韓瑞丹，朱雙偉

（1.河南建筑職業(yè)技術學院，河南 鄭州 450064；2.鄭州中核巖土工程有限公司，河南 鄭州 450000）

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是地表環(huán)境變化的指示器。城市植被不僅具備植物本身的抑菌殺菌、凈化空氣、降低噪聲和美化環(huán)境等功能，還具備休閑娛樂、防災避難和調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等功能。研究城市植被變化對于認識和改善城市生態(tài)環(huán)境具有重要作用，同時可為城市空間規(guī)劃提供科學依據(jù)。

本研究基于MOD13Q1 NDVI時間序列數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和數(shù)理統(tǒng)計，對鄭州市2010-2020年植被在時間和空間上的變化特征作出分析，為鄭州市人居環(huán)境改善和城市綠色發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

鄭州市地處中原，區(qū)位優(yōu)勢獨特，是國家中心城市、全國重要的樞紐城市、中原城市群的中心城市，同時也是河南省省會，現(xiàn)轄6區(qū)（二七區(qū)、管城回族區(qū)、惠濟區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)、中原區(qū)）5市（登封市、鞏義市、新密市、新鄭市、滎陽市）1縣（中牟縣）及鄭州航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)、鄭東新區(qū)、鄭州經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)和鄭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)。鄭州市全市總面積7 446 km2，人口1 035.2萬人，中心城區(qū)建成區(qū)面積647.59 km2（含航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)），市域城市建成區(qū)面積1 077.75 km2，城鎮(zhèn)化率74.6%[1]。鄭州市城市綠化率處于中國城市前列，被譽為“中原綠城”，具有“國家生態(tài)園林城市”“國家森林城市”“全國綠化模范城市”等榮譽稱號。

2 研究數(shù)據(jù)和方法

本研究選用2010年至2020年的MOD13Q1 NDVI時間序列數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。首先對MOD13Q1數(shù)據(jù)進行波段提取、重采樣、投影變換、數(shù)據(jù)格式轉換和感興趣區(qū)提取等預處理，其次將每年16 d的NDVI數(shù)據(jù)進行最大值合成，得到逐年NDVI年最大值數(shù)據(jù)，利用趨勢分析法和緩沖分析法分析NDVI的時空變化特征[2]。

2.1 最大值合成法

采用最大值合成法獲取NDVI年最大值，有利于削弱大氣中的云、水、雪、氣溶膠的影響，以及視角與太陽高度角的影響。本研究基于16 d的NDVI數(shù)據(jù)，采用最大值合成法獲取NDVI年最大值，用以揭示植被生長的最佳狀況及其動態(tài)變化特征。公式為：

式中：MNDVIi為第i年NDVI最大值，NDVIij為第i年第j期的NDVI值。

求取研究區(qū)內(nèi)所有像元NDVI年最大值的平均值，用以衡量當年整個地區(qū)的植被生長狀況，制作NDVI年際變化折線圖。

2.2 趨勢分析法

趨勢分析法可計算研究區(qū)域監(jiān)測時段內(nèi)每個像元NDVI的變化趨勢，能反映該區(qū)域的植被時空變化規(guī)律。本研究利用一元線性回歸方程的斜率θslope進行趨勢分析，制作NDVI變化趨勢圖，并做顯著性檢驗，分析NDVI空間變化特征。θslope的計算公式為：

式中：n為監(jiān)測時間序列的長度，MNDVIi為第i年NDVI的最大值；θslope為像元NDVI的回歸斜率值。當θslope>0時，該區(qū)域的植被呈增長或改善趨勢，反之呈減少或退化趨勢；當θslope=0時，說明該區(qū)域NDVI沒有變化。

2.3 緩沖分析法

在植被變化趨勢分析的基礎上，本研究利用緩沖分析法研究植被沿城鄉(xiāng)梯度的過度特征。以鄭州市主城區(qū)（中原區(qū)、二七區(qū)、金水區(qū)、管城區(qū)、惠濟區(qū)）行政范圍的質(zhì)心為中心，建立的1 km間隔的圓形緩沖區(qū)，統(tǒng)計分析各環(huán)形緩沖區(qū)內(nèi)NDVI的平均變化趨勢。

3 結果分析

3.1 空間分布特征

根據(jù)NDVI年最大值結果，將研究區(qū)的植被覆蓋度分為5個等級：低植被覆蓋（0～0.2）、較低植被覆蓋（0.2～0.4）、中植被覆蓋（0.4～0.6）、較高植被覆蓋（0.6～0.8）和高植被覆蓋（0.8～1），并進行統(tǒng)計分析。

根據(jù)鄭州市2020年植被空間分布圖如圖1所示，發(fā)現(xiàn)鄭州市植被主要以較高植被覆蓋為主（占比53.43%），高植被覆蓋次之（占比26.65%），其次依次為中植被覆蓋（占比16.00%）、較低植被覆蓋（占比3.25%）和低植被覆蓋（占比0.67%）。高植被覆蓋區(qū)主要分布在北部黃河兩岸沿線區(qū)域、西部嵩山-伏牛山一帶和南部的大熊山-始祖山一帶等區(qū)域；較低植被區(qū)主要分布在城市中心，如中原區(qū)、金水區(qū)、管城回族區(qū)及各縣市的城市中心等；低植被覆蓋區(qū)集中分布在黃河河道，僅占比0.67%。從整體上看，鄭州市植被覆蓋情況較好，中植被覆蓋、較高植被覆蓋和高植被覆蓋面積總占比高達96.08%。

圖1 鄭州市2020年植被空間分布圖

對比鄭州市6區(qū)5市1縣2020年的NDVI平均值，植被生長狀況由高到低（NDVI平均值由大到?。┮来问牵旱欠馐校?.777 2）、新密市（0.740 3）、鞏義市（0.734 5）、滎陽市（0.712 8）、新鄭市（0.701 9）、中牟縣（0.692 5）、上街區(qū)（0.646 1）、惠濟區(qū)（0.615 8）、二七區(qū)（0.609 9）、中原區(qū)（0.601 2）、金水區(qū)（0.536 5）和管城回族區(qū)（0.530 1）。

對比鄭州6區(qū)5市1縣2010-2020年歷年來的NDVI平均值，植被生長狀況由高到低（NDVI歷年平均值由大到?。┮来问牵旱欠馐校?.739 2）、新密市（0.735 2）、中牟縣（0.721 3）、鞏義市（0.716 9）、新鄭市（0.710 9）、滎陽市（0.705 8）、惠濟區(qū)（0.618 3）、上街區(qū)（0.613 8）、二七區(qū)（0.576 9）、中原區(qū)（0.539 7）、管城回族區(qū)（0.511 8）和金水區(qū)（0.507 4）。

由以上2種排名可見，鄭州市5市1縣的植被覆蓋度明顯高于鄭州市6區(qū)。

按照2020年高植被覆蓋區(qū)的占比排序，由高到低依次是：登封市（47.78%）、鞏義市（32.81%）、滎陽市（27.34%）、新密市（26.52%）、上街區(qū)（24.97%）、中牟縣（22.56%）、新鄭市（22.37%）、二七區(qū)（12.49%）、惠濟區(qū)（11.13%）、中原區(qū)（8.49%）、管城回族區(qū)（2.67%）和金水區(qū)（2.34%）。

按照2020年較高植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū)的占比排序，由高到低依次是：登封市（94.00%）、新密市（91.30%）、鞏義市（87.50%）、滎陽市（84.76%）、新鄭市（79.83%）、中牟縣（77.82%）、上街區(qū)（61.50%）、二七區(qū)（56.00%）、惠濟區(qū)（55.50%）、中原區(qū)（50.28%）、金水區(qū)（31.33%）和管城回族區(qū)（31.26%）。

由以上2種排名可見，鄭州市各區(qū)域高植被覆蓋占比差異較大，較高植被覆蓋和高植被覆蓋總占比差異更大。

在鄭州6區(qū)5市1縣中，總體上看，5市1縣的高植被覆蓋占比、較高和高植被覆蓋總占比相比6區(qū)的更大。5市1縣均以較高植被覆蓋和高植被覆蓋為主；登封市占比最高的植被等級為高植被覆蓋，且登封市高植被覆蓋占比遠遠高于其他地區(qū)；其他市縣占比最高的植被等級均為較高植被覆蓋。鄭州6區(qū)均以較高植被覆蓋和中植被覆蓋為主；6區(qū)中上街區(qū)的高植被覆蓋占比最高，甚至高于2020年新鄭市的高植被覆蓋占比；管城回族區(qū)和金水區(qū)占比最高的植被等級為中植被覆蓋，其他4區(qū)占比最高的植被等級為較高植被覆蓋。

3.2 年際變化分析

縱觀植被隨時間（年份）變化如圖2所示，發(fā)現(xiàn)2010-2020年，鄭州市植被NDVI最小值呈下降趨勢，于2016年達到最小值，但近4年有所增大；NDVI平均值也呈下降趨勢，在2014年有一個明顯的下降波動；NDVI最大值年際變化甚微，基本保持穩(wěn)定。

圖2 鄭州市2010-2020年NDVI最小值、最大值、平均值年際變化

鄭州市2010-2020年各等級NDVI占比年際變化如圖3所示，發(fā)現(xiàn)從2010-2020年，鄭州市低植被覆蓋區(qū)占比保持穩(wěn)定，較低植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū)占比均變小，中植被覆蓋區(qū)占比變大。高植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)占比年際變化波動較大。其中在2014年，高植被覆蓋區(qū)占比明顯降低，中植被覆蓋區(qū)和較低植被覆蓋區(qū)占比明顯增加；2018年，高植被覆蓋區(qū)占比明顯增加，而較高植被覆蓋區(qū)和中植被覆蓋區(qū)占比明顯降低。

圖3 鄭州市2010-2020年各等級NDVI占比年際變化

基于對鄭州6區(qū)5市1縣的分析，自2010-2020年，在鄭州6區(qū)中，僅有惠濟區(qū)的NDVI平均值呈降低趨勢，其他5區(qū)均呈增高趨勢；在鄭州5市1縣中，登封市和鞏義市NDVI平均值變化呈增高趨勢，新密市、新鄭市、滎陽市、中牟縣NDVI平均值呈降低趨勢，其中中牟縣和新鄭市NDVI平均值分別呈極顯著降低和顯著降低。

3.3 時空變化分析

鄭州市2010-2020年植被NDVI變化趨勢圖，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)自2010-2020年，鄭州市整體植被呈退化趨勢，植被退化的面積占鄭州市總面積的56.53%，植被改善的面積占鄭州市總面積的43.47%?；轁鷧^(qū)、新密市、新鄭市、滎陽市和中牟縣5個地區(qū)植被變化呈退化趨勢，其中新鄭市和中牟縣植被退化比較嚴重，分別占各市縣面積的79.38%和77.43%；二七區(qū)、管城回族區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)、中原區(qū)、登封市和鞏義市7個地區(qū)植被變化呈改善趨勢，其中二七區(qū)、管城回族自治區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)與登封市植被改善較好，植被改善區(qū)域面積均占各區(qū)域總面積的60%以上。鄭州市各區(qū)域2010-

圖4 鄭州市2010-2020年植被NDVI變化趨勢圖

2020年植被NDVI變化比例統(tǒng)計見表1。

表1 鄭州市各區(qū)域2010-2020年植被NDVI變化趨勢統(tǒng)計

3.4 主城區(qū)植被沿城鄉(xiāng)梯度變化分析

鄭州市主城區(qū)植被在城鄉(xiāng)梯度上的變化特征和鄭州市主城區(qū)2010-2020年植被NDVI在城鄉(xiāng)梯度上的變化趨勢分析如圖5和圖6所示，發(fā)現(xiàn)自2010-2020年，鄭州市主城區(qū)植被在城鄉(xiāng)梯度上的變化特征從整體上呈現(xiàn)出市中心改善、遠離市中心退化的勢態(tài)。在距離城市中心13 km的范圍內(nèi)，植被生長呈改善狀態(tài)；在距離城市中心13～26 km的范圍內(nèi)，植被生長呈退化狀態(tài)；在距離城市中心3～22 km的范圍內(nèi)，植被生長狀況隨著距離的增長，改善勢態(tài)越來越不明顯（slope為正值，但逐漸變?。?，而退化勢態(tài)越來越明顯（slope為負值，且其絕對值逐漸變大）。

圖5 鄭州市主城區(qū)植被在城鄉(xiāng)梯度上的變化特征

圖6 鄭州市主城區(qū)2010-2020年植被NDVI在城鄉(xiāng)梯度上的變化趨勢分析

4 結束語

本研究利用遙感技術和GIS空間分析技術，對鄭州市2010-2020年植被時空變化特征進行分析。結果表明：

（1）鄭州市植被覆蓋情況較好，中植被覆蓋、較高植被覆蓋和高植被覆蓋面積總占比高達96.08%。5市1縣的高植被覆蓋占比、較高和高植被覆蓋總占比相比6區(qū)的更大，即5市1縣的植被覆蓋度更高。

（2）近11年來，鄭州市植被NDVI平均值呈下降趨勢，低植被覆蓋區(qū)占比保持穩(wěn)定，較低植被覆蓋區(qū)、較高植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū)占比均變小，中植被覆蓋區(qū)占比變大。在鄭州6區(qū)中，除惠濟區(qū)外，其他5區(qū)NDVI平均值均呈增高趨勢；在5市1縣中，除登封市和鞏義市外，其他4個市縣NDVI平均值呈降低趨勢。

（3）近11年來，鄭州市植被整體呈退化趨勢，植被退化的面積占鄭州市總面積的56.53%，植被改善的面積占鄭州市總面積的43.47%?；轁鷧^(qū)、新密市、新鄭市、滎陽市和中牟縣5個地區(qū)植被變化呈退化趨勢；二七區(qū)、管城回族區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)、中原區(qū)、登封市和鞏義市7個地區(qū)植被變化呈改善趨勢。

（4）近11年來，鄭州市主城區(qū)植被在城鄉(xiāng)梯度上的變化特征從整體上呈現(xiàn)出市中心改善、遠離市中心退化的勢態(tài)。