基于Landsat合肥市植被覆蓋度時空變化及影響因素

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環(huán)境影響的重要指標(biāo)[1]。針對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)境評價的重要參數(shù)，通過監(jiān)測植被覆蓋度的動態(tài)變化規(guī)律和特征，對區(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、財力，且效率低下，無法實(shí)現(xiàn)大面積監(jiān)測，時效性差。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)測也日益增多，孫紅雨[3]在1998年基于NOAA數(shù)據(jù)計算了全國歸一化植被指數(shù)，研究中國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，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態(tài)變化分析研究。合肥市作為我國首批國家園林城市之一，地處長三角地區(qū)，城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)和密集的人類活動導(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。目前針對合肥市的植被覆蓋的變化研究多側(cè)重于兩個時間點(diǎn)植被覆蓋度估算后的比較，缺乏多重因素的驅(qū)動分析[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～32°32′N、116°41′E～117°58′E)，地處長江中下游地區(qū)，長江和淮河之間。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、長江水系的10余條河流。近20年來，合肥市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，作為長三角地區(qū)的新興城市，合肥市對中部地區(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)動力機(jī)制，對未來城市規(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)來源及預(yù)處理

研究區(qū)行政區(qū)邊界等矢量數(shù)據(jù)來源于《國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1∶400萬數(shù)據(jù)》。研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云公開的LANDSAT系列數(shù)據(jù)，由于研究時區(qū)跨度較大，選取采集時間在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);地表覆蓋類型數(shù)據(jù)來自中國科學(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。土壤類型數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心-土壤分中心中國1 km柵格土壤系統(tǒng)分類類型圖。選取安徽省及安徽省周邊32個氣象站點(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]，計算公式如下：

(1)

式(1)中:Fc表示植被覆蓋度，NDVIsoil表示裸地或無植被覆蓋區(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

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]等對植被覆蓋度的分級標(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個等級(表1)。

表1 植被覆蓋度劃分等級

3.2 變化趨勢檢測

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計算[16]。

Sen趨勢度計算公式如下：

(2)

式(2)中，β為斜率，β>0表示上升趨勢，β<0表示下降趨勢。

同時使用Mann-Kendall對時間序列的趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，統(tǒng)計量S的計算公式如下：

(3)

(4)

本研究由于時間序列較短，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，則沒有趨勢，若概率值大于α，則變化趨勢顯著。

3.3 驅(qū)動因子分級

研究區(qū)內(nèi)選取均勻分布的16042個格網(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、降水和氣溫數(shù)據(jù)分別分為10級、8級、10級、9級、9級，土壤類型數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)分別按照原始數(shù)據(jù)類別46類和14類，最后將各類數(shù)據(jù)和植被覆蓋度變化趨勢Sen值提取到采樣點(diǎn)位中。

3.4 地理探測器模型

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

4 分析與結(jié)果

4.1 植被覆蓋度變化時空特征

根據(jù)公式(1)[14]計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，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、高等級轉(zhuǎn)變明顯，無植被覆蓋度區(qū)域呈下降趨勢。2001年無植被覆蓋度區(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，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，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，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。

合肥市植被覆蓋度整體呈現(xiàn)中心低周圍高，輻射狀升高的分布特點(diǎn)。無植被覆蓋度區(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 植被覆蓋度變化類型及演變規(guī)律

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

表2 植被覆蓋度變化類型及面積占比

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，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。

4.3 植被覆蓋度變化的影響因素分析

4.3.1 因子探測分析

根據(jù)地理探測器識別各類影響因素對植被覆蓋度變化空間分布的影響大小(表3)，土壤類型(0.06968)>降水(0.06873)>溫度(0.06223)>土地利用類型(0.04119)>坡度(0.03725)>高程(0.02724)>坡向(0.0198)。各因子的解釋q值來看，地表因素和氣候因素對植被覆蓋度變化的影響相對較大，其中氣候因素(降水和氣溫)的q值達(dá)到了13.096%，土壤類型對植被覆蓋度變化的解釋度也超過了5%。人為因素下的土地利用類型和地表因素的坡度、高程數(shù)據(jù)對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度變化沒有直接影響。

表3 影響因子對植被覆蓋度的影響力

4.3.2 影響因素交互作用分析

利用因子交互探測器探測不同影響因素對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 各因子交互作用對植被覆蓋變化空間分布的影響

降水和土壤類型的交互作用的q值最高，16.91%，溫度與土壤類型的交互作用其次，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，人類活動因素土地利用類型與氣候因素的共同作用也大于其與地表因素的作用，土地利用類型∩降水(11.98%)>土地利用類型∩土壤類型(11.78%)和土地利用類型∩溫度(10.59%)>土地利用類型∩高程(6.51%)進(jìn)一步證明了氣候因素對植被覆蓋度變化起主要作用，人類活動因素也增強(qiáng)了氣候和地表因子對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態(tài)變化，利用地理探測器模型探討了影響因素及其之間的相互作用對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。在變化類型上，整體上呈現(xiàn)了無、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，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。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)利用地理探測器探討 7 種影響因子對植被覆蓋度變化的影響，土壤類型、降水和溫度主要影響因素，土地利用類型、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性增強(qiáng)或雙因子協(xié)同增強(qiáng)作用。氣候因素對植被覆蓋度的變化起主導(dǎo)作用，高程和土壤類型，顯著增強(qiáng)了氣候?qū)χ脖桓采w度變化的影響，人類活動因素進(jìn)一步增強(qiáng)了氣候和地表因子對植被覆蓋度變化的影響。