基于NDVI的湖南省国家级公益林2004—2018年时空变化研究
2021-01-29舒骏生
舒骏生，蔡 奕，罗 标
(国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014)
归一化植被指数(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)是监测全球或区域植被和生态环境的有效指标，是植被生长情况的最佳指示因子[1]。NDVI值能较好反映区域生物量、植被覆盖等参数的变化，能够揭示大尺度、长时间序列区域环境的演化与变迁，具有很好的监测效果[2]。目前，基于Spot vegetation NDVI以及MODIS等卫星遥感影像得到的NDVI时序数据，已经在各尺度区域的植被动态变化监测、土地利用(覆被变化检测)、宏观植被覆盖分类和净初级生产力估算等研究中得到了广泛的应用。Yan Gao等[3]利用2000—2016年MODIS-NDVI时间序列数据监测墨西哥米却肯州的森林变化情况，并结合全球森林覆盖变化项目的数据对监测结果进行了验证；孙浩然等[4]利用3个年度的内蒙古地区Spot vegetation NDVI数据，计算每个时间段的年平均植被覆盖度，并使用转移矩阵法计算出植被覆盖度的百分比变化来评估内蒙古地区土地退化情况；洪燕等[5]利用2007—2017年MODIS-NDVI时间序列数据，分析受汶川地震影响下茂县、汶川以及都江堰三县的植被动态恢复状况，并结合地形地貌、地质构造、地质灾害、植被类型和人类活动等影响因素探讨该地区植被恢复的时空差异变化。
湖南省于2004年正式实施森林生态效益补偿制度，累计发放森林生态效益补偿资金近130亿元，补偿范围覆盖了全省14个市州、122个市县区。本文基于湖南省2004—2018年连续时间序列的Spot vegetation NDVI遥感数据，采用最大值合成法生成2004年以来的植被指数数据集，从中提取湖南省国家级公益林范围内的植被指数数据集，结合湖南省国家级公益林的实际情况，从宏观上分析15年来湖南省国家级公益林植被变化的总体趋势及规律，实现对湖南省国家级公益林的动态监测，客观评价湖南省公益林建设情况，为推动湖南省国家级生态公益林的健康发展提供有效参考。
1 研究区概况
湖南省地处洞庭湖以南、南岭山脉以北、罗霄山脉以西、武陵山脉以东，土地总面积0.212亿hm2，林地面积0.13亿hm2，占土地总面积的61.36%；有林地面积0.111亿hm2，森林森林覆盖率59.82%，活立木蓄积量5.73亿m3；国家级公益林面积0.04亿hm2，天然林面积0.061亿hm2。受地理、地貌及洞庭湖特有的水利水情条件影响，湖南省一方面生态区位重要，有横跨武陵山区生物多样性与水土保持生态功能区、南岭山地森林多样性生态功能区两个国家重点生态功能区；另一方面水、旱灾害发生较为频繁，特别是岩溶地区基岩裸露面积大，植被覆盖度低、结构简单，加之降雨量大，水土流失特别严重，生态环境十分脆弱。
2 数据与方法
2.1 研究数据
采用中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)获取空间分辨率为1km×1km 的中国2004—2018年第三季度植被指数(NDVI)空间分布数据集，用于综合分析植被覆盖变化因素及规律。该植被指数空间分布数据集是基于连续时间序列的Spot vegetation NDVI卫星遥感数据，采用最大值合成法生成的2004年以来的植被指数数据集，用每年第三季度的最大NDVI值来替代图像中的每一个像元，这样可以减轻云层、颗粒、阴影以及太阳高度角等的影响。将得到的植被指数数据集在ArcGIS 10.5中与2017年湖南省国家级公益林矢量图层(2004—2018年间湖南省国家级公益林范围有一定变动，但变动范围不大，为避免2004—2018年间国家级公益林范围变动带来干扰，本次分析所指的“2004—2018年湖南省国家级公益林区域”统一取2017年湖南省国家级公益林落界成果划定的国家级公益林范围)用掩膜工具对影像进行裁切，得湖南省国家级公益林范围内的植被指数数据集，同时用Raster Calculator将影像中的无效值去除。
收集湖南省九次森林资源清查数据，与Spot vegetation NDVI数据分析结果进行对比验证。
2.2 研究方法
在ArcGIS 10.5中使用Composite Bands工具将湖南省国家级公益林区域内的2004—2018年的NDVI值像元进行波段合成，合成15个波段值的像元，将合成的NDVI值像元导出格式为“.Tiff”的数据。在MATLAB中对导出的数据进行空间均值、时序累加值、一元线性回归趋势线模拟、一元线性回归趋势线变化程度和NDVI变异系数的运算。空间均值为研究区域内NDVI年平均值，时序累加值为2004—2018年的NDVI值加和。
1)一元线性回归趋势线模拟。参考袁沫汐等[6]的研究方法，采用一元线性回归分析法定量研究NDVI的变化趋势，该方法可以模拟每个栅格的变化趋势，以单个像元时间变化特征反映整个空间变化规律，综合反映时空格局演变。
(1)
式中，θslope为NDVI的变化趋势，n为年份总数，i为年序数。θslope>0说明植被状况趋向于正向趋势发展；反之，θslope<0说明植被状况趋于退化。
2) 一元线性回归趋势线变化程度。15年间NDVI的变化程度用百分比表示，其公式为：
(2)
3)植被NDVI变异系数。植被变异系数CV是刻画数据离散程度的指标，主要用于衡量数据在时间和空间上的相对变化程度[7]，能有效反映植被NDVI的变异情况。
(3)
同时，将一元线性回归变化趋势斜率与F检验结合起来，可用来反映2004—2018年每个像元的植被NDVI变化趋势。
3 结果分析
3.1 NDVI时间序列变化
2004—2018年湖南省国家级公益林区域第三季度NDVI年际均值变化如图1所示。
图1 2004—2018年第三季度NDVI年际均值变化
由图可见，年均NDVI呈一定的增长趋势，增长速率为0.007 3，NDVI值在0.71～0.82范围内整体呈现阶段性增长。2007—2011年间呈现不规律的下降低谷，2009年后整体呈改善状况，2011年后呈有规律的增长趋势。郭庆斌等[8]也有类似的研究成果，湖南省NDVI值在2008—2010 年间呈现下降低谷，2010年后呈有规律的增长趋势。结合湖南省九次森林资源清查结果(图2)，由于2008年初湖南省遭遇了罕见的雨雪冰冻灾害，从而导致湖南省的森林资源遭受重大损失，森林蓄积总量和森林整体质量有所下降，但随着灾后恢复重建工作的启动和生态建设的持续推进，以及停止天然林商业性采伐，天然乔木林资源得到有效保护，质量不断提高。与此同时，湖南省为了发展林业产业、增加林农经济收入、提高林农生活水平的需要，在强化生态建设的基础上，一方面加大了杨树、桉树、桤木等短轮伐期用材林和杉木、马尾松、湿地松等速生丰产林建设，并大力发展油茶、核桃、茶叶等经济效益较高的具有湖南特色的经济林基地，使人工林面积蓄积大幅度增加，人工林林资源得到持续快速发展。
图2 1979—2014年森林资源动态变化趋势
3.2 NDVI空间分布特征
湖南省国家级公益林区域2004—2018年第三季度NDVI的累积值空间分布特征如图3所示。总体来看，湖南省国家级公益林区域NDVI空间分布差异较大。其特点是：西面、南面高，东面、北面和中部较低，从西南向东北呈减少趋势。根据自然分级方法，植被状况较差(4.312 0～10.4134)的区域面积为16.23%；植被状况一般(10.4134<～11.1974)的区域面积为18.41%；植被状况好(11.1974<～13.004 0)的区域面积65.36%。从分布区域来看，植被状况较好的区域主要分布在湘西及湘西北的张家界市、湘西州、怀化市和湘南的永州市、郴州市。湘北滨湖平原由于河湖密布国家级公益林分布极少；湘中、湘东地区受地形及人为活动频繁等影响，虽近年来森林受到保护，封禁成林的效果显著，但整体植被状况一般；湘西和湘西北的地貌以中、低山地为主，气候以温凉湿润为特点，降水多而均匀，夏旱不明显，有利于林木生长，同时近年来生态建设的有效措施也有效保护了天然乔木林资源；湘南处于南岭山地的北坡，北以东西向的阳明山、塔山为屏障，东、南、西三面大多为簇状山地环绕，中部丘陵、盆地相间，水、热充沛，树木生长期长，有利于生态建设的实施。
图3 2004—2018年NDVI累积空间分布
3.3 NDVI变化趋势分析
通过最小二乘法的一元线性回归分析方法，对比分析湖南省国家级公益林区域2004—2018年第三季度NDVI变化特征，以了解湖南省国家级公益林区域NDVI的变化规律(图4)。
图4 2004—2018年NDVI线性变化程度空间分布
从图4可知，线性变化程度均值为0.139285%，表明湖南省国家级公益林区域的植被长势有变好趋势。将一元线性回归变化趋势斜率与F检验结合起来，用来反映湖南省2004—2018年每个栅格的植被NDVI变化趋势(图5)。
图5 2004—2018年NDVI显著性变化趋势空间分布
从图5可知，2004—2018年湖南省植被NDVI值主要以增加为主，且增加的区域远远大于减少的区域。植被NDVI极显著增加的区域主要分布在湘西北的慈利县、沅陵县、辰溪县一带，以及湘中的新邵县、衡阳县一带和郴州市、桂东县一带；中部主要呈现零散分布，湘西、湘南环境有利于树木生长，加之近15年来人们保护环境意识加强，生态环境不断改善；变化不明显的区域主要分布在湘西北八大公山、壶瓶山一带及零散分布于各自然保护区内；植被NDVI显著减少和极显著减少的区域零散分布，数量少，主要分布在长株潭、常宁市、耒阳市等城市边缘，主要是因为人为活动频繁，加上气候不佳及基岩本身的缺陷，导致植被覆盖度减少程度明显。
表1是湖南省国家级公益林区域第三季度NDVI的变化趋势统计，可以看出区域内NDVI值变化以极显著增加为主，显著减少和极显著减少的比例极小。
表1 2004—2018年NDVI变化趋势显著性统计θslopePNDVI变化趋势占总面积的百分比/%>0≤0.01极显著增加22.94>0>0.01～0.05显著增加37.51>0>0.05不显著变化28.92≤0≤0.01显著减少9.55≤0>0.01～0.05极显著减少1.08
其中，有60.45%的区域植被生长情况呈显著增长的趋势，有10.63%的区域植被生长情况呈显著减少的趋势，其余28.92%的区域植被生长情况变化不显著。
根据以上统计结果，湖南省国家级公益林NDVI整体为增长的趋势，增长的区域主要是湘西的张家界市、湘西州、怀化市和湘南的永州市、郴州市大部分地区；显著减少的区域少，主要分布在人为活动相对频繁的城市周边和生态脆弱的地区。
3.4 NDVI空间稳定性评价
参考邓兴耀等[9]和刘志军等[10]的研究结果，将湖南省变异系数CV值分为三个等级:非常稳定CV≤0.05、稳定0.05
图6 2004—2018年NDVI时序变异系数空间分布
4 结论
对湖南省国家级公益林近15年来植被NDVI时空分布格局、变化趋势和稳定性特征进行分析，得到以下结论：
1)近十五年来，湖南省国家级公益林区域的森林植被有明显变好趋势，除2008—2009年受雨雪冰冻灾害而导致变差外，基本上呈现出持续稳定增长的变化趋势，特别是近几年来随着“绿色湖南”发展战略目标的实施，使乔木林的生长量大幅度增长。
2)从空间分布上来看，湖南省国家级公益林区域NDVI空间分布差异较大，西面、南面高，东面、北面和中部较低，从西南向东北呈减少趋势。植被状况较好的区域主要分布在湘西及湘西北的张家界市、湘西州、怀化市和湘南的永州市、郴州市一带；湘中、湘东地区受地形及人为活动频繁等影响，虽近年来森林受到保护，封禁成林的效果显著，但整体植被状况一般。
3)从植被变化趋势上来看，湖南省国家级公益林NDVI整体为增长的趋势，植被明显变好的区域主要分布在湘西北的慈利县、沅陵县、辰溪县一带，以及湘中的新邵县、衡阳县一带和郴州市、桂东县一带；森林植被变差的区域分布零散，数量少，主要分布在长株潭、常宁市、耒阳市等城市边缘。
4)2004—2018年湖南省植被NDVI值总体处于中等波动变化，呈现稳定的状态，高等波动变化所占比例较少。低等波动范围占总面积的12.68%，主要分布在湘西北八大公山、壶瓶山一带及零散分布于各自然保护区内；中等波动变化区域占总面积的81.65%，几乎均匀分布在湖南省各个公益林区域；高等波动区域占总面积的5.67%，零散分布于湘西北的慈利县、沅陵县、辰溪县一带和湘中的新邵县、衡阳县一带。
