摘 要：歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)集可以反映區(qū)域的植被覆蓋變化情況。1999年以來(lái)，湖南省響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，在全省范圍內(nèi)推行退耕還林還草工程項(xiàng)目，全省植被覆蓋得到改善，但是省域尺度上的植被覆蓋變化在一定程度上掩蓋了市、縣尺度的植被覆蓋變化。研究以250 m分辨率的Modis三級(jí)網(wǎng)格植被數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)源，采用一元線性回歸方法，對(duì)湖南省和湘北地區(qū)的植被覆蓋變化展開對(duì)比分析，從省、市兩個(gè)尺度揭示不同區(qū)域的植被覆蓋變化情況，為不同尺度上宏觀生態(tài)政策制定提供參考。研究結(jié)果表明：2000—2022年湖南省64.03%的區(qū)域植被覆蓋得到顯著改善，7.50%的區(qū)域植被覆蓋出現(xiàn)褐變的情況；對(duì)比湖南省植被覆蓋增長(zhǎng)率的變化，湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市年增長(zhǎng)率均低于湖南省年增長(zhǎng)率。

關(guān)鍵詞：歸一化植被指數(shù)；多尺度分析；時(shí)空變化

中圖分類號(hào)：Q948 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）2-111-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.02.026

0 引言

植被是地表物質(zhì)能量循環(huán)的重要載體［1］，是構(gòu)成和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡的重要組成成分，研究其變化趨勢(shì)，對(duì)環(huán)境保護(hù)政策的制定具有重要的指導(dǎo)意義。以前，受限于傳統(tǒng)的技術(shù)方法，研究者無(wú)法對(duì)大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化展開歸因性分析。20世紀(jì)以來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星可以快速獲取實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)連續(xù)的地表植被覆蓋數(shù)據(jù)。研究者開始借助衛(wèi)星遙感技術(shù)探究植被覆蓋的變化。Weiss等［2］利用AVHRR的1 km分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析阿拉伯地區(qū)植被覆蓋的變化；Rees等［3］基于全球尺度，對(duì)不同區(qū)域植被覆蓋變化情況展開評(píng)估。遙感參數(shù)的歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），是反映植被對(duì)光合作用有效輻射吸收能力的一個(gè)間接指標(biāo)［4］，研究者廣泛使用該指標(biāo)計(jì)算葉面積指數(shù)和生產(chǎn)力格局［5-6］。目前，研究人員開始使用該指數(shù)數(shù)據(jù)集，從世界到局部尺度探究植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化，并展開歸因性分析［7］。

中國(guó)使用NDVI數(shù)據(jù)集對(duì)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化的研究始于1980年，該方向的研究發(fā)展速度較快。符淙斌等［7］在全國(guó)尺度上研究中國(guó)植被覆蓋變化情況，探究1980—1990年植被覆蓋的變化情況，并分析其原因；孫根年等［8］基于歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的植被覆蓋變化展開分析，并探究該地區(qū)土地利用變化、氣候?qū)υ搮^(qū)域植被覆蓋變化的影響；陳效逑等［9］綜合Modis和AVHRR的數(shù)據(jù)，對(duì)1982—2003年內(nèi)蒙古植被帶和植被覆蓋度展開歸因性分析；劉湘南等［10］以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用定性定量結(jié)合的方法對(duì)松嫩沙地的植被覆蓋變化展開歸因性分析；毛德華等［11］基于1982—2006年的歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析東北凍土地區(qū)歸一化植被指數(shù)的年際變化，并在空間尺度上探究氣候和土地利用對(duì)植被覆蓋變化的影響；劉洋等［12］基于1982—2013年新疆地區(qū)歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，研究新疆地區(qū)的植被覆蓋變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)刂脖桓采w變化呈現(xiàn)地理空間的分異現(xiàn)象；李運(yùn)剛等［13］探究紅河流域的植被覆蓋變化，并分析其與氣候之間的關(guān)系。綜上，NDVI數(shù)據(jù)集作為常見(jiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域植被覆蓋變化的遙感數(shù)據(jù)，研究者利用其從不同的角度探究植被覆蓋變化，并展開歸因性分析。

1999年以來(lái)，湖南省開始在全省范圍內(nèi)推行退耕還林等各項(xiàng)撫林育林政策，并取得了一定成效。國(guó)內(nèi)已有研究者對(duì)湖南省植被覆蓋變化進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了歸因性分析。黃春曉等［14］依據(jù)湖南省NDVI數(shù)據(jù)集，采用逐像元回歸分析和相關(guān)性分析的方法探究湖南省植被覆蓋時(shí)空變化及其影響因素，研究發(fā)現(xiàn)秋季降水主導(dǎo)了NDVI值的空間分布，冬季溫度是植被生長(zhǎng)的主要影響因子；郭慶斌等［15］基于2005—2015年湖南省植被覆蓋的數(shù)據(jù)，通過(guò)線性趨勢(shì)變化，探究植被覆蓋的變化趨勢(shì)；王震等［16］研究計(jì)算湖南省植被的hurts指數(shù)，并對(duì)湖南省植被覆蓋未來(lái)的變化趨勢(shì)展開預(yù)測(cè)。然而，以上研究工作都是從全省尺度上對(duì)湖南省植被覆蓋變化展開評(píng)估的，缺少在市尺度上對(duì)植被覆蓋變化展開分析評(píng)估，無(wú)法精確地分析市尺度上的植被覆蓋變化情況。鑒于以往研究缺少對(duì)湖南省市尺度上植被覆蓋變化的細(xì)化分析，筆者從全省到市尺度上展開對(duì)比分析，細(xì)化研究尺度，探究不同尺度上湖南省湘北地區(qū)主要城市群植被覆蓋變化速率的差異，為環(huán)境保護(hù)政策的制定提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)概況

湖南省東臨江西省，西接重慶市、貴州省，南毗廣東省、廣西壯族自治區(qū)，北與湖北省相連，是三面環(huán)山、朝北開口的馬蹄形地貌，由平原、盆地、丘陵、山地、河湖構(gòu)成，地跨長(zhǎng)江、珠江兩大水系，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。1999年以來(lái)，湖南省在全省范圍內(nèi)實(shí)施退耕還林還草工程項(xiàng)目，植被覆蓋率顯著提升。細(xì)化湖南省植被覆蓋變化研究、對(duì)比湖南省和湘北地區(qū)城市植被覆蓋變化速率的差異性，可以了解該地區(qū)自退耕還林還草工程項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)區(qū)域植被覆蓋和森林變化情況，進(jìn)而為湖南省未來(lái)發(fā)展提供重要的數(shù)據(jù)參考。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

研究基于2000—2022年的湖南省歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)宇航中心提供的三級(jí)格網(wǎng)數(shù)據(jù)。使用MRT軟件完成相關(guān)數(shù)據(jù)的批處理工作，將質(zhì)量控制文件應(yīng)用到該產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜裁剪；歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)的有效值為［-1，1］，一般NDVI小于0的值代表非植被區(qū)域［3］。為探究湖南省湘北地區(qū)城市群植被覆蓋變化情況，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，將NDVI小于0的值進(jìn)行篩選剔除，對(duì)預(yù)處理后的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后從數(shù)據(jù)集合中取4—11月的平均值，得到湖南省和湘北地區(qū)2000—2022年各年植物生長(zhǎng)季NDVI［4］。

筆者對(duì)整理過(guò)的2000—2022年的NDVI數(shù)據(jù)在GIS軟件平臺(tái)上展開分析，在省域和市域兩個(gè)尺度上對(duì)湖南省和湘北地區(qū)城市群的植被覆蓋變化展開對(duì)比分析，為不同尺度下的生態(tài)環(huán)境政策制定提供數(shù)據(jù)參考。

2.2 一元線性回歸趨勢(shì)線分析

采用趨勢(shì)回歸的方法對(duì)湖南省植被覆蓋變化趨勢(shì)展開分析，計(jì)算公式見(jiàn)式（1）［5］ 。

[Slope =n i=1ni NDVIi - i=1nii=1nNDVIini=1ni2 - i=1ni2]" " " " " " " （1）

式（1）中：Slope代表斜率，i代表2000—2022年中的第i年，NDVIi代表第i年的NDVI值。Slopegt;0說(shuō)明植被覆蓋在2000—2022年呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，Slope= 0說(shuō)明植被覆蓋在2000—2022年沒(méi)有變化，Slope lt; 0 說(shuō)明植被覆蓋在2000—2022年呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。為了在像元尺度上對(duì)湖南省植被覆蓋變化進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，此研究使用公式（2）進(jìn)行核算。

[Rxy=i=1nxi-Xyi- Yi=1n（xi-X）2i=1n（yi- Y）2 ]" " " " " " " " " "（2）

式（2）中：Rxy代表自變量和因變量的相關(guān)系數(shù)，n代表2000—2022年各變量的樣本個(gè)數(shù)，xi代表年數(shù)，yi代表每年NDVI的值，[X]代表自變量年數(shù)的平均值，[Y]代表因變量NDVI的平均值。如果相關(guān)系數(shù)大于零，表明植被覆蓋呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)，反之表明該區(qū)域植被覆蓋狀況惡化。計(jì)算結(jié)果表明，Rxy通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），植被覆蓋呈現(xiàn)顯著變化，因此通過(guò)一元線性回歸方程分析2000—2022年湖南省地域植被覆蓋變化情況。

3 結(jié)果分析

3.1 湖南省植被覆蓋NDVI時(shí)空變化

2000—2022年湖南省的年均NDVI變化情況如圖1所示。通過(guò)一元線性趨勢(shì)回歸分析并結(jié)合相關(guān)系數(shù)得到湖南省植被覆蓋變化趨勢(shì)等級(jí)分布，見(jiàn)表1。由表1可知，植被覆蓋減少的區(qū)域占總面積的7.50%，改善面積占92.50%，湖南省大部分區(qū)域植被覆蓋得到改善，少部分區(qū)域植被覆蓋出現(xiàn)了退化情況。2000—2022年湖南省超過(guò)90%的區(qū)域植被覆蓋得到改善，少部分區(qū)域出現(xiàn)褐變的情況，說(shuō)明2000年以來(lái)，湖南省在全省推行的相關(guān)林業(yè)措施取得了一定成效，少部分區(qū)域出現(xiàn)植被覆蓋減少的情況可能與城市化有關(guān)。

由圖1可知，2000年湖南省NDVI值最小（0.511），而后NDVI值呈逐年上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)速率為0.005 38/a，在2014年取得最大值（0.683）；2000—2022年湖南省植被覆蓋呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。綜合圖1及表1可知，2000—2022年湖南省植被覆蓋整體向好，說(shuō)明人為活動(dòng)對(duì)該地區(qū)的植被覆蓋變化產(chǎn)生了積極影響，但少部分區(qū)域出現(xiàn)植被覆蓋減少的情況。

3.2 湘北地區(qū)市尺度上NDVI時(shí)空變化

為了解湘北地區(qū)地級(jí)市植被覆蓋變化情況，筆者統(tǒng)計(jì)湘北地區(qū)2000—2022年常德市、益陽(yáng)市、岳陽(yáng)市歸一化植被指數(shù)的變化情況（如圖2至圖4所示），對(duì)這3個(gè)地級(jí)市植被覆蓋變化的趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析。

2000—2022年，常德市NDVI的均值為0.589，最大值（0.648）出現(xiàn)在2014年，最小值（0.506）出現(xiàn)在2000年；益陽(yáng)市NDVI的均值為0.593，最大值（0.660）出現(xiàn)在2014年，最小值（0.496）出現(xiàn)在2000年；岳陽(yáng)市NDVI的均值為0.579，最大值（0.641）出現(xiàn)在2014年，最小值（0.499）出現(xiàn)在2000年。2000—2022年，湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市植被覆蓋呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市與湖南省植被覆蓋的變化趨勢(shì)基本一致，均呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.3 不同尺度下植被覆蓋變化趨勢(shì)的對(duì)比分析

湖南省、湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市NDVI變化情況見(jiàn)表2。由表2可知，湖南省、湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市植被覆蓋在2000—2022年均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這說(shuō)明湖南省采取的林業(yè)政策對(duì)于該地區(qū)植被覆蓋變化起到積極作用，在一定程度上對(duì)湖南省植被覆蓋的修復(fù)起到正向作用。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市的歸一化植被指數(shù)年增長(zhǎng)率均低于湖南省的年增長(zhǎng)率，3個(gè)地級(jí)市中益陽(yáng)市年增長(zhǎng)率最大（0.004 53）。

4 結(jié)論與討論

1999年以后，湖南省在全省推行各項(xiàng)林業(yè)恢復(fù)政策，湘北地區(qū)積極推行該政策。根據(jù)2000—2022年該地區(qū)植被覆蓋變化情況，從省、市角度分析歸一化植被指數(shù)的差異性變化，對(duì)該地區(qū)植被的保護(hù)和環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策的制定都具有重要意義。此研究基于2000—2022年湖南省、湘北地區(qū)的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，得到如下結(jié)論。

①2000—2022年，湖南省64.03%的區(qū)域植被覆蓋呈顯著增加的趨勢(shì)；植被覆蓋未顯著增加的區(qū)域占比為28.47%；植被覆蓋減少的區(qū)域占比為7.50%，主要集中在湖南省城市群的交界區(qū)域。

②2000—2022年，湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市歸一化植被指數(shù)均呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，岳陽(yáng)市歸一化植被指數(shù)變化速率最慢（0.003 36/a），益陽(yáng)市變化速率最快（0.004 53/a）。

③2000—2022年，湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市植被覆蓋年增長(zhǎng)率均低于湖南省的年增長(zhǎng)率，說(shuō)明湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市在植被恢復(fù)方面還需要加強(qiáng)投入。

筆者對(duì)比分析了湖南省、湘北地區(qū)3個(gè)地級(jí)市植被覆蓋變化的年增長(zhǎng)率，細(xì)化了研究尺度，量化了不同空間尺度上歸一化植被指數(shù)的差異性變化。但是該分析方法有局限性：一是沒(méi)有對(duì)比分析湖南省全部地級(jí)市植被覆蓋變化趨勢(shì)，沒(méi)有建立對(duì)比分析的尺度標(biāo)準(zhǔn)；二是沒(méi)有考慮造成這種差異的原因，同時(shí)在研究中沒(méi)有考慮多種因素對(duì)植被覆蓋變化的影響；三是在以后的研究中，需要進(jìn)一步細(xì)化研究尺度，探究政策方面因素對(duì)區(qū)域植被覆蓋變化的影響。

在以后的研究中，應(yīng)將影響湖南省植被覆蓋變化的因素從人為、自然兩方面進(jìn)行大的歸類，再?gòu)亩鄟?lái)源的地理空間數(shù)據(jù)探索自然和人為因素對(duì)植被覆蓋的影響，以更深入地了解湖南省植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因素。除此之外，還應(yīng)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、結(jié)構(gòu)方程模型、地理加權(quán)回歸等其他統(tǒng)計(jì)方法探討植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)比不同算法的結(jié)果并分析原因。同時(shí)，應(yīng)考慮政策介入對(duì)湖南省及地級(jí)市植被覆蓋變化的作用，對(duì)比分析政策是否為影響區(qū)域植被覆蓋變化速率的主要因素，量化分析政策對(duì)湖南省不同區(qū)域植被覆蓋變化的影響程度。盡管該研究存在這些不足，但是該研究細(xì)化了研究尺度，對(duì)比了區(qū)域間差異，同時(shí)該研究獲得的數(shù)據(jù)也可為湖南省相關(guān)地區(qū)未來(lái)林業(yè)政策的制定提供相關(guān)參考建議。

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