通化市植被指數(shù)與土地利用時(shí)空變化特征分析

蔣兆恒，陶國芳，陳 崢

植被指數(shù)（NDVI，Normalized Difference Veg?etation Index）可以準(zhǔn)確反映地表植被覆蓋狀況［1］，土地利用/土地覆被變化（LUCC，Land Use/Land Cover Change）可以表征人類活動(dòng)對(duì)地球表層系統(tǒng)的影響［2］.基于MODIS、Landsat等衛(wèi)星遙感影像得到的NDVI、LUCC時(shí)序數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于不同尺度區(qū)域的植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)和土地利用/土地覆被變化監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究中，對(duì)揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的基本特征、可能造成的影響和主要驅(qū)動(dòng)力分析具有重要意義.

通化市位于吉林省東南部，東經(jīng)125°71′~126°44′，北緯40°52′~42°49′之間，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，中低山地和丘陵臺(tái)地地貌類型.全市幅員1.56萬平方公里，山地面積約占全市面積的2/3［3-4］.地處長白山系，生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，自然資源豐富，森林覆蓋率達(dá)67.39%，被譽(yù)為中國中藥之鄉(xiāng)、葡萄酒之鄉(xiāng)、人參之鄉(xiāng)、優(yōu)質(zhì)大米之鄉(xiāng)，是國家園林城市、森林城市，曾獲得全國森林康養(yǎng)試點(diǎn)建設(shè)市、美麗山水城市、人居環(huán)境范例獎(jiǎng)、新時(shí)代中國最美生態(tài)宜居名城和最美綠水青山生態(tài)名城等諸多榮譽(yù)［5］.通化市下轄梅河口市、集安市、輝南縣、柳河縣、通化縣、東昌區(qū)、二道江區(qū)7個(gè)縣（市、區(qū)）和1個(gè)國家級(jí)醫(yī)藥高新區(qū)、1個(gè)吉林通化國際內(nèi)陸港務(wù)區(qū)［5］.2021年梅河口市改制為梅河新區(qū)，成為省屬高質(zhì)量發(fā)展先行示范區(qū)［6］.考慮到本研究的時(shí)間范圍為2000—2020年，期間梅河新區(qū)還未成立，因而仍將梅河口市納入通化市范圍.研究通化市2000—2020年的NDVI與LUCC時(shí)空變化特征，可為厘清近20年來自然因素與人類活動(dòng)的相互作用對(duì)通化市環(huán)境變化的影響提供科學(xué)信息，為通化市國土空間規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)提供理論參考.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通化市NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)采用MOD13A1數(shù)據(jù)集NDVI數(shù)據(jù)項(xiàng).該數(shù)據(jù)集來源于美國宇航局地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)（EOSDIS）的LAADS DAAC數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)平臺(tái)（https：//lad?sweb.modaps.eosdis.nasa.gov），空間分辨率500 m，時(shí)間分辨率16天，每年獲取23個(gè)時(shí)序的遙感影像.選取2001—2020年共20年、460個(gè)時(shí)序遙感影像，利用MRT（MODIS Reprojection Tool）工具完成投影轉(zhuǎn)換和鑲嵌等預(yù)處理，利用研究區(qū)矢量邊界進(jìn)行裁剪，采用最大值合成法生成通化市2000—2020年共20個(gè)年度NDVI柵格數(shù)據(jù).為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)精度，將NDVI柵格數(shù)據(jù)重采樣為1 km空間分辨率.

通化市土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供的全國土地利用類型遙感監(jiān)測(cè)空間分布數(shù)據(jù)集，空間分辨率1 km.該數(shù)據(jù)集是基于美國陸地衛(wèi)星Landsat系列的遙感影像，通過人工目視解譯生成.選取2000年、2005年、2010年、2015年 和2020年 共5期全國土地利用類型遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用研究區(qū)矢量邊界進(jìn)行裁剪，獲得通化市2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的年度土地利用柵格數(shù)據(jù).

1.2 研究方法

（1）NDVI數(shù)據(jù)處理方法.Sen+MK方法是目前長時(shí)間序列植被覆蓋狀況變化趨勢(shì)分析的最有效方法.采用Sen+MK方法，基于Matlab和ArcGIS軟件平臺(tái)，進(jìn)行2001—2020年通化市NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)分析和顯著性檢驗(yàn).Sen斜率估計(jì)（Sen’s slope estimator）可以消除異常值對(duì)斜率的影響［7］，其計(jì)算方法如下：

式中：β為年度NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，xj、xi分別為時(shí)間j、i對(duì)應(yīng)的NDVI序列數(shù)據(jù)值，Median（ ）是中位數(shù)函數(shù).β>0表示NDVI時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)，β<0表示NDVI時(shí)間序列呈下降趨勢(shì).

本研究給定顯著性水平α為0.05，設(shè)定了通過置信度95%的MK檢驗(yàn)法對(duì)Sen趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).MK檢驗(yàn)方法（Mann-Kendall test）不要求趨勢(shì)是線性的，且不受缺失值和異常值的影響［8］.應(yīng)用時(shí)先計(jì)算Sen趨勢(shì)值，再使用MK方法判斷趨勢(shì)顯著性，完成5年周期、10年周期和20年周期的多時(shí)間尺度NDVI變化趨勢(shì)和變化顯著性分析.

（2）土地利用數(shù)據(jù)處理方法.通化市土地利用數(shù)據(jù)的處理主要基于ENVI、ArcGIS、Excel等軟件平臺(tái).首先，利用ENVI軟件基礎(chǔ)工具Change Detection中的Change Detection Statistics計(jì)算通化市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣［9-10］，分別完成5年周期、10年周期和20年周期的多時(shí)間尺度土地利用類型的變化特征提??；其次，導(dǎo)出土地利用轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)并在Excel軟件中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；最后，結(jié)合2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的土地利用類型遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，揭示通化市土地利用時(shí)空變化的規(guī)律.

2 結(jié)果與分析

2.1 通化市NDVI時(shí)空變化特征

基于Sen+MK方法的通化市NDVI顯著性變化趨勢(shì)5年周期、10年周期和20年周期的時(shí)空分布情況如圖1、圖2、圖3所示，顯著性變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1.

圖1 2001—2020年通化市5年周期NDVI變化趨勢(shì)

圖2 2001—2020年通化市10年周期NDVI變化趨勢(shì)

圖3 2001—2020年通化市20年周期NDVI變化趨勢(shì)

（1）5年周期NDVI時(shí)空變化特征.通化市2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年、2016—2020年四個(gè)5年周期內(nèi)NDVI變化幅度不大，通過0.05顯著性檢驗(yàn)的NDVI變化趨勢(shì)區(qū)域零星分布.從時(shí)間序列看，2001—2005年NDVI變化趨勢(shì)最不明顯，顯著上升和顯著下降的像元總和占比不足0.8%；2006—2010年NDVI顯著上升像元占比1.58%，顯著下降像元占比1.13%；2011—2015年NDVI顯著上升和顯著下降的像元占比分別減少到0.83%和0.82%；2016—2020年數(shù)值有所上升，顯著上升像元占比1.69%，顯著下降像元占比0.97%，顯著上升變化更為明顯.總的來說，隨著時(shí)間發(fā)展四個(gè)5年周期的NDVI顯著下降和顯著上升的比例呈波動(dòng)式變化，但顯著上升變化更為明顯.從空間分布情況看，NDVI顯著下降區(qū)域呈現(xiàn)由東南部、中東部向西北部遷移的特點(diǎn)，NDVI顯著上升區(qū)域呈現(xiàn)由西北端、西北部向東南大部遷移的特點(diǎn).

表1 2001—2020年通化市NDVI變化趨勢(shì)像元統(tǒng)計(jì)

（2）10年周期NDVI時(shí)空變化特征.通化市2001—2010年、2011—2020年兩個(gè)10年周期NDVI通過0.05顯著性檢驗(yàn)的變化趨勢(shì)差異明顯.從時(shí)間序列看，2001—2010年NDVI顯著下降和顯著上升趨勢(shì)均不明顯，占比分別為1.49%和2.59%；2011—2020年NDVI顯著下降趨勢(shì)進(jìn)一步變小，占比為0.84%，而顯著上升趨勢(shì)更加明顯，像元占比達(dá)13.47%.從空間分布情況看，NDVI顯著下降區(qū)域主要分布在研究區(qū)的西北部和中南部，且顯著下降趨勢(shì)的范圍在縮小；NDVI顯著上升區(qū)域從2001—2010年零星分布轉(zhuǎn)變?yōu)?011—2020年大范圍均勻分布.

（3）20年周期NDVI時(shí)空變化特征.通化市2001—2020年20年周期的NDVI通過0.05顯著性檢驗(yàn)的變化趨勢(shì)明顯，主要表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，NDVI呈顯著上升的像元占比高達(dá)51.89%.NDVI顯著下降趨勢(shì)不明顯，像元占比僅為0.59%.從空間分布情況看，除研究區(qū)西北部外其他地區(qū)均表現(xiàn)為明顯的NDVI上升趨勢(shì).

2.2 通化市土地利用時(shí)空變化特征

（1）土地利用年度基本特征.通化市2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的5期年度土地利用情況見圖4.根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取的通化市土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地（城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的簡(jiǎn)稱）和未利用土地6個(gè)一級(jí)類型和17個(gè)二級(jí)類型，各類型像元統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2.對(duì)五個(gè)年度的土地利用數(shù)據(jù)求平均值可知，通化市以林地、耕地所占比例最大，分別為66.75%和27.87%；其次為居民地、草地和水域，分別為2.21%、1.54%和1.47%；未利用土地所占比例較小，僅為0.16%.從時(shí)間序列看，歸屬一級(jí)類型耕地的水田有減少趨勢(shì)，旱地有增加趨勢(shì)；歸屬一級(jí)類型林地的有林地有增加趨勢(shì)，而灌木林、疏林地和其他林地均有明顯的減少趨勢(shì)；歸屬一級(jí)類型草地的高覆蓋度草地有微弱的增加趨勢(shì)，而中覆蓋度草地有減少趨勢(shì)；歸屬一級(jí)類型水域的灘地有減少趨勢(shì)，而河渠、湖泊、水庫坑塘在2000—2015年維持穩(wěn)定，2015—2020年數(shù)據(jù)表明河渠、湖泊數(shù)量有所增加，水庫坑塘數(shù)量減少；歸屬一級(jí)類型居民地的城鎮(zhèn)用地逐年增加，農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地在2000—2015年維持穩(wěn)定，2015—2020年出現(xiàn)增加趨勢(shì)；歸屬一級(jí)類型未利用土地的沼澤地和裸巖石質(zhì)地?cái)?shù)量較少較穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變化.

圖4 通化市2000年、2005年、2010年、2015年、2020年土地利用類型遙感監(jiān)測(cè)

表2 通化市2000年、2005年、2010年、2015年、2020年土地利用類型像元統(tǒng)計(jì)

（2）土地利用時(shí)空變化特征.基于ENVI軟件提取了通化市多尺度時(shí)間序列的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，基于土地利用的一級(jí)類型對(duì)發(fā)生轉(zhuǎn)移的土地利用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，結(jié)果見表3.

5年周期土地利用變化特征.通化市2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年四個(gè)5年周期的土地利用轉(zhuǎn)移情況表明，前三個(gè)5年周期土地利用類型間轉(zhuǎn)移較少，2015—2020年土地利用類型間轉(zhuǎn)移頻繁.其中，以耕地與林地之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量最大，分別為耕地向林地轉(zhuǎn)移1 217 km2、林地向耕地轉(zhuǎn)移1 488 km2；耕地與居民地之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量位居第二，分別為耕地向居民地轉(zhuǎn)移265 km2、居民地向耕地轉(zhuǎn)移177 km2；水域向耕地、草地向林地、草地向耕地也有不同程度地轉(zhuǎn)移，數(shù)量分別為121 km2、66 km2、197 km2，其他土地利用類型間的轉(zhuǎn)移數(shù)量較少，詳見表3.

10年周期土地利用變化特征.通化市兩個(gè)10年周期的土地利用轉(zhuǎn)移情況對(duì)比表明，2000—2010年通化市土地利用類型間轉(zhuǎn)移較少，2010—2020年土地利用類型間轉(zhuǎn)移頻繁.進(jìn)一步將2010—2020年轉(zhuǎn)移情況與上述2015—2020年轉(zhuǎn)移情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移特征極為相似，主要差異在于2010—2020年林地向未利用土地轉(zhuǎn)移15 km2.其他僅在耕地向居民地、林地、水域等類型，以及居民地向耕地、林地、水域等類型有微小地轉(zhuǎn)移.

20年周期土地利用變化特征.通化市2000—2020年20年周期的土地利用轉(zhuǎn)移情況表明，耕地與林地之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量最大，耕地與居民地之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量次之，再次為草地與林地、耕地與水域，其他類型間轉(zhuǎn)移數(shù)量較小，詳見表3.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通化市2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移特征與2015—2020年、2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移特征極為相似，由此可以推斷通化市土地利用類型間的轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在2015—2020年間.結(jié)合圖4和表2分析可知，土地利用變化空間分布上最為明顯的是研究區(qū)的西北部和西部.主要原因在于2015年左右通化市土地利用總體規(guī)劃發(fā)生了較大變化，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的推進(jìn)占用了部分耕地，而為了保障區(qū)域生態(tài)安全通化市有計(jì)劃地實(shí)施了退耕還林［11］.除上述一級(jí)土地利用類型間的轉(zhuǎn)移外，林地、草地、居民地下屬的各二級(jí)土地利用類型間轉(zhuǎn)移也比較多.

表3 2000—2020年通化市多尺度時(shí)間序列土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)通化市近20年的多尺度時(shí)間序列NDVI和土地利用變化的遙感分析得出以下結(jié)論：

（1）利用Sen+MK方法研究了通過0.05顯著性檢驗(yàn)的通化市NDVI變化趨勢(shì)，結(jié)果表明：2001—2020年通化市NDVI呈現(xiàn)顯著上升的變化趨勢(shì)，空間分布情況為NDVI全區(qū)大范圍顯著上升，僅西北部的部分地區(qū)顯著下降.顯著下降區(qū)域主要位于梅河口市境內(nèi)，是近年來通化市行政區(qū)劃范圍內(nèi)城鎮(zhèn)化和產(chǎn)業(yè)化最為迅速的縣級(jí)市所在地，2013年該縣級(jí)市被確立為吉林省擴(kuò)權(quán)強(qiáng)縣改革試點(diǎn)，現(xiàn)為省級(jí)梅河新區(qū).四個(gè)5年周期NDVI變化趨勢(shì)均不明顯但存在細(xì)微差異，10年周期以2011—2020年顯著上升趨勢(shì)更為明顯，20年周期顯示呈顯著上升的像元占比達(dá)到了51.89%.

（2）利用ENVI軟件中的Change Detection Statistics工具計(jì)算了2000—2020年通化市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果表明：土地利用變化主要發(fā)生在2015—2020年間，變化的類型主要發(fā)生在耕地與林地之間，耕地與居民地、草地與林地、耕地與水域也有一定程度的變化.土地利用變化的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的西北部和西部.

（3）通化市NDVI變化和土地利用變化是自然因素與人為因素共同作用的結(jié)果.在當(dāng)今全球環(huán)境變化的大背景下，氣候變化必然會(huì)對(duì)NDVI和土地利用產(chǎn)生影響.據(jù)了解，通化市所在的長白山地區(qū)2001—2018年NDVI和氣溫呈逐年增長趨勢(shì)，降水顯著增加但存在較大的年際間變異［12］.通化市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程、高質(zhì)量發(fā)展先行示范區(qū)建設(shè)和土地利用總體規(guī)劃變化等促使了2015—2020年間土地利用類型的變化，而國家和吉林省推行的生態(tài)文明建設(shè)、國土空間規(guī)劃、園林城市和森林城市的建設(shè)等促使植被覆蓋增加，NDVI顯著上升.通化市NDVI變化和土地利用變化的時(shí)空特征可為各級(jí)政府和有關(guān)部門開展生態(tài)保護(hù)修復(fù)、國土空間規(guī)劃等提供科學(xué)參考.