基于異常值的人類活動對內(nèi)蒙古植被覆蓋變化的影響

李　強(qiáng), 張　翀

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安　710119;2. 陜西學(xué)前師范學(xué)院 環(huán)境與資源管理系, 陜西 西安　710100)

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基于異常值的人類活動對內(nèi)蒙古植被覆蓋變化的影響

李強(qiáng)1,2, 張翀1

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安710119;2. 陜西學(xué)前師范學(xué)院 環(huán)境與資源管理系, 陜西 西安710100)

通過分析研究區(qū)植被覆蓋的年際變化規(guī)律,為研判內(nèi)蒙古地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)格局與過程提供理論支撐及決策依據(jù)?；?999—2010年SPOT VEGETATION旬值植被覆蓋數(shù)據(jù),利用線性趨勢分析、諧波分析等方法對研究區(qū)植被的生長季時序進(jìn)行定量分析,進(jìn)而測算出研究區(qū)域植被生長季的覆蓋態(tài)勢及人類活動對內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋的影響。結(jié)果①植被覆蓋增加的區(qū)域占總面積的38.46%,植被覆蓋減小的區(qū)域占4.36%,增加的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減小的區(qū)域,說明研究區(qū)植被覆蓋整體上呈增加趨勢。趨于改善的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古北部與西南部;趨于退化的區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古西部戈壁與中部草原區(qū);②人類活動的正負(fù)作用地區(qū)分別與生長季累積NDVI異常值的增加和減小趨勢的分布極為相似,人類活動的正作用地區(qū)占總面積的40.18%,負(fù)作用地區(qū)占總面積的6.63%。大多數(shù)植被類型的異常值處理后的植被覆蓋趨勢與殘差趨勢的結(jié)果顯著性高于未處理的顯著性,兩者的相關(guān)程度也高于未處理的相關(guān)程度,反映出經(jīng)過異常值處理后的結(jié)果更能反映人類活動對植被覆蓋的影響。

植被覆蓋;生長季;諧波分析;人類活動

現(xiàn)階段全球氣候持續(xù)變暖,影響著陸地生物圈[1],也強(qiáng)烈影響著陸地生物圈的重要成員——植被系統(tǒng),由此分析區(qū)域植被覆蓋的年際變化規(guī)律,為研判生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)格局與過程具有重要理論和實(shí)踐意義[2]。NDVI(歸一化植被指數(shù))不但和植物生產(chǎn)力因素相聯(lián)系[3],其變化趨勢可以指示植被覆蓋程度的變化[4]。不過NDVI變化趨勢很難反映出植被覆蓋與某種要素的因果關(guān)系,因?yàn)橹脖桓采w變化受到多種因素制約,諸如氣溫、降水、土壤濕度及人類活動等[5]。

歸一化植被指數(shù)的趨勢研究涉及很多方面,如物候變化[6]、土地利用及覆蓋變化[7]、土地沙漠化[8]、氣候變暖及其生態(tài)響應(yīng)[9]等。研究表明,生長季內(nèi)的植被覆蓋是反映土地沙化、土壤退化等的重要指示器[10],因其變化趨勢會相較于全年更加強(qiáng)烈的影響植被與大氣圈的能量交換[11]。由于全球性的生長季始時提前(尤其是在北半球)及生長季增長[12],這種能量交換會更具有影響力[13]。所以利用歸一化植被指數(shù)序列進(jìn)行趨勢分析,需要考慮到這種年內(nèi)變化和異常值的因素,所以需要剔除序列的季節(jié)性(自相關(guān))。

本文基于1999—2010年SPOT VEGETATION旬值植被覆蓋數(shù)據(jù),利用線性趨勢分析、諧波分析等方法對研究區(qū)植被的生長季時序進(jìn)行定量分析,測算出研究區(qū)域植被生長季的覆蓋態(tài)勢及人類活動對內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋的影響,并進(jìn)一步比較了傳統(tǒng)方法與剔除自相關(guān)后結(jié)果的顯著性。

1　資料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有研究區(qū)及其周邊219個臺站1999—2010年的旬降水?dāng)?shù)據(jù)、研究區(qū)SPOT VEGETATION(1999—2010年)旬值歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)(空間分辨率為1 000 m)以及研究區(qū)植被類型數(shù)據(jù)(1∶100萬)。其中旬降水資料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn),歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)來源于互聯(lián)網(wǎng)(http://free.vgt.vito.be/home.php),植被類型數(shù)據(jù)來源于中科院寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn/)。

1.2異常值處理

通過傅里葉變換提取到非零頻率的振幅和相位,進(jìn)而通過最小二次方擬合,比較擬合曲線與真實(shí)資料，將那些明顯低于擬合曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為噪聲并通過權(quán)重賦零值進(jìn)行有效剔除。然后通過新的二次擬合與反復(fù)迭代,最終獲得重構(gòu)的圖像。通過這種基于濾波和平滑相結(jié)合的方法,將時間序列與空間格局相聯(lián)系,深度挖掘遙感數(shù)據(jù)的時空信息的方法就是本文所采用的時間序列諧波分析法(HANTS)。

利用異常值剔除季節(jié)影響的時間序列后,不但可以確定存在趨勢,而且?guī)缀蹩梢酝耆齆DVI數(shù)據(jù)的季節(jié)性特征[14],這樣基于時間序列的數(shù)據(jù)對比才更有意義。諧波分析中逐年諧波分析與整體時段與年際諧波間的差異就是異常序列值(圖1),參數(shù)設(shè)置如表1所示。同理,得到(1999—2010年)逐旬降水的異常值序列。

圖1　根據(jù)逐年諧波分析與整個時段的諧波分析提取NDVI異常值序列Fig.1　Example of NDVI anomalies as derived from the long-and short-term fits of the harmonic analysis

逐年整個時段/12a數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù) 36432(12*36)傅里葉頻率 22擬合誤差容差(FET)0.10.1最大迭代次數(shù)(iMAX)612最少保留數(shù)據(jù)個數(shù) 24(66.7%=24/36)288(66.7%=288/432)

1.3物候特征提取

通過諧波分析對基于時間序列的歸一化植被數(shù)據(jù)進(jìn)行年際處理,繼而通過傅里葉插值反粗粒化得到歸一化植被的天時間序列數(shù)據(jù),再通過測算相鄰天數(shù)據(jù)之間的比率數(shù)據(jù)和多年平均值得到Tmax(年平滑序列的極大值及所對應(yīng)具體天數(shù)),進(jìn)而測算1到Tmax天與Tmax到Tmin天年內(nèi)平滑序列的min1與Tmin2(兩個極小值及其對應(yīng)天數(shù))。其中Tmin1到Tmax天的比率值的極大值對應(yīng)天數(shù)極為SOG(Start of Growing Season, 生長季始期),Tmax到Tmin2天的比率值的極小值對應(yīng)天數(shù)即為EOG(End of Growing Season, 生長季末期)(圖2)?；谖锖蛱卣?得到逐個象元逐年生長季的NDVI與降水異常值的累積值。

圖2　內(nèi)蒙古植被物候多年均值空間分布Fig.2　The spatial distribution of mean vegetation phenology from 1999 to 2010

2　結(jié)果與分析

2.1生長季累積NDVI異常值趨勢

生長季NDVI異常值趨勢如圖3所示。可以看出,內(nèi)蒙古植被覆蓋趨于改善的區(qū)域主要分布在科爾沁沙地、庫布奇沙漠、烏蘭布和沙漠、巴丹吉林沙漠、河套平原及其周邊、壩上高原東部以及大興安嶺北部;趨于退化的區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古西部戈壁與中部呈西南—東北走向的條形草原區(qū)域。

圖3　累積NDVI異常值趨勢空間分布Fig.3　The spatial distribution of trend for accumulated NDVI anomalies in growing season

2.2生長季累積NDVI與降水異常值的相關(guān)

對內(nèi)蒙古生長季NDVI與降水異常值進(jìn)行皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算,如圖4所示。內(nèi)蒙古41.03%的地區(qū)呈正相關(guān),其中28.36%為顯著正相關(guān)。正相關(guān)區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古中東部地區(qū)。

內(nèi)蒙古降水與NDVI異常值的顯著變化在大部分區(qū)域不同(圖4與圖5),說明除降水外,存在其他因素影響植被覆蓋變化。因此,利用殘差法剝離降水對植被覆蓋的影響,從而得到人類活動對植被覆蓋的影響。

圖4　生長季累積NDVI與降水異常值的相關(guān)空間分布Fig.4　The correlation between accumulated NDVI anomalies and rainfall

2.3人類活動對植被覆蓋的影響

根據(jù)殘差原理計算得到生長季累積NDVI與降水異常值的殘差序列的線性趨勢,即為人類活動對植被覆蓋的影響空間分布及顯著性。人類活動的正作用地區(qū)占總面積的40.18%,其中顯著正作用占30.14%;人類活動的負(fù)作用地區(qū)占總面積的6.63%,其中顯著負(fù)作用占4.03%(表2)?？臻g分布上,正作用區(qū)主要分布在科爾沁沙地、庫布奇沙漠、烏蘭布和沙漠、巴丹吉林沙漠、河套平原及其周邊、壩上高原東部以及大興安嶺北部;負(fù)作用區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古西部戈壁與中部呈西南—東北走向的條形區(qū)域。正負(fù)作用地區(qū)分別與生長季累積NDVI異常值的增加和減小趨勢的分布極為相似,說明1999—2010年間,內(nèi)蒙古植被覆蓋變化主要是由人類活動造成的。

表2人類活動對植被覆蓋的影響的顯著性統(tǒng)計表

Tab.2Statistics of human activities on vegetation changes

相關(guān)水平顯著正作用正作用負(fù)作用顯著負(fù)作用不顯著像元數(shù)31604106702739423755966百分比/%30.0410.142.604.0353.19

人類活動對植被覆蓋的影響行政區(qū)劃統(tǒng)計,如圖5所示?？梢钥闯?烏蘭察布植被覆蓋趨于退化,其他地區(qū)均處于改善趨勢,其中劇烈改善的地區(qū)主要是呼倫貝爾、阿拉善盟、鄂爾多斯、巴彥淖爾,改善輕微的地區(qū)是通遼、赤峰、呼和浩特、包頭、興安盟,改善效果不明顯的地區(qū)是錫林郭勒和烏海。改善輕微與改善不明顯的地區(qū)主要是內(nèi)蒙古中部的典型草原區(qū)。

圖5　人類活動對植被覆蓋的影響行政區(qū)劃統(tǒng)計Fig.5　Statistics of human activities on vegetation changes in each administrative region

利用兩種顯著性區(qū)域,對殘差序列和生長季累積降水量異常值進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計,如圖6所示?？梢钥闯?殘差減小和增加的趨勢很明顯,并且與降水變化趨勢沒有直接關(guān)系,所以在生長季累積NDVI與降水異常值的顯著相關(guān)區(qū),通過殘差法可以很好剝離降水對植被覆蓋的影響。

圖6　殘差序列和生長季累積降水量異常值的時間斷面(a.正作用區(qū);b.負(fù)作用區(qū))Fig.6　Trend of residuals against precipitation (a. significant increase; b. significant decrease)

3　討　論

前人較多采用統(tǒng)一時間段作為生長季(如4～10月)NDVI與降水量累積值,計算殘差序列趨勢來探究人類活動對植被覆蓋的影響。但是，植被生長季始期與末期在空間上具有一定的分異,所以4～10月的累積值并不能直接用來衡量人類活動。本文首先以比較精確的方法計算了內(nèi)蒙古不同地區(qū)生長季的始期與末期,又剔除了數(shù)據(jù)的自相關(guān)性,從而得到較為確切的生長季累積變量,以此計算得到的人類活動對植被覆蓋的影響,更能真實(shí)反映實(shí)際情況。

人類活動對內(nèi)蒙古西南部以及中東部的沙源地與內(nèi)蒙古東南部的影響呈正作用,主要是由于1999年退耕還林草政策的實(shí)施,防沙治沙、植樹種草、禁牧輪牧等措施使得植被覆蓋增加;河套平原地區(qū)多為農(nóng)業(yè)植被,植被覆蓋改善多依賴于水利灌溉、化肥農(nóng)藥的使用;內(nèi)蒙古東北部受天然林保護(hù)工程、退耕還林草、“三北”防護(hù)林體系工程以及荒漠化治理等政策的開展,促使該區(qū)域植被覆蓋增加。負(fù)作用區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古中部典型草原區(qū),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口與年畜牧總頭數(shù)急劇增加,則會出現(xiàn)過度開墾、超載放牧等現(xiàn)象造成土地退化。

沼澤濕地與耕地,經(jīng)過異常值處理后,相關(guān)系數(shù)均有升高,殘差趨勢的顯著性均有所降低,所以對于這幾種植被類型經(jīng)過異常值處理后,人類活動的影響不明顯。

4　結(jié)　論

植被覆蓋增加的區(qū)域占總面積的38.46%,植被覆蓋減小的占4.36%,增加的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減小的區(qū)域,說明研究區(qū)植被覆蓋整體上呈增加趨勢。趨于改善的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古北部與西南部;趨于退化的區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙古西部戈壁與中部草原區(qū)。

人類活動的正負(fù)作用地區(qū)分別與生長季累積NDVI異常值的增加和減小趨勢的分布極為相似,說明1999—2010年間,內(nèi)蒙古植被覆蓋變化主要是由人類活動造成的。人類活動的正作用地區(qū)占40.18%,負(fù)作用地區(qū)占6.63%,整體上人類活動對內(nèi)蒙古植被覆蓋呈正作用。

對不同植被類型的異常值處理與未處理的結(jié)果進(jìn)行對比。異常值處理后的植被覆蓋趨勢與殘差趨勢的結(jié)果顯著性,大多數(shù)植被類型的顯著性高于未處理的顯著性,兩者的相關(guān)程度高于未處理的相關(guān)程度,反映出經(jīng)過異常值處理后的結(jié)果更能反映人類活動對植被覆蓋的影響。而對于落葉林、沼澤濕地與耕地,經(jīng)過異常值處理后,相關(guān)系數(shù)均有升高,殘差趨勢的顯著性均有所降低,所以對于這幾種植被類型經(jīng)過異常值處理后,人類活動的影響不明顯。

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(編輯徐象平)

The influence of human being on variation trend of vegetation cover based on anomaly in Inner Mongolia

LI Qiang1,2, ZHANG Chong1

(1.College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi′an 710119, China; 2.Department of Environment Resources Management, Shaanxi Xueqian Normal University, Xi′an 710100， China)

Analysis of inter-annual variation of vegetation coverage in Inner Mongolia, in order to evaluate the environmental quality of the region′s ecosystem, regulate ecological processes and provide a theoretical basis for decision making support. Using methods of harmonic Analysis and linear regression, based on the SPOT-VEGETATION NDVI of 10 days during the period 1999—2010, the begin and end time were calculated of growing season for each year, and analyzed the trend of vegetation cover of growing season and the influence of human activities. Result: (1) the vegetation cover have a rising trend as a whole, with the increase and the decrease being 38.46% and 4.36%, respectively. The rising trend located mainly in north and southwest Inner Mongolia, and the declining trend mainly in the Gobi desert of west and middle steppe. (2) The positive and negative affected region of human activities are extremely similar to the rising and declining trend of vegetation. The significance after the anomaly processing is much greater than original data, which shows the results after the anomaly processing can better reflect the influence of human activities on vegetation cover.

vegetation cover; growth season; harmonic analysis; Human activities

2015-03-11

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(41301618);陜西省社會科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13D019);陜西省2015年度科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃基金資助項(xiàng)目(陜西省青年科技新星項(xiàng)目2015KJXX-45)

李強(qiáng)，男，天津人，博士，副教授，從事資源環(huán)境遙感與GIS研究。

P935.1

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-023