多源长时序数据分析泰山风景名胜区NDVI时空变化及其影响因素

王淑月，刘海，朱运海，张万磊

(1.湖北大学资源环境学院， 湖北 武汉 430062； 2.湖北文理学院资源环境与旅游学院， 湖北 襄阳 441053； 3.十堰市郧阳区农业农村局， 湖北 十堰 442514)

0 引言

植被与地质、地貌、气候、水文、土壤、动物、微生物共同构成了自然地理环境，是反映其他要素性质的指示者，很大程度上代表了区域生态环境的总体状况[1].卫星遥感数据具有观测范围广、空间连续性好、时间序列长、信息量丰富等特点，在大尺度、长时间范围内的土地利用、植被覆盖和农业资源调查等工作中被广泛使用，是监测区域或全球尺度植被动态变化的强大手段[2].近年来卫星遥感技术的发展为植被的监测提供了数据支撑.特别是时间序列的遥感数据用于森林干扰或植被恢复变化监测[3].

植被的时空动态变化受多种因素的影响.对于风景名胜区，众多学者分别从地形、气候和人类活动等方面探讨了植被时空变化的驱动因素[4-7].如袁秀等[4]发现海拔是决定长城北京段风景区植物群落类型分布的主要因子.张建亮等[5]主要分析了气候因素与长白山植被变化的相关性.巩劼等[6]通过比较游径上的植物指标分析黄山风景区旅游干扰对植物群落的影响.总体来讲，当前将多方面影响因素综合在一起分析景区植被覆盖时空变化的研究相对较少.一个完整的生态环境必定受多种变化因素的影响，景区植被的动态变化是人类和大自然互动的结果.目前在风景名胜区，以旅游活动为主的人类干扰日益强烈.因此结合多种因素研究风景名胜区植被覆盖变化十分必要.

目前对于植被指数时空变化影响因素的研究大多以相关分析为基础[7],如程东亚等[8]将西南山地流域的NDVI分别与降水的Spline、Kriging插值进行相关性分析，发现降水与NDVI存在相关关系；夏会娟等[9]对于辽河保护区NDVI的不同影响因素采取不同的相关性分析方法, 采用偏相关分析探究NDVI与降水和气温的相关性；采用双变量相关分析探究NDVI与日照时数的相关性;肖建勇等[10]在探索喀斯特植被覆盖动态变化的驱动因素时，发现NDVI与气候变化正相关的面积占整个研究区的95.74%，植被生长更易受气候及人类活动变化影响.综上所述的研究大多是自然因素与NDVI的相关分析，而基于人类活动的研究较少.风景名胜区不同于其他自然研究区，影响植被变化的因素从自然扩展到人类活动，合理选取人类活动影响指标探索与研究区NDVI变化的关系是值得研究的.

泰山作为中华文化的象征，具有悠久的文化历史，素有“泰山安，四海皆安”之说，被称为“五岳之尊”，有“天下第一山”的美誉.1982年泰山经过评选被国务院批准为首批国家重点风景名胜区，1987年被联合国列为世界自然和文化遗产，2003年1月被评为“中华十大名山”之首，2005年9月居于首位被命名为国家地质公园.国内学者对泰山地区植被的动态变化进行了相关研究[11-13], 但大部分研究只分析植被覆盖随气候因素的变化[11]，或结合地形资料分析植被的空间分布格局[12-13],而对旅游活动的影响的分析较少，且植被变化的研究普遍缺乏时间上的延续性，本研究充分利用Landsat影像长时序的优点，提取研究区NDVI,分析1988—2018共31年泰山地区植被的时空动态变化，并从气候和旅游活动等方面分析NDVI变化的影响因素，以期为泰山风景名胜区可持续发展提供参考建议.

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况泰山风景名胜区地处山东省泰安市，位于华北平原以东，东临大海，西靠黄河，介于东经 117°50′～117°24′，北纬 36°50′～36°15′，占地面积426 km2(图1).泰山自然条件优越，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，具有明显的高山气候特征，年平均气温为13.2 ℃，山顶气温比山底气温低7～8 ℃，年平均降水量超过1 000 mm，适合植被生长.泰山地区地势整体呈现北高南低、西高东低的特征，北部为山区，西南部为低山丘陵，东南部为平原.最高海拔1 545 m，相对高程之差达约1 430 m，植被垂直分布特征明显，森林覆盖率达81.5%，植被覆盖率达90%以上.风景区内游客上山路线主要有4条，分别是红门—南天门游览线、天地广场—中天门游览线、桃花峪—桃花源游览线和天烛峰—黄花栈游览线.

图1 泰山风景区位置

1.2 数据来源本研究采用的遥感影像来源于美国地质勘探局(United States Geological Survey，USGS)数据共享网站(http://glovis.usgs.gov/)提供的Landsat TM/OLI影像，时间分辨率为16 d，空间分辨率为30 m.研究区轨道号(Path/Row)为122/35，包含整个泰山风景名胜区.气候变化是植被活动年际变化的重要影响因素[14-15]，其中气温和降水量是影响植被生长的主要气候因子[16]，气象数据选用中国气象信息中心(CMDC)所提供的1988—2018年间月平均气温和月降水量的站点数据.基于《泰安统计年鉴》、泰山风景区官网等资料，得到泰山风景名胜区1988—2018年游客人数及景点的主要分布情况的统计数据.

1.3 数据处理

泰山风景名胜区地处于华北平原以东，7、8月份是研究植被变化的最佳时期，但由于夏季泰山云雾天气较多，导致表1统计可用影像的结果显示7、8月份可用影像较少，均不足10副，并且在长时序上看，分布较为离散.故本研究基于数据完整性，计算可用数据的全年各月NDVI值.统计分析显示，泰山全年中NDVI最大值出现的月份为6、7、8、9月.在此基础上观察分析6—9月可用影像分布规律，参考可用数据分布表，发现以3年为1组，以6—9月平均NDVI的最大值为主要表征，能较好地代表年际植被生长情况，故用此探究近31年NDVI变化趋势.

1.3.2NDVI空间差异计算 一元线性回归法是反映植被时序变化趋势的简单且有效的方法之一，大量关于植被变化的研究采用此方法[17-19]，具有普遍的适用性与科学性.本研究基于像元尺度，通过此方法计算NDVI空间变化趋势，反映泰山风景区植被的时序变化，具体公式如下：

式中：变量i为年序号；NDVIi为第i年的NDVI值.θSlope是NDVI与时间的斜率，若θSlope> 0，说明此像元NDVI值在时间段内的变化趋势为增加，反之则是减少.

1.3.3NDVI与影响因素相关性分析 采用相关性分析研究NDVI变化与气温、降水、人类活动的相关性，相关性分析计算公式[20-21]为：

表1 研究区可用影像统计表

2 NDVI时空变化特征

2.1NDVI时间变化特征基于研究区NDVI影像的平均值，用最小二乘法拟合1988—2018年长时序变化斜率，得到近31年泰山风景名胜区NDVI时间变化趋势图，如图2所示.

图2 泰山风景名胜区NDVI随时间变化趋势

从图2中可以看出，1988—2018年NDVI整体随时间在波动中下降，包括3个先升后降，分别出现在1988—1994年间、1995—2003年间、2004—2018年间.最高值出现在1999年，NDVI值为0.519，最低值出现在2018年，NDVI值为0.374.

2.2NDVI空间变化特征通过计算1988—2018共31年间6—9月NDVI的平均值，得到平均NDVI空间分布图(图3)，由图3可知：研究区NDVI分布呈现明显的空间差异.中心山区部分NDVI值较周边区域高.周边区域包括西北、西南、西北边缘区域，其NDVI值较低；中部区域以及东北部区域NDVI值较高.其中从西南边缘沿后石坞到黄石崖一线，NDVI值普遍较低；中心登山路线附近NDVI值较高.

基于像素尺度，利用最小二乘法的斜率拟合NDVI的空间趋势，得到NDVI空间分布差异图(图4).由图4可知，植被退化区域占总面积的 60.64%，主要位于泰山风景区地势较高的西南区域，在建设用地集中的地区、主要旅游路线两侧，植被也有不同程度的退化；植被增长区域占总面积的39.36%，增长区域主要为泰山风景区东北、西北部边缘和泰山东部大部分区域.

图3 平均NDVI空间分布图

图4 NDVI空间变化差异

3 影响因素分析

3.1 气候因素的影响降水和气温是影响植被生长状况的重要气候因子.现取每3年年均降水量和年均气温分析泰山地区降水量和气温年际变化趋势(图5)，探究气候因素对泰山风景区NDVI的影响.

由近31年的降水量及气温变化趋势(图5)可知，年均降水量在870 ～ 1 256 mm之间波动，年均气温在5.51 ～ 6.81 ℃之间波动，两者均在波动中呈现上升趋势，降水量随时间的变化整体波动较大，而气温随时间的变化波动相对较小.分别对降水量和气温与时序NDVI做相关性分析，相关性分析结果显示：NDVI与气温呈现不显著负相关，相关系数为 -0.20；与降水呈现弱正相关，相关系数为0.119.NDVI与降水和气温的相关性在90%的置信区间内相关性均不显著.分析结果显示泰山风景区水热时空差异较小，气候因素不是影响NDVI时空变化的主要原因.

3.2 旅游活动对NDVI的影响泰山是中国游览历史最悠久的名山之一.泰山旅游资源不仅丰富，而且具有很高的价值和品质，每年吸引大批国内外游客前来游览，旅游活动十分显著.泰山自建国以来，特别是20世纪80年代开始进行大规模旅游建设以来，自然生态状况得到显著恢复，建筑及道路迅速增加[22].

由图5可知，1988—2018年间泰山风景区游客量整体呈增加趋势，1988—2000年间，年接待游客人次数相对稳定增长，至2001年突破50万；至2005年突破 100 万大关，达到 102万；2006—2008年再次跃升，2007年接待游客人次数较 2006年增长近一倍，2008年突破300万大关，达到347万，这也符合当时国家新规定的法定节假日游客出行情况；直至 2014 年游客人数突破500万大关.NDVI在同时间段内整体呈下降趋势，将游客量与时序NDVI做相关性分析，结果显示：游客量与NDVI呈现负相关，相关系数为-0.494，可见逐年上涨的游客量是造成泰山风景区的植被时空变化的主要原因，主要体现在物种数量减少、建设用地规模增大导致植被用地减少、植被生长环境遭到破环.

图5 泰山风景区降水量及气温变化趋势

图6 泰山游客量及NDVI变化趋势

旅游接待地人满为患加重了当地基础设施的负担、破坏了野生动植物的栖息地和生存环境.导致在 2008—2018年期间，景区植被覆盖度明显下降.此外结合地形因素和植被空间分布特征，发现在人类活动密集区域如游客路线和部分景点周围等均出现大面积植被覆盖度减少的趋势.说明旅游活动的增强是引起泰山风景区植被覆盖变化的主要原因.

4 结论与建议

4.1 结论本研究以 Landsat影像为数据源，以泰山风景名胜区为例，通过对 1988—2018年6—9月夏季NDVI序列的分析，研究泰山风景名胜区植被覆盖时空变化情况，并结合气候及游客人数的相关数据，探讨植被覆盖变化的主要影响因素.分析得到如下结论：

时间尺度上，1988—2018年间泰山风景名胜区NDVI值整体在波动中呈现下降趋势.

空间尺度上，中心山区部分NDVI值整体较周边区域高.在主要景点及旅游路线周围，NDVI出现明显降低，景区周边区域NDVI显现出增加趋势.

影响因素上，降水和气温对植被的影响均不显著，气候因素不是影响植被时空变化的主要原因.近31年间泰山风景名胜区的游客人数呈显著增加趋势，并且与NDVI呈现显著的负相关，逐年上涨的游客量是泰山风景区植被减少的主要原因.

4.2 建议时间上2005年以来NDVI有持续下降的趋势.空间上近31年来植被退化面积占总面积的60.64%.不断发展的旅游业和逐年增长的游客量给泰山风景名胜区带来生态压力，造成植被减少的情况，需要引起相关管理部门的重视，据此提出以下建议：

1)针对核心景区植被不断减少的情况，相关部门应重视核心景区管理，严格限制建设范围，避免无节制地开发景区.由于高山地区主要景点附近的植被退化尤为突出，为保护主要景点植被景观，应加强防护措施，严格限制游人的活动范围.

2)对于逐年增长的游客量以及景区日益增强的旅游活动，应严格限制日游客量.节假日期间限制景区游客最大承载数量，增强关于保护泰山珍奇植被的宣传，禁止乱扔拉圾及践踏植被的行为，在广泛宣传教育和警示的前提下，实行强有力的执行措施.