2000—2020年福州市植被覆蓋度時(shí)空變化分析

危金煌，樊仲謀，胡喜生

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

植被覆蓋度是區(qū)域氣候數(shù)值模型的關(guān)鍵生態(tài)氣候參數(shù)，它不僅可以表達(dá)一定范圍內(nèi)的光合作用面積和植被密度，還可以評(píng)價(jià)植被的生長(zhǎng)情況和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的健康水平。植被覆蓋水平的變化對(duì)地表的生態(tài)系統(tǒng)功能與人類(lèi)福利有著深遠(yuǎn)的影響，研究當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w動(dòng)態(tài)原因與影響，對(duì)于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境研究有著十分重要的意義[1-3]。

在3S技術(shù)發(fā)展以前，植被覆蓋度一般由目測(cè)法、儀器法測(cè)量獲得，但上述方法不單單耗時(shí)耗力，而且難以達(dá)到較高的預(yù)期精度，導(dǎo)致在較大的區(qū)域尺度上對(duì)植被覆蓋度的評(píng)價(jià)水平較差，還會(huì)受到多種因素限制如天氣、時(shí)間等。2016年 AnccsA等用相對(duì)密度的方式，采用MODIS數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w度[4]。在國(guó)內(nèi)，2004年李苗苗等在推導(dǎo)像元二分法模型2個(gè)重要參數(shù)的原理上，對(duì)現(xiàn)有模型參數(shù)的計(jì)算方式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了對(duì)植被覆蓋度的定量計(jì)算方案[5]。2012年穆少杰等利用2001—2010年的MODIS數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出內(nèi)蒙古的植被覆蓋度的分布特點(diǎn)；明晰了在不同時(shí)空上的森林、草地和荒漠生態(tài)區(qū)植被對(duì)氣候變化的影響[6]。

隨著2001年出臺(tái)的《“十五”計(jì)劃綱要》，福州市在城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的背景下，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也對(duì)福州市各地區(qū)的植被覆蓋造成了不同程度的影響。2007年，在黨的十七大作出深入貫徹落實(shí)建設(shè)生態(tài)文明的重大戰(zhàn)略決策后，福州市開(kāi)始重視加強(qiáng)綠色生態(tài)的建設(shè)，且2011年福建在全省范圍內(nèi)展開(kāi)綠化造林“總動(dòng)員”活動(dòng)，福州市政府并于2014年開(kāi)始國(guó)家森林城市建設(shè)，并通過(guò)3 a多的建設(shè)，在2017年10月獲得了“國(guó)家森林城市”稱(chēng)號(hào)。故本研究將2000，2005，2010，2015，2020年作為關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，選取福州市2000—2020年5期的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，研究其植被覆蓋時(shí)空變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

福州市地處北緯25°15′—26°39′，東經(jīng)118°08′—120°31′，位于中國(guó)的東南沿海，全市土地共有11 968 km2，其中城區(qū)面積為1 786 km2[7]。福州的地勢(shì)為標(biāo)準(zhǔn)的河口盆地，東部平原與丘陵共存；南部主要為盆地；西部屬于中海拔的山地；北部屬于山地地形，其海拔由從西南向東降低[8]。全市陸地總面積的72%為山地和丘陵。福州市的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨熱條件充足；夏季熾熱多雨，冬季溫暖少雨。年均日照時(shí)間在1 700—1 980 h之間；年均降水量在900—2 100 mm之間；年均氣溫在20—25 ℃之間；最冷月為1，2月,平均氣溫為6—10 ℃；最熱月為7,8月，平均氣溫為33—37 ℃[9]。福州有其復(fù)雜的地形條件和較為良好的生態(tài)環(huán)境，并且處于重要的經(jīng)濟(jì)地位，福州市在注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也同樣注重生態(tài)環(huán)境的平衡。研究該地區(qū)植被覆蓋度變化，可以為當(dāng)?shù)卣闹脖换謴?fù)和保護(hù)提供重要的參考價(jià)值。

2 研究方法

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理

本研究的遙感資料與高程數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)站“地理空間數(shù)據(jù)云”(www.gscloud.cn)，福州市人工造林?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于林業(yè)知識(shí)服務(wù)系統(tǒng)(http://forest.ckcest.cn/)。按照福州市植被生長(zhǎng)最佳的6—9月時(shí)段和所下載影像數(shù)據(jù)應(yīng)滿(mǎn)足云量較少且盡量不遮擋研究區(qū)的原則，選擇2000，2005，2010年的Landsat 7 ETM影像及2015，2020年的Landsat 8 OLI影像，空間分辨率均為30 m。本研究所選用的傳感器遙感影像參數(shù)如表1所示。

表1 研究區(qū)遙感影像參數(shù)

本研究使用ENVI5.3軟件對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：裁剪、輻射定標(biāo)及大氣校正，且對(duì)于2005-09-26，2010-08-04的影像還需要進(jìn)行條帶修復(fù)的工作。并且由于條帶號(hào)119、行編號(hào)42的影像已將福州市完整覆蓋，故不需要鑲嵌、拼接等操作。

2.2 植被指數(shù)的選取

因植被葉面對(duì)近紅外波段光譜有更強(qiáng)的反射能力，而且對(duì)可見(jiàn)光紅波段光譜卻有更強(qiáng)的吸收能力；通過(guò)這一原理將這2個(gè)波段值進(jìn)行計(jì)算就可以獲得其植被指數(shù)[10-11]。許多生態(tài)研究場(chǎng)景都可將歸一化差分植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)用作參考，它可以很好地反映植物生長(zhǎng)情況和植被分布密度[12-13]。本文NDVI值的計(jì)算原理為近紅外波段(NIR<0.7 mm)與可見(jiàn)光紅波段(0.4 mm

式中，NIR為近紅外波段反射率，R為紅波段反射率。

2.3 植被覆蓋度的計(jì)算

區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度數(shù)據(jù)可通過(guò)像元二分模型計(jì)算得出。像元二分模型的特點(diǎn)是更加淺顯、適用。假設(shè)每一像元的NDVI值由植被和土壤2者組成[14]，其公式為

式中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，NDVI為單個(gè)像元的植被指數(shù)值，NDVIsoil為純土壤的植被指數(shù)值，NDVIveg為純植被的植被指數(shù)值。NDVIsoil與NDVIveg分別由像元的NDVImin與NDVImax代替。為減小噪聲等干擾，取值時(shí)需要設(shè)置一個(gè)置信區(qū)間，根據(jù)本研究的遙感影像圖像大小、清晰度、噪聲等情況，采用置信區(qū)間為累加百分比5%至95%，具體取值如表2所示。

表2 研究區(qū)NDVImin和NDVImax的取值

2.4 空間自相關(guān)的分析

空間自相關(guān)分析采用計(jì)算一個(gè)位置上的方差與鄰近位置的方差的關(guān)系來(lái)判斷其是否存在空間依賴(lài)性或異質(zhì)性。

(1)全局自相關(guān)系數(shù)用Moran′sI表示，公式如下：

式中，I為全局自相關(guān)系數(shù)，n為漁網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)量，xi和xj是網(wǎng)格i和j的植被覆蓋度變化值，ˉx為植被覆蓋度變化平均值。Wij表示網(wǎng)格i和j的空間位置相鄰關(guān)系，當(dāng)網(wǎng)格i和j為空間鄰接時(shí)，Wij=1，反之，Wij=0。Moran′s I統(tǒng)計(jì)量的取值一般在-1到 1之間，正值表示植被覆蓋度退化較高(或改善較高)的區(qū)域在空間上集聚，負(fù)值則顯示該區(qū)域與其周?chē)鷧^(qū)域的植被覆蓋度變化具有明顯的空間差異[15]，且其空間上集聚是否顯著可由其導(dǎo)出的Z-score判斷。

(2)局部空間自相關(guān)是從局域尺度探究空間關(guān)聯(lián)特征，計(jì)算公式[15]如下：

式中，Ii若為正值則局部正相關(guān)，屬于高—高集聚或低—低集聚；Ii為負(fù)值，則反之。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度總體空間分布特征

結(jié)合研究區(qū)植被覆蓋情況，并參考5個(gè)年份的NDVI平均值(如圖1)，調(diào)整植被覆蓋梯度，通過(guò)ArcGIS 10.2軟件將福州市植被覆蓋度劃分出5個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表3)，并生成福州市植被覆蓋梯度分布(如圖2)。

圖1 2000—2020年影像的NDVI平均值

表3 植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

從圖2中可以看出，福州市2000—2020年的植被覆蓋度總體空間分布特征均呈現(xiàn)西部和北部的植被覆蓋度普遍高于東南部地區(qū)。植被覆蓋度較低的地區(qū)主要出現(xiàn)在居住區(qū)、水體、河流沿岸、沿海地區(qū)以及自然條件(水分條件)較差或人為因素干擾較大的地區(qū)，如沿閩江流域地區(qū)與福清市、長(zhǎng)樂(lè)市的東南沿海地區(qū)的植被覆蓋度普遍較低。且福州主城區(qū)在人口過(guò)密和經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力的條件下，如城市發(fā)展而占用耕地、林地、草地等、毀林開(kāi)墾、濫砍亂伐等都會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w水平有較為嚴(yán)重的影響。而永泰縣、閩清縣、閩侯縣3地因其地勢(shì)較高并且人為活動(dòng)因素較少，所以這些地區(qū)的高植被覆蓋度面積較大，且植被覆蓋水平較高。

圖2 福州市2000—2020年植被覆蓋分布

由表4，圖3中可以看出，福州市的總體植被覆蓋水平較高，2000年至2020年高植被覆蓋度地區(qū)面積占總面積均在65%以上，且中高植被覆蓋度地區(qū)面積占總面積在13%以上。但20 a間的高植被覆蓋度面積逐漸降低，中、低、極地植被覆蓋度地區(qū)面積所占比例從2000年至2020年逐步擴(kuò)大。

圖3 福州市2000—2020年各等級(jí)植被覆蓋度變化

表4 福州市2000—2020年植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)

3.2 植被覆蓋度差值空間分布特征

對(duì)福州市2000，2010，2020年每10 a之間的植被覆蓋度兩兩作差值分析，研究其變化特征。分別運(yùn)用Arcgis10.2的柵格計(jì)算器作出2000—2010年和2010—2020年的植被覆蓋空間差值圖，并將所獲得的影像按明顯退化、中度退化、基本穩(wěn)定、中度改善、明顯改善5種進(jìn)行重分類(lèi)[16]。獲得2000—2010年和2010—2020年的植被覆蓋度變化圖(如圖4)與統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表5)。

圖4 福州市植被覆蓋度變化

從表5中可以看出，福州市2000—2010年與2010—2020年期間相比，福州地區(qū)植被變化的覆蓋比從整體的面積覆蓋占比上看變化不大，其主要表現(xiàn)在植被覆蓋度變化情況中“中度改善”的覆蓋比由10.71%提高到了16.33%；但從圖4中可以看出，福州地區(qū)的植被覆蓋變化有著十分可見(jiàn)的空間相關(guān)性，并且福州市2000—2010年與2010—2020年植被覆蓋變化圖的植被覆蓋退化的地區(qū)與植被覆蓋改善的位置出現(xiàn)非常明顯的差異性，往往在前者2000—2010年期間的明顯退化地區(qū)變成了后者2010—2020年期間的明顯改善地區(qū)。由福州市2002—2019年人工造林面積數(shù)據(jù)，作其面積變化圖(如圖5)。可見(jiàn)福州市2011年內(nèi)展開(kāi)的綠化造林“總動(dòng)員”作為人為因素活動(dòng)，對(duì)2010—2020年植被覆蓋變化起到了積極作用。

圖5 福州市2002—2019年人工造林面積變化

表5 福州市植被覆蓋度變化等級(jí)覆蓋比 %

將2000—2010年與2010—2020年的研究區(qū)內(nèi)各像元的植被覆蓋度變化值按福州市各區(qū)、縣將其平均，考察福州市內(nèi)各區(qū)、縣的植被覆蓋度變化情況，結(jié)果如圖6所示。在2000—2010年間福州市平均植被覆蓋度降低了0.03，其中只有鼓樓區(qū)和臺(tái)江區(qū)的平均植被覆蓋度有所提高，其余福州市各地區(qū)均有不同程度的降低，其中閩江流域南部的倉(cāng)山區(qū)、馬尾區(qū)與福州東南沿海部分的長(zhǎng)樂(lè)市、福清市最為顯著。但在2010—2020年間福州市內(nèi)各區(qū)、縣的平均植被覆蓋度提高了0.07，其中只有閩清縣、永泰縣、閩侯縣的平均植被覆蓋度有所降低。

圖6 福州市各地區(qū)平均植被覆蓋度變化

3.3 植被覆蓋度變化相關(guān)性分析

3.3.1 全局自相關(guān)分析 由于福州市各地區(qū)的植被覆蓋度變化出現(xiàn)明顯的地理差異，為進(jìn)一步明晰福州市與植被覆蓋度變化的空間關(guān)聯(lián)和空間差異程度，運(yùn)用ArcGIS軟件，在2000—2010年與2010—2020年福州市植被覆蓋變化圖的基礎(chǔ)上建立1 km2的漁網(wǎng)，再以表格進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)后，進(jìn)行空間集聚效應(yīng)分析得到2000—2010年與2010—2020年福州市植被覆蓋變化的Moran′sI指數(shù)，前者為0.24，后者為0.17，且Z值均為正，P值均小于0.001，表明福州市植被覆蓋變化存在顯著的空間正相關(guān)。

圖7 福州市植被覆蓋度變化(1 km)

3.3.2 局部自相關(guān)分析 全局空間自相關(guān)僅從整體上分析福州市與植被覆蓋度變化的關(guān)系，無(wú)法研究局部地區(qū)間具體的空間關(guān)聯(lián)特征，所以需要構(gòu)造局部自相關(guān)模型精準(zhǔn)測(cè)度區(qū)域內(nèi)的空間相關(guān)性[17]。使用空間集聚效應(yīng)分析得到2000—2010年與2010—2020年福州市植被覆蓋度變化局部Moran′sI值，從而構(gòu)建以莫蘭散點(diǎn)圖為基礎(chǔ)的LISA集聚圖，最終將福建省植被覆蓋變化的局部關(guān)聯(lián)特征分為5類(lèi)：“高—高聚類(lèi)”“高—低離群”“低—高離群”“低—低聚類(lèi)”和“不顯著”(見(jiàn)表6)。

表6 福州市植被覆蓋度變化的各局部關(guān)聯(lián)特征占比 %

由圖8可知，福州地區(qū)的植被覆蓋度變化在空間上并非隨機(jī)，而表現(xiàn)出一定程度的局部空間自相關(guān)集聚格局，其內(nèi)部具有空間相關(guān)性的地區(qū)主要有福州市中心的鼓樓、倉(cāng)山、馬尾3區(qū)；福清市與長(zhǎng)樂(lè)市的沿海地區(qū)；永泰、閩清、閩侯等地勢(shì)較高的地區(qū)。

圖8 福州市植被覆蓋度變化LISA集聚

其中福州主城區(qū)與福清市、長(zhǎng)樂(lè)市的沿海地區(qū)由前者的“高—高聚類(lèi)”區(qū)(即明顯退化)轉(zhuǎn)變?yōu)楹笳叩摹暗汀途垲?lèi)”區(qū)(即明顯改善)。這主要得益于福州市政府在“舊城改造”和“新城建設(shè)”的政策下調(diào)整了工業(yè)布局，將福州市區(qū)的一些勞動(dòng)密集型企業(yè)進(jìn)行異地搬遷和改造，使老企業(yè)向城區(qū)外轉(zhuǎn)移；《福州市園林中心2019年城市園林綠化工作總結(jié)》中指出福州市的園林綠化工作累計(jì)梳理林蔭道291條，邊角地整治223處，屋頂綠化104處，墻體綠化89處，最美街巷25條；累計(jì)在市民家門(mén)口建成串珠公園203個(gè)，濱河綠道455 km,新建改造提升公園綠地約254 hm2。將福州主城區(qū)作為森林城市體系的核心區(qū)域來(lái)建設(shè)，使得福州主城區(qū)的植被覆蓋水平在2010—2020年間得到明顯的改善。

但在永泰縣內(nèi)的一些高植被覆蓋度區(qū)域，由前者“低—低聚類(lèi)”(即明顯改善)轉(zhuǎn)變?yōu)楹笳叩摹案摺呔垲?lèi)”區(qū)(即明顯退化)。其主要原因是在永泰地區(qū)因地勢(shì)較高并且人為活動(dòng)因素較少，植被生態(tài)環(huán)境較好，一直以來(lái)是福建省內(nèi)的游覽勝地，擁有豐厚的旅游資源，縣內(nèi)景色秀麗、水系發(fā)達(dá)、動(dòng)植物生態(tài)穩(wěn)定且農(nóng)業(yè)資源有著自己的特點(diǎn)，并且在政府的“鄉(xiāng)村旅游”政策的引導(dǎo)下永泰旅游業(yè)快速發(fā)展、森林旅游開(kāi)發(fā)速度加快；在2010年公布的《永泰縣土地利用總體規(guī)劃》中表示規(guī)劃到2020年文化旅游項(xiàng)目的土地用地總體量約達(dá)到2 347 hm2，占全縣范圍內(nèi)建設(shè)用地的近34.9%。在此發(fā)展背景下，永泰縣內(nèi)的一些高植被覆蓋度地區(qū)在2010—2020年間出現(xiàn)了明顯退化的趨勢(shì)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究以福州市為研究對(duì)象，選取2000—2020年5期研究區(qū)的衛(wèi)星遙感影像，運(yùn)用植被指數(shù)方法估算福州市在2000，2005，2010，2015，2020年5個(gè)關(guān)鍵時(shí)期的植被覆蓋度，通過(guò)綜合差值法、均值法、空間自相關(guān)等方法分析各區(qū)域的植被狀況，得出以下主要結(jié)論：

(1)2000—2020年間，福州市的總體植被覆蓋水平較高，其N(xiāo)DVI平均值在0.68以上，其中高植被覆蓋度地區(qū)占研究區(qū)總面積的65%以上。植被覆蓋度的總體空間分布特征均呈現(xiàn)西部和北部的植被覆蓋度普遍高于東南部地區(qū)。但20 a間的高植被覆蓋度面積逐漸降低，由2000年的8 171.72 km2降低至2020年的7 525.72 km2，中、低、極低植被覆蓋度地區(qū)面積所占比例從2000年至2020年由13.54%逐步擴(kuò)大至19.92%。

(2)在2000—2010年間福州市的平均植被覆蓋度降低了0.03，其中只有鼓樓區(qū)和臺(tái)江區(qū)的平均植被覆蓋度得到提高，其余福州市各地區(qū)均有不同程度的降低，其中閩江流域南部的倉(cāng)山區(qū)、馬尾區(qū)與福州東南沿海部分的長(zhǎng)樂(lè)市、福清市最為顯著。而在2010—2020年間福州市內(nèi)各區(qū)、縣的平均植被覆蓋度提高了0.07，但閩清、永泰、閩侯縣的平均植被覆蓋度有所降低。

(3)近年來(lái)福州西部地區(qū)大力培育發(fā)展鄉(xiāng)村旅游、古鎮(zhèn)文化旅游等業(yè)態(tài)時(shí)使當(dāng)?shù)刂脖桓采w度有所降低，如永泰縣的一些原高植被覆蓋度地區(qū)受到較大影響。故在開(kāi)發(fā)其旅游價(jià)值的同時(shí)，應(yīng)著重優(yōu)化綠色布局構(gòu)建國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)體系，強(qiáng)調(diào)其水源涵養(yǎng)、固碳釋氧等方面的生態(tài)功能價(jià)值。

4.2 討論

本研究以基于Landsat數(shù)據(jù)從時(shí)間與空間上探究了福州市2000—2020年植被覆蓋空間分布格局與變化規(guī)律，并且著重探究其植被覆蓋變化與人為活動(dòng)因素的關(guān)系。福州市植被覆蓋變化區(qū)域存在顯著的空間聚集性，且集聚區(qū)域的植被覆蓋變化與該區(qū)域發(fā)展政策有著密切聯(lián)系。但除人為活動(dòng)因素外，氣候變化、水土保持和土地利用變化等自然因素對(duì)植被覆蓋的時(shí)空變化也有影響，所以還需進(jìn)一步探討福州市植被覆蓋度與氣候、地理因子及其變化的相關(guān)性，但因筆者目前的能力與數(shù)據(jù)有限，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行綜合定量分析，但筆者將在未來(lái)繼續(xù)進(jìn)行探索研究。并且由于遙感數(shù)據(jù)分辨率的限制會(huì)對(duì)結(jié)果的精確性造成一定影響，所以在今后的研究中可進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證以提高數(shù)據(jù)精度。