基于GIS的滁州市NDVI時空動態(tài)變化分析

李俊杰 馮婧娟 彭俊

摘 要：根據(jù)中國科學院地理科學與資源研究中心提供的年度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集，采用莫蘭指數(shù)、高/低聚類、聚類和異常值和熱點分析等方法，對滁州市1999-2018年的NDVI時空動態(tài)變化進行分析。結(jié)果表明，滁州市呈現(xiàn)低值NDVI區(qū)域聚類模式，主要分布在女山湖風景區(qū)、瑯琊山風景區(qū)和高郵湖風景區(qū)，并且低值地區(qū)相連，區(qū)域之間具有明顯的相關(guān)性（即在空間位置上表現(xiàn)為相鄰）;滁州市低值NDVI聚類趨勢由女山湖風景區(qū)的單一聚類，逐漸演變?yōu)槿齻€風景區(qū)的聚類，并對區(qū)域性經(jīng)濟體的形成起著至關(guān)重要的促進作用。

關(guān)鍵詞：滁州市;GIS;NDVI;時空動態(tài)

中圖分類號：Q948 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）06-0053-04

引言

植被是土壤、大氣和水之間的天然紐帶，具有明顯的季節(jié)變化和年際變化特征，在一定程度上代表土地覆蓋的內(nèi)容，通常會因為氣候變化、降水變化和經(jīng)濟政策等發(fā)生改變。在植被評價中常用NDVI來描述植被的生長狀態(tài)、植被覆蓋度等內(nèi)容。國內(nèi)許多學者對NDVI在不同尺度上的變化趨勢進行研究[1-5]。王海軍利用GIS、RS對中國西北地區(qū)NDVI時空變化特征及其區(qū)域氣候變化進行分析，探討了氣溫和降水的回歸性、滯后性以及兩者對NDVI的綜合作用[6];畢曉麗等利用NDVI起伏型時間序列模型，對中國NDVI時間序列動態(tài)變化進行分析[7]，NDVI動態(tài)變化主要受環(huán)境因子、植被類型、土地利用、覆蓋變化等影響。國外許多學者在研究植被動態(tài)變化趨勢時，通常分析NDVI對氣候、降水變化的響應程度和滯后性[8-10]。Bounoua等通過NDVI的變化特征得出植被密度的增加可以部分補償溫室效應的平行增加。植被狀態(tài)的變化會影響降水分布的低頻模式，并可能降低其在熱帶地區(qū)的低頻變異性，在北緯地區(qū)則可能增加其低頻變異性[11]。Bounoua等利用小波分析提供了區(qū)域尺度上植被動態(tài)的相關(guān)信息，如NDVI的平均值和最小值、物候周期的振幅、NDVI最大值出現(xiàn)的時間和土地覆蓋變化，后者與降水數(shù)據(jù)相結(jié)合，用于解釋觀測到的土地覆蓋變化，并確定與土地退化有關(guān)的細微變化[12]。

20年前，滁州市只是一個默默無聞的小城，20年后成功邁入了全國文明城市的行列，短短20年間滁州市生態(tài)文明建設(shè)取得了重大突破，未來的發(fā)展將會蒸蒸日上。本文基于年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集，利用RS解譯和GIS空間分析方法，研究滁州市1999-2008年NDVI的時空動態(tài)變化，探究植被系數(shù)發(fā)生變化的原因，分析其未來的發(fā)展趨勢，研究成果可為地方政府和管理人員提供解決方案和參考，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境保護和修復工作提供新的思路。

1 研究區(qū)域概況

滁州市位于安徽省東部，長江以北，東南連接“長三角”，習慣上稱“皖東”。轄鳳陽縣、定遠縣、明光市、天長市、來安縣、全椒縣、瑯琊區(qū)、南譙區(qū)，全市土地總面積1.35萬平方公里。基本上處于江蘇省南京市、安徽省合肥市及蚌埠市構(gòu)成的三角區(qū)域內(nèi)，是南京都市圈核心伙伴城市。周邊臨近江蘇省揚州市、淮安市、宿遷市及本省淮南市等。市域襟江帶淮，南望長江，北流淮河，山水相間。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

通過中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心下載獲取1999-2018年的年度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集。在全國地區(qū)地級市邊界，截取滁州市地級市邊界矢量數(shù)據(jù)，導入個人地理數(shù)據(jù)庫中。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI矢量數(shù)據(jù)采集

利用ArcGIS中的柵格數(shù)據(jù)掩膜提取功能，以滁州市矢量數(shù)據(jù)為邊界，分別從全國NDVI柵格數(shù)據(jù)中提取1999-2018年的滁州市NDVI柵格數(shù)據(jù)集，將NDVI柵格數(shù)據(jù)進行重分類，將重分類的滁州市NDVI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成面，得到滁州市NDVI矢量數(shù)據(jù)。

對滁州市NDVI矢量數(shù)據(jù)屬性中的符號系統(tǒng)進行色彩分級，輸入值NDVI_VALUE，采用自然斷點法，將其NDVI分為五類，最低值為0，最大值為0.92（不采用負值，因為負值往往是遙感圖像受到云、雪等因素影響生成的，一般接近零的值以巖石和裸土為主，對生態(tài)評價參考價值不大）。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

（1）莫蘭指數(shù)（Morans I） 莫蘭指數(shù)是衡量空間自相關(guān)程度的一個綜合性評價，用來評價數(shù)據(jù)在全局成聚集或離散的隨機分布程度，通常分布區(qū)間為[-1，1]。[0，1]為各地理實體之間存在正相關(guān)性，[-1，0]為各地理實體之間存在負相關(guān)性，0表示無相關(guān)。該指數(shù)會產(chǎn)生P值和Z值，通常Z只要大于規(guī)定臨界值2.58或者-2.58，隨機產(chǎn)生此聚類或離散模式的可能性小于1%，若同時P為0，則可以拒絕零假設(shè)。如果拒絕零假設(shè)，可判斷空間分布上為聚類或離散。

（2）高/低聚類分析（Getis-Ord General G） General G是用來衡量高/低值聚類程度的綜合性評價，通常分布區(qū)間為[0，1]。該方法會產(chǎn)生P值和Z值，通常Z只要大于規(guī)定臨界值2.58或者-2.58，隨機產(chǎn)生此聚類模式的可能性小于1%，若P值較小且在統(tǒng)計學上顯著，則可以拒絕零假設(shè)。如果零假設(shè)被拒絕，Z值為正數(shù)，則觀測的General G指數(shù)會比期望的General G指數(shù)要小，表明屬性的低值在研究區(qū)域中聚類。

（3）聚類和異常值分析（Anselin local Morans I） 聚類和異常值分析可識別具有擁擠顯著性的熱、冷點和空間異常值，使用局部莫蘭指數(shù)統(tǒng)計量，對加權(quán)要素進行分析。正值表示要素具有包含同樣高或同樣低的屬性值的鄰近要素，該要素是聚類的一部分負值I表示要素具有包含不同值的鄰近要素，該要素是異常值。

（4）冷熱點分析（Getis-ord Gi*） 熱點分析是通過某個要素及其相鄰要素的局部總和將與所有要素的總和進行比較。當局部總和與所預期的局部總和有很大差異，以至于無法成為隨機產(chǎn)生的結(jié)果時，會產(chǎn)生一個具有顯著統(tǒng)計學意義的Z值。若Z為負值，表示冷點區(qū)域;Z為正值，表示熱點區(qū)域。

3 滁州市NDVI的時空動態(tài)變化

3.1 NDVI時空變化特征

通過莫蘭指數(shù)分析，初步判斷1999-2018年滁州市NDVI的動態(tài)分布趨勢（即在空間分布上呈現(xiàn)離散或聚集），獲得的Moran I指數(shù)動態(tài)變化如表1所示。Z值在10.7-21.0之間，平均值為15.1，遠大于規(guī)定的臨界值，隨機產(chǎn)生此聚類的模式可能性小于1%。莫蘭指數(shù)分布在0.21-0.60之間，平均值為0.42，處于[0，1]之間，且有逐漸減小的趨勢，表明滁州市的NDVI呈現(xiàn)聚集的動態(tài)變化趨勢。

高/低值聚類分析獲得的高/低聚類動態(tài)變化如表2所示。Z值的分布區(qū)間在-1.82至-11.43之間，平均值為-6.83，遠小于規(guī)定臨界值，此結(jié)果隨機產(chǎn)生低聚類模式的可能性小于1%。同時高/低值的General G均值為0.000005，說明滁州市NDVI低值數(shù)據(jù)的集聚趨勢明顯。

輸出滁州市NDVI聚類和異常值分布圖，將圖形屬性分為沒有明顯聚集、高值與高值集聚、高值包圍低值分布、低值包圍高值分布、低值和低值集聚五大類，通過類別分布來研究區(qū)域之間的空間相關(guān)性。可以清楚地發(fā)現(xiàn)，低值和低值地區(qū)相連，區(qū)域之間具有明顯的相關(guān)性，在空間位置上表現(xiàn)為相鄰。

1999-2018年滁州市NDVI低值與低值集聚現(xiàn)象趨于穩(wěn)定，主要分布于瑯琊區(qū)，明光市北部和天長市東部，說明這三個地區(qū)處于低植被覆蓋地區(qū)，土地利用率較高，自然環(huán)境相對較差。其原因可能是這三個地區(qū)分別為瑯琊山風景區(qū)、女山湖風景區(qū)和高郵湖風景區(qū)。從21世紀初開始，滁州市旅游業(yè)成為一種綜合性產(chǎn)業(yè)，是拉動經(jīng)濟發(fā)展的重要動力。加快發(fā)展旅游業(yè)，是深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、培育經(jīng)濟增長新動能的重要引擎，是促進產(chǎn)業(yè)扶貧脫貧、提高人民群眾生活品質(zhì)的重要途徑，是擴大對外開放、提升地區(qū)形象的重要舉措。滁州市旅游業(yè)在2000年收入5.59億元，占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值254.9億元的2.19%，至2018年收入240.9億元，占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值1801.7億元的13.37%。旅游業(yè)呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展趨勢，經(jīng)濟得到迅速發(fā)展，也導致三個風景區(qū)自身及周邊地區(qū)植被被用于旅游開發(fā)，土地利用率升高。

2006年明光市首次出現(xiàn)高值包圍低值區(qū)域，其原因可能是明光市女山湖森林覆蓋率較低，森林質(zhì)量不高，多為人工林，且受松材線蟲的侵害，生態(tài)系統(tǒng)多樣性受到嚴重威脅。“十一五”期間，明光市為加強自然保護區(qū)管理與建設(shè)，對現(xiàn)有的自然保護區(qū)保護績效進行動態(tài)管理，強化自然保護區(qū)監(jiān)管能力，提高自然保護區(qū)管理水平，根據(jù)省、市《自然保護區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，繼續(xù)開展自然保護區(qū)建設(shè)，提高自然保護區(qū)覆蓋率。科學確定旅游區(qū)的游客容量，合理設(shè)計旅游線路，使旅游基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的承載力相適應。在2014年，明光市、來安縣、瑯琊區(qū)和天長市出現(xiàn)了大量高值包圍低值地區(qū)，其原因可能是在“十二五”期間，滁州市制定了《滁州市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》，根據(jù)區(qū)域資源環(huán)境承載能力、發(fā)展基礎(chǔ)與潛力，立足科學發(fā)展，合理劃分重點開發(fā)、限制開發(fā)和禁止開發(fā)的主體功能區(qū)。限制開發(fā)區(qū)域為森林資源密集地區(qū)、江河水系源頭地區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)等，主要包括鳳陽山、岱山、老嘉山、練子山、皇甫山、瑯琊山、孤山和黃栗樹等生態(tài)綠核區(qū)。其任務是強化生態(tài)保護與整治，引導人口向重點開發(fā)區(qū)和優(yōu)化開發(fā)區(qū)轉(zhuǎn)移，選擇條件好的中心鎮(zhèn)進行集約開發(fā)，促使了高值包圍低值區(qū)域的形成。

3.2 NDVI時空變化趨勢

通過冷熱點分析，探究NDVI低值聚類空間分布特征的相關(guān)性對滁州市各區(qū)域產(chǎn)生的影響，獲得1999-2018年的冷熱點分布特征，以更加直觀地反映出區(qū)域之間的相關(guān)性。分布特征表明滁州市冷點聚類趨勢顯著。

1999-2010年冷點在女山湖風景區(qū)及附近旅游業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈聚類，其原因可能是明光市位于江淮分水嶺之上，處于南京、合肥、徐州三大都市圈中心地帶，是中西部和長三角交匯處，是開發(fā)皖江承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的良好示范基地。2000年以來，明光市為打造吸引東部魅力后花園，加快女山地質(zhì)公園景區(qū)建設(shè)，促進其不斷升級。全力打造女山休閑度假旅游區(qū)，營造女山水域景觀、山岳景觀、地質(zhì)景觀、文化遺存和民俗風睛，使其成為長三角區(qū)域中融生態(tài)、休閑、度假、科普于一體的旅游勝地，加快爭創(chuàng)4A級旅游景區(qū)的步伐。女山湖景區(qū)在加強自身建設(shè)和管理的同時，也在積極對外招商引資，促使女山湖風景區(qū)及周邊產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟的發(fā)展，土地利用率得到提高，女山湖景區(qū)及周邊呈現(xiàn)低值NDVI聚類分布趨勢。

2011年冷點聚類開始分布于女山湖景區(qū)、瑯琊山景區(qū)和高郵湖景區(qū)，并且在2014-2015年冷點區(qū)域達到最大化。可能原因是女山湖景區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展，為其他兩個景區(qū)提供了借鑒作用。“十二五”期間，滁州市旅游業(yè)總體呈現(xiàn)提質(zhì)增效、持續(xù)向好的發(fā)展態(tài)勢。旅游產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大，綜合實力大幅提升，從政策機制等方面提出旅游業(yè)的發(fā)展方向和措施，改革創(chuàng)新不斷突破;重點景區(qū)和城鎮(zhèn)的公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進一步加強，旅游標識系統(tǒng)、旅游公廁、旅游資訊等公共服務建設(shè)取得實質(zhì)性進展，基礎(chǔ)設(shè)施顯著改善;“醉美滁州、亭好滁州”的品牌形象深入人心，紅色產(chǎn)品、綠色產(chǎn)品、藍色產(chǎn)品、古色產(chǎn)品、文旅產(chǎn)品等擁有一定知名度，品牌效應不斷提升，品牌形象日益彰顯。使得三個風景區(qū)旅游業(yè)發(fā)展迅速，其風景區(qū)周邊產(chǎn)業(yè)鏈得到鞏固和發(fā)展，土地利用率較高，經(jīng)濟發(fā)展迅速。

2016年起，冷點區(qū)域又開始減少，恢復到三個風景區(qū)聚類模式。原因可能是“十三五”期間，滁州市環(huán)境保護工作緊緊圍繞“十三五”環(huán)保規(guī)劃這個總綱，嚴格環(huán)境準入，深入開展污染治理，突出做好重點行業(yè)環(huán)境監(jiān)管，強化環(huán)境風險及環(huán)境應急管理，加強環(huán)境保護能力建設(shè)。對定遠吳圩鎮(zhèn)、明光女山湖、天長永豐鎮(zhèn)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和鳳陽小崗村、南譙二郎村等9個村莊實施“鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境連片整治”和“問題村”治理，開展對78個建制村農(nóng)村環(huán)境綜合整治，集中打造一批生態(tài)創(chuàng)建示范點。出臺《滁州市生態(tài)強市建設(shè)行動計劃》，全椒縣成功創(chuàng)建全市第一個省級生態(tài)縣，天長市永豐鎮(zhèn)、來安縣舜山鎮(zhèn)率先成功創(chuàng)建國家級生態(tài)鎮(zhèn)。目前，全市省級生態(tài)縣1個，國家級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)2個，省級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)40個，生態(tài)村81個，市級生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)44個，生態(tài)村202個。滁州市在“十三五”期間，對各個市縣農(nóng)村進行生態(tài)改造，植被得到了恢復，使得低值NDVI開始逐漸減少。

4 結(jié)論與展望

（1）加強對低值NDVI的區(qū)域環(huán)境保護，做到可持續(xù)性發(fā)展。1999-2018年滁州市NDVI始終為低值NDVI區(qū)域聚類模式，未來很可能繼續(xù)保持低值NDVI聚類的趨勢。因此，在土地合理開發(fā)利用的同時，要進行自然植被的保護和修復工作，真正做到“綠水青山就是金山銀山”。

（2）發(fā)展低值NDVI區(qū)域經(jīng)濟體，帶動區(qū)域性經(jīng)濟發(fā)展。滁州市低值NDVI聚類主要分布于女山湖風景區(qū)、瑯琊山風景區(qū)和高郵湖風景區(qū)。近年來，滁州市入選全國文明城市，旅游業(yè)得到了迅速發(fā)展，還形成了南京、合肥、徐州三大都市圈中心地帶的商業(yè)圈，低值地區(qū)已經(jīng)發(fā)揮帶動作用，促使區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展。

（3）政府以低值NDVI景區(qū)為鑒，總結(jié)經(jīng)驗教訓。1999-2018年滁州市低值NDVI聚類趨勢由女山湖景區(qū)單一聚類，慢慢演成了三個景區(qū)聚類，在未來很可能會有更多景區(qū)加入聚類模式。政府可以出臺相關(guān)政策，宏觀調(diào)控經(jīng)濟的發(fā)展，通過三大風景區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)劃，為其他風景區(qū)提供寶貴的經(jīng)驗，做到統(tǒng)籌兼顧，合理性的發(fā)展。

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