2010-2020年郑州市植被时空演变特征分析

韩瑞丹，朱双伟

（1.河南建筑职业技术学院，河南 郑州 450064；2.郑州中核岩土工程有限公司，河南 郑州 450000）

植被是陆地生态系统的重要组成部分，同时也是地表环境变化的指示器。城市植被不仅具备植物本身的抑菌杀菌、净化空气、降低噪声和美化环境等功能，还具备休闲娱乐、防灾避难和调节区域气候等功能。研究城市植被变化对于认识和改善城市生态环境具有重要作用，同时可为城市空间规划提供科学依据。

本研究基于MOD13Q1 NDVI时间序列数据，通过数据处理和数理统计，对郑州市2010-2020年植被在时间和空间上的变化特征作出分析，为郑州市人居环境改善和城市绿色发展提供数据支撑。

1 研究区概况

郑州市地处中原，区位优势独特，是国家中心城市、全国重要的枢纽城市、中原城市群的中心城市，同时也是河南省省会，现辖6区（二七区、管城回族区、惠济区、金水区、上街区、中原区）5市（登封市、巩义市、新密市、新郑市、荥阳市）1县（中牟县）及郑州航空港经济综合实验区、郑东新区、郑州经济技术开发区和郑州高新技术产业开发区。郑州市全市总面积7 446 km2，人口1 035.2万人，中心城区建成区面积647.59 km2（含航空港经济综合实验区），市域城市建成区面积1 077.75 km2，城镇化率74.6%[1]。郑州市城市绿化率处于中国城市前列，被誉为“中原绿城”，具有“国家生态园林城市”“国家森林城市”“全国绿化模范城市”等荣誉称号。

2 研究数据和方法

本研究选用2010年至2020年的MOD13Q1 NDVI时间序列数据，空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。首先对MOD13Q1数据进行波段提取、重采样、投影变换、数据格式转换和感兴趣区提取等预处理，其次将每年16 d的NDVI数据进行最大值合成，得到逐年NDVI年最大值数据，利用趋势分析法和缓冲分析法分析NDVI的时空变化特征[2]。

2.1 最大值合成法

采用最大值合成法获取NDVI年最大值，有利于削弱大气中的云、水、雪、气溶胶的影响，以及视角与太阳高度角的影响。本研究基于16 d的NDVI数据，采用最大值合成法获取NDVI年最大值，用以揭示植被生长的最佳状况及其动态变化特征。公式为：

式中：MNDVIi为第i年NDVI最大值，NDVIij为第i年第j期的NDVI值。

求取研究区内所有像元NDVI年最大值的平均值，用以衡量当年整个地区的植被生长状况，制作NDVI年际变化折线图。

2.2 趋势分析法

趋势分析法可计算研究区域监测时段内每个像元NDVI的变化趋势，能反映该区域的植被时空变化规律。本研究利用一元线性回归方程的斜率θslope进行趋势分析，制作NDVI变化趋势图，并做显著性检验，分析NDVI空间变化特征。θslope的计算公式为：

式中：n为监测时间序列的长度，MNDVIi为第i年NDVI的最大值；θslope为像元NDVI的回归斜率值。当θslope>0时，该区域的植被呈增长或改善趋势，反之呈减少或退化趋势；当θslope=0时，说明该区域NDVI没有变化。

2.3 缓冲分析法

在植被变化趋势分析的基础上，本研究利用缓冲分析法研究植被沿城乡梯度的过度特征。以郑州市主城区（中原区、二七区、金水区、管城区、惠济区）行政范围的质心为中心，建立的1 km间隔的圆形缓冲区，统计分析各环形缓冲区内NDVI的平均变化趋势。

3 结果分析

3.1 空间分布特征

根据NDVI年最大值结果，将研究区的植被覆盖度分为5个等级：低植被覆盖（0～0.2）、较低植被覆盖（0.2～0.4）、中植被覆盖（0.4～0.6）、较高植被覆盖（0.6～0.8）和高植被覆盖（0.8～1），并进行统计分析。

根据郑州市2020年植被空间分布图如图1所示，发现郑州市植被主要以较高植被覆盖为主（占比53.43%），高植被覆盖次之（占比26.65%），其次依次为中植被覆盖（占比16.00%）、较低植被覆盖（占比3.25%）和低植被覆盖（占比0.67%）。高植被覆盖区主要分布在北部黄河两岸沿线区域、西部嵩山-伏牛山一带和南部的大熊山-始祖山一带等区域；较低植被区主要分布在城市中心，如中原区、金水区、管城回族区及各县市的城市中心等；低植被覆盖区集中分布在黄河河道，仅占比0.67%。从整体上看，郑州市植被覆盖情况较好，中植被覆盖、较高植被覆盖和高植被覆盖面积总占比高达96.08%。

图1 郑州市2020年植被空间分布图

对比郑州市6区5市1县2020年的NDVI平均值，植被生长状况由高到低（NDVI平均值由大到小）依次是：登封市（0.777 2）、新密市（0.740 3）、巩义市（0.734 5）、荥阳市（0.712 8）、新郑市（0.701 9）、中牟县（0.692 5）、上街区（0.646 1）、惠济区（0.615 8）、二七区（0.609 9）、中原区（0.601 2）、金水区（0.536 5）和管城回族区（0.530 1）。

对比郑州6区5市1县2010-2020年历年来的NDVI平均值，植被生长状况由高到低（NDVI历年平均值由大到小）依次是：登封市（0.739 2）、新密市（0.735 2）、中牟县（0.721 3）、巩义市（0.716 9）、新郑市（0.710 9）、荥阳市（0.705 8）、惠济区（0.618 3）、上街区（0.613 8）、二七区（0.576 9）、中原区（0.539 7）、管城回族区（0.511 8）和金水区（0.507 4）。

由以上2种排名可见，郑州市5市1县的植被覆盖度明显高于郑州市6区。

按照2020年高植被覆盖区的占比排序，由高到低依次是：登封市（47.78%）、巩义市（32.81%）、荥阳市（27.34%）、新密市（26.52%）、上街区（24.97%）、中牟县（22.56%）、新郑市（22.37%）、二七区（12.49%）、惠济区（11.13%）、中原区（8.49%）、管城回族区（2.67%）和金水区（2.34%）。

按照2020年较高植被覆盖区和高植被覆盖区的占比排序，由高到低依次是：登封市（94.00%）、新密市（91.30%）、巩义市（87.50%）、荥阳市（84.76%）、新郑市（79.83%）、中牟县（77.82%）、上街区（61.50%）、二七区（56.00%）、惠济区（55.50%）、中原区（50.28%）、金水区（31.33%）和管城回族区（31.26%）。

由以上2种排名可见，郑州市各区域高植被覆盖占比差异较大，较高植被覆盖和高植被覆盖总占比差异更大。

在郑州6区5市1县中，总体上看，5市1县的高植被覆盖占比、较高和高植被覆盖总占比相比6区的更大。5市1县均以较高植被覆盖和高植被覆盖为主；登封市占比最高的植被等级为高植被覆盖，且登封市高植被覆盖占比远远高于其他地区；其他市县占比最高的植被等级均为较高植被覆盖。郑州6区均以较高植被覆盖和中植被覆盖为主；6区中上街区的高植被覆盖占比最高，甚至高于2020年新郑市的高植被覆盖占比；管城回族区和金水区占比最高的植被等级为中植被覆盖，其他4区占比最高的植被等级为较高植被覆盖。

3.2 年际变化分析

纵观植被随时间（年份）变化如图2所示，发现2010-2020年，郑州市植被NDVI最小值呈下降趋势，于2016年达到最小值，但近4年有所增大；NDVI平均值也呈下降趋势，在2014年有一个明显的下降波动；NDVI最大值年际变化甚微，基本保持稳定。

图2 郑州市2010-2020年NDVI最小值、最大值、平均值年际变化

郑州市2010-2020年各等级NDVI占比年际变化如图3所示，发现从2010-2020年，郑州市低植被覆盖区占比保持稳定，较低植被覆盖区、较高植被覆盖区和高植被覆盖区占比均变小，中植被覆盖区占比变大。高植被覆盖区、中植被覆盖区占比年际变化波动较大。其中在2014年，高植被覆盖区占比明显降低，中植被覆盖区和较低植被覆盖区占比明显增加；2018年，高植被覆盖区占比明显增加，而较高植被覆盖区和中植被覆盖区占比明显降低。

图3 郑州市2010-2020年各等级NDVI占比年际变化

基于对郑州6区5市1县的分析，自2010-2020年，在郑州6区中，仅有惠济区的NDVI平均值呈降低趋势，其他5区均呈增高趋势；在郑州5市1县中，登封市和巩义市NDVI平均值变化呈增高趋势，新密市、新郑市、荥阳市、中牟县NDVI平均值呈降低趋势，其中中牟县和新郑市NDVI平均值分别呈极显著降低和显著降低。

3.3 时空变化分析

郑州市2010-2020年植被NDVI变化趋势图，如图4所示，发现自2010-2020年，郑州市整体植被呈退化趋势，植被退化的面积占郑州市总面积的56.53%，植被改善的面积占郑州市总面积的43.47%。惠济区、新密市、新郑市、荥阳市和中牟县5个地区植被变化呈退化趋势，其中新郑市和中牟县植被退化比较严重，分别占各市县面积的79.38%和77.43%；二七区、管城回族区、金水区、上街区、中原区、登封市和巩义市7个地区植被变化呈改善趋势，其中二七区、管城回族自治区、金水区、上街区与登封市植被改善较好，植被改善区域面积均占各区域总面积的60%以上。郑州市各区域2010-

图4 郑州市2010-2020年植被NDVI变化趋势图

2020年植被NDVI变化比例统计见表1。

表1 郑州市各区域2010-2020年植被NDVI变化趋势统计

3.4 主城区植被沿城乡梯度变化分析

郑州市主城区植被在城乡梯度上的变化特征和郑州市主城区2010-2020年植被NDVI在城乡梯度上的变化趋势分析如图5和图6所示，发现自2010-2020年，郑州市主城区植被在城乡梯度上的变化特征从整体上呈现出市中心改善、远离市中心退化的势态。在距离城市中心13 km的范围内，植被生长呈改善状态；在距离城市中心13～26 km的范围内，植被生长呈退化状态；在距离城市中心3～22 km的范围内，植被生长状况随着距离的增长，改善势态越来越不明显（slope为正值，但逐渐变小），而退化势态越来越明显（slope为负值，且其绝对值逐渐变大）。

图5 郑州市主城区植被在城乡梯度上的变化特征

图6 郑州市主城区2010-2020年植被NDVI在城乡梯度上的变化趋势分析

4 结束语

本研究利用遥感技术和GIS空间分析技术，对郑州市2010-2020年植被时空变化特征进行分析。结果表明：

（1）郑州市植被覆盖情况较好，中植被覆盖、较高植被覆盖和高植被覆盖面积总占比高达96.08%。5市1县的高植被覆盖占比、较高和高植被覆盖总占比相比6区的更大，即5市1县的植被覆盖度更高。

（2）近11年来，郑州市植被NDVI平均值呈下降趋势，低植被覆盖区占比保持稳定，较低植被覆盖区、较高植被覆盖区和高植被覆盖区占比均变小，中植被覆盖区占比变大。在郑州6区中，除惠济区外，其他5区NDVI平均值均呈增高趋势；在5市1县中，除登封市和巩义市外，其他4个市县NDVI平均值呈降低趋势。

（3）近11年来，郑州市植被整体呈退化趋势，植被退化的面积占郑州市总面积的56.53%，植被改善的面积占郑州市总面积的43.47%。惠济区、新密市、新郑市、荥阳市和中牟县5个地区植被变化呈退化趋势；二七区、管城回族区、金水区、上街区、中原区、登封市和巩义市7个地区植被变化呈改善趋势。

（4）近11年来，郑州市主城区植被在城乡梯度上的变化特征从整体上呈现出市中心改善、远离市中心退化的势态。