山東省城鎮(zhèn)化與植被指數(shù)的時(shí)空關(guān)系研究

1、山東省城鎮(zhèn)化與植被指數(shù)的時(shí)空關(guān)系研究摘 要：為研究近20年城鎮(zhèn)化背景下，山東省的植被EVI時(shí)空變化受城鎮(zhèn)化進(jìn)程的影響，基于20012020年的MODIS- EVI 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)探討山東省植被的時(shí)空分布規(guī)律和植被變化趨勢(shì)，分析了植被變化與夜光數(shù)據(jù)的相關(guān)性。結(jié)果表明：山東省近20 年整體植被呈增加趨勢(shì)，總增長(zhǎng)趨近年均值的11.80%。由城鎮(zhèn)擴(kuò)張引起的夜光指數(shù)變化對(duì)城市周邊植被覆蓋具有抑制作用，而 遠(yuǎn)離城市則表現(xiàn)為一定的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：EVI；植被趨勢(shì)；夜光數(shù)據(jù)；城鎮(zhèn)化Spatiotemporal Relationship Study between Urbanization and Vegetati

2、on Index inShandong ProvinceAbstract: In order to study the situation that vegetation EVI spatiotemporal change is influenced by urbanization process in Shandong Province under the recent 20 years urbanization background，based on MODISEVI data validation from 2001 to 2020， the spatiotemporal distrib

3、ution law and change trend of vegetation in Shandong Province are discussed， and the correlation between vegetation change and luminous data is analyzed. The results show that the overall vegetation in Shandong Province in recent 20 years present a rising trend， and the total growth gets close to 11

4、.80% of the annual average. The variation of luminous index caused by urban expansion will inhibit the vegetation coverage around the city，while far away from the city has a certain promotion to it.Keywords: EVI； vegetation trend； luminous data； urbanization22.1 土地覆蓋數(shù)據(jù)及EVI數(shù)據(jù)源研究采用的20012020年間的MOD13A2產(chǎn)

5、品，所有0引言植被作為自然界的重要組成部分，不僅是陸地生態(tài)系統(tǒng) 中重要的一環(huán)，也是反映人與自然的一面鏡子1。近些年來(lái)， 隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的迅速發(fā)展，人民對(duì)于擁有良好生 態(tài)環(huán)境的美好生活也越來(lái)越向往2。而土地利用/覆被變化 (LUCC)是引起全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因 之一，由于其對(duì)于引導(dǎo)我國(guó)土地資源合理利用具有非常重要 的意義，我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了一系列相關(guān)研究，以深化土地，環(huán) 境，氣候，人類活動(dòng)等因子對(duì)其產(chǎn)生的影響團(tuán)。賈路等研究 發(fā)現(xiàn)西安市降雨量與植被覆蓋度均值呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)4。趙 鴻雁等研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)季NDVI對(duì)不同氣候因子的響應(yīng)程度不 同，氣溫最強(qiáng)，降水次之，太陽(yáng)輻射最弱電劉啟興

6、等通過(guò) 分析氣候因素及人類活動(dòng)對(duì)植被覆蓋的影響，發(fā)現(xiàn)氣候因素 對(duì)黃河源區(qū)植被生長(zhǎng)起主要促進(jìn)作用，而人類活動(dòng)則對(duì)黃河 源區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的積極意義6。通過(guò)梳理相關(guān)文獻(xiàn) 可知，局部地區(qū)的植被生長(zhǎng)對(duì)氣候因子的響應(yīng)程度存在顯著 差異，人為因素對(duì)植被趨勢(shì)變化的影響也有利有弊。2019年2月份，美國(guó)航天局公布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明，在 2000年至2017年間，全球綠化面積增加了 5.00%，其中約 四分之一來(lái)自中國(guó)，貢獻(xiàn)比例居全球首位。分析顯示，中國(guó) 的貢獻(xiàn)中42.00%來(lái)自植樹(shù)造林，32.00%來(lái)自集約農(nóng)業(yè)。而 山東省作為我國(guó)的糧食大省，故對(duì)山東省城鎮(zhèn)化與植被指數(shù) 的時(shí)空關(guān)系的研究具有重要意義。本文利用一

7、元線性回歸、 M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了 EVI像元尺度的分析7， 模擬山東省20012020年間的EVI變化趨勢(shì)，通過(guò)各個(gè)像 元的變化趨勢(shì)反映整個(gè)山東省的變化規(guī)律，通過(guò)M-K趨勢(shì) 檢驗(yàn)對(duì)2001年一2020年的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序分析，得 出山東省植被變化趨勢(shì)，以及利用NPP/VIRS夜光數(shù)據(jù)對(duì)城 市區(qū)域進(jìn)行相關(guān)性分析，探討山東省夜光數(shù)據(jù)與EVI的關(guān)系。1研究區(qū)域概況山東省位于我國(guó)華東地區(qū)，介于北緯34 22.9 - 38 24.01，東經(jīng) 114 47.5 - 122 42.3之間，面積達(dá) 15.79萬(wàn)平方千米，占全國(guó)總面積的1.64%。山東省作為我 國(guó)的產(chǎn)糧大省，種植面積占到總面積

8、的53.82%。山東中部 山地突起，西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏，地形以丘 陵為主，溫帶季風(fēng)氣候，降水集中，雨熱同季，春秋短暫， 冬夏較長(zhǎng)，年均日照時(shí)數(shù)2 290 - 2 890小時(shí)，年平均降水 量一般在550950毫米。2數(shù)據(jù)獲取與處理 數(shù)據(jù)在 USGS 網(wǎng)站（/search） 上獲取。MOD13A2以每像素為基礎(chǔ)，以1公里（km）的空 間分辨率提供植被指數(shù)（VI）值。有兩個(gè)主要植被層。第一 個(gè)是歸一化植被指數(shù)（NDVI）,它被稱為現(xiàn)有的美國(guó)國(guó)家 海洋與大氣管理局-先進(jìn)超高分辨率輻射計(jì)（NOAA-AVHRR） 得出的NDVI的連續(xù)性指數(shù)。第二植被層是增強(qiáng)植被指數(shù) （EVI）,在高生物量地

9、區(qū)具有更高的敏感性。該產(chǎn)品的算 法會(huì)從16天的所有采集中選擇最佳的可用像素值。使用的 標(biāo)準(zhǔn)是低云，低視角和最高NDVI/EVI值。由于NDVI指數(shù) 對(duì)于高植被區(qū)域具有較低的靈敏度，所以采用MOD13A2增 強(qiáng)植被指數(shù)EVI對(duì)山東省進(jìn)行植被趨勢(shì)分析，時(shí)間分辨率為 16天，空間分辨率為1 km8。原始數(shù)據(jù)通過(guò)MRT （MODIS Reprojection Tools）工具統(tǒng) 一進(jìn)行投影拼接轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為UTM投影，坐標(biāo)系為WGS84 坐標(biāo)，并利用山東省矢量邊界對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪6。2.2夜光數(shù)據(jù)源研究還使用了 2014年一2020年的Soumi-NPP/VIIRS觀 測(cè)夜間燈光數(shù)據(jù)表征城市面積變

10、化。VIRS是高分辨率輻射 儀AVHRR和地球觀測(cè)系列中分辨率成像光譜儀MODIS系 列的拓展和改進(jìn)。VIIRS數(shù)據(jù)可用來(lái)測(cè)量云量和氣溶膠特性、 海洋水色、海洋和陸地表面溫度、海冰運(yùn)動(dòng)和溫度、火災(zāi)、 和地球反照率。通過(guò)對(duì)年際數(shù)據(jù)中值求解，表征夜光數(shù)據(jù)年 際間變化。3時(shí)空趨勢(shì)相關(guān)分析方法本研究的數(shù)據(jù)分析方法主要采用了一元線性回歸和M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)、相關(guān)性分析。通過(guò)一元線性回歸獲取EVI指數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)EVI 指數(shù)進(jìn)行M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度揭曉植被EVI指 數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，利用相關(guān)性分析方法對(duì)夜光指數(shù)年均 值數(shù)據(jù)和植被EVI進(jìn)行相關(guān)性定量解算。3.1線性回歸和M-K趨勢(shì)分析本文采用線

11、性回歸分析法定量研究EVI的變化趨勢(shì)，該 方法可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)，以單個(gè)像元時(shí)間變化特 征反映整個(gè)空間變化規(guī)律，綜合反映時(shí)空格局演變回。該方 法通過(guò)對(duì)預(yù)處理后的MOD13A2 EVI數(shù)據(jù)集進(jìn)行逐像元應(yīng)用， 獲取EVI數(shù)據(jù)的時(shí)序變化特征，計(jì)算公式如式（1）所示：X （ X）- 疙 EVLSlope =_-（1）x/_（）i=l i=lSlope為20012020年間時(shí)間分辨率為16 dpi的EVI 數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)；n為年份總數(shù)，i為年序數(shù)，EVI,為第i年 的EVI值。當(dāng)Slope為正時(shí)，說(shuō)明植被狀況趨向正向趨勢(shì)發(fā) 展；反之，當(dāng)Slope為負(fù)時(shí)，則說(shuō)明植被狀況趨于退化10。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)

12、是一種常用于綠色植被的非參數(shù)檢驗(yàn)方 法。具有不受少量異常值干擾，定量化程度高，計(jì)算方便等 優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)2001年一2020年的時(shí)間序列進(jìn)行M-K趨勢(shì)檢 驗(yàn)，判別EVI數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。計(jì)算公式如式（2）式 （5）所示：S 1S0JVar(s)0，5 = 0(2)5+1SOsgn(e)= 0, 0=0(4)_1, 01.96。3.2相關(guān)性分析通過(guò)對(duì)夜光數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，從人文活動(dòng)方面進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)因子分析。采用皮爾斯相關(guān)系數(shù)方法，計(jì)算如式（6）所示：2 （ _ ） （ _b_（6）（ _）（_）V 1=1i=lra為夜光數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，a，bi分別為第i年的夜光 數(shù)值和EVI數(shù)據(jù)，反，方為n年間

13、的夜光數(shù)值和EVI均值。4結(jié)果與分析4.1山東省植被覆蓋度分析對(duì)2001年一2020年間的山東省EVI數(shù)據(jù)進(jìn)行均值操作， 得到山東省的植被覆蓋情況，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)，山東 省EVI多年均值的高值主要分布于魯西北地區(qū)（EVI 0.3）， 而低值則主要分布在沿海及城市周邊區(qū)域（EVI 0.4）；而對(duì)于植被的抑 制作用則主要集中于城市周邊地區(qū)（R -0.4）。因此， 城鎮(zhèn)化對(duì)周邊植被覆蓋有一定的抑制作用。主要表現(xiàn)在城 市擴(kuò)張過(guò)程中所引起的土地利用/覆蓋變化等。而在遠(yuǎn)離城 市地區(qū)，植被EVI指數(shù)呈現(xiàn)出正增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，其中原因仍 需要進(jìn)一步的探討。故，城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)于植被覆蓋具有一 定的促進(jìn)作用。表1相

14、關(guān)系數(shù)R占比情況相關(guān)系數(shù)R 0.7占總面積比例2.13%6.28%14.92%25.67%30.16%20.84%為進(jìn)一步探討人類活動(dòng)對(duì)EVI的影響，在20142020 年的夜光指數(shù)年均值的基礎(chǔ)上，對(duì)青島市進(jìn)行剖面分析，如 圖7所示。分別對(duì)夜光指數(shù)與植被指數(shù)相關(guān)系數(shù)、青島市土 地覆蓋類型、夜光指數(shù)剖面圖進(jìn)行剖面分析，如圖8, 9, 10 所示，對(duì)根據(jù)圖10可以發(fā)現(xiàn)，青島市城市內(nèi)夜光指數(shù)顯著 高于城市外側(cè)的農(nóng)業(yè)用地，夜光指數(shù)在城市內(nèi)部達(dá)到峰值， 遠(yuǎn)離城市則表現(xiàn)為低值。結(jié)合圖8圖9,可以發(fā)現(xiàn)在青島市 土地覆蓋類型發(fā)生改變時(shí)，往往也是夜光指數(shù)與植被指數(shù)相 關(guān)系數(shù)發(fā)生較大波動(dòng)的時(shí)候。特別是在青島市城鄉(xiāng)

15、交界處， 夜光指數(shù)與植被指數(shù)呈負(fù)相關(guān)系數(shù)關(guān)系，而在城市內(nèi)部相關(guān) 系數(shù)以正相關(guān)系數(shù)為主，這可能與青島市近些年來(lái)注重城市 綠化有關(guān)，如2011年青島市政府通過(guò)青島市城市綠化條 例，使城市植被覆蓋度有了較大的提升。因此，城鎮(zhèn)化對(duì) 植被覆蓋具有抑制作用，主要集中于城鄉(xiāng)交接的土地利用/覆蓋變化區(qū)域；而對(duì)于遠(yuǎn)離城市區(qū)域則以促進(jìn)作用為主，至于 原因仍需要進(jìn)行相關(guān)研究。5結(jié)論本文通過(guò)對(duì)山東省近20年來(lái)的增強(qiáng)型植被指數(shù)進(jìn)行一 元線性回歸與M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)合土地覆蓋圖，通過(guò)分析 夜光遙感影像，對(duì)近20年來(lái)的植被情況進(jìn)行了初步的探討， 并分析了人類活動(dòng)對(duì)其所造成的影響。山東省EVI指數(shù)呈現(xiàn)出西北高東部低的空間分布。近 20年間山東省植被覆蓋度呈現(xiàn)出明顯增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，且從2007 年起增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，2020年同2001年相比，EVI增長(zhǎng)了 23.30%，近20年的EVI總增長(zhǎng)也趨近于年均