多源長(zhǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)分析泰山風(fēng)景名勝區(qū)NDVI時(shí)空變化及其影響因素

王淑月，劉海，朱運(yùn)海，張萬磊

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430062； 2.湖北文理學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院， 湖北 襄陽 441053； 3.十堰市鄖陽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 湖北 十堰 442514)

0 引言

植被與地質(zhì)、地貌、氣候、水文、土壤、動(dòng)物、微生物共同構(gòu)成了自然地理環(huán)境，是反映其他要素性質(zhì)的指示者，很大程度上代表了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的總體狀況[1].衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有觀測(cè)范圍廣、空間連續(xù)性好、時(shí)間序列長(zhǎng)、信息量豐富等特點(diǎn)，在大尺度、長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的土地利用、植被覆蓋和農(nóng)業(yè)資源調(diào)查等工作中被廣泛使用，是監(jiān)測(cè)區(qū)域或全球尺度植被動(dòng)態(tài)變化的強(qiáng)大手段[2].近年來衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展為植被的監(jiān)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支撐.特別是時(shí)間序列的遙感數(shù)據(jù)用于森林干擾或植被恢復(fù)變化監(jiān)測(cè)[3].

植被的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化受多種因素的影響.對(duì)于風(fēng)景名勝區(qū)，眾多學(xué)者分別從地形、氣候和人類活動(dòng)等方面探討了植被時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)因素[4-7].如袁秀等[4]發(fā)現(xiàn)海拔是決定長(zhǎng)城北京段風(fēng)景區(qū)植物群落類型分布的主要因子.張建亮等[5]主要分析了氣候因素與長(zhǎng)白山植被變化的相關(guān)性.鞏劼等[6]通過比較游徑上的植物指標(biāo)分析黃山風(fēng)景區(qū)旅游干擾對(duì)植物群落的影響.總體來講，當(dāng)前將多方面影響因素綜合在一起分析景區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化的研究相對(duì)較少.一個(gè)完整的生態(tài)環(huán)境必定受多種變化因素的影響，景區(qū)植被的動(dòng)態(tài)變化是人類和大自然互動(dòng)的結(jié)果.目前在風(fēng)景名勝區(qū)，以旅游活動(dòng)為主的人類干擾日益強(qiáng)烈.因此結(jié)合多種因素研究風(fēng)景名勝區(qū)植被覆蓋變化十分必要.

目前對(duì)于植被指數(shù)時(shí)空變化影響因素的研究大多以相關(guān)分析為基礎(chǔ)[7],如程?hào)|亞等[8]將西南山地流域的NDVI分別與降水的Spline、Kriging插值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)降水與NDVI存在相關(guān)關(guān)系；夏會(huì)娟等[9]對(duì)于遼河保護(hù)區(qū)NDVI的不同影響因素采取不同的相關(guān)性分析方法, 采用偏相關(guān)分析探究NDVI與降水和氣溫的相關(guān)性；采用雙變量相關(guān)分析探究NDVI與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性;肖建勇等[10]在探索喀斯特植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素時(shí)，發(fā)現(xiàn)NDVI與氣候變化正相關(guān)的面積占整個(gè)研究區(qū)的95.74%，植被生長(zhǎng)更易受氣候及人類活動(dòng)變化影響.綜上所述的研究大多是自然因素與NDVI的相關(guān)分析，而基于人類活動(dòng)的研究較少.風(fēng)景名勝區(qū)不同于其他自然研究區(qū)，影響植被變化的因素從自然擴(kuò)展到人類活動(dòng)，合理選取人類活動(dòng)影響指標(biāo)探索與研究區(qū)NDVI變化的關(guān)系是值得研究的.

泰山作為中華文化的象征，具有悠久的文化歷史，素有“泰山安，四海皆安”之說，被稱為“五岳之尊”，有“天下第一山”的美譽(yù).1982年泰山經(jīng)過評(píng)選被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)為首批國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，1987年被聯(lián)合國(guó)列為世界自然和文化遺產(chǎn)，2003年1月被評(píng)為“中華十大名山”之首，2005年9月居于首位被命名為國(guó)家地質(zhì)公園.國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)泰山地區(qū)植被的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了相關(guān)研究[11-13], 但大部分研究只分析植被覆蓋隨氣候因素的變化[11]，或結(jié)合地形資料分析植被的空間分布格局[12-13],而對(duì)旅游活動(dòng)的影響的分析較少，且植被變化的研究普遍缺乏時(shí)間上的延續(xù)性，本研究充分利用Landsat影像長(zhǎng)時(shí)序的優(yōu)點(diǎn)，提取研究區(qū)NDVI,分析1988—2018共31年泰山地區(qū)植被的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，并從氣候和旅游活動(dòng)等方面分析NDVI變化的影響因素，以期為泰山風(fēng)景名勝區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供參考建議.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況泰山風(fēng)景名勝區(qū)地處山東省泰安市，位于華北平原以東，東臨大海，西靠黃河，介于東經(jīng) 117°50′～117°24′，北緯 36°50′～36°15′，占地面積426 km2(圖1).泰山自然條件優(yōu)越，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，具有明顯的高山氣候特征，年平均氣溫為13.2 ℃，山頂氣溫比山底氣溫低7～8 ℃，年平均降水量超過1 000 mm，適合植被生長(zhǎng).泰山地區(qū)地勢(shì)整體呈現(xiàn)北高南低、西高東低的特征，北部為山區(qū)，西南部為低山丘陵，東南部為平原.最高海拔1 545 m，相對(duì)高程之差達(dá)約1 430 m，植被垂直分布特征明顯，森林覆蓋率達(dá)81.5%，植被覆蓋率達(dá)90%以上.風(fēng)景區(qū)內(nèi)游客上山路線主要有4條，分別是紅門—南天門游覽線、天地廣場(chǎng)—中天門游覽線、桃花峪—桃花源游覽線和天燭峰—黃花棧游覽線.

圖1 泰山風(fēng)景區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來源本研究采用的遙感影像來源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov/)提供的Landsat TM/OLI影像，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為30 m.研究區(qū)軌道號(hào)(Path/Row)為122/35，包含整個(gè)泰山風(fēng)景名勝區(qū).氣候變化是植被活動(dòng)年際變化的重要影響因素[14-15]，其中氣溫和降水量是影響植被生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃覽16]，氣象數(shù)據(jù)選用中國(guó)氣象信息中心(CMDC)所提供的1988—2018年間月平均氣溫和月降水量的站點(diǎn)數(shù)據(jù).基于《泰安統(tǒng)計(jì)年鑒》、泰山風(fēng)景區(qū)官網(wǎng)等資料，得到泰山風(fēng)景名勝區(qū)1988—2018年游客人數(shù)及景點(diǎn)的主要分布情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

1.3 數(shù)據(jù)處理

泰山風(fēng)景名勝區(qū)地處于華北平原以東，7、8月份是研究植被變化的最佳時(shí)期，但由于夏季泰山云霧天氣較多，導(dǎo)致表1統(tǒng)計(jì)可用影像的結(jié)果顯示7、8月份可用影像較少，均不足10副，并且在長(zhǎng)時(shí)序上看，分布較為離散.故本研究基于數(shù)據(jù)完整性，計(jì)算可用數(shù)據(jù)的全年各月NDVI值.統(tǒng)計(jì)分析顯示，泰山全年中NDVI最大值出現(xiàn)的月份為6、7、8、9月.在此基礎(chǔ)上觀察分析6—9月可用影像分布規(guī)律，參考可用數(shù)據(jù)分布表，發(fā)現(xiàn)以3年為1組，以6—9月平均NDVI的最大值為主要表征，能較好地代表年際植被生長(zhǎng)情況，故用此探究近31年NDVI變化趨勢(shì).

1.3.2NDVI空間差異計(jì)算 一元線性回歸法是反映植被時(shí)序變化趨勢(shì)的簡(jiǎn)單且有效的方法之一，大量關(guān)于植被變化的研究采用此方法[17-19]，具有普遍的適用性與科學(xué)性.本研究基于像元尺度，通過此方法計(jì)算NDVI空間變化趨勢(shì)，反映泰山風(fēng)景區(qū)植被的時(shí)序變化，具體公式如下：

式中：變量i為年序號(hào)；NDVIi為第i年的NDVI值.θSlope是NDVI與時(shí)間的斜率，若θSlope> 0，說明此像元NDVI值在時(shí)間段內(nèi)的變化趨勢(shì)為增加，反之則是減少.

1.3.3NDVI與影響因素相關(guān)性分析 采用相關(guān)性分析研究NDVI變化與氣溫、降水、人類活動(dòng)的相關(guān)性，相關(guān)性分析計(jì)算公式[20-21]為：

表1 研究區(qū)可用影像統(tǒng)計(jì)表

2 NDVI時(shí)空變化特征

2.1NDVI時(shí)間變化特征基于研究區(qū)NDVI影像的平均值，用最小二乘法擬合1988—2018年長(zhǎng)時(shí)序變化斜率，得到近31年泰山風(fēng)景名勝區(qū)NDVI時(shí)間變化趨勢(shì)圖，如圖2所示.

圖2 泰山風(fēng)景名勝區(qū)NDVI隨時(shí)間變化趨勢(shì)

從圖2中可以看出，1988—2018年NDVI整體隨時(shí)間在波動(dòng)中下降，包括3個(gè)先升后降，分別出現(xiàn)在1988—1994年間、1995—2003年間、2004—2018年間.最高值出現(xiàn)在1999年，NDVI值為0.519，最低值出現(xiàn)在2018年，NDVI值為0.374.

2.2NDVI空間變化特征通過計(jì)算1988—2018共31年間6—9月NDVI的平均值，得到平均NDVI空間分布圖(圖3)，由圖3可知：研究區(qū)NDVI分布呈現(xiàn)明顯的空間差異.中心山區(qū)部分NDVI值較周邊區(qū)域高.周邊區(qū)域包括西北、西南、西北邊緣區(qū)域，其NDVI值較低；中部區(qū)域以及東北部區(qū)域NDVI值較高.其中從西南邊緣沿后石塢到黃石崖一線，NDVI值普遍較低；中心登山路線附近NDVI值較高.

基于像素尺度，利用最小二乘法的斜率擬合NDVI的空間趨勢(shì)，得到NDVI空間分布差異圖(圖4).由圖4可知，植被退化區(qū)域占總面積的 60.64%，主要位于泰山風(fēng)景區(qū)地勢(shì)較高的西南區(qū)域，在建設(shè)用地集中的地區(qū)、主要旅游路線兩側(cè)，植被也有不同程度的退化；植被增長(zhǎng)區(qū)域占總面積的39.36%，增長(zhǎng)區(qū)域主要為泰山風(fēng)景區(qū)東北、西北部邊緣和泰山東部大部分區(qū)域.

圖3 平均NDVI空間分布圖

圖4 NDVI空間變化差異

3 影響因素分析

3.1 氣候因素的影響降水和氣溫是影響植被生長(zhǎng)狀況的重要?dú)夂蛞蜃?現(xiàn)取每3年年均降水量和年均氣溫分析泰山地區(qū)降水量和氣溫年際變化趨勢(shì)(圖5)，探究氣候因素對(duì)泰山風(fēng)景區(qū)NDVI的影響.

由近31年的降水量及氣溫變化趨勢(shì)(圖5)可知，年均降水量在870 ～ 1 256 mm之間波動(dòng)，年均氣溫在5.51 ～ 6.81 ℃之間波動(dòng)，兩者均在波動(dòng)中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，降水量隨時(shí)間的變化整體波動(dòng)較大，而氣溫隨時(shí)間的變化波動(dòng)相對(duì)較小.分別對(duì)降水量和氣溫與時(shí)序NDVI做相關(guān)性分析，相關(guān)性分析結(jié)果顯示：NDVI與氣溫呈現(xiàn)不顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 -0.20；與降水呈現(xiàn)弱正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.119.NDVI與降水和氣溫的相關(guān)性在90%的置信區(qū)間內(nèi)相關(guān)性均不顯著.分析結(jié)果顯示泰山風(fēng)景區(qū)水熱時(shí)空差異較小，氣候因素不是影響NDVI時(shí)空變化的主要原因.

3.2 旅游活動(dòng)對(duì)NDVI的影響泰山是中國(guó)游覽歷史最悠久的名山之一.泰山旅游資源不僅豐富，而且具有很高的價(jià)值和品質(zhì)，每年吸引大批國(guó)內(nèi)外游客前來游覽，旅游活動(dòng)十分顯著.泰山自建國(guó)以來，特別是20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行大規(guī)模旅游建設(shè)以來，自然生態(tài)狀況得到顯著恢復(fù)，建筑及道路迅速增加[22].

由圖5可知，1988—2018年間泰山風(fēng)景區(qū)游客量整體呈增加趨勢(shì)，1988—2000年間，年接待游客人次數(shù)相對(duì)穩(wěn)定增長(zhǎng)，至2001年突破50萬；至2005年突破 100 萬大關(guān)，達(dá)到 102萬；2006—2008年再次躍升，2007年接待游客人次數(shù)較 2006年增長(zhǎng)近一倍，2008年突破300萬大關(guān)，達(dá)到347萬，這也符合當(dāng)時(shí)國(guó)家新規(guī)定的法定節(jié)假日游客出行情況；直至 2014 年游客人數(shù)突破500萬大關(guān).NDVI在同時(shí)間段內(nèi)整體呈下降趨勢(shì)，將游客量與時(shí)序NDVI做相關(guān)性分析，結(jié)果顯示：游客量與NDVI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.494，可見逐年上漲的游客量是造成泰山風(fēng)景區(qū)的植被時(shí)空變化的主要原因，主要體現(xiàn)在物種數(shù)量減少、建設(shè)用地規(guī)模增大導(dǎo)致植被用地減少、植被生長(zhǎng)環(huán)境遭到破環(huán).

圖5 泰山風(fēng)景區(qū)降水量及氣溫變化趨勢(shì)

圖6 泰山游客量及NDVI變化趨勢(shì)

旅游接待地人滿為患加重了當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施的負(fù)擔(dān)、破壞了野生動(dòng)植物的棲息地和生存環(huán)境.導(dǎo)致在 2008—2018年期間，景區(qū)植被覆蓋度明顯下降.此外結(jié)合地形因素和植被空間分布特征，發(fā)現(xiàn)在人類活動(dòng)密集區(qū)域如游客路線和部分景點(diǎn)周圍等均出現(xiàn)大面積植被覆蓋度減少的趨勢(shì).說明旅游活動(dòng)的增強(qiáng)是引起泰山風(fēng)景區(qū)植被覆蓋變化的主要原因.

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論本研究以 Landsat影像為數(shù)據(jù)源，以泰山風(fēng)景名勝區(qū)為例，通過對(duì) 1988—2018年6—9月夏季NDVI序列的分析，研究泰山風(fēng)景名勝區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化情況，并結(jié)合氣候及游客人數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，探討植被覆蓋變化的主要影響因素.分析得到如下結(jié)論：

時(shí)間尺度上，1988—2018年間泰山風(fēng)景名勝區(qū)NDVI值整體在波動(dòng)中呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

空間尺度上，中心山區(qū)部分NDVI值整體較周邊區(qū)域高.在主要景點(diǎn)及旅游路線周圍，NDVI出現(xiàn)明顯降低，景區(qū)周邊區(qū)域NDVI顯現(xiàn)出增加趨勢(shì).

影響因素上，降水和氣溫對(duì)植被的影響均不顯著，氣候因素不是影響植被時(shí)空變化的主要原因.近31年間泰山風(fēng)景名勝區(qū)的游客人數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，并且與NDVI呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，逐年上漲的游客量是泰山風(fēng)景區(qū)植被減少的主要原因.

4.2 建議時(shí)間上2005年以來NDVI有持續(xù)下降的趨勢(shì).空間上近31年來植被退化面積占總面積的60.64%.不斷發(fā)展的旅游業(yè)和逐年增長(zhǎng)的游客量給泰山風(fēng)景名勝區(qū)帶來生態(tài)壓力，造成植被減少的情況，需要引起相關(guān)管理部門的重視，據(jù)此提出以下建議：

1)針對(duì)核心景區(qū)植被不斷減少的情況，相關(guān)部門應(yīng)重視核心景區(qū)管理，嚴(yán)格限制建設(shè)范圍，避免無節(jié)制地開發(fā)景區(qū).由于高山地區(qū)主要景點(diǎn)附近的植被退化尤為突出，為保護(hù)主要景點(diǎn)植被景觀，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，嚴(yán)格限制游人的活動(dòng)范圍.

2)對(duì)于逐年增長(zhǎng)的游客量以及景區(qū)日益增強(qiáng)的旅游活動(dòng)，應(yīng)嚴(yán)格限制日游客量.節(jié)假日期間限制景區(qū)游客最大承載數(shù)量，增強(qiáng)關(guān)于保護(hù)泰山珍奇植被的宣傳，禁止亂扔拉圾及踐踏植被的行為，在廣泛宣傳教育和警示的前提下，實(shí)行強(qiáng)有力的執(zhí)行措施.