何清蕓, 牟鳳云*, 李秋彥, 楊 猛
(1.重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 重慶 400074; 2.重慶勘測院, 重慶 400020)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,生態(tài)環(huán)境受人類活動影響增大,植被作為生態(tài)系統(tǒng)的“指示器”[1],其相關(guān)研究對生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。植被,可以調(diào)節(jié)土壤的含水量,保持水土;可以反映和調(diào)節(jié)一個(gè)區(qū)域的氣候變化;冠層防風(fēng)、根部固沙,其保護(hù)對沙塵暴災(zāi)害、泥石流、滑坡及土地荒漠化等環(huán)境問題的解決提供了方向。遙感影像的植被覆蓋度(fractional vegetation cover,F(xiàn)VC)能夠量化,直觀地表示陸地生態(tài)系統(tǒng)情況,是評價(jià)和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)。針對重慶市植被覆蓋度的研究,可為其生態(tài)環(huán)境保護(hù)、治理和防災(zāi)減災(zāi)策略制定提供一定的理論依據(jù)。
學(xué)者們構(gòu)建了歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)、增強(qiáng)型植被指數(shù)(synthesized enhanced vegetation index,EVI)等多種植被指數(shù)來研究植被相關(guān)情況[2-6]。對于植被覆蓋度的演變研究,李曦彤等[7]、張志強(qiáng)等[8]基于遙感技術(shù)進(jìn)行了地表水源地和黃河流域的植被覆蓋度時(shí)空變化研究。何寶忠等[9]基于MODIS-NDVI數(shù)據(jù)通過斜率、變異系數(shù)等方法來對新疆和不同生態(tài)分區(qū)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢穩(wěn)定度進(jìn)行分析,并用反向傳播(back propagation,BP)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測新疆2016—2020年的植被覆蓋度的時(shí)空變化。Renne等[10]采用(GIMMS)NDVI3g數(shù)據(jù)結(jié)合趨勢線、殘差計(jì)算、相關(guān)分析等方法研究了礦區(qū)開采前后植被覆蓋度時(shí)空變化情況。關(guān)于植被覆蓋度影響因子研究,張世文等[11]研究了植被覆蓋度與礦區(qū)建設(shè)的相關(guān)性。阿多等[12]將NDVI預(yù)測值與真實(shí)值做差,用該差值分析人為因素對FVC的影響作用。徐煥[13]結(jié)合主成分分析法(運(yùn)用SPSS軟件)分析各因子影響強(qiáng)度,判斷主要影響因子。熊俊楠等[14]研究了高程、坡度和坡向?qū)χ脖桓采w度的影響情況。朱富林[15]采取了更豐富的影響因素進(jìn)行研究,包括氣候、地形和人類活動三方面因素的分析。
綜上,現(xiàn)有研究存在的不足有:一是植被演變驅(qū)動因子間交互作用探討較少;二是植被在研究區(qū)內(nèi)的適宜性區(qū)域分析不足。為此,基于像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度,結(jié)合一元回歸模型、差值法和均值法[16]分析重慶市2000—2015年長時(shí)序的植被覆蓋度時(shí)空演變特征,采用地理探測器分析氣溫、降水、人口分布和國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product,GDP)因子對植被覆蓋度的交互作用,并分析了研究區(qū)內(nèi)植被生長的適宜性區(qū)域。
重慶位于中國西南地區(qū),105°11′E~110°11′E、28°10′N~32°13′N,面積8.24×104km2[17]。市內(nèi)地形以長江水平面海拔最低,向周圍擴(kuò)散為山地,海拔越向外側(cè)越高。海拔最高為2 796.8 m,最低為73.1 m。西南部主城區(qū)海拔在168~400 m。市內(nèi)東南部和東北部地勢高,以丘陵和山地為主,西南部和中部地勢稍低,且西南部為重慶市主城區(qū)的分布地帶,城鎮(zhèn)化率較其他區(qū)域更高。全年平均氣溫為16~18 ℃,年降水量達(dá)1 000 mm以上[18]。植被資源非常豐富,2019年重慶市森林覆蓋率達(dá)到50.1%以上。重慶市植物資源豐富,整體綠化率較高,西部植被覆蓋情況低于東部地區(qū)。
采用分辨率為250 m的2000、2005、2010、2015年每月MODIS-NDVI數(shù)據(jù),對應(yīng)年份的年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)和年平均降水量數(shù)據(jù),以及1 km網(wǎng)格的人口空間分布和GDP空間分布數(shù)據(jù)。MODIS-NDVI數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局地球資源觀察局和科學(xué)中心的宇航局。所有數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http: // www.Resdc.Cn/Datalist1.aspx)。
基于最大值合成法計(jì)算2000、2005、2010、2015年的年、季節(jié)NDVI,結(jié)合像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度。對植被覆蓋度重分類,結(jié)合一元線性回歸模型分析植被覆蓋度時(shí)空演變特征。利用ArcGIS軟件對氣候數(shù)據(jù)和人類活動數(shù)據(jù)重分類,采樣,導(dǎo)入地理探測器進(jìn)行因子分析。
像元二分模型估算重慶市植被覆蓋度基本原理為:影像像元信息由全部被植被覆蓋的信息和無植被覆蓋的信息組成,其中植被所占比例即為該像元的植被覆蓋度FVC,非植被比例為1-FVC。
采用MODIS-NDVI數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)有研究,建立基于NDVI的植被覆蓋度估算模型為
FVC=(NDVIi-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)
(1)
式(1)中:FVC為植被覆蓋度;NDVIi為各柵格混合像元NDVI值;NDVImin為無植被覆蓋時(shí)NDVI最小值;NDVImax為全部被植被覆蓋NDVI最大值。NDVImax和NDVImin分別采用置信度為95%和5%來選取閾值,然后利用ArcGIS計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度。
根據(jù)《土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007)對植被覆蓋度進(jìn)行分級,如表1所示。
表1 植被覆蓋度等級分類Table 1 Vegetation coverage classification
采用4個(gè)年份的NDVI數(shù)據(jù),以及4個(gè)驅(qū)動因子數(shù)據(jù),基于均值法研究重慶市空間分布情況。利用均值法使分析過程更簡單,其原理:利用多年數(shù)據(jù)綜合求取平均值來代替多年植被覆蓋度[19]。
為更好地探究研究區(qū)植被覆蓋度時(shí)空演變特征,將差值法公式代入ArcGIS柵格計(jì)算器工具,分析植被覆蓋度在空間上的退化、保持和改善情況。差值法原理:利用后年數(shù)據(jù)減去前面年份數(shù)據(jù),其差值代表每個(gè)柵格在相應(yīng)時(shí)間段變化的數(shù)據(jù)[20]。
一元線性回歸模型表示根據(jù)自變量時(shí)間與因變量植被覆蓋度之間相關(guān)關(guān)系,建立方程,根據(jù)方程進(jìn)行趨勢分析及預(yù)測,其計(jì)算公式為
(2)
式(2)中:F為斜率;n為總監(jiān)測年數(shù);fi為第i年植被覆蓋度。斜率F反映重慶市多年植被覆蓋度變化趨勢,斜率為正,表明植被覆蓋度隨時(shí)間增加;斜率為負(fù)則相反,斜率絕對值越大變化越明顯。
王勁峰等[20]對地理探測器模型原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。地理探測器可同時(shí)分析多因子對植被覆蓋度影響力間交互關(guān)系。包括因子探測器探測FVC空間分異性以及因子解釋力;風(fēng)險(xiǎn)探測器探測因子與植被覆蓋度是否具有風(fēng)險(xiǎn)性,計(jì)算因子在子區(qū)域的植被覆蓋度的平均值,并且進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn),根據(jù)均值和統(tǒng)計(jì)性檢測兩者結(jié)合分析植被覆蓋適宜性區(qū)域;生態(tài)探測器用來比較不同因子對子區(qū)域植被覆蓋度分布的影響力大??;交互作用探測器根據(jù)單因子作用時(shí)因子交互作用強(qiáng)度數(shù)值(PD值)和雙因子共同作用時(shí)PD值的大小,若前者大于后者則減弱影響力,反之則增強(qiáng)[21]。
3.1.1 年際變化特征
基于像元二分模型計(jì)算FVC值,并在ArcGIS中重分類。采用均值法分別計(jì)算重慶市2000—2015年植被覆蓋度平均值,結(jié)果如圖1所示;統(tǒng)計(jì)各等級植被覆蓋度面積百分比結(jié)果如圖2所示;結(jié)合一元線性回歸模型,計(jì)算各等級植被覆蓋度隨年份變化方程,結(jié)果如表2表示。
表2 2000—2015年重慶市植被覆蓋度變化趨勢方程Table 2 Change trend equation of vegetation coverage in Chongqing from 2000 to 2015
結(jié)合圖1、圖2分析,重慶市2005年后植被覆蓋度均值增加;2000—2015年中高植被覆蓋度面積占比最大,占比第2為高覆蓋度,第3為中等覆蓋度,中低覆蓋度第4,低覆蓋度第5,裸地最低。結(jié)合一元線性回歸模型分析,各等級植被覆蓋度
圖1 2000—2015年重慶植被覆蓋度年平均值占比Fig.1 The annual value of FVC in Chongqing from 2000 to 2015
圖2 2000—2015年重慶市各級植被覆蓋面積占比Fig.2 The proportion of vegetation coverage at all levels in Chongqing from 2000 to 2015
2000—2015年植被覆蓋度年際變化特征,如表2所示。根據(jù)表2分析可知,裸地和低覆蓋度回歸方程系數(shù)為正,但小于0.001,裸地和低覆蓋度略有增加的趨勢但不明顯;中低覆蓋度、中等覆蓋度和高覆蓋度回歸方程系數(shù)都為正,2000—2015年重慶市中低覆蓋度、中等覆蓋度和高覆蓋度面呈增加趨勢;中高覆蓋度回歸方程系數(shù)為負(fù),面積呈減少趨勢。
3.1.2 季節(jié)變化特征
采用均值法分別計(jì)算重慶市2000—2015年四季植被覆蓋度平均值,結(jié)果如圖3所示;分別對四季FVC均值進(jìn)行重分類,統(tǒng)計(jì)四季各等級植被覆蓋度面積百分比,結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖3分析可知,重慶市植被覆蓋度春季為0.69、夏季為0.82、秋季為0.57、冬季為0.51。隨著季節(jié)的更替,研究區(qū)內(nèi)落葉植被春季新生冬季凋零,春季新生到夏季最旺盛,秋季開始落葉,植被覆蓋度到冬季最低。研究區(qū)植被覆蓋度從春季到夏季增加,夏季到冬季呈減少趨勢。分析圖4可知,研究區(qū)樹木春季到夏季越來越繁茂,夏季到秋季再到冬季,樹木凋零,低覆蓋度、中低覆蓋度和中等覆蓋度都呈先減少后增加的趨勢,中高覆蓋度春季到夏季減少,夏季到秋季增多,秋季到冬季再減少,高覆蓋度隨季節(jié)演變趨勢為先增加后減少的趨勢。
圖3 2000—2015年重慶市植被覆蓋度各個(gè)季節(jié)均值Fig.3 The mean value of FVC in each season in Chongqing from 2000 to 2015
圖4 2000—2015年重慶市各級植被覆蓋度季節(jié)分布Fig.4 Seasonal distribution of vegetation coverage at all levels in Chongqing from 2000 to 2015
3.2.1 植被覆蓋度空間分布
在ArcGIS中采用均值法計(jì)算2000—2015年植被覆蓋度平均值結(jié)果如圖5所示??梢钥闯?,植被覆蓋度在重慶市不同空間位置具有不同的特征:重慶市植被覆蓋度在整體空間分布上具有東部地區(qū)植被覆蓋度高于西部地區(qū)的特點(diǎn);重慶市主城區(qū)分布的西南部地區(qū),植被覆蓋度最低。
圖5 2000—2015年重慶市年平均植被覆蓋度空間分布Fig.5 Spatial distribution of annual average vegetation coverage in Chongqing from 2000 to 2015
3.2.2 空間變化特征
結(jié)合重慶市植被覆蓋度柵格數(shù)據(jù),差值運(yùn)算提取重慶市在2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2000—2015年4個(gè)時(shí)間段的植被覆蓋度變化情況。根據(jù)差值運(yùn)算結(jié)果,將變化程度分為5級,結(jié)果小于-0.3為中度退化,輕度退化為-0.3~-0.1,保持不變?yōu)?0.1~0.1,輕度改善為0.1~0.3,中度改善為大于0.3[22-23]。對各等級變化面積百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表3所示,植被變化空間分布如圖6所示。
結(jié)合表3和圖6分析可知,2000—2005年重慶市退化面積占比2.73%,改善面積占比8.01%,植被覆蓋度趨于改善,退化主要分布在合川、璧山、豐都、忠縣、主城區(qū)等地區(qū),改善主要分布于秀山、江津、榮昌、石柱、黔江等地區(qū);2005—2010年研究區(qū)退化面積占比3.36%,改善的為15.53%,退化發(fā)生在墊江、涪陵、江津、永川、榮昌、大足、主城區(qū)等研究區(qū)西南部地區(qū),改善主要發(fā)生在重慶市東部地區(qū)以及東南部南川、渝北、北碚等地區(qū);2010—2015年研究區(qū)退化面積占比6.28%,改善面積占比40.25%,退化發(fā)生在重慶西南部地區(qū)、長江沿岸地區(qū)以及中部墊江、長壽、涪陵等地區(qū),改善主要發(fā)生在重慶市東南部和中部偏北。
表3 植被覆蓋度各變化等級面積占比統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of the proportion of each change grade of vegetation coverage
圖6 2000—2015年重慶市植被覆蓋度變化空間分布Fig.6 Spacial distribution of vegetation in Chongqing from 2000 to 2015
研究區(qū)內(nèi),對比4個(gè)時(shí)間段,植被整體上有明顯變化。時(shí)間段2000—2015年為整個(gè)研究時(shí)間段,植被退化面積占比約為3.68%,保持不變的約為41.96%,植被改善的面積占比約為54.23%。退化發(fā)生在主城區(qū)、黔江、酉陽等地區(qū),改善區(qū)域均勻分布于整個(gè)主城區(qū)。植被總變化情況為:改善的面積比退化的面積大。植被退化原因主要是重慶2000—2015年城鎮(zhèn)化發(fā)展加速以及各種自然災(zāi)害的發(fā)生,改善原因是1999年重慶開始實(shí)施退耕還林政策,總體分析,重慶市在2000—2015年植被覆蓋趨于改善。
利用ArcGIS軟件,結(jié)合自然段點(diǎn)法對降雨量、氣溫、人口和GDP因子劃分為6個(gè)等級分區(qū),用整數(shù)1~6表示。GDP劃分為5個(gè)分區(qū),用整數(shù)1~5表示,數(shù)字越大降水量越多、氣溫越高、人口密度和越大,劃分結(jié)果如表4所示。
表4 因子等級分區(qū)Table 4 Factors level partition
3.3.1 因子作用強(qiáng)度
根據(jù)因子探測器計(jì)算所得的影響力評價(jià)系數(shù)q(表5)來分析作用與否,根據(jù)q值的相對大小來進(jìn)行驅(qū)動因子對植被覆蓋度影響力的排序;用精度 檢驗(yàn)系數(shù)P(表5)檢測精度。生態(tài)探測器計(jì)算結(jié)果如表6所示。
表5 因子探測器輸出結(jié)果Table 5 Factor detector output results
表6 生態(tài)探測器輸出結(jié)果Table 6 Eco detector output results
據(jù)表5、表6分析,各因子對植被覆蓋度影響程度排序?yàn)椋簹鉁?降水量>人口密度>GDP。氣溫q值最大,高于50%。降水量影響力大于40%,人口密度的影響力高于35%,由此可見,氣溫、降水量和人口密度等因素對植被覆蓋度的影響較大。GDP,影響力只達(dá)到了10%左右,該因子對植被覆蓋度的影響力相對較小。氣候因子中氣溫因子和降水量因子間有顯著性影響。人類活動因子中人口密度和GDP之間無顯著性影響。而氣候因子與人類活動因子間也沒有顯著性影響。進(jìn)一步說明,氣溫和降水量對植被生長影響作用大,可將氣溫和降水量作為指示因子。
3.3.2 植被覆蓋度適宜性區(qū)域分析
風(fēng)險(xiǎn)探測器輸出結(jié)果如表7所示。根據(jù)植被覆蓋度均值對降水量分區(qū)進(jìn)行排序,6>5>4>3>2>1,植被覆蓋度與降水量變化呈正相關(guān)。年均降水量等級6(1 383.3~1 567.6 mm)區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度最高,植被生長情況最好。植被覆蓋度與氣溫、人口密度和GDP在研究區(qū)內(nèi)呈負(fù)相關(guān),均在1等級分區(qū)內(nèi)5.0~10.2 ℃、22.7~211.5人/ km2和17.0萬~2 947.7萬元/ km2植被覆蓋度最高。
表7 植被覆蓋度在各因子各分區(qū)的值Table 7 The value of vegetation coverage in each zone of each factor
3.3.3 因子之間的交互作用
植被覆蓋度往往是受多種因素共同作用而發(fā)生變化,不同的因素對其產(chǎn)生不同程度的影響,用交互探測器來探究兩兩因素共同作用對植被覆蓋度的影響力變化以及影響方向的變化,探測結(jié)果如表8所示。
由表8分析可知,氣溫、降水量、人口和GDP因子兩兩共同作用時(shí)的PD值大于它們分別獨(dú)自作用時(shí)PD值。因此,人口密度和GDP因子增強(qiáng)了氣溫對植被覆蓋度的影響力,也增強(qiáng)了降水量對植被覆蓋度的影響力,氣溫和降水共同作用時(shí)、人口和GDP共同作用時(shí)影響力增強(qiáng),進(jìn)一步說明,氣候因子與人類活動因子共同作用下,植被覆蓋度受到的影響力度更大。
表8 因子探測器輸出結(jié)果Table 8 Factor detector output results
利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)估算重慶市2000—2015年、季植被覆蓋度,并對結(jié)果進(jìn)行分級。結(jié)合一元線性回歸模型、均值法,分析重慶市植被覆蓋度年際、季節(jié)時(shí)空演變特征。研究發(fā)現(xiàn),重慶市西南地區(qū)植被覆蓋度較其他地區(qū)低,且由于2000—2015年主城區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,其植被覆蓋度最低。以上特征與張艷軍等[23]、葉勤玉等[24]、李益敏等[25]的研究結(jié)果相同?;诖?,結(jié)合差值法,以5年為間隔用植被覆蓋度柵格數(shù)據(jù)作差,差值正負(fù)分別對應(yīng)改善和退化。根據(jù)差值結(jié)果分析,重慶市植被覆蓋度主要退化區(qū)域發(fā)生在西南地區(qū),這也進(jìn)一步證明了西南部地區(qū)由于城鎮(zhèn)化發(fā)展而植被覆蓋度較其他區(qū)域低的結(jié)論。
從2000—2015年總體上分析,1999年國家大力推行退耕還林政策[26]以來,研究區(qū)內(nèi)植被改善面積明顯多于退化面積,重慶市植被覆蓋情況總體趨于改善。此前,已有許多學(xué)者對重慶市植被覆蓋度影響因子的影響機(jī)制進(jìn)行了探究,現(xiàn)有研究具有一定的因子多樣性,但是大多基于相關(guān)分析法分析FVC與因子之間的相關(guān)關(guān)系,對因子的交互作用探究較少。考慮到在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中,植被覆蓋度的變化不止受單因子的影響,而相關(guān)分析法在分析因子交互作用上具有一定的局限性和復(fù)雜性,采用新手段地理探測器對植被覆蓋度的影響因子進(jìn)行探究。為在一定程度上彌補(bǔ)當(dāng)前研究的不足,不僅利用地理探測器分析植被覆蓋度與各因子間的相關(guān)性,還估算了植被在重慶市的適宜性區(qū)域,以及探究了多因子共同作用對植被覆蓋度的影響機(jī)制。對于泥石流、滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)的重慶,研究結(jié)論可為生態(tài)環(huán)境的治理和改善提供一定的理論依據(jù),具有一定的研究意義。但從數(shù)據(jù)本身以及影響因子的種類層面考慮,尚有進(jìn)一步改善之處:一是采用了MODIS-NDVI數(shù)據(jù)來進(jìn)行植被覆蓋度的研究,由于NDVI對于高植被覆蓋度地區(qū)的敏感性低于EVI,所以對于其他遙感數(shù)據(jù)的利用有待加強(qiáng);二是植被的生長受多種自然因素和人為因素的影響,只對氣溫、降水量、人口分布和GDP這4個(gè)影響因子進(jìn)行了研究,今后的研究可以考慮探究更多可能的影響因子。
對重慶市2000—2015年植被覆蓋度的時(shí)空演變特征進(jìn)行研究,并利用地理探測器模型研究了氣候因子(氣溫、降水量)和人為因子(人口分布、GDP),對植被覆蓋度的影響情況,得出如下結(jié)論。
(1)在2000—2015年間,重慶市裸地、低植被覆蓋度、中低植被覆蓋度面積呈增加趨勢;中等植被覆蓋度和高植被覆蓋度面積增大。重慶市屬于亞熱帶常綠落葉闊葉林區(qū),包含落葉闊葉林區(qū),隨著四季氣候的變化,植被覆蓋度從春季到夏季增加,夏季到冬季呈減少趨勢;春季以中等植被覆蓋度為主,夏季以高等植被覆蓋度為主,秋季植被覆蓋度以中高植被覆蓋度為主,冬季則以中等植被覆蓋度為主。
(2)結(jié)合植被覆蓋度空間分布圖分析,植被覆蓋度在整體空間分布上具有東部地區(qū)植被覆蓋度高于西部地區(qū)的特點(diǎn)。重慶市植被覆蓋度改善面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于退化面積,植被覆蓋度情況總體趨于改善。
(3)根據(jù)因子探測器結(jié)果分析,研究區(qū)氣溫、降水量、人口分布、GDP因子對植被覆蓋度影響的影響力強(qiáng)度排序?yàn)椋簹鉁?降水量>人口密度>GDP。研究區(qū)氣溫因子和降水量因子之間有顯著性影響,人類活動因子中人口密度和GDP之間無顯著性影響,而氣候因子與人類活動因子間也沒有顯著性影響,進(jìn)一步表明氣溫、降水量和人口密度對研究區(qū)植被覆蓋度的解釋力大,而GDP對研究區(qū)植被覆蓋度的解釋力小。利用風(fēng)險(xiǎn)探測器研究重慶市植被覆蓋度適宜性區(qū)域,在年均降水量等級為1 383.3~1 567.6 mm、氣溫分區(qū)為5.0~10.2 ℃、人口分區(qū)為22.7~211.5人/km2和年均GDP為17萬~2 947.7萬元/km2時(shí)值最大,植被覆蓋最好,即植被覆蓋適宜性區(qū)域在上述地區(qū)。因子交互探測器研究結(jié)果表明,影響因子(人口密度、GDP、氣溫和降水量)之間共同作用,均對植被覆蓋度影響力起到了增強(qiáng)的作用。