湘中地區地級市植被覆蓋變化多尺度分析

摘要 歸一化植被指數（NDVI）作為一種植被指數，其數據集合在一定程度上可以反映區域的植被覆蓋變化情況，是監測生態環境變化的一項重要指標。本文以湘中地區XT市為研究區域，以250 m空間分辨率的NDVI數據集作為數據源，采用一元線性回歸方法和相關系數方法，從省、市、縣3個尺度對比分析不同尺度的植被覆蓋變化，為不同尺度上的宏觀生態政策制定提供參考。結果表明，研究區大部分區域植被覆蓋呈明顯增加趨勢；市、縣區植被覆蓋增長速率低于全省年均增長率，且XT市、XX市和SS市植被覆蓋呈明顯增長趨勢。

關鍵詞 歸一化植被指數；植被覆蓋度；多尺度分析；時空變化

中圖分類號 X171.1；Q948" "文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）12-0088-06

Multi-scale analysis of vegetation cover changes in central Hunan region

ZHANG Qingbin" " DUAN Qingda" " LIU Wenxiang

（College of Forestry， Xinyang Agriculture and Forestry University， Xinyang 464399， China）

Abstract As a planting index， NDVI data set can reflect the changes of regional vegetation coverage to a certain extent， which is an important index to monitor the change of ecological environment. In this paper， the NDVI dataset with a resolution of 250 m was used as the data source， and the unitary linear regression method and correlation coefficient method were used to conduct comparative analysis from the vegetation cover of the central Hunan region（XT）， and the vegetation change at different scales was analyzed from the three scales of the province， city and county. It provides reference for the formulation of macro-ecological policies on different scales. The results showed that the vegetation in most areas of the region showed a significant increase trend. Compared with the average annual growth rate of the whole province， the vegetation cover growth rate of XT City was lower than the average annual growth rate of the province， and the vegetation cover of XT and XX and SS City showed a significant growth trend.

Keywords normalized difference vegetation index; vegetation coverage; multi-scale analysis; spatial and temporal variation

植被是地表物質能量循環的重要載體[1]，也是區域環境評價的重要參數之一。通過分析區域植被覆蓋的變化，探究區域植被變化，并從不同尺度上分析植被變化速率的差異，可以為不同尺度宏觀生態保護提供參考。

相關學者采用不同的數學統計方法，剝離出氣候、人為活動等相關因素，探究植被變化的影響因素[2]，然而，受當時技術方法的限制，暫末對大尺度、長時間序列的植被覆蓋變化展開分析和歸因性分析。衛星遙感技術的快速發展，使得衛星數據具有快速被獲取和分析的特點，由于該技術可以快速獲取實時、動態連續的地表植被變化，成為植被動態變化監測和全球化變化研究的一個有效途徑[3-4]。歸一化植被指數（Normalized difference vegetation index，NDVI）作為基于電磁波譜中紅外和近紅外部分的重要遙感產品之一，可以在不同大小尺度范圍內反映植被的動態變化[5-6]。目前，已有較多學者先后使用NDVI數據集，例如Modis衛星的1 000、500和250 m的數據集，從全球到局部尺度探究植被的動態變化，并展開原因分析和探索[7]。符淙斌等[7]從全國尺度上探究了植被覆蓋的變化情況。秦超等[8]基于NDVI數據集，從省域尺度對2000—2012年陜西地區植被覆蓋的時空變化展開分析，探究了氣候與植被變化之間的關系。殷崎棟等[9]使用NDVI數據集探討了2001—2018年陜西地區人為活動對植被覆蓋變化的影響。高瀅等[10]使用NDVI數據，結合極端氣溫數據，在空間尺度上探討植被覆蓋對于氣候事件的影響。唐亮等[11]使用經驗模態分解結合肯德爾曼分析法，監測出區域植被的綠化和褐變趨勢。Wang等[12]、Liu等[13]采用經驗正交函數結合Mann-Kendall檢驗，分析了植被生物量變化，采用相關的NDVI數據集，從人為、自然兩個方面探究了全球尺度生物量變化的原因；樸世龍等[14]在全國區域尺度上使用8 km分辨率AVHR數據集，探究了1982—1999年的植被變化情況，總體上，全國植被變化呈現出先減少后增加的趨勢，在全國尺度上揭示了植被覆蓋情況，為有關植被變化的研究提供了參考。劉梁美子等[15]采用多元逐步回歸分析方法揭示了區域尺度上植被覆蓋變化與氣候的關系。劉洋等[16]研究分析了1982—2013年新疆地區NDVI指數數據，結果表明，新疆地區的植被覆蓋變化呈現地理空間上的分異現象。李運剛等[17]探究了紅河流域的植被變化，并分析了其與氣候之間的關系。

NDVI作為一種廣泛用于植被覆蓋變化研究的數據集，相關學者利用該數據，從不同角度和方法研究了各項因素對植被覆蓋的影響，氣候和人為活動作為影響區域植被覆蓋變化的主要因素，是研究者常考慮分析的方面。已有研究多采用地理探測器、殘差回歸分析和多元回歸分析等，在時間尺度和空間尺度上探究植被變化及其原因，大多數研究的尺度僅局限在省域或市域尺度上展開分析，而對不同尺度的對比分析和論證有待進一步探討，以為不同尺度上環境保護和生態保護提供參考。研究區地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原的過渡地帶，地勢呈三面環山、朝北開口的馬蹄形，由平原、盆地、丘陵地、山地和河湖構成，地跨長江、珠江兩大水系，屬亞熱帶季風氣候。該地區地形地貌變化豐富，是退耕還林還草項目試點之一，自推行相關林業工程項目以來，對該地區植被覆蓋變化產生的影響具有典型性和代表性。相關學者研究了植被覆蓋變化，并進行了歸因性分析。例如，黃春曉等[18]依據NDVI數據集，采用逐個像元回歸分析和相關性分析方法，探究了該地區植被覆蓋時空變化及其影響因素，發現春季水熱耦合最為明顯，秋季降水主導了NDVI值的空間分布，冬季溫度是植被生長的主要影響因子；桑國慶等[19]基于2000—2018年的NDVI數據集，運用Mann-Kendall趨勢分析檢驗、Hurst指數和相關分析等方法探究了植被覆蓋時空變化，研究表明，未來植被變化的總體趨勢可能退化（占76.59%），其中改善與強反持續性趨勢占23.25%。張慶斌等[20]使用NASA提供的植被指數三級格網數據探究了植被變化及其影響因素，發現2000—2017年該地區植被覆蓋總體得到改善，其中氣候影響因素方面，溫度對于植被覆蓋變化的影響強于降水對其的影響。上述的研究工作基本是從全省尺度對該地區植被變化展開評估，暫缺少市、縣尺度上植被覆蓋變化的分析評估。XT市是研究區城市群的一部分，其經濟發展較為迅速，人為活動對該區域的植被變化起到了一定的影響，因此，對XT市植被變化情況從市、縣尺度上展開分析，一方面可對其在發展經濟兼顧保護區域環境的政策制定方面提供數據支撐，另一方面可在尺度上的細化研究，更加全面科學地認識退耕還林還草工程實施以來該地區的植被覆蓋變化。本研究使用2000—2022年XT地區空間分辨率為250 m的NDVI數據，采用線性趨勢回歸分析方法，從市、縣尺度出發分析該地區植被覆蓋情況變化，進而對該地區植被變化進行定量定性評價，為區域植被和環境保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區基本情況

研究區位于湘中地區，面積28 100 km2，屬于中亞熱帶季風氣候，四季較為分明，冬季較短，夏熱期較長，降水充足。自推行退耕還林還草工程項目以來，研究區植被覆蓋度明顯提升，XT地區作為城市群的重要組成部分，其植被覆蓋變化在一定程度上可以反映該地區植被和森林變化情況。

1.2 數據源與數據處理

本研究使用2000—2022年的MOD13Q1歸一化植被指數數據，數據產品為Modis三級格網植被產品數據，數據空間分辨率250 m，時間分辨率16 d。使用MRT軟件完成相關數據的批量處理，并使用數據對應提供的質量掩膜文件剔除不良像元值，在Arcmap中完成植被產品的批量裁剪；NDVI數據的有效值在[-1，1]，NDVI值小于0代表非植被區域[3]，為了探究不同尺度地區植被覆蓋變化，在數據預處理過程中，將小于0的NDVI值進行篩選剔除，將預處理之后的NDVI數據進行整理，然后從數據集合中取4—11月的平均值，得到2000—2022年的生長季NDVI。生長季節的NDVI已被證明是給定年份生物量產量最穩定的[4]。將提取得到的NDVI數據，通過Arcmap軟件平臺分析其時空變化趨勢，從空間和時間兩個尺度對其展開分析判斷，然后對比市、縣尺度上植被變化速率的差異。

1.3 一元線性回歸趨勢線分析

采用一元線性回歸分析法分析植被覆蓋變化，計算公式如下[5]。

[Slope =n i=1ni NDVIi ? i=1nii=1nNDVIini=1ni2 ? i=1ni2] （1）

式（1）中，Slope代表斜率，i代表2000—2022年的第i年，NDVIi代表第i年的NDVI值。Slopegt;0，代表植被在2000—2022年呈現增長趨勢；Slope=0，說明植被這期間沒有變化；Slopelt;0，代表植被這期間呈現減少趨勢。為了在像元尺度上對XT地區植被覆蓋變化進行統計學差異性檢驗，使用式（2）對該地區植被覆蓋變化進行統計學差異性檢驗。

[Rxy=i=1nxi?Xyi? Yi=1n（xi?X）2i=1n（yi? Y）2 ] （2）

式（2）中，Rxy代表自變量和因變量的相關系數，n代表2000—2022年各變量的樣本個數，xi代表年數，yi代表每年NDVI的值，[X]代表自變量年數的平均值，[Y]代表因變量NDVI的平均值。如果相關系數大于0，表明植被呈現改善趨勢，反之表明該區域植被呈惡化狀況。Rxy通過0.05的差異性（Plt;0.05）檢驗，植被呈現明顯變化，通過一元線性回歸方程分析2000—2022年XT地區的植被變化情況。

2 結果與分析

2.1 總體植被覆蓋變化

研究區所在省域2000—2022年年均NDVI的變化情況如圖1所示，NDVI最大值為0.683，出現在2014年，最小值為0.511，出現在2000年。其中，XT地區的NDVI最大值出現在2022年，為0.612，最小值出現在2000年，為0.487（圖2）。

為進一步細化描述XT地區的植被覆蓋空間變化，通過GIS軟件計算得到該區域植被覆蓋變化分級（表1），可以看出，XT地區大部分區域植被覆蓋得到改善，說明2000—2022年該地區的植被覆蓋總體得到恢復。結合XT地區植被覆蓋變化趨勢分析（表1），2000—2022年XT地區植被覆蓋總體為明顯增長趨勢，空間尺度上大部分區域得到改善。

2.2 XT地區縣級尺度的NDVI時空變化

進一步細化XT地區植被覆蓋的變化情況，統計該地區2000—2022年縣級尺度上NDVI的變化情況（圖3—7）。2000—2022年，YH區NDVI指數的最大值為0.537，出現在2014年，最小值出現在2000年，為0.454；YT區NDVI指數最大值出現在2019年，為0.492，最小值出現在2000年，為0.407；XT縣NDVI指數最小值為0.490，出現在2000年，最大值為0.647，出現在2014年；XX市NDVI指數的最大值出現在2014年，為0.644，最小值為0.495；SS市的NDVI指數分別在2000和2014年取得最小、最大值，分別為0.650和0.523。根據2000—2022年XT地區及其縣區植被覆蓋變化，部分縣區植被覆蓋呈明顯增長或平緩增長趨勢。

2.3 不同尺度植被覆蓋變化趨勢對比

綜合對比分析研究區所在省域和研究區5個縣區級行政單位的植被覆蓋變化（表2），由表2可知，研究區省域、XT市、XX市及SS市植被覆蓋均呈明顯增長趨勢，其余地區植被覆蓋呈現增長趨勢。這說明研究區所采用的相關林業政策對該地區植被覆蓋變化起到積極作用。

3 結論與討論

本文基于研究區NDVI數據展開分析，得出如下結論：2000—2022年XT地區大部分區域植被覆蓋呈明顯改善趨勢，少部分地區植被出現褐變的情況；XT地區大部分區域植被覆蓋呈增長趨勢；以研究區所在省域的NDVI指數年均增長速率為標尺，XT各區縣的NDVI指數增長速率均低于省域年增長率。此外，對比分析省域和XT各區縣植被覆蓋變化速率的差異，細化了研究尺度，量化了時間尺度不同空間尺度上植被指數的差異性變化。然而，該分析方法有其局限性，一是沒有對比分析全省地州市植被覆蓋變化趨勢，建立對比分析的尺度標準。二是未考慮造成這種差異性變化的原因，同時，未考慮多種潛在因素之間的相互作用對植被覆蓋變化的影響。三是未從省級到市級相關林業工程項目執行方面展開細化分析，探究相關工程項目對區域植被覆蓋變化的影響。

綜上，本研究使用2000—2022年湘中地區XT市空間分辨率250 m的NDVI數據，采用線性趨勢回歸分析方法，從省、市、縣尺度上分析不同區域植被覆蓋變化速率的差異，為該地區植被和環境保護提供參考。在后續的研究中，需要考慮多因素變量對植被覆蓋變化的影響，對比分析不同算法的結果差異性，并對這種差異性展開進一步的討論分析。應用多源數據，展開對比分析和判斷植被覆蓋變化分析結果的異同，并對多源數據展開回歸分析，構建新的長時間序列植被指數產品。

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（責編：何 艷）