济宁市植被覆盖度时空格局演变分析*

门雷雷

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 生态科技事业部，北京 100013；3.中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013；4.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013)

煤炭作为我们国家的主要能源，为我国的经济建设做出了巨大贡献，植被作为陆地生态系统的重要构成因素，其生长的好坏对地区生态有直接影响，而采矿对周边环境以及生态系统造成的影响也可以通过植被的变化情况进行反映。近年来，随着全球气候变化研究[1]进程的加快与不断深入，生态环境变化作为其中一项重要的研究内容，已成为地理学与生态学等相关领域研究的一大热点，植被覆盖度的高低可以间接反映区域生态环境的好坏。因此，及时掌握其时空格局演变规律，有助于人们全面认识区域植被的生长状况，为区域植被保护与矿区生态环境恢复治理措施的制定，提供科学的参考依据。目前，中国学者们已经在植被覆盖度的模拟计算、时空动态变化及驱动因素分析等方面取得诸多研究成果。谷金芝等[2]以MODIS数据和气象数据为数据源，从生态区和时空尺度分析2001～2019年华北平原植被覆盖度变化及与气候、人类的关系；林玉英等[3]基于Landsat卫星遥感影像提取的归一化植被指数，对植被时空变化特征以及对影响因子植被与影响因子交互耦合的响应进行分析；李庆旭等[4]对京津风沙源区2000～2019年植被覆盖状况的区域差异进行研究；马昊翔等[5]基于2005～2014年增强型植被指数(MODIS EVI)数据和气象数据，对青海省10年间生长季草地植被覆盖变化规律以及气候因素进行了相关性分析。

济宁市境内拥有众多煤矿，其中，包括南屯煤矿、唐村煤矿等，世界500强企业兖矿集团总部设在邹城。济宁矿区采煤历史久远，境内形成了很多的采煤沉陷区，对沉陷区的治理一直是济宁市政府的重点任务，但是该区域采矿活动对植被覆盖情况的影响研究还是空白。

以往为了获得某特定地区植被盖度值，人们通常采用专家经验判定(目视解译)、仪器实测、采样估算等方法[6]完成，这些方法最大的缺点是不仅会消耗巨大的人力、财力和时间，而且得到结果的准确性不高且误差较大。随着3S技术的飞速发展，利用遥感影像估算某一区域范围的植被覆盖度的方法已经趋于成熟，并且已被广泛应用于全球生态环境变化的相关研究中[7-9]。

有鉴于此，本文利用GIS与RS技术，并且引入多种数学模型完成济宁市2000～2019年植被覆盖度时空格局演变规律的探索分析，为济宁市生态环境建设和经济发展方向提供参考。

1 区域概况与数据来源

1.1 研究区概况

济宁市位于山东省西南部，东经115°52′～117°36′E，北纬34°26′～35°57′N，总面积约1.12万 km2，如图1所示。

图1 研究区域概况图

该地区气候类型以暖温带季风气候为主，济宁市是我国规划重点建设的14个大型煤炭生产基地的主要城市，境内煤炭开采以井工为主，且以长臂垮落式开采为主。其煤炭资源大都位于耕地、村庄、河流下方，具有可采煤层厚、埋藏深等特点，这也导致其因采煤形成的沉陷区具有范围广、深度大、积水程度严重的问题。使得矿区范围内生态环境遭受极大破坏，各类基础设施均有不同程度损坏，耕地面积和农业产能大幅度下降，也使得植被长势有大幅度变化。故研究其采矿活动对区域植被及生态环境的影响十分必要。

1.2 数据来源与预处理

考虑到研究区植被生长最好的时间为6～8月，因此选取2000年、2005年、2010年、2015年、2019年该地区6～8月的MODIS-NDVI作为基础数据。其源于美国航天局(NASA)提供的MODIS13Q1地球表面植被指数遥感提取成果，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。利用MRT(Modis Reprojection Tool)工具对其进行数据格式转换、投影变换及镶嵌处理(坐标系统WGS_1984_UTM_50N)。同时，为减少云、雾、气溶胶等噪声对研究准确性造成过大干扰，采用国际通用的最大化合成(MVC)完成该地区6～8月植被NDVI的最大化合成[10]。

2 研究方法

2.1 植被覆盖度计算

植被覆盖度指植被在地面的垂直投影面积占统计区总面积的比例，其计算方法主要有地面丈量和遥感估算两种，主要用于植被变化、生态环境研究和气候观测等方面。利用遥感技术完成植被覆盖度的计算不仅能有效节约人力、物力与财力，同时还具有较高的精度，研究利用像元二分模型完成其计算[11-12]，模型如下：

(1)

式中，NDVImax为研究区植物生长的最大值；NDVImin为研究区植物生长的最小值。

2.2 分类定级

植被覆盖度的分类定级能实现研究区最大化做到化整为零，实现整个研究区植被覆盖度时空格局变化的具体化与准确化表达。为准确实现该地区植被覆盖度的分类定级，研究在参考已有成果的基础上[13-15]，结合区域实际状况将其植被覆盖度划分为5类，分别为低覆盖度区、中低覆盖度区、中覆盖度区、中高覆盖度区和高覆盖度区，如表1所示。

表1 济宁市植被覆盖度分类

3 结果与分析

3.1 空间分布特征

对区域植被覆盖度空间分布状况进行认识与分析，有利于全面掌握其空间分布特征，对区域植被的保护与恢复措施的制定有重大参考价值。

由图2可知，济宁市植被覆盖状况整体表现出明显垂直分布的空间变化特征，具体表现为：由北向南植被覆盖度有逐渐降低的变化趋势，北部地区植被覆盖度的平均值相对较高，植被长势较好；而越向南部地区靠近，其植被覆盖度的平均值相对越低，整体状况相对较差。这主要是研究区土地利用状况、植被分布类型以及气象等因素共同作用的结果。

图2 济宁市2000～2019年植被覆盖度

中高覆盖和中覆盖区在整个济宁市的分布面积最广，面积比例达到整个区域的75%以上，这是由于整个研究区内土地利用类型主要为旱地；高植被覆盖区则主要分布于济宁市北部的汶上县、兖州区以及鱼台县到兖州区一线的水田分布区域；而中低植被覆盖区和低植被覆盖区域则主要分布于微山县附近，这些地区植被类型相对单一且土地利用类型主要以湖泊和水库、坑塘为主，不适合植被的生长。

3.2 结构差异

实现研究区不同时期不同覆盖度面积差异的比较，有利于更深入了解不同植被覆盖度在结构变化上的差异。2000～2019年济宁市不同植被覆盖度栅格像元及比例概况[16-17]如表2所示。

表2 济宁市2000～2019年各等级植被覆盖度

由各区域栅格像元占地区总数的百分比可知，研究区不同植被覆盖度在结构上存在明显差异。以2019年为例，济宁市中高覆盖和低覆盖区栅格比例分别为56.36%和1.56%，分居研究区的上下限两端；其次，中覆盖、高覆盖和中低覆盖的比例分别为23.02%、13.43%和5.62%，位列第二、第三和第四；同时，进一步分析可以发现，中覆盖度及以上区域的栅格累计百分比达到92.82%，一定程度上反映出研究区域整体的生态环境状况良好。

3.3 变化幅度与动态度

客观掌握各等级植被覆盖区随时间改变的结构变化状况，有助于更全面了解各等级植被覆盖区在结构变化上的具体演变规律、研究采用变化幅度和单一动态度模型进行描述。变化幅度主要表征各等级植被覆盖区面积随时间改变的状况，而单一动态度反应了研究期内各等级覆盖区变化的剧烈程度[18-23]。

(2)

(3)

式中，Q和K为某等级覆盖度的变化幅度和单一动态度；Ua为研究期初数量；Ub为研究期末的数量；ΔUin、ΔUout分别为研究时段内转入与转出数量；T为研究时段，单位为年。

利用变化速度模型(2)和(3)，计算得出2000～2019年济宁市各等级植被覆盖度变化幅度及单一动态度，如表3所示。结果可知：2000～2019年内仅有中高域面积的变化幅度为负且为-0.16%，表明近20年内该地区该类植被覆盖区的面积呈现减少；其他四个类别的植被覆盖区的面积变化幅度均为正值，这表明几个等级的面积在研究区内均表现出增加的变化状态，并且低覆盖区的Q值为1.08%，数值最大表征出该区域面积增加的幅度最大。从单一动态度K进行分析，可以发现仅有中高植被覆盖区的K值为负值且为-0.01%，描述出这一类别的面积呈现出减少的变化状态；而其他四个类别的区域面积均处于增加的状态，特别是低覆盖区域的K值在所有面积增加的类别中数值最大，为0.06%，表明其在整个研究阶段内面积增加的速度最快。

表3 济宁市2000～2019年植被覆盖变化幅度与动态度/%

3.4 趋势变化分析

趋势变化分析是指变量随时间改变而有所变化并对变量进行线性回归分析，预测其未来变化趋势[24-26]。研究以一元线性回归模型完成该区域NDVI指数的年际变化，计算公式如下：

(4)

式中，S为斜率变化；n为研究时间(以年为单位)；VFCi为第i年的值。若S>0，则表明植被覆盖率呈增长趋势；S<0，则表明植被覆盖率呈下降趋势。

同时，为进一步对其趋势变化状况进行更详细的描述，研究引入F显著性检验对其趋势变化状况进行分析：

(5)

研究对2000～2019年济宁市植被覆盖度的变化趋势进行分析，如图3所示，结果表明：斜率小于0的区域栅格像元比例达到44.84%，这些地区植被覆盖度在研究区内呈现出减小的变化趋势；而斜率大于0的栅格像元比例则达到55.16%，这些地区植被覆盖度则呈现出提高的变化状态；显著性检验则表明植被覆盖度显著增加(S>0、P≤0.05)的地区面积比例达到4.07%；植被覆盖度显著性降低的(S<0、P≤0.05)地区面积则有47.89%；就整个研究区植被覆盖度变化趋势分析可以发现，整个研究阶段内，随着地区采矿活动和人为建设的影响，区内植被得到明显破坏，覆盖度下降明显。

图3 济宁市2000～2019年植被覆盖变化趋势和显著性检验

3.5 质心模型

质心又称质量中心，通过研究质心模型[27]以研究植被覆盖度时空演变趋势。本文研究主要以2000、2005、2010、2015、2019五年质心计算以探明济宁市2000～2019年这20年来的变化情况，通过质心的空间分布位置看出该区域植被覆盖变化的方向、角度和趋势，如表4所示。2000～2005年，质心向西北移动了1.86 km；2005～2010年，质心在2005年的基础上向东南方移动了0.47 km；2010～2015年，质心又向东南方向移动了0.91 km；2015～2019年，质心又向东北移动了0.82 km。整体来说，自2000～2019年，质心向东北移动了0.98 km，该20年内济宁市东部植被生长状况极为明显，可见该区域内采矿活动较少，植被保护措施实施效果显著，植被破坏相对有所减少。2000～2019年，质心都主要位于任城内东部，济宁市质心变化趋势不大。由2000年和2019年质心变化轨迹及趋势变化分析，二者结合可以看出，济宁市北部植被生长恢复趋势高于南部。形成该现象的主要原因是济宁市北部汶上县和兖州区在采矿强度、土地利用状况变化较小，对区域植被影响较小。

表4 2000～2019年济宁市质心变化表

4 结 论

本文利用2000～2019年MODIS13Q1产品植被指数数据及其他相关辅助资料，将GIS与RS技术相结合，对20年内济宁市植被覆盖度时空格局演变状况进行定量分析主要取得如下成果：

(1)研究主要以GIS和RS为工具，借助GIS强大的空间分析功能，实现济宁市植被覆盖度时空格局演变的分析处理，对研究顺利进行有一定帮助。

(2)整个研究阶段，该地区植被覆盖度在空间分布特征上表现出明显的垂直变化特征，北部相比南部地区植被覆盖状况更良好，且各等级植被覆盖区在空间分布状况上也表现出明显的差异。该地区各等级植被覆盖区在面积比例上也呈现出明显的结构差异性；结构变化幅度和单一动态度表明，整个研究时段内高植被覆盖度和低植被覆盖度在结构变化幅度和年变化状态上均分居面积增加和减少的两端；植被覆盖度整体趋势变化表明，20年内区内植被整体发展状况不容乐观，大部分地区植被生长退化，区域植被生态压力严峻，植被覆盖度显著减少；而质心的变化则表征出，20年内该地区植被覆盖状况整体向东北方迁移了0.98 km，北部植被生长状况整体优于南部。

(3)植被覆盖受人为与自然因素共同作用的影响，由近20年来济宁市植被覆盖度变化状况可知，济宁市植被存在变差的趋势，随着地区采矿活动以及人为活动，使得区域植被覆盖呈下降趋势。