基于GIS的滁州市NDVI時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

李俊杰 馮婧娟 彭俊

摘 要：根據(jù)中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究中心提供的年度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集，采用莫蘭指數(shù)、高/低聚類、聚類和異常值和熱點(diǎn)分析等方法，對滁州市1999-2018年的NDVI時(shí)空動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，滁州市呈現(xiàn)低值NDVI區(qū)域聚類模式，主要分布在女山湖風(fēng)景區(qū)、瑯琊山風(fēng)景區(qū)和高郵湖風(fēng)景區(qū)，并且低值地區(qū)相連，區(qū)域之間具有明顯的相關(guān)性（即在空間位置上表現(xiàn)為相鄰）;滁州市低值NDVI聚類趨勢由女山湖風(fēng)景區(qū)的單一聚類，逐漸演變?yōu)槿齻€(gè)風(fēng)景區(qū)的聚類，并對區(qū)域性經(jīng)濟(jì)體的形成起著至關(guān)重要的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：滁州市;GIS;NDVI;時(shí)空動(dòng)態(tài)

中圖分類號：Q948 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）06-0053-04

引言

植被是土壤、大氣和水之間的天然紐帶，具有明顯的季節(jié)變化和年際變化特征，在一定程度上代表土地覆蓋的內(nèi)容，通常會(huì)因?yàn)闅夂蜃兓?、降水變化和?jīng)濟(jì)政策等發(fā)生改變。在植被評價(jià)中常用NDVI來描述植被的生長狀態(tài)、植被覆蓋度等內(nèi)容。國內(nèi)許多學(xué)者對NDVI在不同尺度上的變化趨勢進(jìn)行研究[1-5]。王海軍利用GIS、RS對中國西北地區(qū)NDVI時(shí)空變化特征及其區(qū)域氣候變化進(jìn)行分析，探討了氣溫和降水的回歸性、滯后性以及兩者對NDVI的綜合作用[6];畢曉麗等利用NDVI起伏型時(shí)間序列模型，對中國NDVI時(shí)間序列動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析[7]，NDVI動(dòng)態(tài)變化主要受環(huán)境因子、植被類型、土地利用、覆蓋變化等影響。國外許多學(xué)者在研究植被動(dòng)態(tài)變化趨勢時(shí)，通常分析NDVI對氣候、降水變化的響應(yīng)程度和滯后性[8-10]。Bounoua等通過NDVI的變化特征得出植被密度的增加可以部分補(bǔ)償溫室效應(yīng)的平行增加。植被狀態(tài)的變化會(huì)影響降水分布的低頻模式，并可能降低其在熱帶地區(qū)的低頻變異性，在北緯地區(qū)則可能增加其低頻變異性[11]。Bounoua等利用小波分析提供了區(qū)域尺度上植被動(dòng)態(tài)的相關(guān)信息，如NDVI的平均值和最小值、物候周期的振幅、NDVI最大值出現(xiàn)的時(shí)間和土地覆蓋變化，后者與降水?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合，用于解釋觀測到的土地覆蓋變化，并確定與土地退化有關(guān)的細(xì)微變化[12]。

20年前，滁州市只是一個(gè)默默無聞的小城，20年后成功邁入了全國文明城市的行列，短短20年間滁州市生態(tài)文明建設(shè)取得了重大突破，未來的發(fā)展將會(huì)蒸蒸日上。本文基于年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集，利用RS解譯和GIS空間分析方法，研究滁州市1999-2008年NDVI的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，探究植被系數(shù)發(fā)生變化的原因，分析其未來的發(fā)展趨勢，研究成果可為地方政府和管理人員提供解決方案和參考，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)工作提供新的思路。

1 研究區(qū)域概況

滁州市位于安徽省東部，長江以北，東南連接“長三角”，習(xí)慣上稱“皖東”。轄鳳陽縣、定遠(yuǎn)縣、明光市、天長市、來安縣、全椒縣、瑯琊區(qū)、南譙區(qū)，全市土地總面積1.35萬平方公里。基本上處于江蘇省南京市、安徽省合肥市及蚌埠市構(gòu)成的三角區(qū)域內(nèi)，是南京都市圈核心伙伴城市。周邊臨近江蘇省揚(yáng)州市、淮安市、宿遷市及本省淮南市等。市域襟江帶淮，南望長江，北流淮河，山水相間。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

通過中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載獲取1999-2018年的年度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集。在全國地區(qū)地級市邊界，截取滁州市地級市邊界矢量數(shù)據(jù)，導(dǎo)入個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫中。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI矢量數(shù)據(jù)采集

利用ArcGIS中的柵格數(shù)據(jù)掩膜提取功能，以滁州市矢量數(shù)據(jù)為邊界，分別從全國NDVI柵格數(shù)據(jù)中提取1999-2018年的滁州市NDVI柵格數(shù)據(jù)集，將NDVI柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，將重分類的滁州市NDVI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成面，得到滁州市NDVI矢量數(shù)據(jù)。

對滁州市NDVI矢量數(shù)據(jù)屬性中的符號系統(tǒng)進(jìn)行色彩分級，輸入值NDVI_VALUE，采用自然斷點(diǎn)法，將其NDVI分為五類，最低值為0，最大值為0.92（不采用負(fù)值，因?yàn)樨?fù)值往往是遙感圖像受到云、雪等因素影響生成的，一般接近零的值以巖石和裸土為主，對生態(tài)評價(jià)參考價(jià)值不大）。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

（1）莫蘭指數(shù)（Morans I） 莫蘭指數(shù)是衡量空間自相關(guān)程度的一個(gè)綜合性評價(jià)，用來評價(jià)數(shù)據(jù)在全局成聚集或離散的隨機(jī)分布程度，通常分布區(qū)間為[-1，1]。[0，1]為各地理實(shí)體之間存在正相關(guān)性，[-1，0]為各地理實(shí)體之間存在負(fù)相關(guān)性，0表示無相關(guān)。該指數(shù)會(huì)產(chǎn)生P值和Z值，通常Z只要大于規(guī)定臨界值2.58或者-2.58，隨機(jī)產(chǎn)生此聚類或離散模式的可能性小于1%，若同時(shí)P為0，則可以拒絕零假設(shè)。如果拒絕零假設(shè)，可判斷空間分布上為聚類或離散。

（2）高/低聚類分析（Getis-Ord General G） General G是用來衡量高/低值聚類程度的綜合性評價(jià)，通常分布區(qū)間為[0，1]。該方法會(huì)產(chǎn)生P值和Z值，通常Z只要大于規(guī)定臨界值2.58或者-2.58，隨機(jī)產(chǎn)生此聚類模式的可能性小于1%，若P值較小且在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著，則可以拒絕零假設(shè)。如果零假設(shè)被拒絕，Z值為正數(shù)，則觀測的General G指數(shù)會(huì)比期望的General G指數(shù)要小，表明屬性的低值在研究區(qū)域中聚類。

（3）聚類和異常值分析（Anselin local Morans I） 聚類和異常值分析可識別具有擁擠顯著性的熱、冷點(diǎn)和空間異常值，使用局部莫蘭指數(shù)統(tǒng)計(jì)量，對加權(quán)要素進(jìn)行分析。正值表示要素具有包含同樣高或同樣低的屬性值的鄰近要素，該要素是聚類的一部分負(fù)值I表示要素具有包含不同值的鄰近要素，該要素是異常值。

（4）冷熱點(diǎn)分析（Getis-ord Gi*） 熱點(diǎn)分析是通過某個(gè)要素及其相鄰要素的局部總和將與所有要素的總和進(jìn)行比較。當(dāng)局部總和與所預(yù)期的局部總和有很大差異，以至于無法成為隨機(jī)產(chǎn)生的結(jié)果時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的Z值。若Z為負(fù)值，表示冷點(diǎn)區(qū)域;Z為正值，表示熱點(diǎn)區(qū)域。

3 滁州市NDVI的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

3.1 NDVI時(shí)空變化特征

通過莫蘭指數(shù)分析，初步判斷1999-2018年滁州市NDVI的動(dòng)態(tài)分布趨勢（即在空間分布上呈現(xiàn)離散或聚集），獲得的Moran I指數(shù)動(dòng)態(tài)變化如表1所示。Z值在10.7-21.0之間，平均值為15.1，遠(yuǎn)大于規(guī)定的臨界值，隨機(jī)產(chǎn)生此聚類的模式可能性小于1%。莫蘭指數(shù)分布在0.21-0.60之間，平均值為0.42，處于[0，1]之間，且有逐漸減小的趨勢，表明滁州市的NDVI呈現(xiàn)聚集的動(dòng)態(tài)變化趨勢。

高/低值聚類分析獲得的高/低聚類動(dòng)態(tài)變化如表2所示。Z值的分布區(qū)間在-1.82至-11.43之間，平均值為-6.83，遠(yuǎn)小于規(guī)定臨界值，此結(jié)果隨機(jī)產(chǎn)生低聚類模式的可能性小于1%。同時(shí)高/低值的General G均值為0.000005，說明滁州市NDVI低值數(shù)據(jù)的集聚趨勢明顯。

輸出滁州市NDVI聚類和異常值分布圖，將圖形屬性分為沒有明顯聚集、高值與高值集聚、高值包圍低值分布、低值包圍高值分布、低值和低值集聚五大類，通過類別分布來研究區(qū)域之間的空間相關(guān)性。可以清楚地發(fā)現(xiàn)，低值和低值地區(qū)相連，區(qū)域之間具有明顯的相關(guān)性，在空間位置上表現(xiàn)為相鄰。

1999-2018年滁州市NDVI低值與低值集聚現(xiàn)象趨于穩(wěn)定，主要分布于瑯琊區(qū)，明光市北部和天長市東部，說明這三個(gè)地區(qū)處于低植被覆蓋地區(qū)，土地利用率較高，自然環(huán)境相對較差。其原因可能是這三個(gè)地區(qū)分別為瑯琊山風(fēng)景區(qū)、女山湖風(fēng)景區(qū)和高郵湖風(fēng)景區(qū)。從21世紀(jì)初開始，滁州市旅游業(yè)成為一種綜合性產(chǎn)業(yè)，是拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。加快發(fā)展旅游業(yè)，是深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、培育經(jīng)濟(jì)增長新動(dòng)能的重要引擎，是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)扶貧脫貧、提高人民群眾生活品質(zhì)的重要途徑，是擴(kuò)大對外開放、提升地區(qū)形象的重要舉措。滁州市旅游業(yè)在2000年收入5.59億元，占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值254.9億元的2.19%，至2018年收入240.9億元，占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值1801.7億元的13.37%。旅游業(yè)呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展趨勢，經(jīng)濟(jì)得到迅速發(fā)展，也導(dǎo)致三個(gè)風(fēng)景區(qū)自身及周邊地區(qū)植被被用于旅游開發(fā)，土地利用率升高。

2006年明光市首次出現(xiàn)高值包圍低值區(qū)域，其原因可能是明光市女山湖森林覆蓋率較低，森林質(zhì)量不高，多為人工林，且受松材線蟲的侵害，生態(tài)系統(tǒng)多樣性受到嚴(yán)重威脅。“十一五”期間，明光市為加強(qiáng)自然保護(hù)區(qū)管理與建設(shè)，對現(xiàn)有的自然保護(hù)區(qū)保護(hù)績效進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，強(qiáng)化自然保護(hù)區(qū)監(jiān)管能力，提高自然保護(hù)區(qū)管理水平，根據(jù)省、市《自然保護(hù)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，繼續(xù)開展自然保護(hù)區(qū)建設(shè)，提高自然保護(hù)區(qū)覆蓋率?？茖W(xué)確定旅游區(qū)的游客容量，合理設(shè)計(jì)旅游線路，使旅游基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的承載力相適應(yīng)。在2014年，明光市、來安縣、瑯琊區(qū)和天長市出現(xiàn)了大量高值包圍低值地區(qū)，其原因可能是在“十二五”期間，滁州市制定了《滁州市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》，根據(jù)區(qū)域資源環(huán)境承載能力、發(fā)展基礎(chǔ)與潛力，立足科學(xué)發(fā)展，合理劃分重點(diǎn)開發(fā)、限制開發(fā)和禁止開發(fā)的主體功能區(qū)。限制開發(fā)區(qū)域?yàn)樯仲Y源密集地區(qū)、江河水系源頭地區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)等，主要包括鳳陽山、岱山、老嘉山、練子山、皇甫山、瑯琊山、孤山和黃栗樹等生態(tài)綠核區(qū)。其任務(wù)是強(qiáng)化生態(tài)保護(hù)與整治，引導(dǎo)人口向重點(diǎn)開發(fā)區(qū)和優(yōu)化開發(fā)區(qū)轉(zhuǎn)移，選擇條件好的中心鎮(zhèn)進(jìn)行集約開發(fā)，促使了高值包圍低值區(qū)域的形成。

3.2 NDVI時(shí)空變化趨勢

通過冷熱點(diǎn)分析，探究NDVI低值聚類空間分布特征的相關(guān)性對滁州市各區(qū)域產(chǎn)生的影響，獲得1999-2018年的冷熱點(diǎn)分布特征，以更加直觀地反映出區(qū)域之間的相關(guān)性。分布特征表明滁州市冷點(diǎn)聚類趨勢顯著。

1999-2010年冷點(diǎn)在女山湖風(fēng)景區(qū)及附近旅游業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈聚類，其原因可能是明光市位于江淮分水嶺之上，處于南京、合肥、徐州三大都市圈中心地帶，是中西部和長三角交匯處，是開發(fā)皖江承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的良好示范基地。2000年以來，明光市為打造吸引東部魅力后花園，加快女山地質(zhì)公園景區(qū)建設(shè)，促進(jìn)其不斷升級。全力打造女山休閑度假旅游區(qū)，營造女山水域景觀、山岳景觀、地質(zhì)景觀、文化遺存和民俗風(fēng)睛，使其成為長三角區(qū)域中融生態(tài)、休閑、度假、科普于一體的旅游勝地，加快爭創(chuàng)4A級旅游景區(qū)的步伐。女山湖景區(qū)在加強(qiáng)自身建設(shè)和管理的同時(shí)，也在積極對外招商引資，促使女山湖風(fēng)景區(qū)及周邊產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地利用率得到提高，女山湖景區(qū)及周邊呈現(xiàn)低值NDVI聚類分布趨勢。

2011年冷點(diǎn)聚類開始分布于女山湖景區(qū)、瑯琊山景區(qū)和高郵湖景區(qū)，并且在2014-2015年冷點(diǎn)區(qū)域達(dá)到最大化。可能原因是女山湖景區(qū)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，為其他兩個(gè)景區(qū)提供了借鑒作用?！笆濉逼陂g，滁州市旅游業(yè)總體呈現(xiàn)提質(zhì)增效、持續(xù)向好的發(fā)展態(tài)勢。旅游產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大，綜合實(shí)力大幅提升，從政策機(jī)制等方面提出旅游業(yè)的發(fā)展方向和措施，改革創(chuàng)新不斷突破;重點(diǎn)景區(qū)和城鎮(zhèn)的公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)一步加強(qiáng)，旅游標(biāo)識系統(tǒng)、旅游公廁、旅游資訊等公共服務(wù)建設(shè)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，基礎(chǔ)設(shè)施顯著改善;“醉美滁州、亭好滁州”的品牌形象深入人心，紅色產(chǎn)品、綠色產(chǎn)品、藍(lán)色產(chǎn)品、古色產(chǎn)品、文旅產(chǎn)品等擁有一定知名度，品牌效應(yīng)不斷提升，品牌形象日益彰顯。使得三個(gè)風(fēng)景區(qū)旅游業(yè)發(fā)展迅速，其風(fēng)景區(qū)周邊產(chǎn)業(yè)鏈得到鞏固和發(fā)展，土地利用率較高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。

2016年起，冷點(diǎn)區(qū)域又開始減少，恢復(fù)到三個(gè)風(fēng)景區(qū)聚類模式。原因可能是“十三五”期間，滁州市環(huán)境保護(hù)工作緊緊圍繞“十三五”環(huán)保規(guī)劃這個(gè)總綱，嚴(yán)格環(huán)境準(zhǔn)入，深入開展污染治理，突出做好重點(diǎn)行業(yè)環(huán)境監(jiān)管，強(qiáng)化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境應(yīng)急管理，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)能力建設(shè)。對定遠(yuǎn)吳圩鎮(zhèn)、明光女山湖、天長永豐鎮(zhèn)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和鳳陽小崗村、南譙二郎村等9個(gè)村莊實(shí)施“鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境連片整治”和“問題村”治理，開展對78個(gè)建制村農(nóng)村環(huán)境綜合整治，集中打造一批生態(tài)創(chuàng)建示范點(diǎn)。出臺《滁州市生態(tài)強(qiáng)市建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃》，全椒縣成功創(chuàng)建全市第一個(gè)省級生態(tài)縣，天長市永豐鎮(zhèn)、來安縣舜山鎮(zhèn)率先成功創(chuàng)建國家級生態(tài)鎮(zhèn)。目前，全市省級生態(tài)縣1個(gè)，國家級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)2個(gè)，省級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)40個(gè)，生態(tài)村81個(gè)，市級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)44個(gè)，生態(tài)村202個(gè)。滁州市在“十三五”期間，對各個(gè)市縣農(nóng)村進(jìn)行生態(tài)改造，植被得到了恢復(fù)，使得低值NDVI開始逐漸減少。

4 結(jié)論與展望

（1）加強(qiáng)對低值NDVI的區(qū)域環(huán)境保護(hù)，做到可持續(xù)性發(fā)展。1999-2018年滁州市NDVI始終為低值NDVI區(qū)域聚類模式，未來很可能繼續(xù)保持低值NDVI聚類的趨勢。因此，在土地合理開發(fā)利用的同時(shí)，要進(jìn)行自然植被的保護(hù)和修復(fù)工作，真正做到“綠水青山就是金山銀山”。

（2）發(fā)展低值NDVI區(qū)域經(jīng)濟(jì)體，帶動(dòng)區(qū)域性經(jīng)濟(jì)發(fā)展。滁州市低值NDVI聚類主要分布于女山湖風(fēng)景區(qū)、瑯琊山風(fēng)景區(qū)和高郵湖風(fēng)景區(qū)。近年來，滁州市入選全國文明城市，旅游業(yè)得到了迅速發(fā)展，還形成了南京、合肥、徐州三大都市圈中心地帶的商業(yè)圈，低值地區(qū)已經(jīng)發(fā)揮帶動(dòng)作用，促使區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

（3）政府以低值NDVI景區(qū)為鑒，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。1999-2018年滁州市低值NDVI聚類趨勢由女山湖景區(qū)單一聚類，慢慢演成了三個(gè)景區(qū)聚類，在未來很可能會(huì)有更多景區(qū)加入聚類模式。政府可以出臺相關(guān)政策，宏觀調(diào)控經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，通過三大風(fēng)景區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)劃，為其他風(fēng)景區(qū)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)，做到統(tǒng)籌兼顧，合理性的發(fā)展。

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