王君, 楊曉梅, 隋立春,3, 康軍梅, 王志華,*

西安市1995—2016年植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)及景觀格局分析

王君1, 楊曉梅2, 隋立春1,3, 康軍梅1, 王志華2,*

1. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 3. 地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局工程中心, 陜西 西安 710054

基于Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)反演了西安市1995—2016年的植被覆蓋度, 分析了西安市不同時(shí)期的植被覆蓋度變化特征, 并運(yùn)用景觀格局對(duì)植被覆蓋度的空間格局變化進(jìn)行了定量化分析?？傮w統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示: 西安市1995年、2002年、2009年、2016年平均植被覆蓋度分別為45.40%、50.03%、55.97%、59.42%, 呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì), 其中1995—2016年極低覆蓋度面積減少了1427.9337 km2, 極高植被覆蓋度面積增加了1252.9080 km2, 表明西安市自然生態(tài)環(huán)境明顯轉(zhuǎn)好。分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示: 南部山區(qū)秦嶺和渭河洪沖積平原的植被生長(zhǎng)保持穩(wěn)定; 沿山丘陵、黃土臺(tái)塬區(qū)植被增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著; 植被退化主要發(fā)生在新的建城市區(qū)域和主要發(fā)展開發(fā)區(qū)。景觀格局分析顯示: 西安市在此20年間, 植被覆蓋度的斑塊密度和斑塊數(shù)量呈上升趨勢(shì), 破碎化程度加大, 這不僅表明西安市資源不斷被開發(fā)利用, 同時(shí)也表明生物多樣性的環(huán)境向不利趨勢(shì)方向發(fā)展。這提醒我們盡管西安市總體植被覆蓋度變好, 但仍需要在資源開發(fā)利用過(guò)程中密切關(guān)注保持生物多樣性的環(huán)境。

像元二分模型; 植被覆蓋度; 動(dòng)態(tài)變化; 景觀格局; 變化監(jiān)測(cè)

0 前言

植被作為全球生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分之一, 在生態(tài)保護(hù)、維持生態(tài)穩(wěn)定以及改善社會(huì)環(huán)境方面有著不可替代的作用, 而遙感植被指數(shù)能夠在一定程度上反映植被的密度和光合能力, 可以用于監(jiān)測(cè)廣大地區(qū)的植被動(dòng)態(tài)。中國(guó)幅員遼闊、地形復(fù)雜, 再加上近年來(lái)工業(yè)化的快速發(fā)展, 人口的快速增長(zhǎng), 城市擴(kuò)張等, 植被覆蓋的穩(wěn)定性大大降低, 引發(fā)了一系列的自然生態(tài)問(wèn)題。植被覆蓋度(FVC, Fractional Vegetation Cover)是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[1]。它是描述植物群落表明狀況的綜合定量指標(biāo), 直接構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 植被覆蓋度與生態(tài)系統(tǒng)之間存在正相關(guān)關(guān)系。目前有關(guān)植被覆蓋度變化監(jiān)測(cè)的方法大量涌現(xiàn)[2], 而像元分解模型估算法應(yīng)用的較為普遍[3], 植被覆蓋的變化不僅可以監(jiān)測(cè)環(huán)境、水文、生態(tài)、全球變化等, 而且它還是衡量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的重要指標(biāo)。景觀格局指數(shù)可以反映一個(gè)地區(qū)景觀的空間分布結(jié)構(gòu), 綜合表現(xiàn)可以代表人類活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?fàn)顩r。

在植被稀疏、破碎化程度高的干旱半干旱地區(qū), 借助植被指數(shù)(VI)等遙感模型獲得了區(qū)域以上尺度的植被信息, 它是定量監(jiān)測(cè)植被覆蓋變化的有效手段[4–5]。植被覆蓋度的研究始于20世紀(jì)30年代, 之后受到國(guó)內(nèi)外研究者越來(lái)越多的關(guān)注[6–7]。近年來(lái), 許多學(xué)者在植被覆蓋的時(shí)空變化、熱島效應(yīng)和植被的環(huán)境保護(hù)等方面取得了重要的研究成果。如: Quarmby等[8]基于AVHRR資料, 將遙感影像的像元分解為植被信息和非植被信息, 估算植被信息所占的比重; 劉憲鋒[9]等以黃土高原地區(qū)為對(duì)象研究了在水土流失嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境下植被覆蓋度的時(shí)空變化; 滑永春等[10]從三種植被指數(shù)出發(fā), 利用線性回歸關(guān)系提取了甘肅民勤縣的植被覆蓋度面積, 分析得到民勤生態(tài)恢復(fù)最為本質(zhì)的原因; 張善紅[11]等研究了西安市主城區(qū)夏季熱島效應(yīng)強(qiáng)度與植被覆蓋度的關(guān)系; 徐涵秋[12]等針對(duì)福建省長(zhǎng)汀縣利用植被覆蓋度的變化研究了其與水土流失及熱島效應(yīng)之間的關(guān)系; 曹永翔[13]等利用歸一化植被指數(shù)提取青海省都蘭縣察汗烏蘇綠洲植被覆蓋度, 定量分析評(píng)價(jià)了1990—2006年植被覆蓋度的時(shí)空變化特征; 穆少杰[14]等基于MODIS—NDVI遙感數(shù)據(jù), 從不同的時(shí)空尺度上分析了2001—2010年內(nèi)蒙古植被覆蓋度的演化特征; 王麗春[15]等基于NDVI反演了瑪納斯湖濕地植被覆蓋度, 評(píng)價(jià)了2000—2016年瑪納斯湖植被覆蓋度的總體趨勢(shì); 王亞娟[16]等針對(duì)濟(jì)寧市做了2005—2016年的植被覆蓋度變化分析及其與驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系; 近年來(lái), 隨著遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用, 植被的研究從定性化向定量化發(fā)展, 植被覆蓋度逐漸成為研究全球或區(qū)域生態(tài)、氣候、水文等方面問(wèn)題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

景觀格局指數(shù)是景觀生態(tài)學(xué)的主要分析方法, 目前越來(lái)越多的學(xué)者將其應(yīng)用于植被覆蓋度類型的景觀格局分析中。龔建周[17]等在植被覆蓋度等級(jí)圖上探討了了各指數(shù)之間的相關(guān)性以及相關(guān)程度的大小; 王靜[18]等利用景觀格局和植被覆蓋度的變化研究了京津冀地區(qū)城市化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響; 楊晶晶[19]等利用景觀格局指數(shù)對(duì)佛山市的植被覆蓋度景觀類型及其變化進(jìn)行了特征分析; 因此利用景觀指數(shù)對(duì)植被覆蓋度的類型進(jìn)行分析不僅可以窺探各個(gè)類型的集聚分散程度, 也可以體現(xiàn)出各個(gè)景觀類型的生態(tài)多樣性, 對(duì)于城市生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者植被覆蓋度的研究成果, 可以看出其研究區(qū)域主要集中在中國(guó)的中東部地區(qū), 對(duì)中國(guó)廣大西部地區(qū)的研究較少, 且大多研究針對(duì)的區(qū)域都是區(qū)域較大的省份, 并不適應(yīng)于本研究區(qū)域的分析探索。西安市作為西北地區(qū)的中心城市一帶一路的重要起源地, 地質(zhì)土壤類型多樣, 人類活動(dòng)影響劇烈, 由于其特殊的自然地理?xiàng)l件, 研究其植被覆蓋度具有特殊的意義, 而景觀格局可以在一定程度上反應(yīng)該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)。因此本文基于1995/2002/2009/2016年四個(gè)時(shí)期的遙感影像數(shù)據(jù), 借鑒前人方法和時(shí)空數(shù)據(jù)分析原理, 構(gòu)建歸一化植被指數(shù)像元二分模型, 利用GIS和RS技術(shù)分析1995—2016年西安市植被覆蓋度及景觀格局的演變趨勢(shì), 其時(shí)間跨度大能夠及時(shí)了解動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程, 填補(bǔ)西部地區(qū)基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)的空白, 為西安市的土地資源合理布局和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西安市地處東經(jīng)107°40′—109°49′, 北緯33°39′— 34°45′之間, 它位于關(guān)中盆地中部秦嶺北部河西走廊的中部, 它與南部的漢中市和商洛市相連, 以北部的黃土臺(tái)塬和渭河為界, 東部鄰接渭南市, 西部與寶雞市接壤(圖1所示)。西安市南部為秦嶺山地, 北部和西部為渭河斷陷盆地的洪沖積平原, 東部為驪山低山丘陵。全市轄新城、碑林、蓮湖、雁塔、未央、灞橋、閻良、臨潼、長(zhǎng)安、高陵10個(gè)區(qū)及周至、藍(lán)田、戶縣3個(gè)縣。西安市四季分明, 年平均日照時(shí)數(shù)2125h, 年平均氣溫14.7℃, 年平均降雨量654mm。

圖1 西安市地貌與行政區(qū)劃綜合示意圖(來(lái)源: 西安市地理志)

Figure 1 Comprehensive sketch map of landform and administrative regionalization in Xi'an (source: Xi'an Geography)

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究利用1995—2016年的4期美國(guó)Landsat TM/OLI衛(wèi)星遙感影像作為數(shù)據(jù)源(空間分辨率為30m), 數(shù)據(jù)來(lái)源為中科院地理空間數(shù)據(jù)云(http:// www.gscloud.cn/), 見(jiàn)表1所示。西安市地處三幅遙感影像結(jié)合處, 每一期影像圖的行列編號(hào)為(136, 36)(137, 36)(137, 37)。為了保證影像的質(zhì)量, 選取7、8、9月份的影像且影像含云量均低于10%, 因?yàn)榇藭r(shí)影像上地物信息清晰, 植被覆蓋最為明顯。對(duì)所有影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正和拼接裁剪。主要通過(guò)歸一化植被指數(shù)、像元二分模型[20]和變化監(jiān)測(cè)對(duì)植被覆蓋信息進(jìn)行圖像增強(qiáng)并劃分等級(jí), 最終確定不同等級(jí)的植被覆蓋面積及其變化的范圍。

表1 landsatTM/OLI傳感器的主要參數(shù)

2.1.1 數(shù)據(jù)處理

由于衛(wèi)星自身運(yùn)動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)、地表大氣折射和多光譜掃描儀掃描范圍的影響, 可能會(huì)發(fā)生遙感衛(wèi)星影像信息缺失以及影像失真等的現(xiàn)象。因此, 為了獲得反映西安市地表植被的真實(shí)影像數(shù)據(jù), 需要對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理, 一般包括(1)幾何校正, 本文所使用的遙感影像數(shù)據(jù)選取LandsatTM/OLI所提供的影像, 該衛(wèi)星影像已經(jīng)進(jìn)行過(guò)精校正, 因此幾何校正的工作無(wú)需重復(fù)進(jìn)行。(2)圖像拼接, 西安市Landsat 影像在行列號(hào)為(136, 36)(137, 36)(137, 37)的衛(wèi)星影像中, 需要使用Image Seamless Mosiac工具在ENVI5.1中縫鑲嵌3幅影像數(shù)據(jù)。(3)圖像裁剪, 利用西安市矢量掩膜數(shù)據(jù)獲取西安市衛(wèi)星影像裁剪圖。(4)大氣校正, 利用ENVI5.1中FLAASH大氣校正模型校正西安市遙感影像, 消除水蒸氣、大氣分子和氣溶膠散射對(duì)地物反射的影響, 從而獲得西安市地面物體的真實(shí)反射率。

2.2 植被覆蓋度計(jì)算

2.2.1 歸一化植被指數(shù)

2.2.2 像元二分模型

將公式(3)和(4)代入公式(2)并進(jìn)行變換, 可得

2.3 植被景觀分析方法

景觀指數(shù)可以高度豐富景觀的格局信息, 定量反映其結(jié)構(gòu)組成和空間結(jié)構(gòu)特征[23]。本文計(jì)算了不同植被覆蓋度的植被斑塊類型指數(shù), 定量分析了不同植被斑塊類型的面積和破碎程度, 從而解析區(qū)域景觀格局的變化。本文計(jì)算的景觀格局指標(biāo)包括: 景觀斑塊密度(Patch density, PD)、斑塊數(shù)量(Number of patches, NP)、最大斑塊指數(shù)(Largest patch Index, LPI)、邊緣密度(Edge density, ED)、景觀形狀指數(shù)(Landscape shape index, LSI)、集聚度指數(shù)(Assre-gation index, AI)、散布與并列指數(shù)(Interspersion juxtaposition index, IJI)、平均分維數(shù)(Fractal dimen-sion index mean, FRAC_MN)、蔓延度指數(shù)(Contagion, CONTAG)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon’s diversity index, SHDI)等景觀指數(shù)來(lái)分別從總體和不同類型之間的景觀格局變化進(jìn)行分析。從而揭示不同等級(jí)植被覆蓋度的空間變異特征, 各個(gè)景觀指數(shù)的含義及模型見(jiàn)文獻(xiàn)[24], 用以表達(dá)植被的密度、覆蓋比例、集聚度以及景觀斑塊的異質(zhì)性等方面, 斑塊的規(guī)模、分布狀況和景觀的破碎化程度得到了很好的解釋[25], 從生態(tài)學(xué)的視角來(lái)進(jìn)行植被覆蓋度等級(jí)的景觀格局空間分析。

3 結(jié)果分析

3.1 西安市植被覆蓋度時(shí)空分布及總體變化分析

為了進(jìn)一步研究陜西省西安市20年來(lái)不同等級(jí)植被覆蓋度的變化狀況, 選取1995、2002、2009年和2016年4個(gè)時(shí)期的影像, 通過(guò)對(duì)西安市植被覆蓋度變化情況的研究, 可以得出西安市植被覆蓋空間分布的總體特征。

3.1.1 西安市植被覆蓋度總體變化分析

由于目前沒(méi)有統(tǒng)一的植被覆蓋度等級(jí)閾值劃分標(biāo)準(zhǔn), 本文是基于相關(guān)文獻(xiàn)[9], 結(jié)合西安市獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn), 將植被覆蓋度等級(jí)劃分為５類土地利用類型: 極低覆蓋度(I級(jí)FV為<10%)、低等植被覆蓋(II級(jí)FV為10%—30%)、中等植被覆蓋(III級(jí)FV為30%—50%)和高等植被覆蓋(IV級(jí)FV為50%—70%), 極高植被覆蓋(V級(jí)FV為70%—100%)具體結(jié)果見(jiàn)圖2。

西安市植被分布因地形有所差異, 南部的秦嶺地區(qū)多以林地為主, 灌木、草地也有所分布; 西部和北部以耕地為主。1995年, 西安市藍(lán)田縣的西部臺(tái)塬區(qū)、驪山低山區(qū)其植被覆蓋度較低, 到2016年, 這些地區(qū)的植被覆蓋度得到顯著的提高, 表明生態(tài)環(huán)境和區(qū)域退耕還林、荒山綠化等項(xiàng)目成效顯著。在西安市主城區(qū), 植被覆蓋度也有所增加, 說(shuō)明城市擴(kuò)張并未對(duì)植被覆蓋度造成明顯的影響, 這主要與西安加大城市綠地面積, 改善生活質(zhì)量密切相關(guān)。

植被面積的大小是反應(yīng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。通過(guò)獲取的1995—2016年不同時(shí)期的西安市植被覆蓋度來(lái)看, 近20年來(lái), 西安市植被覆蓋度出現(xiàn)低覆蓋度植被向高覆蓋度植被轉(zhuǎn)入的變化。從總體趨勢(shì)分析, 西安市植被覆蓋度一直處于增長(zhǎng)趨勢(shì), 由西安市植被覆蓋度變化面積統(tǒng)計(jì)表(表2、表3)可以推測(cè)在未來(lái)幾年中西安市的高植被覆蓋度面積將呈現(xiàn)持續(xù)上漲趨勢(shì)。

圖2 西安市1995—2016年植被覆蓋度等級(jí)劃分圖

Figure 2 Classification Map of vegetation coverage Grade in Xi'an City from 1995 to 2016

表2 西安市不同等級(jí)植被覆蓋度1995—2016年面積統(tǒng)計(jì)表

表3 西安市植被覆蓋度變化面積統(tǒng)計(jì)表

1995—2016年西安市植被覆蓋度總體變化表明, 西安市近20年來(lái)植被覆蓋度普遍較好, 且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)。其中, 極高等植被覆蓋度(FC>70%)增幅最大, 與1995年相比, 2016年面積增加了1252.9080km2, 高等、中等植被覆蓋度(50%

3.1.2 西安市各縣植被覆蓋度空間變化分析

通過(guò)西安市各縣區(qū)植被覆蓋度面積的統(tǒng)計(jì)覆蓋表和直方圖, 可以看出分布在秦嶺沿山一帶的周至縣、藍(lán)田區(qū)、戶縣以及長(zhǎng)安區(qū), 臨潼以及西安市轄區(qū)的植被覆蓋度穩(wěn)定趨勢(shì)表現(xiàn)最佳, 而閻良區(qū)和高陵區(qū)的植被覆蓋度則出現(xiàn)了波動(dòng)及退化。

Figure 3 Average vegetation coverage of 1995-2016 counties in Xi'an

其中西安市轄區(qū)極低和低度植被覆蓋度的面積在逐年減少, 而中度、高度、極高植被覆蓋度的面積在逐年增加, 這與政府推行的打造旅游城市, 增大綠化面積政策密切相關(guān), 且取得成效顯著; 長(zhǎng)安區(qū)的極低及低等植被覆蓋度面積在1995—2016年之間呈現(xiàn)出減少狀態(tài), 其中度、高度和極高植被覆蓋度的面積呈逐年增加狀態(tài), 這也與其地處秦嶺一帶的地理位置密不可分, 且近些年來(lái)政府大力支持退耕還林工程, 效果顯著; 周至縣、藍(lán)田區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢(shì), 其主要原因是政府生態(tài)恢復(fù)措施的實(shí)施, 將不適宜種植耕作的陡坡進(jìn)行綠化改造; 戶縣的極低植被覆蓋度的面積顯著減少, 中度覆蓋度的面積顯著增加, 主要由于其地處關(guān)中平原腹地, 南部山區(qū)森林茂盛, 地下水資源豐厚為植被生長(zhǎng)提供了適宜的環(huán)境; 臨潼區(qū)的極低、中度和高度植被覆蓋度面積在1995—2002年期間增加減少, 但是在2002—2016年變化不明顯, 基本持穩(wěn)定狀態(tài), 這主要是由于臨潼區(qū)受城南驪山形成的天然屏障, 隴海鐵路、西康鐵路、西潼高速等形成的交通走廊, 以及文物保護(hù)的制約, 限制了城市的發(fā)展空間, 加之隨著臨潼區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 城區(qū)范圍不斷擴(kuò)大, 但是城區(qū)的建設(shè)用地已滿足不了發(fā)展的需求; 而高陵和閻良位于渭河川道平原區(qū), 多以耕作為主, 但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 人類活動(dòng)陡然增加, 造成了這些區(qū)域的植被覆蓋度出現(xiàn)了輕微的退化, 政府應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以防止其環(huán)境惡化。

3.2 西安市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化分析

為了更加直觀的解釋西安市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化特征, 利用差異圖像算法, 將西安市2016年的植被覆蓋度減去1995年的植被覆蓋度, 得到西安市近20年來(lái)植被覆蓋度變化專題圖[27]。根據(jù)許多學(xué)者的研究成果, 本研究將西安市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化分為1—7個(gè)等級(jí)[27–29]。分別為極顯著減少(<-30%)、顯著減少(-30%—-20%)、弱顯著減少(-20%—-10%)、穩(wěn)定區(qū)(-10%—10%)、弱顯著增加(10%—20%)、顯著增加(20%—30%)、極顯著增加(>30%)。

從1995—2016年西安市植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化中分析可得(如圖4所示), 植被覆蓋度變化穩(wěn)定的區(qū)域主要位于西南部的秦嶺, 這里多為山地, 人類活動(dòng)少, 植被覆蓋度高且較為穩(wěn)定。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明(如表4所示), 西安市植被覆蓋度減少區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、增加區(qū)面積分別為477.3960 km2、5126.1408 km2、4592.6361 km2, 占西安市總面積分別為4.69%、50.27%、45.04%。周至縣的北部、藍(lán)田縣以及西安市轄區(qū)和渭南市相鄰接區(qū)域植被覆蓋度極顯著增加, 說(shuō)明政府實(shí)行的加快國(guó)土綠化, 退耕還林、天然林保護(hù)計(jì)劃、大型綠色工程等重點(diǎn)林業(yè)項(xiàng)目取得了顯著成效。西安市植被覆蓋度面積減少區(qū)與面積增加區(qū)差異達(dá)到了4115.2401km2, 表明西安市整體植被覆蓋度呈上升趨勢(shì), 植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好, 自然生態(tài)環(huán)境越來(lái)越好。

圖4 西安市1995—2016年植被覆蓋度圖

Figure 4 Vegetation coverage map of Xi'an from 1995 to 2016

表4 1995—2016年西安市植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化表

3.3 景觀格局分析

3.3.1 總體景觀格局變化分析

由表5可見(jiàn), 1995—2016年間景觀破碎化程度逐漸增大, 其中破碎化程度變化最快的兩個(gè)時(shí)期是1995—2002年和2009—2016年間, 在這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)斑塊密度(PD)值、斑塊數(shù)量(NP)值以及邊緣密度(ED)值顯著提高, 說(shuō)明在這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)景觀類型在被不斷的分割, 小斑塊逐漸增多, 最大斑塊則保持穩(wěn)定狀態(tài)。1995—2016年間景觀形狀指數(shù)LSI呈現(xiàn)出“增加—減少—增加”的趨勢(shì), 由1995年的161.9254增加到2016年的245.9974, 集聚度指數(shù)(AI)則是一直減少的趨勢(shì), 散布與并列指數(shù)(IJI)則呈增加趨勢(shì), 說(shuō)明整體斑塊分布變得離散, 景觀形狀的規(guī)則越來(lái)越復(fù)雜, 平均分維數(shù)(FRAC_MN)在此時(shí)間段內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài), 上升趨勢(shì)不明顯。1995—2016年間蔓延度指數(shù)(CONTAG)呈現(xiàn)出“減少—增加—減少”的趨勢(shì), 說(shuō)明西安市的景觀格局是具有多種要素的密集格局, 其異質(zhì)性在減小; 而香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì), 總體指數(shù)稍微降低, 說(shuō)明西安市不同景觀類型的比例差距有增加的趨勢(shì), 景觀多樣性略有減少但基本保持穩(wěn)定狀態(tài), 且香農(nóng)多樣性與物種多樣性有緊密的聯(lián)系, 雖然香農(nóng)多樣性指數(shù)略微減少但是依然需要引起政府的重點(diǎn)關(guān)注, 以確保西安市物種多樣性的發(fā)展。

3.3.2 不同等級(jí)類型景觀格局變化分析

根據(jù)2.3節(jié)所選的景觀指數(shù), 西安市不同等級(jí)的植被覆蓋度景觀格局繪制如下圖所示(圖5)。

從1995—2016年不同等級(jí)的植被覆蓋度斑塊密度(PD)和斑塊數(shù)量(NP)來(lái)看, 它們的變化趨勢(shì)一致, 其大小排列順序?yàn)? III>IV>II>I>V, (具體定義請(qǐng)參考3.1.1章節(jié))中等植被覆蓋度的斑塊密度和斑塊數(shù)量最多, 破碎程度最高, 極高植被覆蓋度的景觀破碎化程度低, 且各個(gè)等級(jí)的植被覆蓋度斑塊向破碎化程度增大的趨勢(shì)發(fā)展, 極低植被覆蓋度PD值在2009年之后趨于平穩(wěn)狀態(tài), 說(shuō)明近20年來(lái)西安市人類活動(dòng)劇烈, 對(duì)景觀格局的干擾程度加大, 2009年之后人類活動(dòng)影響不再劇烈, 生態(tài)環(huán)境逐漸改善; 不同等級(jí)的最大斑塊指數(shù)(LPI)排列順序?yàn)? V>I>II>IV>III, 極高植被覆蓋度的最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)一直增加趨勢(shì), 極低和低等植被覆蓋的最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)一直減小趨勢(shì), 說(shuō)明西安市的生態(tài)環(huán)境日益變好;

不同等級(jí)的邊緣密度(ED)排列順序?yàn)? II>III>IV>I>V, 不同等級(jí)的植被覆蓋度邊緣密度呈波動(dòng)狀態(tài)并逐漸上升, 其中, 中等植被覆蓋度的邊緣密度變化最大, 這是由于中等植被覆蓋度區(qū)域主要集中在縣城區(qū)域, 人類活動(dòng)劇烈使得斑塊分離呈破碎化現(xiàn)象顯著;

表5 西安市1995—2016年植被覆蓋度景觀指數(shù)

圖5 西安市不同等級(jí)植被覆蓋度上的景觀指數(shù)

Figure 5 Landscape index on vegetation coverage of different grades in Xi'an

景觀形狀指數(shù)(LSI)1995—2002年間不同等級(jí)的排列順序?yàn)? II>III>IV>I>V, 在2002—2016年間排列順序則為: III>II>IV>I>V, 發(fā)生交叉變化的在中等和高等植被覆蓋度之間, 且各個(gè)等級(jí)的景觀形狀指數(shù)在1995—2002年間顯著提高后期趨于平穩(wěn)狀態(tài), 說(shuō)明前期人類活動(dòng)強(qiáng)度較大, 對(duì)于自然生活環(huán)境的改造需求強(qiáng)烈;

聚集度指數(shù)(AI)排列順序?yàn)? V>I>II>IV>III, 極高植被覆蓋度和極低植被覆蓋度的AI值顯示出較高的狀態(tài), 說(shuō)明這兩個(gè)等級(jí)的植被覆蓋度區(qū)域分布較為集中, 極高植被覆蓋度的AI值還呈現(xiàn)出波動(dòng)增加的趨勢(shì), 說(shuō)明其景觀區(qū)域經(jīng)過(guò)生態(tài)工程后不斷集中; 對(duì)于AI值較低的等級(jí), 說(shuō)明其分布較為零散; 散布與并列指數(shù)(IJI)排列順序?yàn)? III>IV>II>V>I, 其中中等植被覆蓋度的類型與其余類型的斑塊彼此鄰近, 屬于過(guò)渡植被類型, 極高和極低植被覆蓋度的IJI值最小, 說(shuō)明這兩個(gè)等級(jí)的景觀主要以連片形式分布較為集中, 也正好驗(yàn)證了極高和極低植被覆蓋度聚集度(AI)較高這個(gè)特點(diǎn);

這4個(gè)時(shí)期植被覆蓋百分比(PLAND)排列順序?yàn)? V>II>III>IV, 說(shuō)明極高植被覆蓋度所占景觀面積的比例較大, 而極低植被覆蓋度的植被覆蓋百分比在1995—2009年間呈下降趨勢(shì), 其后表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài), 結(jié)果表明, 隨著政府綠化工程的實(shí)施和人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng), 近20年來(lái)西安市生態(tài)系統(tǒng)逐漸完善, 人們生活的生態(tài)環(huán)境逐漸變好。

4 結(jié)論

本文從對(duì)1995—2016年4期LandsatTM/OLI影像的植被覆蓋度進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)可知, 1995年到2016年西安市植被覆蓋度呈增長(zhǎng)趨勢(shì), 即全市的植被生長(zhǎng)狀況有所改善。植被大致上分布在南部秦嶺山地區(qū)域, 在市中心和東北部分布為低度植被覆蓋。其中1995—2016年極低度、低度植被覆蓋度總體呈減少趨勢(shì), 中度、高度、極高度植被覆蓋度總體呈增加趨勢(shì), 近20年來(lái), 西安市植被覆蓋度出現(xiàn)低覆蓋度植被向高覆蓋度植被轉(zhuǎn)入的變化, 平均植被覆蓋度隨著年份的增加逐漸升高。

通過(guò)差值影像算法可以有效地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)西安市植被覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化, 從西安市近20年來(lái)植被覆蓋度變化專題圖可知, 西安市植被覆蓋度變化穩(wěn)定的區(qū)域主要位于西南部的秦嶺, 這表明政府的退耕還林工程和天然林保護(hù)工程實(shí)施成效顯著。且近20年來(lái), 西安市植被覆蓋度呈穩(wěn)健增加趨勢(shì), 表明西安市的自然生態(tài)環(huán)境越來(lái)越好。植被覆蓋度不僅與生態(tài)環(huán)境息息相關(guān), 而且與土壤流失量存在密切的關(guān)系, 研究西安市植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化有極其重要的意義, 雖然本文研究過(guò)程中沒(méi)有采用地面樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)值的校驗(yàn), 但這不影響西安市植被覆蓋度的總體變化趨勢(shì), 因此本文分析的結(jié)論具有較強(qiáng)的參考意義, 在一定條件下為政府決策者提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn), 人類活動(dòng)密切影響著景觀格局的分布, 使得景觀格局呈現(xiàn)破碎化的現(xiàn)象, 這將會(huì)導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境的破壞, 從而影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。從總體景觀格局來(lái)看, 西安市的平均分維數(shù)增加, 斑塊密度和斑塊數(shù)量呈上升趨勢(shì), 說(shuō)明在此20年間西安市的資源不斷被開發(fā)利用, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速, 但是在發(fā)展的同時(shí)需要密切關(guān)注西安市的生物多樣性; 從不同類型植被覆蓋度的景觀格局來(lái)看, 西安市總體上極高、極低植被覆蓋度的破碎化程度低, 分布較為集中, 但是每個(gè)等級(jí)的斑塊破碎化程度不斷加大, 表明城市綠化、退耕還林等工程效果顯著。

西北地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境脆弱, 沙漠化現(xiàn)象嚴(yán)重。西安市作為西北地區(qū)區(qū)人類生存活動(dòng)最為頻繁集中的發(fā)展基地, 其植被規(guī)模的大小直接影響著該區(qū)域的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 景觀格局對(duì)于西安市的人類活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生物多樣性的分析具有現(xiàn)實(shí)參考意義, 因此對(duì)該區(qū)域植被覆蓋度以及景觀格局實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及分析有著重大的意義。

[1] 李登科. 陜西近10年來(lái)植被覆蓋度變化特征及其成因分析[C]//中國(guó)氣象學(xué)會(huì)第28屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)—— S11氣象與現(xiàn)代農(nóng)業(yè), 2011: 14.

[2] 謝曉文, 賴日文, 李永實(shí). 基于RS技術(shù)的閩江流域植被覆蓋度時(shí)空變化分析[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008(5): 536–539.

[3] 胡健波, 陳瑋, 李小玉, 等. 基于線性混合像元分解的沈陽(yáng)市三環(huán)內(nèi)城市植被蓋度變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 20(5): 1140–1146.

[4] 高志海, 李增元, 魏懷東, 等. 干旱地區(qū)植被指數(shù)(VI)的適宜性研究[J]. 中國(guó)沙漠, 2006, 26(2): 243–248.

[5] LEPRIEUR C, KERR Y H, MASTORCHIO S, et al. Monitoring vegetation cover across semi-arid regions: comparison of remote observations from various scales[J]. International Journal of Remote Sensing, 2000, 21(2): 281–300.

[6] 陶文芳. 西安—咸陽(yáng)地區(qū)土地覆被時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因子研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2010.

[7] DUO A, ZHAO W J, QU X Y, et al. Spatio-temporal variation of vegetation coverage and its response to climate change in North China plain in the last 33 years[J]. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 2016, 53(4): 103–107.

[8] QUARMBY N A, TOWNSHEND J R G, SETTLE J J, et al. Linear mixture modeling applied to AHVRR data for crop area estimation[J]. International Journal of Remote Sensing, 1992, 13(3): 415–425.

[9] 劉憲鋒, 楊勇, 任志遠(yuǎn), 等. 2000—2009年黃土高原地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化[J]. 中國(guó)沙漠, 2013, 33(4): 1244– 1249.

[10] 滑永春, 李增元, 高志海. 2001年以來(lái)甘肅民勤植被覆蓋變化分析[J]. 干旱區(qū)研究, 2017, 34(2): 337–343.

[11] 張善紅, 丁小松. 西安市熱島效應(yīng)與植被覆蓋度的關(guān)系研究[J]. 商洛學(xué)院學(xué)報(bào), 2016, 30(6): 76–81.

[12] 徐涵秋, 何慧, 黃紹霖. 福建省長(zhǎng)汀縣河田水土流失區(qū)植被覆蓋度變化及其熱環(huán)境效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(10): 2954–2963.

[13] 曹永翔, 劉小丹, 張克斌, 等. 青海省都蘭縣察汗烏蘇綠洲植被覆蓋度變化研究[J]. 中國(guó)沙漠, 2011, 31(5): 1268– 1272.

[14] 穆少杰, 李建龍. 2001-2010年內(nèi)蒙古植被覆蓋度時(shí)空變化特征[J]. 地理學(xué)報(bào), 2012, 67(9): 1255–1268.

[15] 王麗春, 焦黎, 來(lái)風(fēng)兵. 基于NDVI的新疆瑪納斯湖濕地植被覆蓋度變化研究[J]. 冰川凍土, 2018, 40(1): 176– 185.

[16] 王亞娟, 趙艷玲, 焦利鵬, 等. 濟(jì)寧市2005—2016年植被覆蓋度變化及影響因素[J]. 濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 32(3): 171–177.

[17] 龔建周, 夏北成. 景觀格局指數(shù)間相關(guān)關(guān)系對(duì)植被覆蓋度等級(jí)分類數(shù)的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007(10): 4075– 4085.

[18] 王靜, 周偉奇, 許開鵬, 等. 京津冀地區(qū)城市化對(duì)植被覆蓋度及景觀格局的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37(21): 7019– 7029.

[19] 楊晶晶. 佛山市植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化及預(yù)測(cè)分析[D]. 北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 2018.

[20] 馬娜, 胡云鋒, 莊大方, 等. 基于遙感和像元二分模型的內(nèi)蒙古正藍(lán)旗植被覆蓋度格局和動(dòng)態(tài)變化[J]. 地理科學(xué), 2012, 32(2): 251–256.

[21] 雷磊, 塔西甫拉提·特依拜, 李金香, 等. 干旱區(qū)典型綠洲地表溫度與植被覆蓋度相關(guān)性研究[J]. 中國(guó)沙漠, 2011, 31(4): 1001–1007.

[22] 趙英時(shí). 遙感應(yīng)用分析原理與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[23] 鄔建國(guó). 景觀生態(tài)學(xué): 格局過(guò)程尺度與等級(jí)(第二版) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.

[24] 何東進(jìn). 景觀生態(tài)學(xué)[M]. 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 2013: 168–173.

[25] YU Wenjuan, ZHOU Weiqi, QIAN Yuguo, et al. A new approach for land cover classification and change analysis: Integrating backdating and an object-based method[J]. Remote Sensing of Environment, 2016, 177: 37–47.

[26] 張學(xué)玲, 張瑩, 牛德奎, 等. 基于TM NDVI的武功山山地草甸植被覆蓋度時(shí)空變化研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(7): 2414–2424.

[27] 穆少杰, 李建龍, 陳亦照, 等. 2001-2010 年內(nèi)蒙古植被覆蓋度時(shí)空變化特征[J]. 地理學(xué)報(bào), 2012, 67(9): 1255– 1268.

[28] 甘春英, 王兮之, 李保生, 等. 連江流域近18年來(lái)植被覆蓋度變化分析[J]. 地理科學(xué), 2011, 31(8): 1019– 1024.

[29] 溫小樂(lè), 姜興強(qiáng), 徐涵秋. 基于 TM 影像的長(zhǎng)樂(lè)市植被覆蓋度變化研究[J]. 遙感信息, 2013, 28(6): 56–61.

Dynamic change monitoring and landscape pattern analysis of vegetation coverage in Xi'an city from 1995 to 2016

WANG Jun1, YANG Xiaomei2, SUI Lichun1,3, KANG Junmei1, WANG Zhihua2,*

1.College of Geological Engineering and Geomatics, Chang'an University, Xi'an Shanxi 710054, China 2. State Key Laboratory of Resources and Environment Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China 3. National Geographic Condition Monitoring National Mapping Geographic Information Bureau Engineering Center, Xi'an Shanxi 710054, China

Based on Landsat TM/OLI remote sensing image data, the vegetation coverages of Xi'an from 1995 to 2016 were retrieved. Then, the characteristics of vegetation coverage in different periods were extracted and analyzed. Moreover, landscape indexes were also introduced to quantitatively understand the spatial changes of vegetation coverage over the past 20 years. The statistical results of whole area showed that the vegetation coverage of Xi’an City in 1995, 2002, 2009, and 2016 was 45.40%, 50.03%, 55.97%, and 59.42%, respectively, which indicated the steady growth of the vegetation coverage. From 1995 to 2016, the extremely low coverage area decreased by 1427.9337km2, and the extremely high vegetation coverage area increased by 1252.9080km2. These indicate that the natural environmental of Xi’an was becoming better. The statistical results of separating area showed that the vegetation along the hilly hills and loess terraces significantly grew, the southern mountainous areas and the flood plain of the Weihe River kept unchanged, and the vegetation degradation mainly occurred in the new construction urban areas and the major development areas. The landscape analysis also showed that the plaque density and the number of plaques were on the rise, and the degree of fragmentation was increasing. This indicated that the environment was becoming worse for the biodiversity when the resources were developed. In conclusion, our study shows that the vegetation coverage of Xi’an is growing, but we still need to pay close attention to the environment that maintains biodiversity.

dimidiate pixel model; vegetation fraction; dynamic change; landscape pattern; change monitoring

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.012

K909

A

1008-8873(2019)06-081-11

2018-11-17;

2018-12-24

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA19060202); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0501404; 2016YFC1402003); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372330; 41671436); 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41601345)

王君(1992—), 女, 博士研究生, 主要從事遙感影像信息提取及分析, E-mail: 2017026007@chd.edu.cn

王志華(1988—), 男, 博士, 助理研究員, 主要從事遙感地學(xué)分析, E-mail: zhwang@lreis.ac.cn

王君, 楊曉梅, 隋立春, 等. 西安市1995—2016年植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)及景觀格局分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(6): 81-91.

WANG Jun, YANG Xiaomei, SUI Lichun, et al. Dynamic change monitoring and landscape pattern analysis of vegetation coverage in Xi'an city from 1995 to 2016[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 81-91.