時(shí)間序列植被綠度遙感數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)植被在空間上的變化規(guī)律及在時(shí)間上的延展特征，研究植被覆蓋的時(shí)序特征、空間分布格局，分析其空間相關(guān)和分異特征，為區(qū)內(nèi)植被覆蓋狀況以及生態(tài)保護(hù)提供借鑒。

2 研究區(qū)概況

楚雄自治州地處云南中部，跨東經(jīng)100°43′～102°30′，北緯24°13′～26°30′之間，屬云貴高原西部、滇中高原的主體部位，國(guó)土面積29258 km2，山地占95%，盆地、臺(tái)階地僅為5%，是云南低緯高原季風(fēng)氣候的典型區(qū)(圖1)。州內(nèi)地形切割深，海拔高差大，氣候立體性強(qiáng)，森林資源豐富?？傮w呈簸箕狀，地勢(shì)由西北向東南傾斜，中部高、南北部低、北部較南部稍高。其中，百草嶺盤桓西北，哀牢山虎踞西南，烏蒙山雄峙東部，最高峰冒臺(tái)山海拔3657 m，最低點(diǎn)三江口海拔556 m[8]。

楚雄州全州9縣1市年平均降雨量850.0 mm，集中在5～10月份，占年雨量的89%。11月至翌年4月，降水稀少，晴天日數(shù)多，形成了楚雄州的干季，占年雨量的11%。州內(nèi)金沙江、禮舍江、綠汁江的低熱河谷地區(qū)年均氣溫大于18 ℃。同時(shí)，年平均日照時(shí)數(shù)以地處西北角的永仁最多達(dá)2698.0 h，為云南省高日照區(qū)之一，元謀次之，達(dá)2568.0 h；年平均氣溫16.3 ℃，具有熱壩之稱的人類發(fā)祥地元謀，無(wú)霜期約360 d以上?？傊?，州內(nèi)年降雨量遵循山區(qū)雨量多于壩區(qū)，壩區(qū)雨量多于河谷地區(qū)的基本規(guī)則，全州雨季起于5月下旬末至6月上旬初，于10月下旬結(jié)束雨季[8]。

圖1 研究區(qū)地理位置

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源NASA戈達(dá)德航中心MODIS數(shù)據(jù)MOD13Q1產(chǎn)品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)的三級(jí)陸地植被數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為空間分辨率250 m、時(shí)間分辨率16 d，下載數(shù)據(jù)周期為2001～2017年。為了去除云、大氣以及太陽(yáng)高度角等的影響，采用最大值合成法(Maximum value Composites，MVC)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間尺度擴(kuò)展計(jì)算[9～12]。

3.2 研究方法

空間自相關(guān)性使用全局和局部?jī)煞N指標(biāo)來(lái)度量，全局指標(biāo)用于探測(cè)整個(gè)研究區(qū)域的空間相關(guān)性模式，采用單一值來(lái)反映區(qū)域環(huán)境變量的自相關(guān)程度；局部指標(biāo)計(jì)算環(huán)境變量在每一個(gè)空間單元與鄰近單元就某一屬性的相關(guān)程度。表示空間自相關(guān)的指標(biāo)和方法很多，其中以Moran’s I指數(shù)應(yīng)用廣泛[13]。

全局Moran’s I指數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

對(duì)于空間是否有自相關(guān)性存在，常采用統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，即使用Z檢驗(yàn)。Z值為正且顯著時(shí)，表明存在正的空間自相關(guān)，Z值為負(fù)且顯著時(shí)，表明存在負(fù)的空間自相關(guān)，Z值為零時(shí)，觀測(cè)值呈獨(dú)立隨機(jī)分布[5]。

(2)

式(2)中：E(I)為觀測(cè)變量自相關(guān)性的期望，var(I)與S(I)分別代表方差和標(biāo)準(zhǔn)差，ZI即為標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，用來(lái)檢驗(yàn)空間自相關(guān)性。如，在0.05置信水平下，|ZI|=1.96。當(dāng)ZI>1.96時(shí)，表示觀測(cè)值之間存在顯著性正相關(guān)，高的觀測(cè)值通常與高的觀測(cè)值發(fā)生空間聚集(簡(jiǎn)稱H-H聚集)，低的觀測(cè)值通常與低的觀測(cè)值發(fā)生空間聚集(簡(jiǎn)稱L-L聚集)，呈現(xiàn)空間聚集格局；當(dāng)|ZI|<1.96時(shí)，表示觀測(cè)值之間存在顯著性負(fù)相關(guān)，高的觀測(cè)值傾向于與低的觀測(cè)值聚集在一起(簡(jiǎn)稱H-L異常)，而低的觀測(cè)值傾向于與高的觀測(cè)值聚集在一起(簡(jiǎn)稱L-H異常)，呈現(xiàn)空間異常格局。|ZI|<1.96時(shí)，要素在區(qū)域的自相關(guān)性不顯著，觀測(cè)值在區(qū)域呈獨(dú)立隨機(jī)分布[7]。

Local Moran’s I與Global Moran’s I呈一定的比例關(guān)系，用于彌補(bǔ)全局指標(biāo)在衡量局部狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)出的不穩(wěn)定性[3]，揭示空間參考單元與其鄰近空間單元屬性之間的相似性或相關(guān)性，識(shí)別空間集聚和空間孤立，探測(cè)空間異質(zhì)等[14]。采用空間關(guān)聯(lián)局域指標(biāo)(local indicators of spatial association，LISA)研究各個(gè)鄰接空間單元之間的相關(guān)性，衡量觀測(cè)單元屬性值與周邊單元屬性值的相近(正相關(guān))或差異(負(fù)相關(guān))程度。局部Moran’s I的計(jì)算公式為：

(3)

4 結(jié)果與分析

4.1 NDVI時(shí)間變化特征

圖2為楚雄州2001～2017年近17年來(lái)基于年際最大值合成數(shù)據(jù)?？梢?，楚雄州植被覆蓋整體上在波動(dòng)中呈增加趨勢(shì)，增速為0.0190/10年，低于云貴高原整體區(qū)域植被NDVI增長(zhǎng)速度0.0395/10年[10]，局部年份受干旱氣候影響較大，呈現(xiàn)出階段性低值。如，2008年10月份的秋季強(qiáng)降雨，2009年秋至2012年夏的連續(xù)干旱等；又如2002年、2004年及2007年的暖冬和春季高溫干旱現(xiàn)象，森林病蟲害的大面積發(fā)生期，近期的2003年和2005年冬、春干旱嚴(yán)重森林災(zāi)害發(fā)生面積大、次數(shù)多(圖2)[8]。

4.2 NDVI空間變化特征

圖3為楚雄州NDVI的近17年來(lái)的均值空間分布圖。根據(jù)前人研究成果[10，12]，將研究區(qū)NDVI分別定義：非植被區(qū)為小于0.1區(qū)域；植被覆蓋貧乏區(qū)為0.1～0.3；覆蓋一般區(qū)為0.3～0.5；覆蓋較好區(qū)為0.5～0.7；覆蓋優(yōu)良區(qū)為大于0.7區(qū)域。NDVI分級(jí)統(tǒng)計(jì)表明楚雄州植被覆蓋狀況總體較好，NDVI大于0.5的區(qū)域所占比例達(dá)75.98%，同時(shí)中部、西北部的高海拔地區(qū)如百草嶺、哀牢山等地，植被覆蓋高；在北部元謀縣、永仁縣等低熱河谷地區(qū)，植被覆蓋相對(duì)較差。

圖2 楚雄州2001～2017年間NDVI時(shí)序曲線

圖3 楚雄州17年來(lái)NDVI空間水平方向分布格局

楚雄州以山地為主，州內(nèi)最低海拔高度556 m，最高海拔3657 m，植被垂直顯著分異。為了分析區(qū)內(nèi)海拔與NDVI的相互關(guān)系，將海拔按自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks)分成200類，分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間內(nèi)NDVI均值，進(jìn)一步分析植被覆蓋在垂直空間上的分布特征[12]。

由圖4可見，NDVI在垂直空間上呈先減少再增加最后減少的趨勢(shì)。隨海拔上升，NDVI先降低，并在1070～1210 m區(qū)間達(dá)到最小值，該區(qū)或處于金沙江、禮舍江、綠汁江的低熱河谷地區(qū)或低山陵地帶，受干熱氣候影響，森林植被破壞歷時(shí)長(zhǎng)，覆蓋率低，恢復(fù)困難，樹木多為散生[8]，疊加農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁，城鎮(zhèn)建設(shè)等影響，導(dǎo)致NDVI較低；但隨著海拔繼續(xù)升高，NDVI開始增加，在海拔2700 m處達(dá)到最大值。海拔升高，植被類型改變，由栽培植被轉(zhuǎn)為林地，且人為干擾程度低，加之該區(qū)域氣溫適宜，水熱條件良好，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，其主要分布在雕山、哀牢山、轉(zhuǎn)灣河林場(chǎng)和大中山保護(hù)區(qū)等地，這些地區(qū)目前仍保存有較完整原始林相，植被覆蓋高；同時(shí)，在百草嶺、哀牢山等頂部海拔2800 m以上地帶主要分布溫性亞高山暗針葉林、灌叢草甸類[8]。由此可知，楚雄州植被覆蓋最好的區(qū)域位于海拔2550～3200 m的地區(qū)。

4.3 全局空間自相關(guān)特征

對(duì)楚雄州2001～2017年間近17年來(lái)的NDVI均值進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析顯示(圖5)：楚雄州NDVI的全局Moran’s I為0.918，整體上表現(xiàn)出顯著的正空間自相關(guān)(即P≤0.05)，即研究區(qū)植被覆蓋呈集聚狀態(tài)。

圖6為楚雄州2001～2017年NDVI全局空間自相關(guān)的全局Moran’s I指數(shù)時(shí)序曲線圖。可見，2001～2017年楚雄州全局Moran’s I均在0.87以上(P≤0.05)，植被覆蓋在空間集聚狀態(tài)上均表現(xiàn)較強(qiáng)。從Moran’s I的年際變化幅度來(lái)看，楚雄州表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但植被覆蓋的集聚空間格局變化幅度較小。

圖4 NDVI均值在不同高程層次的變化曲線

圖5 楚雄州17a來(lái)NDVI均值全局空間自相關(guān)Moran散點(diǎn)圖

圖6 楚雄州2001～2017年Moran’s I指數(shù)時(shí)序曲線

4.4 局部空間自相關(guān)特征

由于全局Moran’s I是對(duì)研究區(qū)域內(nèi)屬性數(shù)據(jù)空間自相關(guān)的綜合反映和度量，但就區(qū)域內(nèi)部而言，各局部區(qū)域的空間自相關(guān)并非完全一致，而是常表現(xiàn)出不同性質(zhì)與程度的空間異質(zhì)性。因此，進(jìn)一步分析NDVI的局部空間自相關(guān)特性，以更好地探索NDVI的局部空間聚集模式和規(guī)律[3]。由圖7可見，除了北部元謀縣和永仁縣熱壩等低熱河谷區(qū)域、東南部低海拔區(qū)域以及楚雄市北部、南華縣的西北部和東北部等地NDVI表現(xiàn)為L(zhǎng)—L自相關(guān)以外，其余地區(qū)NDVI呈H—H局部自相關(guān)狀態(tài)?？傮w而言，NDVI的局部空間自相關(guān)整體上呈現(xiàn)出楚雄州西北側(cè)百草嶺山脈等高海拔地區(qū)為高值區(qū)聚集、以低熱河谷為低值區(qū)聚集的空間格局，又以金沙江沿江一帶NDVI低值區(qū)集聚為典型特征。NDVI局部空間自相關(guān)分析的H—H自相關(guān)結(jié)果表明這些地區(qū)植被覆蓋相對(duì)較好，且相互之間彼此影響；而L—L自相關(guān)結(jié)果表明植被覆蓋較差，相互之間的影響相對(duì)較弱。

圖7楚雄州NDVI的LISA圖(P<= 0.01)

5 結(jié)論與討論

NDVI反映植被覆蓋的多寡級(jí)次，空間自相關(guān)Moran’s I指示植被覆蓋的空間集聚特征，二者結(jié)合分析不僅能指示植被覆蓋演化，更能直觀地從空間分布上獲悉集聚模式和空間關(guān)聯(lián)。

(1)從時(shí)間變化上，滇中高原楚雄州植被覆蓋較好，在2001～2017年期間，植被覆蓋呈顯著上升趨勢(shì)，增速為0.0190/10年，局部受特殊氣候年份影響較大，低于云貴高原整體區(qū)域植被NDVI增長(zhǎng)速度；從空間分布上，楚雄州NDVI大于0.50區(qū)域所占75.98%，植被覆蓋最好位于海拔2550～3200 m的地區(qū)。

(2)楚雄州近17年來(lái)區(qū)域NDVI均值的全局Moran’s I為0.918，呈顯著的正全局空間自相關(guān)，植被覆蓋呈現(xiàn)空間集聚狀態(tài)；從年際變化幅度，表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，但總體集聚空間格局變化較小。

(3)楚雄州西北部百草嶺及東北部等高海拔地區(qū)表現(xiàn)為高—高自相關(guān)，區(qū)域植被覆蓋較好，如在哀牢山、雕山、大中山保護(hù)區(qū)和轉(zhuǎn)灣河林場(chǎng)等地，保存較完整的原始林相；但在金沙江、禮社江流域河谷地帶和低山陵地帶，以北部元謀縣為典型，呈現(xiàn)出低—低自相關(guān)，因受干熱氣候影響，森林破壞歷時(shí)長(zhǎng)，恢復(fù)困難，又受疊加農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁、城鎮(zhèn)建設(shè)等影響，植被覆蓋相對(duì)較差。