基于時間序列植被指數(shù)資料的承德市植被覆蓋時空演變分析

賀軍亮，韋 銳，李 麗，金雁琳

(1.石家莊學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050035；2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021)

植被是生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，聯(lián)系著土壤、大氣和水分等要素，具有明顯的時間變化特征和空間異質(zhì)性[1-2]。植被覆蓋度是指植被在地面的垂直投影面積占研究區(qū)總面積的百分比，是衡量地表植被覆蓋狀況的一個重要定量信息，有助于揭示地表植被空間變化規(guī)律，且與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化以及景觀格局等具有密切聯(lián)系[3-4]。遙感是一種較為成熟的植被覆蓋度監(jiān)測手段，較之于傳統(tǒng)的野外觀測方法，具有探測范圍廣、獲取資料快、受地面條件限制少、時間序列資料多等特點。基于可見光和近紅外光譜組合的植被指數(shù)能夠突出地表植被特征，與植被覆蓋度呈線性相關(guān)，是研究植被覆蓋狀況的重要參數(shù)[5-6]。MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品時間分辨率高，能夠反映植被生長的季相變化特征，可以用來很好地區(qū)分植被區(qū)域的覆蓋類型。奚硯濤等[7]收集江蘇省2000—2013年的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，對不同植被類型的NDVI變化趨勢進(jìn)行研究。朱林富等[8]基于MODIS EVI，利用分布指數(shù)、像元二分模型等方法對重慶植被覆蓋變化進(jìn)行研究。楊強等[9]利用MODIS EVI數(shù)據(jù)，采取混合像元分解的處理方法提取研究區(qū)內(nèi)的純凈像元指數(shù)，利用回歸分析等方法研究錫林郭勒盟植被覆蓋度變化特征。趙安周等[10]利用趨勢分析、相關(guān)系數(shù)法、極端氣候指數(shù)等方法研究了陜甘寧地區(qū)的植被覆蓋時空變化情況及其對極端氣候的響應(yīng)。

承德地處首都“北大門”，位于潘家口、密云“兩庫上游”，是內(nèi)蒙古科爾沁、渾善達(dá)克沙地“兩沙區(qū)前沿”，是灤河、潮河、遼河、大凌河“四河之源”，是京津冀水源涵養(yǎng)功能區(qū)和華北的重要生態(tài)屏障，生態(tài)功能戰(zhàn)略地位非常重要。本文基于MODIS NDVI長時間序列數(shù)據(jù)資料，利用像元二分法、線性回歸分析法、穩(wěn)定性分析法等測度承德市全域2000—2018年植被覆蓋時空演變特征，并分析氣候、地形等因素對植被覆蓋的影響，為承德市生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和治理提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本研究采用的時間序列NDVI資料為美國國家航空航天局(NASA)數(shù)據(jù)中心的MOD13Q1 v006數(shù)據(jù)。MOD13Q1數(shù)據(jù)是TERRA-MODIS采用Sinusoidal投影方式的三級網(wǎng)格陸地植被數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為 250 m，時間分辨率為16 d[11]。該產(chǎn)品已經(jīng)過幾何校正、輻射校正和大氣校正，利用MRT(MODIS ReProjection Tools)工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換，按研究區(qū)范圍進(jìn)行裁剪后，利用最大值合成法獲取2000—2018年承德市月、季、年NDVI最大值合成影像。

DEM數(shù)據(jù)采用的是ASTER GDEM(先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。承德市數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)如圖1所示。氣象數(shù)據(jù)來源于承德市各區(qū)縣氣象站點，氣象指標(biāo)包括月平均氣溫和月降水量。

圖1 承德市數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)Fig.1 Digital elevation model data of Chengde

1.2 研究方法

1.2.1線性回歸分析法

采用一元線性回歸分析方法，逐像元計算NDVI隨時間變化的回歸斜率：

式中：n——總年數(shù)；

INDVi——第i年NDVI最大值；

k——趨勢線的斜率，k>0，則NDVI值在n年間呈增加趨勢；k<0，則NDVI值在n年間呈減少趨勢。

顯著性代表變化趨勢的可信程度，趨勢的顯著性采用F檢驗，P值用來判定假設(shè)檢驗結(jié)果，根據(jù)檢驗結(jié)果分為五個等級：極顯著減少(k<0，P<0.01)；顯著減少(k<0，0.01≤P<0.05)；基本穩(wěn)定(P≥0.05)；顯著增加(k>0，0.01≤P<0.05)；極顯著增加(k>0，P<0.01)[12]。

1.2.2像元二分法

根據(jù)像元二分模型，像元的NDVI值是植被覆蓋情況與裸地信息的組合，利用NDVI值可以直接計算植被覆蓋度(Fv)：

式中：Iveg——純植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；

Isoil——裸地的NDVI值。

試驗中，若采用研究區(qū)內(nèi)的Imax和Imin取代Iveg和Isoil值，結(jié)果中會出現(xiàn)異常值，因此一般根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的植被覆蓋情況和遙感影像質(zhì)量選擇置信區(qū)間，并采用置信區(qū)間內(nèi)的最大和最小值。本研究中，Imin取NDVI圖中累積概率在5%以上對應(yīng)的DN值；Imax取NDVI圖中累積概率在95%以上對應(yīng)的DN值[13]。利用IDL結(jié)構(gòu)語言計算出歷年植被覆蓋度，并將植被覆蓋度劃分為五級：極低覆蓋度Fv<0.2、低覆蓋度0.2≤Fv<0.4、中覆蓋度0.4≤Fv<0.6、高覆蓋度0.6≤Fv<0.8和極高覆蓋度Fv≥0.8[14]。

1.2.3穩(wěn)定性分析法

通過逐像元計算多年植被覆蓋度的變異系數(shù)，評估其在時間序列上的穩(wěn)定性和波動情況：

式中：Cv——變異系數(shù)；

σ——多年植被覆蓋度標(biāo)準(zhǔn)差；

為直觀分析變異系數(shù)的空間分布特征，將Cv分為以下5個等級：低波動變化(Cv≤0.05)；較低波動變化(0.050.20)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被指數(shù)時空變化特征

2.1.1植被指數(shù)時間變化統(tǒng)計特征

基于承德市2000—2018年的年最大NDVI值合成圖像，統(tǒng)計各年全區(qū)域像元的NDVI平均值，分析其年際變化情況，如圖2所示。NDVI值除2007年、2009年和2014年有所下降外，整體上呈上升趨勢，從2000年的0.710 0上升到2018年的0.829 2，說明承德市的植被狀況總體發(fā)生了改善。標(biāo)準(zhǔn)差除2000年、2001年、2002年和2009年明顯較高外，其余大部分年份則趨于平穩(wěn)，NDVI值離散程度較小，均在0.09以下。

圖2 承德市2000—2018年NDVI值年際變化Fig.2 Interannual variation of NDVI in Chengde from 2000 to 2018

基于承德市2000—2018年的季節(jié)最大NDVI值合成圖像，統(tǒng)計各季節(jié)全區(qū)域像元的NDVI平均值，分析其季節(jié)變化情況，如圖3所示。研究區(qū)夏季是植物的生長季，植被茂盛。在近19年間，夏季NDVI均值最高，2018年最高值達(dá)到了0.829 0，而冬季NDVI值最低，2012年最低值為0.254 0。春季和秋季的NDVI值整體相差不大，除2001年春季均值(0.468 8)明顯較低外，其余年份均在0.5～0.7之間。整體上，19年間四個季節(jié)的NDVI均值均呈現(xiàn)上升趨勢，與年際變化趨勢一致。進(jìn)一步基于承德市2000—2018年的NDVI各月最大值合成圖像，統(tǒng)計各月全區(qū)域像元的NDVI平均值，分析其月度變化情況，如圖4所示?？梢钥闯?，一年中1月NDVI值最小，僅為0.240 1，之后隨著氣溫回升，天氣變暖，植被進(jìn)入生長季節(jié)，NDVI逐月上升，并于7月份達(dá)到一年之中的最大值0.775 2，之后又逐月下降?？傮w上，研究區(qū)全生長季內(nèi)植被的生長速度呈倒“V”字型分布變化特征，其中春季4—5月和秋季9—10月植被生長變化迅速。因為研究區(qū)地形復(fù)雜，壩上壩下地區(qū)氣候分異顯著，5月份和9月份的NDVI標(biāo)準(zhǔn)差較大，區(qū)域NDVI值離散程度較高。

圖3 承德市2000—2018年NDVI季節(jié)變化情況Fig.3 Seasonal changes of NDVI in Chengde from 2000 to 2018

圖4 承德市2000—2018年NDVI月度變化情況Fig.4 Monthly changes of NDVI in Chengde from 2000 to 2018

2.1.2植被指數(shù)顯著性變化分析

利用一元線性回歸分析的方法，得出承德市2000—2018年植被年際變化趨勢顯著性空間分布圖(圖5)。整體上，近19年來，呈增加趨勢的區(qū)域所占比例較大，其中植被指數(shù)極顯著增加的區(qū)域面積最大，占比達(dá)到了59.08%，各區(qū)縣均有分布。顯著增加的區(qū)域占總面積的13.65%，主要分布在承德市的圍場縣南部、興隆縣等地區(qū)。植被指數(shù)增加與承德市不斷加快實施重大生態(tài)工程有關(guān)，近年來陸續(xù)針對不同區(qū)域?qū)嵤┝嘶纳交牡胤雷o(hù)林、生態(tài)廊道綠化、礦山復(fù)綠、森林質(zhì)量提升等工程。極顯著減少和顯著減少的區(qū)域面積較小，分別占總面積的0.76%和0.58%，主要分布在承德市中部的雙灤區(qū)和雙橋區(qū)、以及南部的寬城縣等地區(qū)?；痉€(wěn)定的區(qū)域占到總面積的25.03%，主要分布在承德市的圍場縣北部、豐寧縣東北部和興隆縣南部等地區(qū)。

圖5 承德市2000—2018年植被年際變化趨勢顯著性分布Fig.5 Significant distribution of interannual variation trend of vegetation in Chengde from 2000 to 2018

2.2 植被覆蓋度總體特征分析

2.2.1植被覆蓋度多年均值空間分布

承德市2000—2018年最大植被覆蓋度多年均值空間分布情況如圖6所示，從整體上看，承德全市植被覆蓋度較高，極高覆蓋度和高覆蓋度等級的植被所占比例達(dá)到了99.37%，其中，極高覆蓋度植被面積最大，為31 759.25 km2，所占比例為69.23%，高覆蓋度植被面積為13 826.44 km2，所占比例為30.14%。中覆蓋度、低覆蓋度和極低覆蓋度等級的植被面積較小，分別為217.81 km2、63.81 km2和9.81 km2，所占比例分別為0.47%、0.14%和0.02%，零星分布在承德市各個地區(qū)。

圖6 承德市2000—2018年最大植被覆蓋度多年均值空間分布Fig.6 Spatial distribution of the perennial mean value of maximum vegetation coverage in Chengde from 2000 to 2018

受地理位置、人類活動、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情況等多種因素的影響，承德市各區(qū)縣的植被覆蓋度情況也存在著明顯的空間差異。從承德市各縣各等級植被覆蓋度面積和比例統(tǒng)計情況看(表1)，各區(qū)縣均以較高覆蓋度植被為主。除雙灤區(qū)是高覆蓋度植被面積占該縣比例最大外，其余11個縣均為極高覆蓋度植被面積所占比例最大。其中，鷹手營子礦區(qū)、承德縣、興隆縣、寬城滿族自治縣的極高覆蓋度植被面積所占比例均達(dá)到了80%以上，平泉縣、灤平縣和隆化縣的極高覆蓋度植被面積所占比例也達(dá)到了70%以上。而各區(qū)縣極低覆蓋植被面積所占比例均在1%以下。低覆蓋度植被面積所占比例除雙橋區(qū)(1.02%)和雙灤區(qū)(1.32%)外，其余9個縣所占比例也均在1%以下。中覆蓋度植被面積所占比例除雙橋區(qū)(1.40%)、雙灤區(qū)(1.61%)、鷹手營子礦區(qū)(1.12%)和豐寧滿族自治縣(1.06%)外，其余7個縣均在1%以下。較低覆蓋度的植被面積所占比例較小，承德市整體植被狀況較好，植被覆蓋度普遍較高。近年來，寬城滿族自治縣在廢棄礦山上栽果樹，實施“百礦披綠”等工程；興隆縣集中開展礦山環(huán)境整治，推動礦山企業(yè)復(fù)綠工程等；承德縣推進(jìn)經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)、用材林基地等生態(tài)工程等；鷹手營子礦區(qū)加大礦山恢復(fù)治理等工程性造林，搞好城區(qū)、鄉(xiāng)村綠化等工程。這些生態(tài)工程的有效實施對區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和恢復(fù)起到了積極作用，整體提高了承德市的植被覆蓋度。

表1 承德市各縣各等級植被覆蓋度面積和比例

2.2.2植被覆蓋度穩(wěn)定性程度分析

通過逐像元計算承德市2000—2018年多年植被覆蓋度的變異系數(shù)，分析植被覆蓋度穩(wěn)定性空間分布情況(圖7)。從整體上看，承德市植被覆蓋度穩(wěn)定性呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異，西北部穩(wěn)定性較差，波動較高，其余大部分地區(qū)穩(wěn)定性較好，波動較低。低波動變化區(qū)域的面積最大，為20 022.69 km2，占總面積的43.64%，集中分布在承德市西部、南部的大部分地區(qū)。較低波動變化區(qū)域的面積為19 680.13 km2，占總面積的42.90%。中等波動變化區(qū)域的面積為4 533 km2，占總面積的9.88%，主要分布在圍場縣東部、平泉縣、承德縣等地區(qū)。較高波動變化區(qū)域的面積為 1 230.44 km2，占總面積的2.68%，主要分布在豐寧縣、圍場縣西部，少量分布在圍場縣東北部，以及雙灤區(qū)、雙橋區(qū)等地區(qū)。高波動變化區(qū)域的面積最小，為410.88 km2，僅占總面積的0.90%，主要分布在承德市豐寧縣西北部、寬城縣西南部等地區(qū)。

圖7 承德市2000—2018年植被覆蓋度穩(wěn)定性分布Fig.7 Stability distribution of vegetation coverage in Chengde from 2000 to 2018

2.3 植被變化的影響因素分析

2.3.1植被覆蓋與氣候變化的關(guān)系

水分和熱量是植被正常生長的必要條件，氣候變化會直接影響植被的長勢情況。為了解19年間降水和氣溫對承德市植被變化的影響，采用SPSS軟件對承德市年NDVI最大值與降水、氣溫要素進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

在降水方面，承德市降水年內(nèi)分布不均勻，降水主要集中在夏季，考慮到降水對植被生長狀況的影響具有一定的累積和滯后效應(yīng)，本研究選取分段方式統(tǒng)計不同時段降水量與承德市年NDVI最大值的相關(guān)性[16]。因多年來承德市NDVI最大值一般在7月份達(dá)到最大，故降水量的研究時段重點考慮7月份之前，分別對1—3、3—5、5—7和7月4時段進(jìn)行統(tǒng)計，相關(guān)系數(shù)分別為-0.18，-0.17，0.57和0.56。NDVI與5—7月份降水量、7月份當(dāng)月降水量的相關(guān)系數(shù)較大，且為正相關(guān)，說明這一時期降水是否充沛對承德市植被的生長狀況起到關(guān)鍵作用。

在氣溫方面，生長季的氣溫對NDVI的影響較大[12]。1月和2月溫度較低，不太適宜植被生長，因此重點選取3—7月份氣溫數(shù)據(jù)與年NDVI最大值作相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)分別為-0.03，0.05，-0.21，-0.50，-0.45，3—5、5—7月時間段相關(guān)系數(shù)分別為-0.06，-0.54。7月份是承德市平均氣溫最高的月份，氣溫過高會影響植被的光合作用，葉面氣孔關(guān)閉，光合速率下降，從而影響植物生長。此外，溫度較高會加劇植物的蒸騰作用，葉片出現(xiàn)失水、枯黃等現(xiàn)象，植被生長受阻或死亡，這些都會造成NDVI值下降。最大NDVI值與5—7月份的平均氣溫相關(guān)性最強，且呈負(fù)相關(guān)，說明這一時期的氣溫越低，NDVI值越高。而3月、4月、5月的相關(guān)系數(shù)較低，說明這3個月份的氣溫情況對年最大NDVI值的影響不大。

2.3.2植被覆蓋受地形特征的影響

對承德市DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類處理，根據(jù)承德市實際情況和有關(guān)高程、坡度分類標(biāo)準(zhǔn)[17-18]，將高程劃分為：平原(122～200 m)，丘陵-臺地(200～500 m)，低海拔山地、高原(500～1 000 m)，中海拔山地、高原(1 000～2 236 m)4個等級。將坡度劃分為：平坡(0°～5°)，緩坡(5°～15°)，斜坡(15°～25°)，陡坡(25°～35°)，急坡(35°～45°)，險坡(>45°)6個等級?；诔械率?000—2018年NDVI歷年最大值合成圖像，逐像元統(tǒng)計多年NDVI平均值，與地形特征數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，統(tǒng)計承德市最大植被指數(shù)在不同高程和坡度下的分布規(guī)律，得到結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，平原地區(qū)整體NDVI值較低，最低值出現(xiàn)在平坡范圍內(nèi)，為0.624 2，地勢平緩的地區(qū)人類活動較為密集，城鄉(xiāng)建設(shè)占用土地等活動會影響植被覆蓋情況。在丘陵-臺地地區(qū)，急坡的NDVI值最高，從平坡到急坡，NDVI值呈上升趨勢。在低海拔山地、高原和中海拔山地、高原兩個地區(qū)，NDVI最高值均出現(xiàn)在險坡范圍內(nèi)，從平坡到險坡，坡度越高，NDVI值越高。在各級高程坡度交集下，最高值出現(xiàn)在中海拔山地、高原地貌區(qū)的險坡范圍內(nèi)，為0.845 3。整體上看，承德市地勢低平地區(qū)的NDVI值偏低，地勢較陡地區(qū)NDVI值偏高，隨著坡度的不斷增加，NDVI值總體呈上升趨勢，說明地勢較陡地區(qū)的植被覆蓋情況要優(yōu)于地勢低平地區(qū)。承德市的低海拔山地、高原地區(qū)面積占總面積的45.86%，中海拔山地、高原地區(qū)面積占總面積的42.66%，且區(qū)域內(nèi)多有大型林場分布，是這些地區(qū)NDVI值較高的原因。

表2 各級高程坡度交集下的最大植被指數(shù)均值

3 結(jié)論

(1)承德市全域2000—2018年NDVI值整體呈上升趨勢，體現(xiàn)了區(qū)域植被覆蓋狀況在不斷改善的特點，這得益于承德市各區(qū)縣對植被保護(hù)的重視以及生態(tài)工程項目的有效實施。

(2)植被指數(shù)年際變化在空間上存在顯著性差異，植被指數(shù)極顯著增加的面積最大，而極顯著減少和顯著減少的區(qū)域面積較小，且主要分布在承德市中部、南部等地區(qū)。

(3)承德市植被生長的季相變化特征為夏季NDVI均值最高，冬季NDVI均值最低；7月份NDVI值最大，1月最小。

(4)承德市各區(qū)縣的植被覆蓋狀況均以較高覆蓋度為主，鷹手營子礦區(qū)、承德縣等區(qū)縣的極高覆蓋度植被面積所占比例更是達(dá)到了80%以上。在穩(wěn)定性格局中，承德西北部植被變化波動較大，其余大部分地區(qū)穩(wěn)定性好，波動較低。

(5)氣候因素對植被變化有一定的影響，NDVI受5—7月份降水量和月均溫的影響較大，這段時間的降水量大且氣溫偏低將有助于植被的生長。地形對承德全域植被覆蓋狀況也有一定的影響，呈現(xiàn)出平原地區(qū)的NDVI值較低，海拔較高、坡度較陡的地區(qū)NDVI值較高的特征。