門雷雷

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 生態(tài)科技事業(yè)部，北京 100013；3.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013；4.中煤科工集團北京土地整治與生態(tài)修復科技研究院有限公司，北京 100013)

煤炭作為我們國家的主要能源，為我國的經(jīng)濟建設做出了巨大貢獻，植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成因素，其生長的好壞對地區(qū)生態(tài)有直接影響，而采礦對周邊環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)造成的影響也可以通過植被的變化情況進行反映。近年來，隨著全球氣候變化研究[1]進程的加快與不斷深入，生態(tài)環(huán)境變化作為其中一項重要的研究內(nèi)容，已成為地理學與生態(tài)學等相關(guān)領(lǐng)域研究的一大熱點，植被覆蓋度的高低可以間接反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的好壞。因此，及時掌握其時空格局演變規(guī)律，有助于人們?nèi)嬲J識區(qū)域植被的生長狀況，為區(qū)域植被保護與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復治理措施的制定，提供科學的參考依據(jù)。目前，中國學者們已經(jīng)在植被覆蓋度的模擬計算、時空動態(tài)變化及驅(qū)動因素分析等方面取得諸多研究成果。谷金芝等[2]以MODIS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，從生態(tài)區(qū)和時空尺度分析2001～2019年華北平原植被覆蓋度變化及與氣候、人類的關(guān)系；林玉英等[3]基于Landsat衛(wèi)星遙感影像提取的歸一化植被指數(shù)，對植被時空變化特征以及對影響因子植被與影響因子交互耦合的響應進行分析；李慶旭等[4]對京津風沙源區(qū)2000～2019年植被覆蓋狀況的區(qū)域差異進行研究；馬昊翔等[5]基于2005～2014年增強型植被指數(shù)(MODIS EVI)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，對青海省10年間生長季草地植被覆蓋變化規(guī)律以及氣候因素進行了相關(guān)性分析。

濟寧市境內(nèi)擁有眾多煤礦，其中，包括南屯煤礦、唐村煤礦等，世界500強企業(yè)兗礦集團總部設在鄒城。濟寧礦區(qū)采煤歷史久遠，境內(nèi)形成了很多的采煤沉陷區(qū)，對沉陷區(qū)的治理一直是濟寧市政府的重點任務，但是該區(qū)域采礦活動對植被覆蓋情況的影響研究還是空白。

以往為了獲得某特定地區(qū)植被蓋度值，人們通常采用專家經(jīng)驗判定(目視解譯)、儀器實測、采樣估算等方法[6]完成，這些方法最大的缺點是不僅會消耗巨大的人力、財力和時間，而且得到結(jié)果的準確性不高且誤差較大。隨著3S技術(shù)的飛速發(fā)展，利用遙感影像估算某一區(qū)域范圍的植被覆蓋度的方法已經(jīng)趨于成熟，并且已被廣泛應用于全球生態(tài)環(huán)境變化的相關(guān)研究中[7-9]。

有鑒于此，本文利用GIS與RS技術(shù)，并且引入多種數(shù)學模型完成濟寧市2000～2019年植被覆蓋度時空格局演變規(guī)律的探索分析，為濟寧市生態(tài)環(huán)境建設和經(jīng)濟發(fā)展方向提供參考。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

濟寧市位于山東省西南部，東經(jīng)115°52′～117°36′E，北緯34°26′～35°57′N，總面積約1.12萬 km2，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概況圖

該地區(qū)氣候類型以暖溫帶季風氣候為主，濟寧市是我國規(guī)劃重點建設的14個大型煤炭生產(chǎn)基地的主要城市，境內(nèi)煤炭開采以井工為主，且以長臂垮落式開采為主。其煤炭資源大都位于耕地、村莊、河流下方，具有可采煤層厚、埋藏深等特點，這也導致其因采煤形成的沉陷區(qū)具有范圍廣、深度大、積水程度嚴重的問題。使得礦區(qū)范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境遭受極大破壞，各類基礎(chǔ)設施均有不同程度損壞，耕地面積和農(nóng)業(yè)產(chǎn)能大幅度下降，也使得植被長勢有大幅度變化。故研究其采礦活動對區(qū)域植被及生態(tài)環(huán)境的影響十分必要。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

考慮到研究區(qū)植被生長最好的時間為6～8月，因此選取2000年、2005年、2010年、2015年、2019年該地區(qū)6～8月的MODIS-NDVI作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其源于美國航天局(NASA)提供的MODIS13Q1地球表面植被指數(shù)遙感提取成果，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。利用MRT(Modis Reprojection Tool)工具對其進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影變換及鑲嵌處理(坐標系統(tǒng)WGS_1984_UTM_50N)。同時，為減少云、霧、氣溶膠等噪聲對研究準確性造成過大干擾，采用國際通用的最大化合成(MVC)完成該地區(qū)6～8月植被NDVI的最大化合成[10]。

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計算

植被覆蓋度指植被在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的比例，其計算方法主要有地面丈量和遙感估算兩種，主要用于植被變化、生態(tài)環(huán)境研究和氣候觀測等方面。利用遙感技術(shù)完成植被覆蓋度的計算不僅能有效節(jié)約人力、物力與財力，同時還具有較高的精度，研究利用像元二分模型完成其計算[11-12]，模型如下：

(1)

式中，NDVImax為研究區(qū)植物生長的最大值；NDVImin為研究區(qū)植物生長的最小值。

2.2 分類定級

植被覆蓋度的分類定級能實現(xiàn)研究區(qū)最大化做到化整為零，實現(xiàn)整個研究區(qū)植被覆蓋度時空格局變化的具體化與準確化表達。為準確實現(xiàn)該地區(qū)植被覆蓋度的分類定級，研究在參考已有成果的基礎(chǔ)上[13-15]，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H狀況將其植被覆蓋度劃分為5類，分別為低覆蓋度區(qū)、中低覆蓋度區(qū)、中覆蓋度區(qū)、中高覆蓋度區(qū)和高覆蓋度區(qū)，如表1所示。

表1 濟寧市植被覆蓋度分類

3 結(jié)果與分析

3.1 空間分布特征

對區(qū)域植被覆蓋度空間分布狀況進行認識與分析，有利于全面掌握其空間分布特征，對區(qū)域植被的保護與恢復措施的制定有重大參考價值。

由圖2可知，濟寧市植被覆蓋狀況整體表現(xiàn)出明顯垂直分布的空間變化特征，具體表現(xiàn)為：由北向南植被覆蓋度有逐漸降低的變化趨勢，北部地區(qū)植被覆蓋度的平均值相對較高，植被長勢較好；而越向南部地區(qū)靠近，其植被覆蓋度的平均值相對越低，整體狀況相對較差。這主要是研究區(qū)土地利用狀況、植被分布類型以及氣象等因素共同作用的結(jié)果。

圖2 濟寧市2000～2019年植被覆蓋度

中高覆蓋和中覆蓋區(qū)在整個濟寧市的分布面積最廣，面積比例達到整個區(qū)域的75%以上，這是由于整個研究區(qū)內(nèi)土地利用類型主要為旱地；高植被覆蓋區(qū)則主要分布于濟寧市北部的汶上縣、兗州區(qū)以及魚臺縣到兗州區(qū)一線的水田分布區(qū)域；而中低植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)域則主要分布于微山縣附近，這些地區(qū)植被類型相對單一且土地利用類型主要以湖泊和水庫、坑塘為主，不適合植被的生長。

3.2 結(jié)構(gòu)差異

實現(xiàn)研究區(qū)不同時期不同覆蓋度面積差異的比較，有利于更深入了解不同植被覆蓋度在結(jié)構(gòu)變化上的差異。2000～2019年濟寧市不同植被覆蓋度柵格像元及比例概況[16-17]如表2所示。

表2 濟寧市2000～2019年各等級植被覆蓋度

由各區(qū)域柵格像元占地區(qū)總數(shù)的百分比可知，研究區(qū)不同植被覆蓋度在結(jié)構(gòu)上存在明顯差異。以2019年為例，濟寧市中高覆蓋和低覆蓋區(qū)柵格比例分別為56.36%和1.56%，分居研究區(qū)的上下限兩端；其次，中覆蓋、高覆蓋和中低覆蓋的比例分別為23.02%、13.43%和5.62%，位列第二、第三和第四；同時，進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，中覆蓋度及以上區(qū)域的柵格累計百分比達到92.82%，一定程度上反映出研究區(qū)域整體的生態(tài)環(huán)境狀況良好。

3.3 變化幅度與動態(tài)度

客觀掌握各等級植被覆蓋區(qū)隨時間改變的結(jié)構(gòu)變化狀況，有助于更全面了解各等級植被覆蓋區(qū)在結(jié)構(gòu)變化上的具體演變規(guī)律、研究采用變化幅度和單一動態(tài)度模型進行描述。變化幅度主要表征各等級植被覆蓋區(qū)面積隨時間改變的狀況，而單一動態(tài)度反應了研究期內(nèi)各等級覆蓋區(qū)變化的劇烈程度[18-23]。

(2)

(3)

式中，Q和K為某等級覆蓋度的變化幅度和單一動態(tài)度；Ua為研究期初數(shù)量；Ub為研究期末的數(shù)量；ΔUin、ΔUout分別為研究時段內(nèi)轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出數(shù)量；T為研究時段，單位為年。

利用變化速度模型(2)和(3)，計算得出2000～2019年濟寧市各等級植被覆蓋度變化幅度及單一動態(tài)度，如表3所示。結(jié)果可知：2000～2019年內(nèi)僅有中高域面積的變化幅度為負且為-0.16%，表明近20年內(nèi)該地區(qū)該類植被覆蓋區(qū)的面積呈現(xiàn)減少；其他四個類別的植被覆蓋區(qū)的面積變化幅度均為正值，這表明幾個等級的面積在研究區(qū)內(nèi)均表現(xiàn)出增加的變化狀態(tài)，并且低覆蓋區(qū)的Q值為1.08%，數(shù)值最大表征出該區(qū)域面積增加的幅度最大。從單一動態(tài)度K進行分析，可以發(fā)現(xiàn)僅有中高植被覆蓋區(qū)的K值為負值且為-0.01%，描述出這一類別的面積呈現(xiàn)出減少的變化狀態(tài)；而其他四個類別的區(qū)域面積均處于增加的狀態(tài)，特別是低覆蓋區(qū)域的K值在所有面積增加的類別中數(shù)值最大，為0.06%，表明其在整個研究階段內(nèi)面積增加的速度最快。

表3 濟寧市2000～2019年植被覆蓋變化幅度與動態(tài)度/%

3.4 趨勢變化分析

趨勢變化分析是指變量隨時間改變而有所變化并對變量進行線性回歸分析，預測其未來變化趨勢[24-26]。研究以一元線性回歸模型完成該區(qū)域NDVI指數(shù)的年際變化，計算公式如下：

(4)

式中，S為斜率變化；n為研究時間(以年為單位)；VFCi為第i年的值。若S>0，則表明植被覆蓋率呈增長趨勢；S<0，則表明植被覆蓋率呈下降趨勢。

同時，為進一步對其趨勢變化狀況進行更詳細的描述，研究引入F顯著性檢驗對其趨勢變化狀況進行分析：

(5)

研究對2000～2019年濟寧市植被覆蓋度的變化趨勢進行分析，如圖3所示，結(jié)果表明：斜率小于0的區(qū)域柵格像元比例達到44.84%，這些地區(qū)植被覆蓋度在研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出減小的變化趨勢；而斜率大于0的柵格像元比例則達到55.16%，這些地區(qū)植被覆蓋度則呈現(xiàn)出提高的變化狀態(tài)；顯著性檢驗則表明植被覆蓋度顯著增加(S>0、P≤0.05)的地區(qū)面積比例達到4.07%；植被覆蓋度顯著性降低的(S<0、P≤0.05)地區(qū)面積則有47.89%；就整個研究區(qū)植被覆蓋度變化趨勢分析可以發(fā)現(xiàn)，整個研究階段內(nèi)，隨著地區(qū)采礦活動和人為建設的影響，區(qū)內(nèi)植被得到明顯破壞，覆蓋度下降明顯。

圖3 濟寧市2000～2019年植被覆蓋變化趨勢和顯著性檢驗

3.5 質(zhì)心模型

質(zhì)心又稱質(zhì)量中心，通過研究質(zhì)心模型[27]以研究植被覆蓋度時空演變趨勢。本文研究主要以2000、2005、2010、2015、2019五年質(zhì)心計算以探明濟寧市2000～2019年這20年來的變化情況，通過質(zhì)心的空間分布位置看出該區(qū)域植被覆蓋變化的方向、角度和趨勢，如表4所示。2000～2005年，質(zhì)心向西北移動了1.86 km；2005～2010年，質(zhì)心在2005年的基礎(chǔ)上向東南方移動了0.47 km；2010～2015年，質(zhì)心又向東南方向移動了0.91 km；2015～2019年，質(zhì)心又向東北移動了0.82 km。整體來說，自2000～2019年，質(zhì)心向東北移動了0.98 km，該20年內(nèi)濟寧市東部植被生長狀況極為明顯，可見該區(qū)域內(nèi)采礦活動較少，植被保護措施實施效果顯著，植被破壞相對有所減少。2000～2019年，質(zhì)心都主要位于任城內(nèi)東部，濟寧市質(zhì)心變化趨勢不大。由2000年和2019年質(zhì)心變化軌跡及趨勢變化分析，二者結(jié)合可以看出，濟寧市北部植被生長恢復趨勢高于南部。形成該現(xiàn)象的主要原因是濟寧市北部汶上縣和兗州區(qū)在采礦強度、土地利用狀況變化較小，對區(qū)域植被影響較小。

表4 2000～2019年濟寧市質(zhì)心變化表

4 結(jié) 論

本文利用2000～2019年MODIS13Q1產(chǎn)品植被指數(shù)數(shù)據(jù)及其他相關(guān)輔助資料，將GIS與RS技術(shù)相結(jié)合，對20年內(nèi)濟寧市植被覆蓋度時空格局演變狀況進行定量分析主要取得如下成果：

(1)研究主要以GIS和RS為工具，借助GIS強大的空間分析功能，實現(xiàn)濟寧市植被覆蓋度時空格局演變的分析處理，對研究順利進行有一定幫助。

(2)整個研究階段，該地區(qū)植被覆蓋度在空間分布特征上表現(xiàn)出明顯的垂直變化特征，北部相比南部地區(qū)植被覆蓋狀況更良好，且各等級植被覆蓋區(qū)在空間分布狀況上也表現(xiàn)出明顯的差異。該地區(qū)各等級植被覆蓋區(qū)在面積比例上也呈現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)差異性；結(jié)構(gòu)變化幅度和單一動態(tài)度表明，整個研究時段內(nèi)高植被覆蓋度和低植被覆蓋度在結(jié)構(gòu)變化幅度和年變化狀態(tài)上均分居面積增加和減少的兩端；植被覆蓋度整體趨勢變化表明，20年內(nèi)區(qū)內(nèi)植被整體發(fā)展狀況不容樂觀，大部分地區(qū)植被生長退化，區(qū)域植被生態(tài)壓力嚴峻，植被覆蓋度顯著減少；而質(zhì)心的變化則表征出，20年內(nèi)該地區(qū)植被覆蓋狀況整體向東北方遷移了0.98 km，北部植被生長狀況整體優(yōu)于南部。

(3)植被覆蓋受人為與自然因素共同作用的影響，由近20年來濟寧市植被覆蓋度變化狀況可知，濟寧市植被存在變差的趨勢，隨著地區(qū)采礦活動以及人為活動，使得區(qū)域植被覆蓋呈下降趨勢。