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

(安徽林業職業技術學院 資源與環境系，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境影響的重要指標[1]。針對植被及其變化的研究一直是科學界的熱點，植被覆蓋度是區域生態環境評價的重要參數，通過監測植被覆蓋度的動態變化規律和特征，對區域生態環境建設和城市發展具有重要意義[2]。傳統的植被覆蓋度監測是采用地面調查法，該方法調查精度高，但需要較大的人力、物力、財力，且效率低下，無法實現大面積監測，時效性差。隨著遙感技術的發展，基于遙感的植被覆蓋度變化監測也日益增多，孫紅雨[3]在1998年基于NOAA數據計算了全國歸一化植被指數，研究中國地表的植被覆蓋變化，并分析其與氣候因子的關系。近年來，杜華棟[4]、黃瑾[5]、李琳[6]、藤玲[7]就不同區域進行植被覆蓋度的估算和動態變化分析研究。合肥市作為我國首批國家園林城市之一，地處長三角地區，城市化進程加快，城市建設和密集的人類活動導致區域內的生態環境調節能力和自我恢復能力大幅下降。目前針對合肥市的植被覆蓋的變化研究多側重于兩個時間點植被覆蓋度估算后的比較，缺乏多重因素的驅動分析[8]。因此，本文以合肥市為研究區，基于Landsat數據，研究2001～2020年的植被覆蓋度的多年連續動態變化特征，為合肥地區資源保護和生態環境建設提供參考。

2 研究區概況與數據

2.1 研究區概況

本文以合肥市為研究區(30°57′N～32°32′N、116°41′E～117°58′E)，地處長江中下游地區，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。屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年均降水量1000 mm，年均溫15.7 ℃。水系發達，包括淮河水系、長江水系的10余條河流。近20年來，合肥市經濟迅速發展，作為長三角地區的新興城市，合肥市對中部地區發展的影響非常重要，研究該區域植被覆蓋變化和驅動力機制，對未來城市規劃和生態環境保護具有重要意義[10]。

2.2 數據來源及預處理

研究區行政區邊界等矢量數據來源于《國家基礎地理信息系統1∶400萬數據》。研究區遙感數據來源于中國地理空間數據云公開的LANDSAT系列數據，由于研究時區跨度較大，選取采集時間在3～5月份的遙感影像數據，包括：2001年3月份、2004年4月份、2007年3月份、2011年4月份的TM數據及2014年5月份、2017年4月份和2020年4月份的Landsat 8 OLI影像數據。遙感影像數據通過ENVI軟件進行輻射定標，去云處理，大氣校正等預處理;DEM數據來源于地理空間數據云，基于DEM提取坡度和坡向數據;地表覆蓋類型數據來自中國科學院空天信息創新研究院，以上柵格數據分辨率30 m。土壤類型數據來源于國家地球系統科學數據中心-土壤分中心中國1 km柵格土壤系統分類類型圖。選取安徽省及安徽省周邊32個氣象站點的數據，插值得到安徽省逐年降水和氣溫柵格數據，分辨率30 m。以上數據均采用Arcgis軟件進行投影變換、重采樣和合肥市行政區的掩膜提取，最終空間分辨率與影像數據保持一致。

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(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)是反映植被生長狀態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[12]，與NDVI之間存在非常顯著的線性關系。本文基于NDVI數據，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域的NDVI，NDVIveg表示全部被植被覆蓋區域的NDVI。考慮到研究區的實際情況和異常數據的影響，根據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準，結合合肥市的實際情況，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的方法進行研究區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行顯著性檢驗，統計量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 驅動因子分級

研究區內選取均勻分布的16042個格網中心點作為采樣樣本點，按照自然間隔法將高程、坡度、坡向、降水和氣溫數據分別分為10級、8級、10級、9級、9級，土壤類型數據和土地利用數據分別按照原始數據類別46類和14類，最后將各類數據和植被覆蓋度變化趨勢Sen值提取到采樣點位中。

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植被覆蓋度變化的主要因素，并對各個因素進行定量分析[18]。選取驅動因子數據分別為地表因素(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)三類數據。

4 分析與結果

4.1 植被覆蓋度變化時空特征

根據公式(1)[14]計算得到合肥市歷年植被覆蓋度，據圖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%，最低值出現在2001年，49.93%，最高值在2014年，植被覆蓋度50.17%，近20年來呈現出穩定的上升狀態。2000～2007年，植被覆蓋度呈穩定上升狀態，2007年植被覆蓋度呈現了較大程度的提升，在2014年后，植被覆蓋度變化又趨于穩定。

圖1 2001～2020年研究區植被覆蓋度年際變化

2001～2020年，合肥市植被覆蓋度向中、高等級轉變明顯，無植被覆蓋度區域呈下降趨勢。2001年無植被覆蓋度區域占比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。低植被覆蓋度區域占比由2001年的23.44%增加至2020年24.11%。中植被覆蓋度區域由2001年的26.71%增加至2020年28.48%。中高植被覆蓋度區域總體呈下降趨勢，由2001年的25.43%下降至2020年23.24%，主要是向高植被覆蓋度區域和中植被覆蓋度區域方向變化。2001～2014年中高植被覆蓋度呈現穩定和上升趨勢，2014年后，中高植被覆蓋度區域則出現了明顯的下降趨勢，可能與氣候、城市發展及擴張等因素相關。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年高植被覆蓋度區域面積占比12.31%，2020年達到13.65%，呈現了較為明顯的增加趨勢。

合肥市植被覆蓋度整體呈現中心低周圍高，輻射狀升高的分布特點。無植被覆蓋度區域較小，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域，分布于中心城市區。低植被覆蓋區占合肥市22.47%，整個研究區呈現零散分布，在城區、道路周邊以及少數耕地呈現低植被覆蓋狀態。中植被覆蓋度區域面積較大，占研究區面積27.99%，主要集中在耕地和山地丘陵地區。中高植被覆蓋度區域占比25.92%，主要集中在山區周邊和公園、濕地等城市重點綠化區域，其中在部分農田地區也有零星分布。高植被覆蓋度區域占比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以及其他重點生態保護區零星分布。

4.2 植被覆蓋度變化類型及演變規律

論文將研究區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。參考現有的分類方法[19]，將植被覆蓋度變化類型劃分為嚴重退化、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

根據表2可知，合肥市2001～2020年植被覆蓋度總體呈現穩定狀態，全市66.33%的區域植被覆蓋度穩定不變，33.67%的區域出現植被覆蓋度改善或退化的情況。在植被覆蓋度變化的區域中，以植被覆蓋度改善變好為主，其中，19.34%的區域呈現植被覆蓋度改善變好的趨勢，面積約2017.86 km2，14.32%的區域則出現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域中，輕微改善區域占合肥市面積7.95%，明顯改善區域占5.34%，極顯著改善區域占6.06%。合肥市老中心城區呈現出植被較為明顯的改善，老城區建設年代較早，隨著城市經濟的發展，在政府生態保護和居住環境改善政策下[20]，該區植被綠化逐步增多，老城區植被覆蓋度的改善趨勢表現尤為明顯。其他的植被覆蓋度明顯改善區域主要集中山地丘陵地帶和部分耕地區域，此外，巢湖沿岸地帶、生態農業區、濕地和公園地區都呈現出了植被覆蓋度持續改善的狀態。

在植被覆蓋度退化的區域中，輕微退化區域占合肥市面積的4.47%，明顯退化占4.11%，嚴重退化占5.74%。嚴重退化區域主要集中在城鎮建設地帶，城市郊區區域。此外，合肥市蜀山區西北部和肥西縣北部連片耕地區域、肥東縣東北部的耕地區域以及巢湖市區周邊部分山地區域也呈現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、高程數據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。坡向對植被覆蓋度變化的解釋力為0.198%，表明坡向對植被覆蓋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，結果表明(表4)，各影響因素之間均存在著非線性增強或雙因子協同增強作用，表明植被覆蓋度變化的空間分布狀態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%。結果表明，氣候因素(降水和溫度)對植被覆蓋度的變化起主導作用，在其作用下，地表因素高程和土壤類型顯著增強了氣候對植被覆蓋度變化的影響。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了氣候和地表因子對植被覆蓋度變化的影響。

5 結論

本文基于LANDSAT數據，采用二分法估算了合肥地區2001～2020年的植被覆蓋度空間分布和多年動態變化，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，得到如下結論：

(1)合肥市整體的植被覆蓋度較好，平均覆蓋度達50.03%，2001～2020年植被覆蓋度呈現穩定的上升狀態，增速為0.001/10a。2000～2007年，植被覆蓋度呈現穩定上升狀態，2007年植被覆蓋度呈現了較大程度的提升，在2014年后，植被覆蓋度變化又趨于穩定。在變化類型上，整體上呈現了無、低植被覆蓋度向中、高植被覆蓋度的方向轉變，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方法探討研究區植被覆蓋度的多年變化特征，全市33.67%的區域出現植被覆蓋度改善或退化的狀態，19.34%的區域呈現植被覆蓋度改善變好的趨勢，14.32%的區域則出現了不同程度植被覆蓋度退化。合肥大部分山區、沿巢湖沿岸地帶、生態農業區、濕地和公園地區也都呈現出了植被覆蓋度持續改善得趨勢。嚴重退化區域主要集中在城市建設地帶、城郊結合區和部分耕地山區。

(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或雙因子協同增強作用。氣候因素對植被覆蓋度的變化起主導作用，高程和土壤類型，顯著增強了氣候對植被覆蓋度變化的影響，人類活動因素進一步增強了氣候和地表因子對植被覆蓋度變化的影響。