城镇化进程中淄博张店区归一化差异植被指数时空变化分析_房磊.pdf

收稿日期:2022 09 19;修订日期:2023 01 16作者简介:房磊(1998)，男，硕士研究生，主要从事园林生态方向研究。基金项目:聊城大学博士科研启动基金项目(31805);横向课题(K20LD2201)。*通信作者:赵红霞(1984)，女，博士，讲师，主要从事园林规划设计、园林植物与微气候等研究。E mail:zhaohx-ia1314163 com。第 41 卷第 1 期2023 年 2 月江西科学JIANGXISCIENCEVol 41 No 1Feb 2023doi:1013990/j issn1001 3679 202301021城镇化进程中淄博张店区归一化差异植被指数时空变化分析房磊1，张忠峰2，赵红霞1*(1 聊城大学农学与农业工程学院，252059，山东，聊城;2 山东农业工程学院林业工程学院，250100，济南)摘要:为了探究城镇化进程中淄博市张店区的植被质量变化，基于 Landsat 系列数据在 GEE 平台上计算了20002021 年归一化差异植被指数(NDVI)，通过趋势分析法和分级统计分析了张店区整体和建成区 NDVI年际变化、不同等级 NDVI 面积变化和 NDVI 逐像元变化趋势。结果表明在 20002021 年之间，张店区年均NDVI 呈先减少后增加趋势，变化范围为 0 34 0 57;在研究时间范围内，面积增加最多的为高 NDVI 区域，增加了 9 16%;减少最多的为中高 NDVI 区域，面积占比减少了 18 6%;经过 M K 趋势检验，张店有 74 22%的区域 NDVI 升高，集中于中心 5 街道和南定镇，有 25 64%的区域 NDVI 降低，集中于张店区城市西扩过程中的新增建城区。对张店区 NDVI 变化趋势和分布特点进行研究，能够进一步揭示城镇化和城市活动对植被质量的影响，为张店区城市规划和绿地建设提供基础数据，为淄博市全域公园城市建设提供资料参考，促进张店区人居环境质量的提升。关键词:归一化差异植被指数;时空变化;趋势分析中图分类号:Q948文献标识码:A文章编号:1001 3679(2023)01 121 07Spatial and Temporal Variation Analysis of Normalized DifferenceVegetation Index in Zhangdian of Zibo during UrbanizationFANG Lei1，ZHANG Zhongfeng2，ZHAO Hongxia1*(1 College of Agronomy and Agricultural Engineering，Liaocheng University，252059，Liaocheng，Shandong，PC;2 College of Forestry Engineering，Shandong Agricultural and Engineering University，250100，Jinan，PC)Abstract:To explore the changes in vegetation quality in Zhangdian of Zibo during urbanization，theNDVI from 2000 to 2021 was computed on the GEE platform based on Landsat series data The an-nual variation of the NDVI，the area variation of the different NDVI levels，and the trend of the ND-VI per pixel in the Zhangdian were analyzed using trend analysis and rank statistics The resultsshowed that from 2000 to 2021，the average annual NDVI in Zhangdian first decreased and then in-creased，ranging from 0 34 to 0 57 The proportion of high NDVI areas increased the most over thestudy time horizon，by 9 16 percent The largest reductions were in the middle and high NDVI re-gions，with an area reduction of 18 6 percent After the M K trend test，74 22 percent of regionalNDVI increased，concentrated in central 5th Street and Nanding Town，and 25 64 percent of re-gional NDVI decreased，concentrated in newly built urban areas during the westward expansion ofZhangdian The study on the variation trend and distribution characteristics of NDVI in Zhangdiancan further reveal the impact of urbanization and urban activities on vegetation quality The resultsobtained can not only provide basic data for urban planning and green space construction of Zhangdi-an，but also further provide reference for park city construction in Zibo，and promote the improve-ment of human settlement environment qualityKey words:normalized difference vegetation index(NDVI);temporal and spatial variation;trendanalysis0引言植被在生态系统中承担重要作用。在城市生态系统中，植被能够固土降尘、缓解城市热岛效应、维持城市的碳汇1 2。当城镇化进程过快时，城市用地属性和功能的快速转变往往会导致区域植被质量显著退化。这不仅会影响城市生态系统的安全性和稳定性，削弱生态系统服务能力3，也会导致现存的生态廊道被破坏和切断，阻碍生态系统的内部循环和信息交流4，降低城乡人居环境质量。因此，研究城镇化进程中植被的变化特点，能够进一步了解人类活动和植被质量的相互关系，为城市规划和绿地系统规划提供更合理和科学的指导原则，进一步保证植被和绿地在城市中发挥其生态效益和社会价值。遥感和地理信息技术已经广泛应用于植被的生长状况和空间分布的研究5，不仅能够根据遥感波段计算植被指数，还能进一步分析植被的物候特征6。当前关于植被指数的研究多集中于生态敏感的草原、荒漠、天然林地等7 8，在城市规划和绿地规划的应用较为欠缺。淄博市张店区是山东省内传统的资源依赖型工业城市，工业用地面积集中且废气废水排放量大，导致了城市绿地分布不均匀、生态环境质量差等问题，当前研究指出，张店区绿地种类不足，数量和面积无法满足居民日常游憩需求9，针对绿地和植被质量的研究较为欠缺。城市的植被质量关系到张店区公园城市建设进程和区域生态安全问题。基于此，本研究采用 Landsat 系列遥感影像，利用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，ND-VI)年最大值栅格数据，进行年际平均值、NDVI分级对比和趋势分析等，以期总结出张店区 NDVI的时空变化特点和规律。1研究区概况淄博市张店区位于山东省中部，面积约为359 17 km2(含淄博经开区和中埠镇)，区位见图1。张店区自然资源丰富，内有孝妇河、猪龙河和涝淄河等河流过境。地势南高北低，最高山峰黑铁山，海拔 254 6 m。受城市产业布局的影响，进入 21 世纪后，张店区西部平原处的淄博西新区得到快速发展，建设了大剧院、CBD 和图书馆等一系列城市新地标，而城市东侧由于存在自然山体作为限制，又聚集着淄博市早期的国企，历史文化悠久但是开发程度不高。城市规划的不同导致了张店区的绿地资源和植被资源存在着显著的差异，受城市活动影响程度也不尽相同。截止 2019年底，张店区常住人口城镇化率达到 95 89%，建成区绿地率达到 41 89%，绿化覆盖率达到45 48%。该区域内常住人口约 78 万人，在 2021年 GDP 总量为 1 120 80 亿元。图 1研究区域2数据与方法2 1数据来源与处理本文使用的遥感影像来源于美国地质勘探局221江西科学2023 年第 41 卷的 Landsat 系列卫星，时间跨度选择 20002021年，在 Google Earth Engine(GEE)云计算平台上对2000 年2021 年 Landsat 系列遥感影像进行 ND-VI 的计算，数据集信息见表 1，利用代码进行去云处理。使用 2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和2020 年城市建成区矢量数据，用于分析建成区植被指数变化情况。表 1遥感影像数据集时间Landsat 系列数据集影像时间NDVI 计算法空间分辨率20002011 年Landsat 5LANDSAT/LC08/C02/T1_L22012 年Landsat 7LANDSAT/LE07/C02/T1_L220132021 年Landsat 8LANDSAT/LT05/C02/T1_L2每年 1 月 1 日12 月 31 日最大值法30 m2 2研究方法2 2 1NDVI 计算在对植被的研究中，利用遥感光谱指数 NDVI 能够直观反映植物的状态，是监测生态系统动态变化最常用的指数之一，计算方法为10:NDVI=BandNI BandedBandNI+Banded(1)式中，NDVI 为归一化差异植被指数，BandNI为近红外波段反射率，Banded为红光波段反射率。NDVI 取值在 1 1 之间。22 2一元线性回归趋势分析对计算所得的年 NDVI 栅格数据进行平均值计算，得到年均NDVI 值。为了更清晰地分析年均 NDVI 的变化趋势，以最低值 2006 年数据为界限，分别对20002006 年和 20062021 年 2 个时间段数据进行一元线性回归分析，利用拟合方程判断 NDVI在时间序列上的变化趋势，计算公式为11:slope=n ni=1i NDVI()ini=1ini=1NDVIin ni=1i2ni=1()i2(2)式中，slope 为回归方程的斜率，n 为年跨度，i 为年序号，NDVIi为第 i 年 NDVI 年均值。显著性检验在 SPSS 中进行。2 2 3Sen 斜率估计和 M K 趋势检验针对长时间序列 NDVI 数据，利用 Sen 斜率估计和 M K 趋势检验(简称 M K 检验)能有效地计算和表达 NDVI 在空间上的变化趋势。该方法不要求数据符合正态分布，异常值不对计算结果造成影响。根据显著性检验，将计算结果分为 9 个等级来描述 NDVI 的变化趋势，该计算过程在 MAT-LAB 中使用代码运行，原理公式为12:首先进行 Sen 斜率估计法的趋势计算:=Medianxj xi()j ij i(3)式中，为斜率，Median 函数意为取中值，xj是在 j时的值，xi是在 i 时的值。之后进行 M K 检验，目的