2010-2020年鄭州市植被時空演變特征分析

韓瑞丹，朱雙偉

（1.河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450064；2.鄭州中核巖土工程有限公司，河南 鄭州 450000）

植被是陸地生態系統的重要組成部分，同時也是地表環境變化的指示器。城市植被不僅具備植物本身的抑菌殺菌、凈化空氣、降低噪聲和美化環境等功能，還具備休閑娛樂、防災避難和調節區域氣候等功能。研究城市植被變化對于認識和改善城市生態環境具有重要作用，同時可為城市空間規劃提供科學依據。

本研究基于MOD13Q1 NDVI時間序列數據，通過數據處理和數理統計，對鄭州市2010-2020年植被在時間和空間上的變化特征作出分析，為鄭州市人居環境改善和城市綠色發展提供數據支撐。

1 研究區概況

鄭州市地處中原，區位優勢獨特，是國家中心城市、全國重要的樞紐城市、中原城市群的中心城市，同時也是河南省省會，現轄6區（二七區、管城回族區、惠濟區、金水區、上街區、中原區）5市（登封市、鞏義市、新密市、新鄭市、滎陽市）1縣（中牟縣）及鄭州航空港經濟綜合實驗區、鄭東新區、鄭州經濟技術開發區和鄭州高新技術產業開發區。鄭州市全市總面積7 446 km2，人口1 035.2萬人，中心城區建成區面積647.59 km2（含航空港經濟綜合實驗區），市域城市建成區面積1 077.75 km2，城鎮化率74.6%[1]。鄭州市城市綠化率處于中國城市前列，被譽為“中原綠城”，具有“國家生態園林城市”“國家森林城市”“全國綠化模范城市”等榮譽稱號。

2 研究數據和方法

本研究選用2010年至2020年的MOD13Q1 NDVI時間序列數據，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。首先對MOD13Q1數據進行波段提取、重采樣、投影變換、數據格式轉換和感興趣區提取等預處理，其次將每年16 d的NDVI數據進行最大值合成，得到逐年NDVI年最大值數據，利用趨勢分析法和緩沖分析法分析NDVI的時空變化特征[2]。

2.1 最大值合成法

采用最大值合成法獲取NDVI年最大值，有利于削弱大氣中的云、水、雪、氣溶膠的影響，以及視角與太陽高度角的影響。本研究基于16 d的NDVI數據，采用最大值合成法獲取NDVI年最大值，用以揭示植被生長的最佳狀況及其動態變化特征。公式為：

式中：MNDVIi為第i年NDVI最大值，NDVIij為第i年第j期的NDVI值。

求取研究區內所有像元NDVI年最大值的平均值，用以衡量當年整個地區的植被生長狀況，制作NDVI年際變化折線圖。

2.2 趨勢分析法

趨勢分析法可計算研究區域監測時段內每個像元NDVI的變化趨勢，能反映該區域的植被時空變化規律。本研究利用一元線性回歸方程的斜率θslope進行趨勢分析，制作NDVI變化趨勢圖，并做顯著性檢驗，分析NDVI空間變化特征。θslope的計算公式為：

式中：n為監測時間序列的長度，MNDVIi為第i年NDVI的最大值；θslope為像元NDVI的回歸斜率值。當θslope>0時，該區域的植被呈增長或改善趨勢，反之呈減少或退化趨勢；當θslope=0時，說明該區域NDVI沒有變化。

2.3 緩沖分析法

在植被變化趨勢分析的基礎上，本研究利用緩沖分析法研究植被沿城鄉梯度的過度特征。以鄭州市主城區（中原區、二七區、金水區、管城區、惠濟區）行政范圍的質心為中心，建立的1 km間隔的圓形緩沖區，統計分析各環形緩沖區內NDVI的平均變化趨勢。

3 結果分析

3.1 空間分布特征

根據NDVI年最大值結果，將研究區的植被覆蓋度分為5個等級：低植被覆蓋（0～0.2）、較低植被覆蓋（0.2～0.4）、中植被覆蓋（0.4～0.6）、較高植被覆蓋（0.6～0.8）和高植被覆蓋（0.8～1），并進行統計分析。

根據鄭州市2020年植被空間分布圖如圖1所示，發現鄭州市植被主要以較高植被覆蓋為主（占比53.43%），高植被覆蓋次之（占比26.65%），其次依次為中植被覆蓋（占比16.00%）、較低植被覆蓋（占比3.25%）和低植被覆蓋（占比0.67%）。高植被覆蓋區主要分布在北部黃河兩岸沿線區域、西部嵩山-伏牛山一帶和南部的大熊山-始祖山一帶等區域；較低植被區主要分布在城市中心，如中原區、金水區、管城回族區及各縣市的城市中心等；低植被覆蓋區集中分布在黃河河道，僅占比0.67%。從整體上看，鄭州市植被覆蓋情況較好，中植被覆蓋、較高植被覆蓋和高植被覆蓋面積總占比高達96.08%。

圖1 鄭州市2020年植被空間分布圖

對比鄭州市6區5市1縣2020年的NDVI平均值，植被生長狀況由高到低（NDVI平均值由大到?。┮来问牵旱欠馐校?.777 2）、新密市（0.740 3）、鞏義市（0.734 5）、滎陽市（0.712 8）、新鄭市（0.701 9）、中牟縣（0.692 5）、上街區（0.646 1）、惠濟區（0.615 8）、二七區（0.609 9）、中原區（0.601 2）、金水區（0.536 5）和管城回族區（0.530 1）。

對比鄭州6區5市1縣2010-2020年歷年來的NDVI平均值，植被生長狀況由高到低（NDVI歷年平均值由大到?。┮来问牵旱欠馐校?.739 2）、新密市（0.735 2）、中牟縣（0.721 3）、鞏義市（0.716 9）、新鄭市（0.710 9）、滎陽市（0.705 8）、惠濟區（0.618 3）、上街區（0.613 8）、二七區（0.576 9）、中原區（0.539 7）、管城回族區（0.511 8）和金水區（0.507 4）。

由以上2種排名可見，鄭州市5市1縣的植被覆蓋度明顯高于鄭州市6區。

按照2020年高植被覆蓋區的占比排序，由高到低依次是：登封市（47.78%）、鞏義市（32.81%）、滎陽市（27.34%）、新密市（26.52%）、上街區（24.97%）、中牟縣（22.56%）、新鄭市（22.37%）、二七區（12.49%）、惠濟區（11.13%）、中原區（8.49%）、管城回族區（2.67%）和金水區（2.34%）。

按照2020年較高植被覆蓋區和高植被覆蓋區的占比排序，由高到低依次是：登封市（94.00%）、新密市（91.30%）、鞏義市（87.50%）、滎陽市（84.76%）、新鄭市（79.83%）、中牟縣（77.82%）、上街區（61.50%）、二七區（56.00%）、惠濟區（55.50%）、中原區（50.28%）、金水區（31.33%）和管城回族區（31.26%）。

由以上2種排名可見，鄭州市各區域高植被覆蓋占比差異較大，較高植被覆蓋和高植被覆蓋總占比差異更大。

在鄭州6區5市1縣中，總體上看，5市1縣的高植被覆蓋占比、較高和高植被覆蓋總占比相比6區的更大。5市1縣均以較高植被覆蓋和高植被覆蓋為主；登封市占比最高的植被等級為高植被覆蓋，且登封市高植被覆蓋占比遠遠高于其他地區；其他市縣占比最高的植被等級均為較高植被覆蓋。鄭州6區均以較高植被覆蓋和中植被覆蓋為主；6區中上街區的高植被覆蓋占比最高，甚至高于2020年新鄭市的高植被覆蓋占比；管城回族區和金水區占比最高的植被等級為中植被覆蓋，其他4區占比最高的植被等級為較高植被覆蓋。

3.2 年際變化分析

縱觀植被隨時間（年份）變化如圖2所示，發現2010-2020年，鄭州市植被NDVI最小值呈下降趨勢，于2016年達到最小值，但近4年有所增大；NDVI平均值也呈下降趨勢，在2014年有一個明顯的下降波動；NDVI最大值年際變化甚微，基本保持穩定。

圖2 鄭州市2010-2020年NDVI最小值、最大值、平均值年際變化

鄭州市2010-2020年各等級NDVI占比年際變化如圖3所示，發現從2010-2020年，鄭州市低植被覆蓋區占比保持穩定，較低植被覆蓋區、較高植被覆蓋區和高植被覆蓋區占比均變小，中植被覆蓋區占比變大。高植被覆蓋區、中植被覆蓋區占比年際變化波動較大。其中在2014年，高植被覆蓋區占比明顯降低，中植被覆蓋區和較低植被覆蓋區占比明顯增加；2018年，高植被覆蓋區占比明顯增加，而較高植被覆蓋區和中植被覆蓋區占比明顯降低。

圖3 鄭州市2010-2020年各等級NDVI占比年際變化

基于對鄭州6區5市1縣的分析，自2010-2020年，在鄭州6區中，僅有惠濟區的NDVI平均值呈降低趨勢，其他5區均呈增高趨勢；在鄭州5市1縣中，登封市和鞏義市NDVI平均值變化呈增高趨勢，新密市、新鄭市、滎陽市、中牟縣NDVI平均值呈降低趨勢，其中中牟縣和新鄭市NDVI平均值分別呈極顯著降低和顯著降低。

3.3 時空變化分析

鄭州市2010-2020年植被NDVI變化趨勢圖，如圖4所示，發現自2010-2020年，鄭州市整體植被呈退化趨勢，植被退化的面積占鄭州市總面積的56.53%，植被改善的面積占鄭州市總面積的43.47%?；轁鷧^、新密市、新鄭市、滎陽市和中牟縣5個地區植被變化呈退化趨勢，其中新鄭市和中牟縣植被退化比較嚴重，分別占各市縣面積的79.38%和77.43%；二七區、管城回族區、金水區、上街區、中原區、登封市和鞏義市7個地區植被變化呈改善趨勢，其中二七區、管城回族自治區、金水區、上街區與登封市植被改善較好，植被改善區域面積均占各區域總面積的60%以上。鄭州市各區域2010-

圖4 鄭州市2010-2020年植被NDVI變化趨勢圖

2020年植被NDVI變化比例統計見表1。

表1 鄭州市各區域2010-2020年植被NDVI變化趨勢統計

3.4 主城區植被沿城鄉梯度變化分析

鄭州市主城區植被在城鄉梯度上的變化特征和鄭州市主城區2010-2020年植被NDVI在城鄉梯度上的變化趨勢分析如圖5和圖6所示，發現自2010-2020年，鄭州市主城區植被在城鄉梯度上的變化特征從整體上呈現出市中心改善、遠離市中心退化的勢態。在距離城市中心13 km的范圍內，植被生長呈改善狀態；在距離城市中心13～26 km的范圍內，植被生長呈退化狀態；在距離城市中心3～22 km的范圍內，植被生長狀況隨著距離的增長，改善勢態越來越不明顯（slope為正值，但逐漸變?。?，而退化勢態越來越明顯（slope為負值，且其絕對值逐漸變大）。

圖5 鄭州市主城區植被在城鄉梯度上的變化特征

圖6 鄭州市主城區2010-2020年植被NDVI在城鄉梯度上的變化趨勢分析

4 結束語

本研究利用遙感技術和GIS空間分析技術，對鄭州市2010-2020年植被時空變化特征進行分析。結果表明：

（1）鄭州市植被覆蓋情況較好，中植被覆蓋、較高植被覆蓋和高植被覆蓋面積總占比高達96.08%。5市1縣的高植被覆蓋占比、較高和高植被覆蓋總占比相比6區的更大，即5市1縣的植被覆蓋度更高。

（2）近11年來，鄭州市植被NDVI平均值呈下降趨勢，低植被覆蓋區占比保持穩定，較低植被覆蓋區、較高植被覆蓋區和高植被覆蓋區占比均變小，中植被覆蓋區占比變大。在鄭州6區中，除惠濟區外，其他5區NDVI平均值均呈增高趨勢；在5市1縣中，除登封市和鞏義市外，其他4個市縣NDVI平均值呈降低趨勢。

（3）近11年來，鄭州市植被整體呈退化趨勢，植被退化的面積占鄭州市總面積的56.53%，植被改善的面積占鄭州市總面積的43.47%。惠濟區、新密市、新鄭市、滎陽市和中牟縣5個地區植被變化呈退化趨勢；二七區、管城回族區、金水區、上街區、中原區、登封市和鞏義市7個地區植被變化呈改善趨勢。

（4）近11年來，鄭州市主城區植被在城鄉梯度上的變化特征從整體上呈現出市中心改善、遠離市中心退化的勢態。