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      濟(jì)南市植被覆蓋時空變化特征研究

      2020-12-23 05:41李世偉尼加提·穆合塔爾周迪
      綠色科技 2020年14期
      關(guān)鍵詞:時空變化濟(jì)南市

      李世偉 尼加提·穆合塔爾 周迪

      摘要:以2008~2017年時序Landsat影像為數(shù)據(jù)源,利用像元二分模型提取植被覆蓋度,采用趨勢分析、M-K檢驗以及重心轉(zhuǎn)移模型對濟(jì)南市2008~2017年植被覆蓋的時空變化特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:時間上,植被覆蓋度f在0.5左右浮動,總體呈平緩下降趨勢,沒有突變年份;Ⅲ級(0.350.75)植被覆蓋面積減少較多??臻g上,北部平原和南部山區(qū)分布的植被覆蓋等級以高等級為主,中部平原分布的植被覆蓋等級以低等級為主;植被覆蓋的空間變化率呈現(xiàn)南北高、中間低的分布規(guī)律;植被覆蓋的空間重心分布存在不均衡性,變化情況比較復(fù)雜,整體呈現(xiàn)西移的趨勢。

      關(guān)鍵詞:植被覆蓋度;像元二分模型;時空變化;濟(jì)南市

      中圖分類號:TP79

      文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A?文章編號:1674-9944(2020)14-0008-06

      1?引言

      一個地區(qū)的植被覆蓋狀態(tài)對于揭示其地表植被的變化趨勢,評價區(qū)域的生態(tài)環(huán)境有著重大的意義,評價植被覆蓋情況的重要指標(biāo)是植被覆蓋度(Vegetation Coverage,VC)[1]。植被覆蓋度是指植被垂直投影面積占研究區(qū)總面積的百分比,它是區(qū)域氣候數(shù)值模型中的重要參數(shù),也是描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

      對區(qū)域植被覆蓋的時空變化特征研究是確保社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要驅(qū)動力之一。近年來,國內(nèi)外學(xué)者利用植被覆蓋度對植被覆蓋時空變化特征進(jìn)行了大量的研究,研究方法主要有植被指數(shù)法[3~12]、線性光譜混合模型法[13~16]、混合像元分解法[18~20]等。其中,像元二分模型是混合像元分解法的一種計算模型,它的計算方法簡單,模型參數(shù)易得,結(jié)果準(zhǔn)確可靠,利用高分辨率光學(xué)遙感影像,可應(yīng)用于中小尺度區(qū)域的植被覆蓋度計算[20]。

      濟(jì)南市是華北平原環(huán)境變化相對敏感的地區(qū)之一,對其植被覆蓋時空變化特征的研究不僅有助于掌握該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化情況,直觀、清晰地了解濟(jì)南的植被覆蓋狀況及變化趨勢,得到濟(jì)南市植被覆蓋的整體和局部特征,也能為濟(jì)南市經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)綠色發(fā)展、城市合理規(guī)劃、資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)提供理論支持和數(shù)據(jù)參考。

      2?研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

      2.1?研究區(qū)概況

      濟(jì)南,簡稱“濟(jì)”,是山東省的省會,位于北緯36°01′~37°32′,東經(jīng)116°11′~117°44′(圖1)。濟(jì)南市南靠泰山,北傍黃河,地勢南高北低,可分為北部臨黃平原帶、中部山前平原帶和南部山區(qū)丘陵帶。濟(jì)南市植被根據(jù)其分布區(qū)域及植物組成進(jìn)行分類,可分為森林植被,灌木植被,草甸植被和農(nóng)業(yè)植被4種類型。濟(jì)南的農(nóng)業(yè)植被約占全市總面積的38%,森林植被占17%左右,灌木和草地植被占18%[21,22]。

      2.2?數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

      本研究所用的數(shù)據(jù)主要包括遙感數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。其中,遙感數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)提供的2008~2017年的時序Landsat影像,共10景(表1),空間分辨率為30m,坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS_1984_UTM_ZONE_50N,含云量均在10%以下,圖像質(zhì)量良好??紤]到濟(jì)南市種植的農(nóng)作物主要為冬小麥,在6~7月份成熟和收割,黃色的成熟小麥和收割后的裸露地表都會影響植被覆蓋度的提取[6];同時,濟(jì)南市在5月下旬、6月上旬的植被覆蓋已經(jīng)趨近于夏季平均水平,且7、8月份為濟(jì)南市的雨季,多陰雨天氣,云量普遍比較大。因此影像的選取時間大部分是5月末、6月初,影像的獲取時間接近,植被處于同一物候期,植被覆蓋變化在時間和空間上都有較好的可比性。

      其他的數(shù)據(jù)包括來自于濟(jì)南市統(tǒng)計局的濟(jì)南市統(tǒng)計年鑒(2009~2018年)、來自于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站(http://www.ngcc.cn)的濟(jì)南市行政區(qū)劃圖以及來自于地理空間數(shù)據(jù)云的濟(jì)南市DEM數(shù)據(jù)(GDEMV2 30M),其坐標(biāo)系統(tǒng)與遙感影像一致。

      數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括對Landsat 7影像的去條帶處理,遙感影像的輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像鑲嵌、影像裁剪以及DEM數(shù)據(jù)的拼接和裁剪等。

      3?研究方法

      3.1?歸一化植被指數(shù)的計算

      歸一化植被指數(shù)(NDVI)隨植被生物量的增加呈線性增加,能夠反映植被覆蓋特征、生長狀態(tài)及植被覆蓋度等信息,應(yīng)用于區(qū)域及全球尺度的植被動態(tài)監(jiān)測、

      牧草和農(nóng)作物面積及產(chǎn)量估算、物候特征識別等方面[16-20]。計算公式為:

      式(1)中NIR為遙感影像中近紅外波段的亮度值,R為遙感影像種紅波段的亮度值。

      本研究利用ENVI 5.3軟件的NDVI工具,分別計算2008~2017年的歸一化植被指數(shù)。NDVI的取值范圍為(-1,1),超出此范圍為異常值,利用Band Math工具剔除異常值。

      3.2?基于像元二分模型的植被覆蓋度估算

      像元二分模型的原理是利用歸一化植被指數(shù)和植被覆蓋度之間的高相關(guān)性來計算植被覆蓋度[3]:

      式(2)中,f為植被覆蓋度,NDVIsoil為沒有植被覆蓋的區(qū)域或完全由裸土覆蓋的地表的NDVI值,NDVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的NDVI值。在沒有實地測量數(shù)據(jù)的情況下,可以近似的取NDVI最小值為NDVIsoil,取NDVI最大值為NDVIveg。為了提高植被覆蓋度估算的準(zhǔn)確性,在估算植被覆蓋度時,經(jīng)過多次比較試驗以及文獻(xiàn)記載[16~20],本研究選取 NDVI 圖像內(nèi)累計頻率為 5% 的歸一化植被指數(shù)作為NDVIsoil,選取累計頻率為 95% 的歸一化植被指數(shù)作為NDVIveg。

      參考環(huán)境保護(hù)部于2015年發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》,本研究將所得的植被覆蓋度分為5級:Ⅰ級,低等覆蓋度(0%

      3.3?Mann-Kendall檢驗

      Mann-Kendall(M-K)檢驗是一種非參數(shù)檢驗方法,具有不需要樣本遵循一定的分布、不受少數(shù)異常值、計算簡單的干擾的優(yōu)點,對于揭示時間序列的演變趨勢和突變情況有良好的表現(xiàn),包括趨勢檢驗和突變檢測兩方面[22~24]。本研究對濟(jì)南市2008~2017年的植被覆蓋度進(jìn)行M-K趨勢檢驗和突變檢測,得到詳細(xì)的時間變化趨勢。

      3.3.1?Mann-Kendall趨勢檢驗

      將計算得到的VC數(shù)據(jù)作為時間序列(x1,x2,…xn),n為時間序列長度,則定義統(tǒng)計量S:

      當(dāng)Z>0時,時間序列呈增長趨勢;Z<0時,時間序列呈減少趨勢。在給定置信水平α=0.05的水平下,當(dāng)|Z|大于等于1.28、1.64、2.32時分別表示通過了信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

      3.3.2?Mann-Kendall突變檢測

      式(7)中,UFk遵從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,在給定顯著性水平α=0.05的情況下,得到其臨界值Uα=±1.96。將歷年的UFk點連成一條曲線,將上述方法在時間序列的反序列中運用,并將計算結(jié)果乘以-1,得到UBk和相應(yīng)的曲線。當(dāng)UFk大于0時,序列為增加趨勢,反之為減少趨勢。若UFk 超過臨界值,則表示變化趨勢達(dá)到了顯著水平。當(dāng)UFk 和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點,且交點位于臨界值之間時,則交點對應(yīng)的時間可認(rèn)為是突變開始的時間。

      3.4?重心轉(zhuǎn)移模型

      在力學(xué)模型中,將研究區(qū)域劃分為幾個大小相等的單元,可以根據(jù)每個單元的中心坐標(biāo)(Xi,Yi)和該單元的“重量”Mi建立重心模型[25]。使用VC來代替“重量”,可構(gòu)建植被覆蓋度的重心模型,重心模型在植被覆蓋度的空間變化監(jiān)測方面有獨特的優(yōu)勢,能夠直觀的反映其變化規(guī)律[11]。重心模型的計算公式為:

      其中,(x,y)為計算得到的重心對應(yīng)的坐標(biāo),Mi為某單元對應(yīng)的植被覆蓋度,(Xi,Yi)為該單元的中心坐標(biāo)。本研究將濟(jì)南市隨機(jī)劃分成5000個大小相等的單元格,分別計算每個單元格對應(yīng)的植被覆蓋度和坐標(biāo),并對濟(jì)南市2008~2017年的植被覆蓋度建立重心轉(zhuǎn)移模型,得到濟(jì)南市植被覆蓋度的重心轉(zhuǎn)移趨勢。

      4?結(jié)果和分析

      4.1?濟(jì)南市植被覆蓋時間變化特征

      濟(jì)南市2008~2017年整體植被覆蓋變化程度不大,植被覆蓋度在0.5左右浮動,總體呈輕微下降趨勢,線性傾向率為~0.0025/年。其中,2012、2014和2015年的植被覆蓋度明顯低于平均水平,這與當(dāng)年降水偏少有著很重要的關(guān)系。

      為了進(jìn)一步說明濟(jì)南市的植被覆蓋變化趨勢,對2008、2011、2014和2017年不同等級植被覆蓋度的面積及比例進(jìn)行了統(tǒng)計(表2和圖3),結(jié)果表明:Ⅰ級植被覆蓋度呈現(xiàn)減少的趨勢,降幅為0.6%;Ⅱ級植被覆蓋度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,總體有較少面積的增加,增幅為0.3%;Ⅲ級植被覆蓋度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,總體有較大面積的增加,增幅為3.4%;Ⅳ級植被覆蓋度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,總體有0.3%的降幅;Ⅴ級植被覆蓋度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,總體有較大面積的減少,降幅為2.8%。

      為了反映不同等級植被覆蓋度的轉(zhuǎn)化情況和轉(zhuǎn)移過程,對2008~2017年濟(jì)南市不同植被覆蓋度等級面積計算轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。統(tǒng)計分析結(jié)果表明:2008~2017年間,Ⅰ級、Ⅳ和Ⅴ級植被覆蓋度的轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積,表示面積呈減少趨勢,轉(zhuǎn)出的面積分別占2008年對應(yīng)面積的3.3%、1.3%和11.3%;Ⅱ級和Ⅲ級植被覆蓋度的轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積,表示面積呈增加趨勢,轉(zhuǎn)入的面積分別占2008年對應(yīng)面積的2.5%和17%。說明從2008年到2017年,Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅳ級植被覆蓋的變化比較穩(wěn)定,Ⅲ級和Ⅴ級植被覆蓋變化程度比較大。Ⅲ級植被覆蓋度的轉(zhuǎn)入來源主要是Ⅳ級和Ⅴ級覆蓋度,分別占轉(zhuǎn)入面積的43.1%和24.1%;Ⅴ級植被覆蓋度的轉(zhuǎn)出去向主要是Ⅲ級和Ⅳ級覆蓋度,分別占轉(zhuǎn)出面積的31.2%和58.8%,說明植被覆蓋程度總體上有輕微的下降。

      為了得到更詳細(xì)的濟(jì)南市植被覆蓋變化趨勢,利用MATLAB軟件對2008~2017年植被覆蓋度進(jìn)行M-K檢驗。計算得到S=-7,在置信度α=0.05的情況下,計算得出Z=-0.537<0,因此植被覆蓋度在2008-2017年間呈降低的趨勢;而|Z|=0.537<1.28,說明植被覆蓋度降低的趨勢沒有達(dá)到顯著水平。

      通過進(jìn)一步計算各年的UFk值和UBk值并繪制曲線時序圖(圖4),可以得到:UFk曲線的各點沒有超出置信度α=0.05水平下的閾值線,說明植被覆蓋度沒有顯著變化的趨勢;除了2011年和2013年的UFk值大于0以外,其余各年的UFk值都小于0,說明植被覆蓋度整體呈現(xiàn)下降的趨勢;UFk曲線和UBk曲線從2008年開始并沒有交點,說明2008-2017年間植被覆蓋度的變化趨勢比較平緩,沒有突變點。

      4.2?濟(jì)南市植被覆蓋空間分布特征

      為了研究濟(jì)南市2008~2017年植被覆蓋度的空間分布特征,對濟(jì)南市多年平均植被覆蓋度在不同地形帶的面積分布進(jìn)行了統(tǒng)計(表4)。結(jié)果表明:在北部的臨黃平原帶分布的植被覆蓋等級主要是Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級,所占比例分別是18.4%、23.0%和34.4%,這主要是因為濟(jì)南北部的臨黃平原帶,地形平坦、土壤肥沃,耕地分布廣;在中部的山前平原帶分布的植被覆蓋等級主要是Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級,所占比例分別是30.7%、18.8%和21.3%,這主要是因為濟(jì)南市經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的中部主城區(qū)以及平陰、長清和章丘的城區(qū)大多分布于此,植被覆蓋相比于其它地形帶較少;在南部的山區(qū)丘陵帶分布的植被覆蓋等級主要是Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級,所占比例分別是20.3%、22.8%和33.1%,這主要是因為濟(jì)南市南部的山區(qū)丘陵帶是泰山山脈的北翼,地形以丘陵、山地為主,森林茂密、植被覆蓋率高。

      為了分析濟(jì)南市植被覆蓋變化趨勢的空間分布情況,對濟(jì)南市2008~2017年的植被覆蓋變化率進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖5)。結(jié)果表明:植被覆蓋的變化率在空間上呈現(xiàn)南北高、中間低的分布規(guī)律;植被覆蓋度增長率為0.5~1的區(qū)域主要分布于濟(jì)南市的北部和西南部地區(qū),占總面積的2.44%;植被覆蓋度增長率為0~0.5的區(qū)域主要分布于濟(jì)南市的北部和西南部地區(qū),在中部地區(qū)也有廣泛的分布,占總面積的29.67%;植被覆蓋度增長率為0的區(qū)域廣泛分布于濟(jì)南全市,占總面積的41.25%;植被覆蓋度增長率為-0.5~0的區(qū)域主要分布于濟(jì)南市的中部偏北和東南部地區(qū),占總面積的23.51%;植被覆蓋度增長率為-1~-0.5的區(qū)域主要分布于濟(jì)南市中部主城區(qū)的周邊地區(qū)及濟(jì)南市的中部偏北和東南部地區(qū),占總面積的3.13%。說明濟(jì)南市的北部和西南部地區(qū)的植被覆蓋有逐漸增加的趨勢,濟(jì)南市中部除主城區(qū)以外地區(qū)的植被覆蓋有逐漸減少的趨勢。

      為了得到濟(jì)南市植被覆蓋度的重心轉(zhuǎn)移趨勢,對濟(jì)南市2008~2017年的植被覆蓋度建立重心轉(zhuǎn)移模型(圖6)??梢钥吹剑?008~2017年濟(jì)南市植被覆蓋度的空間重心分布存在不均衡性,轉(zhuǎn)移情況比較復(fù)雜,整體呈現(xiàn)西移的趨勢。2008~2009年植被覆蓋度的重心向東轉(zhuǎn)移,2009~2011年植被覆蓋度的重心向西轉(zhuǎn)移,2011~2013年植被覆蓋度的重心先向東南后向東北轉(zhuǎn)移,2013~2014年植被覆蓋度的重心向西南方向有明顯的轉(zhuǎn)移,且轉(zhuǎn)移距離比較長,2014~2017年間植被覆蓋度的重心向東北方向有所回移??臻g重心轉(zhuǎn)移情況比較復(fù)雜表明濟(jì)南市的植被覆蓋重心年際波動較大,受自然和人為因素的影響比較大;植被覆蓋度重心的西移說明濟(jì)南市西部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)植被覆蓋情況改善,人們在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時,也加強(qiáng)了對環(huán)境的保護(hù)。

      5?結(jié)論

      本文利用Landsat影像和像元二分模型法計算得到了濟(jì)南市2008~2017年的植被覆蓋度情況,并采用趨勢分析、M-K檢驗以及重心轉(zhuǎn)移模型對濟(jì)南市植被覆蓋的時空變化特征進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明:

      從時間變化特征來看,濟(jì)南市2008~2017年整體植被覆蓋變化程度不大,植被覆蓋度在0.5左右浮動,總體呈輕微下降趨勢;Ⅰ級、Ⅳ級和Ⅴ級植被覆蓋度呈現(xiàn)減少的趨勢,降幅分別為0.6%、0.3%和2.8%;Ⅱ級和Ⅲ級植被覆蓋度呈現(xiàn)增加的趨勢,增幅分別為0.3%和3.4%;Ⅲ級植被覆蓋度的轉(zhuǎn)入來源主要是Ⅳ級和Ⅴ級植被覆蓋度,Ⅴ級植被覆蓋度的轉(zhuǎn)出去向主要是Ⅲ級和Ⅳ級植被覆蓋度;M-K檢驗的結(jié)果表明,植被覆蓋度在2008~2017年間呈降低的趨勢,但降低的趨勢沒有達(dá)到顯著水平,沒有突變年份。

      從時間分布特征來看,北部臨黃平原帶和南部山區(qū)丘陵帶分布的植被覆蓋等級主要是Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級,中部山前平原帶分布的植被覆蓋等級主要是Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級;植被覆蓋的變化率在空間上呈現(xiàn)南北高、中間低的分布規(guī)律,濟(jì)南市的北部和西南部地區(qū)的植被覆蓋有逐漸增加的趨勢,濟(jì)南市中部除主城區(qū)以外地區(qū)的植被覆蓋有逐漸減少的趨勢;植被覆蓋度的空間重心分布存在不均衡性,轉(zhuǎn)移情況比較復(fù)雜,整體呈現(xiàn)西移的趨勢。

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