基于Landsat合肥市植被覆蓋度時(shí)空變化及影響因素

王亞瓊，高曼莉，羅勁松

(安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 資源與環(huán)境系，安徽 合肥 230000)

1 引言

植被是土地覆蓋最主要的部分，是反映氣候和人文因素對(duì)環(huán)境影響的重要指標(biāo)[1]。針對(duì)植被及其變化的研究一直是科學(xué)界的熱點(diǎn)，植被覆蓋度是區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和特征，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和城市發(fā)展具有重要意義[2]。傳統(tǒng)的植被覆蓋度監(jiān)測(cè)是采用地面調(diào)查法，該方法調(diào)查精度高，但需要較大的人力、物力、財(cái)力，且效率低下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積監(jiān)測(cè)，時(shí)效性差。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于遙感的植被覆蓋度變化監(jiān)測(cè)也日益增多，孫紅雨[3]在1998年基于NOAA數(shù)據(jù)計(jì)算了全國(guó)歸一化植被指數(shù)，研究中國(guó)地表的植被覆蓋變化，并分析其與氣候因子的關(guān)系。近年來(lái)，杜華棟[4]、黃瑾[5]、李琳[6]、藤玲[7]就不同區(qū)域進(jìn)行植被覆蓋度的估算和動(dòng)態(tài)變化分析研究。合肥市作為我國(guó)首批國(guó)家園林城市之一，地處長(zhǎng)三角地區(qū)，城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)和密集的人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)能力和自我恢復(fù)能力大幅下降。目前針對(duì)合肥市的植被覆蓋的變化研究多側(cè)重于兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)植被覆蓋度估算后的比較，缺乏多重因素的驅(qū)動(dòng)分析[8]。因此，本文以合肥市為研究區(qū)，基于Landsat數(shù)據(jù)，研究2001～2020年的植被覆蓋度的多年連續(xù)動(dòng)態(tài)變化特征，為合肥地區(qū)資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

本文以合肥市為研究區(qū)(30°57′N(xiāo)～32°32′N(xiāo)、116°41′E～117°58′E)，地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)，長(zhǎng)江和淮河之間。有平原、低山、丘陵崗地3種地貌，以丘陵為主，平均海拔20～40 m。屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均降水量1000 mm，年均溫15.7 ℃。水系發(fā)達(dá)，包括淮河水系、長(zhǎng)江水系的10余條河流。近20年來(lái)，合肥市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，作為長(zhǎng)三角地區(qū)的新興城市，合肥市對(duì)中部地區(qū)發(fā)展的影響非常重要，研究該區(qū)域植被覆蓋變化和驅(qū)動(dòng)力機(jī)制，對(duì)未來(lái)城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[10]。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

研究區(qū)行政區(qū)邊界等矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于《國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1∶400萬(wàn)數(shù)據(jù)》。研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地理空間數(shù)據(jù)云公開(kāi)的LANDSAT系列數(shù)據(jù)，由于研究時(shí)區(qū)跨度較大，選取采集時(shí)間在3～5月份的遙感影像數(shù)據(jù)，包括：2001年3月份、2004年4月份、2007年3月份、2011年4月份的TM數(shù)據(jù)及2014年5月份、2017年4月份和2020年4月份的Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)通過(guò)ENVI軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)，去云處理，大氣校正等預(yù)處理;DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云，基于DEM提取坡度和坡向數(shù)據(jù);地表覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，以上柵格數(shù)據(jù)分辨率30 m。土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心-土壤分中心中國(guó)1 km柵格土壤系統(tǒng)分類(lèi)類(lèi)型圖。選取安徽省及安徽省周邊32個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，插值得到安徽省逐年降水和氣溫柵格數(shù)據(jù)，分辨率30 m。以上數(shù)據(jù)均采用Arcgis軟件進(jìn)行投影變換、重采樣和合肥市行政區(qū)的掩膜提取，最終空間分辨率與影像數(shù)據(jù)保持一致。

3 研究方法

3.1 植被覆蓋度估算

3.1.1 植被覆蓋度估算模型

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)是反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)和植被覆蓋的重要因素[11]，植被覆蓋度是描述植被群落在地表覆蓋狀況的綜合量化指標(biāo)[12]，與NDVI之間存在非常顯著的線(xiàn)性關(guān)系。本文基于NDVI數(shù)據(jù)，采用常用的像元二分法估算植被覆蓋度[13]，計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中:Fc表示植被覆蓋度，NDVIsoil表示裸地或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI，NDVIveg表示全部被植被覆蓋區(qū)域的NDVI?？紤]到研究區(qū)的實(shí)際情況和異常數(shù)據(jù)的影響，根據(jù)NDVI累積概率分布表，選取95%附近的NDVI值為NDVIveg，5%附近的NDVI值為NDVIsoil[14]。

3.1.2 植被覆蓋度分級(jí)

為了更好的描述植被覆蓋度的空間特征，參考張麗[2]、蘇偉[15]等對(duì)植被覆蓋度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合合肥市的實(shí)際情況，本研究將合肥市的植被覆蓋度劃分為5個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 植被覆蓋度劃分等級(jí)

3.2 變化趨勢(shì)檢測(cè)

采用Sen+Mann-Kendall的方法進(jìn)行研究區(qū)植被覆蓋度的變化趨勢(shì)計(jì)算[16]。

Sen趨勢(shì)度計(jì)算公式如下：

(2)

式(2)中，β為斜率，β>0表示上升趨勢(shì)，β<0表示下降趨勢(shì)。

同時(shí)使用Mann-Kendall對(duì)時(shí)間序列的趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)量S的計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

本研究由于時(shí)間序列較短，根據(jù)Gilbert(1987, section16.4.1 ,page209)中的描述，在概率表中Gilbert(1987,TableA18,page272)[17]，若概率小于α，則沒(méi)有趨勢(shì)，若概率值大于α，則變化趨勢(shì)顯著。

3.3 驅(qū)動(dòng)因子分級(jí)

研究區(qū)內(nèi)選取均勻分布的16042個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)作為采樣樣本點(diǎn)，按照自然間隔法將高程、坡度、坡向、降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)分別分為10級(jí)、8級(jí)、10級(jí)、9級(jí)、9級(jí)，土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)分別按照原始數(shù)據(jù)類(lèi)別46類(lèi)和14類(lèi)，最后將各類(lèi)數(shù)據(jù)和植被覆蓋度變化趨勢(shì)Sen值提取到采樣點(diǎn)位中。

3.4 地理探測(cè)器模型

本文使用地理探測(cè)器模型探索影響研究區(qū)植被覆蓋度變化的主要因素，并對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行定量分析[18]。選取驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)分別為地表因素(高程、坡度、坡向、土壤類(lèi)型)、氣候因素(降水和氣溫)、人文因素(土地利用類(lèi)型)三類(lèi)數(shù)據(jù)。

4 分析與結(jié)果

4.1 植被覆蓋度變化時(shí)空特征

根據(jù)公式(1)[14]計(jì)算得到合肥市歷年植被覆蓋度，據(jù)圖1可知:2001～2020年合肥市平均植被覆蓋度整體呈增加趨勢(shì)，增速為0.001/10a，整體植被覆蓋度較高，平均值為50.03%，最低值出現(xiàn)在2001年，49.93%，最高值在2014年，植被覆蓋度50.17%，近20年來(lái)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的上升狀態(tài)。2000～2007年，植被覆蓋度呈穩(wěn)定上升狀態(tài)，2007年植被覆蓋度呈現(xiàn)了較大程度的提升，在2014年后，植被覆蓋度變化又趨于穩(wěn)定。

圖1 2001～2020年研究區(qū)植被覆蓋度年際變化

2001～2020年，合肥市植被覆蓋度向中、高等級(jí)轉(zhuǎn)變明顯，無(wú)植被覆蓋度區(qū)域呈下降趨勢(shì)。2001年無(wú)植被覆蓋度區(qū)域占比12.10%，到2020年占比下降至10.52%，主要向低植被覆蓋度和中植被覆蓋度變化。低植被覆蓋度區(qū)域占比由2001年的23.44%增加至2020年24.11%。中植被覆蓋度區(qū)域由2001年的26.71%增加至2020年28.48%。中高植被覆蓋度區(qū)域總體呈下降趨勢(shì)，由2001年的25.43%下降至2020年23.24%，主要是向高植被覆蓋度區(qū)域和中植被覆蓋度區(qū)域方向變化。2001～2014年中高植被覆蓋度呈現(xiàn)穩(wěn)定和上升趨勢(shì)，2014年后，中高植被覆蓋度區(qū)域則出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，可能與氣候、城市發(fā)展及擴(kuò)張等因素相關(guān)。高植被覆蓋度年際變化幅度明顯較大，對(duì)年際平均植被覆蓋度影響較大，2001年高植被覆蓋度區(qū)域面積占比12.31%，2020年達(dá)到13.65%，呈現(xiàn)了較為明顯的增加趨勢(shì)。

合肥市植被覆蓋度整體呈現(xiàn)中心低周?chē)撸椛錉钌叩姆植继攸c(diǎn)。無(wú)植被覆蓋度區(qū)域較小，占合肥市面積的11.68%，主要集中在城市中心以及道路和河流沿線(xiàn)區(qū)域，分布于中心城市區(qū)。低植被覆蓋區(qū)占合肥市22.47%，整個(gè)研究區(qū)呈現(xiàn)零散分布，在城區(qū)、道路周邊以及少數(shù)耕地呈現(xiàn)低植被覆蓋狀態(tài)。中植被覆蓋度區(qū)域面積較大，占研究區(qū)面積27.99%，主要集中在耕地和山地丘陵地區(qū)。中高植被覆蓋度區(qū)域占比25.92%，主要集中在山區(qū)周邊和公園、濕地等城市重點(diǎn)綠化區(qū)域，其中在部分農(nóng)田地區(qū)也有零星分布。高植被覆蓋度區(qū)域占比11.76%，面積也是相對(duì)較小，主要集中在合肥南部的高海拔山區(qū)以及其他重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)零星分布。

4.2 植被覆蓋度變化類(lèi)型及演變規(guī)律

論文將研究區(qū)多年植被覆蓋度作為時(shí)間序列，采用Sen_slope識(shí)別植被覆蓋度的變化趨勢(shì)，Mann-Kendall識(shí)別變化趨勢(shì)的顯著性。參考現(xiàn)有的分類(lèi)方法[19]，將植被覆蓋度變化類(lèi)型劃分為嚴(yán)重退化、明顯退化、輕度退化、無(wú)變化、輕微改善、明顯改善和極顯著改善7種類(lèi)型(表2)。

表2 植被覆蓋度變化類(lèi)型及面積占比

根據(jù)表2可知，合肥市2001～2020年植被覆蓋度總體呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，全市66.33%的區(qū)域植被覆蓋度穩(wěn)定不變，33.67%的區(qū)域出現(xiàn)植被覆蓋度改善或退化的情況。在植被覆蓋度變化的區(qū)域中，以植被覆蓋度改善變好為主，其中，19.34%的區(qū)域呈現(xiàn)植被覆蓋度改善變好的趨勢(shì)，面積約2017.86 km2，14.32%的區(qū)域則出現(xiàn)了植被覆蓋度退化的情況，面積約1493.96 km2。

在植被覆蓋度改善區(qū)域中，輕微改善區(qū)域占合肥市面積7.95%，明顯改善區(qū)域占5.34%，極顯著改善區(qū)域占6.06%。合肥市老中心城區(qū)呈現(xiàn)出植被較為明顯的改善，老城區(qū)建設(shè)年代較早，隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在政府生態(tài)保護(hù)和居住環(huán)境改善政策下[20]，該區(qū)植被綠化逐步增多，老城區(qū)植被覆蓋度的改善趨勢(shì)表現(xiàn)尤為明顯。其他的植被覆蓋度明顯改善區(qū)域主要集中山地丘陵地帶和部分耕地區(qū)域，此外，巢湖沿岸地帶、生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)、濕地和公園地區(qū)都呈現(xiàn)出了植被覆蓋度持續(xù)改善的狀態(tài)。

在植被覆蓋度退化的區(qū)域中，輕微退化區(qū)域占合肥市面積的4.47%，明顯退化占4.11%，嚴(yán)重退化占5.74%。嚴(yán)重退化區(qū)域主要集中在城鎮(zhèn)建設(shè)地帶，城市郊區(qū)區(qū)域。此外，合肥市蜀山區(qū)西北部和肥西縣北部連片耕地區(qū)域、肥東縣東北部的耕地區(qū)域以及巢湖市區(qū)周邊部分山地區(qū)域也呈現(xiàn)了植被覆蓋度顯著退化趨勢(shì)。

4.3 植被覆蓋度變化的影響因素分析

4.3.1 因子探測(cè)分析

根據(jù)地理探測(cè)器識(shí)別各類(lèi)影響因素對(duì)植被覆蓋度變化空間分布的影響大小(表3)，土壤類(lèi)型(0.06968)>降水(0.06873)>溫度(0.06223)>土地利用類(lèi)型(0.04119)>坡度(0.03725)>高程(0.02724)>坡向(0.0198)。各因子的解釋q值來(lái)看，地表因素和氣候因素對(duì)植被覆蓋度變化的影響相對(duì)較大，其中氣候因素(降水和氣溫)的q值達(dá)到了13.096%，土壤類(lèi)型對(duì)植被覆蓋度變化的解釋度也超過(guò)了5%。人為因素下的土地利用類(lèi)型和地表因素的坡度、高程數(shù)據(jù)對(duì)植被覆蓋度變化的影響q值分別為4.119%和3.725%、2.724%，屬于次要影響因素。坡向?qū)χ脖桓采w度變化的解釋力為0.198%，表明坡向?qū)χ脖桓采w度變化沒(méi)有直接影響。

表3 影響因子對(duì)植被覆蓋度的影響力

4.3.2 影響因素交互作用分析

利用因子交互探測(cè)器探測(cè)不同影響因素對(duì)植被覆蓋變化影響的交互作用，結(jié)果表明(表4)，各影響因素之間均存在著非線(xiàn)性增強(qiáng)或雙因子協(xié)同增強(qiáng)作用，表明植被覆蓋度變化的空間分布狀態(tài)受多因素共同作用影響，不僅僅是單一因素的作用。

表4 各因子交互作用對(duì)植被覆蓋變化空間分布的影響

降水和土壤類(lèi)型的交互作用的q值最高，16.91%，溫度與土壤類(lèi)型的交互作用其次，q值為14.64%。結(jié)果表明，氣候因素(降水和溫度)對(duì)植被覆蓋度的變化起主導(dǎo)作用，在其作用下，地表因素高程和土壤類(lèi)型顯著增強(qiáng)了氣候?qū)χ脖桓采w度變化的影響。此外，人類(lèi)活動(dòng)因素土地利用類(lèi)型與氣候因素的共同作用也大于其與地表因素的作用，土地利用類(lèi)型∩降水(11.98%)>土地利用類(lèi)型∩土壤類(lèi)型(11.78%)和土地利用類(lèi)型∩溫度(10.59%)>土地利用類(lèi)型∩高程(6.51%)進(jìn)一步證明了氣候因素對(duì)植被覆蓋度變化起主要作用，人類(lèi)活動(dòng)因素也增強(qiáng)了氣候和地表因子對(duì)植被覆蓋度變化的影響。

5 結(jié)論

本文基于LANDSAT數(shù)據(jù)，采用二分法估算了合肥地區(qū)2001～2020年的植被覆蓋度空間分布和多年動(dòng)態(tài)變化，利用地理探測(cè)器模型探討了影響因素及其之間的相互作用對(duì)植被覆蓋度變化空間分布的影響，得到如下結(jié)論：

(1)合肥市整體的植被覆蓋度較好，平均覆蓋度達(dá)50.03%，2001～2020年植被覆蓋度呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升狀態(tài)，增速為0.001/10a。2000～2007年，植被覆蓋度呈現(xiàn)穩(wěn)定上升狀態(tài)，2007年植被覆蓋度呈現(xiàn)了較大程度的提升，在2014年后，植被覆蓋度變化又趨于穩(wěn)定。在變化類(lèi)型上，整體上呈現(xiàn)了無(wú)、低植被覆蓋度向中、高植被覆蓋度的方向轉(zhuǎn)變，增幅面積占比分別為1.77%和1.34%，變化幅度較為明顯。

(2)采用Sen+MK方法探討研究區(qū)植被覆蓋度的多年變化特征，全市33.67%的區(qū)域出現(xiàn)植被覆蓋度改善或退化的狀態(tài)，19.34%的區(qū)域呈現(xiàn)植被覆蓋度改善變好的趨勢(shì)，14.32%的區(qū)域則出現(xiàn)了不同程度植被覆蓋度退化。合肥大部分山區(qū)、沿巢湖沿岸地帶、生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)、濕地和公園地區(qū)也都呈現(xiàn)出了植被覆蓋度持續(xù)改善得趨勢(shì)。嚴(yán)重退化區(qū)域主要集中在城市建設(shè)地帶、城郊結(jié)合區(qū)和部分耕地山區(qū)。

(3)利用地理探測(cè)器探討 7 種影響因子對(duì)植被覆蓋度變化的影響，土壤類(lèi)型、降水和溫度主要影響因素，土地利用類(lèi)型、坡度、高程屬于次要影響因素。各影響因素之間均存在著非線(xiàn)性增強(qiáng)或雙因子協(xié)同增強(qiáng)作用。氣候因素對(duì)植被覆蓋度的變化起主導(dǎo)作用，高程和土壤類(lèi)型，顯著增強(qiáng)了氣候?qū)χ脖桓采w度變化的影響，人類(lèi)活動(dòng)因素進(jìn)一步增強(qiáng)了氣候和地表因子對(duì)植被覆蓋度變化的影響。