2024年2月22日发(作者:张确)
Guihaia Mar.2021ꎬ41(3):351-361DOI:10.11931/guihaia.gxzw201905011http://www.guihaia-journal.com何荣晓ꎬ雷金睿ꎬ杨帆.遥感植被指数与植物多样性的相关性及空间分布特征研究———以海口市主城区为例[J].广西植物ꎬ2021ꎬ41(3):351-361.HERXꎬLEIJRꎬYANGF.Correlationandspatialdistributioncharacteristicsofremotesensingvegetationindexandplantdiversity—AcasestudyofmainurbanareaofHaikouCity[J].Guihaiaꎬ2021ꎬ41(3):351-361.遥感植被指数与植物多样性的相关性及空间分布特征研究———以海口市主城区为例何荣晓1ꎬ2ꎬ雷金睿3∗ꎬ杨 帆1ꎬ2(1.海南大学林学院ꎬ海口570228ꎻ2.海南省热带特色花木资源生物学重点实验室ꎬ海口570228ꎻ3.海南省林业科学研究院/海口市湿地保护工程技术研究开发中心ꎬ海口571100)摘 要:植物多样性监测是开展物种保护与植被景观规划的重要基础ꎬ对实施生物多样性的优先区域保护具有重要意义ꎮ该文以海口市主城区为例ꎬ利用Landsat8遥感数据与样方实测数据分析了植被指数与植物多样性指数之间的相关性ꎬ根据相关性分析结果构建植物多样性遥感监测数学模型ꎬ并筛选出最优模型用于监测研究区植物多样性的空间分布状况ꎮ结果表明:Shannon ̄Wiener多样性指数、Simpson多样性指数和Pielou均匀度指数与MSAVI植被指数相关系数最高ꎬ呈显著相关性(P<0.01)ꎮ通过一元线性数学回归模型得到的海口市植物多样性空间分布特征与实际情况相符ꎬ植物多样性水平较高的区域主要分布在火山口、东寨港和羊山湿地一带ꎬ且具有明显的空间自相关性ꎮ根据研究结果建议继续实施严格的保护措施ꎬ加强生态修复与保护工程ꎬ提高植被覆盖率和生物多样性水平ꎮ关键词:生物多样性ꎬ植被指数ꎬ植被覆盖率ꎬ空间自相关ꎬ遥感监测中图分类号:Q948.1 文献标识码:A 文章编号:1000 ̄3142(2021)03 ̄0351 ̄11Correlationandspatialdistributioncharacteristicsofremotesensingvegetationindexandplantdiversity—AcasestudyofmainurbanareaofHaikouCity(1.CollegeofForestryꎬHainanUniversityꎬHaikou570228ꎬChinaꎻ2.HainanBiologicalKeyLaboratoryforGermplasmResourcesofTropicalSpecialOrnamentalPlantsꎬHaikou570228ꎬChinaꎻ3.HainanAcademyofForestry/HaikouWetlandProtectionEngineeringTechnologyResearchandDevelopmentCenterꎬHaikou571100ꎬChina)HERongxiao1ꎬ2ꎬLEIJinrui3∗ꎬYANGFan1ꎬ2Abstract:Plantdiversitymonitoringisanimportantbasisforspeciesconservationandvegetationlandscapeplanningꎬanditisofgreatsignificancefortheimplementationofpriorityareaprotectionforbiodiversity.Takingthemainurban收稿日期:2019-07-10基金项目:海南省自然科学基金(318QN195)ꎻ海南大学科研启动基金(KYQD[ZR]1839ꎬKYQD[ZR]1821)[SupportedbyHainanNaturalScienceFoundation(318QN195)ꎻResearchStart ̄upFundofHainanUniversity(KYQD[ZR]1839ꎬKYQD[ZR]1821)]ꎮ作者简介:何荣晓(1987-)ꎬ博士ꎬ讲师ꎬ研究方向为园林植物景观设计ꎬ(E ̄mail)rx.he@hainanu.edu.cnꎮ∗通信作者:雷金睿ꎬ硕士ꎬ助理研究员ꎬ研究方向为城市园林植物与景观评价ꎬ(E ̄mail)raykingre@163.comꎮ Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
352areaofHaikouCityasanexampleꎬweanalyzedthecorrelationbetweenvegetationindexandtheplantdiversityindexbyapplyingremotesensingdatafromLandsat8andmeasureddatainsiteꎬandthenbuiltthemathematicalmodelofremotesensingmonitoringforplantdiversityandscreenedouttheoptimalmodelthatisusedtomonitoringthespatial广 西 植 物41卷distributionofplantdiversityinthestudyregion.Theresultswereasfollows:Shannon ̄WienerdiversityindexꎬSimpsondiversityindexandPielouevennessindexhadthehighestcorrelationcoefficientwithMSAVIvegetationindexꎬwithsignificantcorrelation(P<0.01).ThespatialdistributionofplantdiversityinHaikouacquiredfromtheunitarylinearregressionmodelwasconsistentwiththeactualsituation.TheareaswithhigherplantdiversitiesweremainlydistributedinthevolcaniccraterꎬDongzhaiharborandYangshanwetlandꎬwhichhadobviousspatialself ̄correlation.Accordingtoresultsobtainedfromthisresearchꎬcontinualimplementationofstrictconservationmeasuresꎬenhancementofecologicalrestorationandconservationprojectsꎬandimprovementofvegetationcoverageandbiodiversityarerecommended.Keywords:biodiversityꎬvegetationindexꎬvegetationcoverageꎬspatialself ̄correlationꎬremotesensingmonitoring 生物多样性是人类赖以生存的物质基础ꎮ随着全球范围内物种和栖息地的丧失ꎬ生物多样性破坏已严重威胁可持续发展和生态系统稳定性ꎬ成为生态学和地理学研究的热点问题(陈亮和王绪高ꎬ2008ꎻ胡海德等ꎬ2012)ꎮ近年来ꎬ随着遥感技术的快速发展ꎬ因其具备大尺度、长时间序列、多类型等优势而被广泛应用于土地利用变化(雷金睿等ꎬ2017)、生物量估测(张艳楠等ꎬ2012ꎻ王紫君等ꎬ2016)、环境监测(Koponen&Ullininenꎬ2002ꎻ闫峰等ꎬ2006)、森林健康(Arekhietal.ꎬ2017)等方面的研究ꎬ将遥感技术应用于生物多样性监测领域也是目前国际生物多样性研究的最新趋势ꎬ同时也是研究难点(徐文婷和吴炳方ꎬ2005ꎻ程乾等ꎬ2016ꎻ郭庆华等ꎬ2018ꎻ郭庆华和刘瑾ꎬ2018)ꎮ通过遥感手段监测植物多样性有多种方法ꎬ应用较多的是基于景观指数对植物多样性实施监测ꎬ它通过遥感影像生成土地覆盖数据ꎬ进而计算出各种景观指数ꎮ其理论基础是景观异质性与生物多样性的正相关关系(Kerretal.ꎬ2001ꎻGottschalketal.ꎬ2005)ꎬ如李祖政等(2018)利用LandsatETM+遥感影像探讨了徐州城市景观格局变化对植物多样性的影响ꎮ然而这种方法适合较大的空间尺度ꎬ单纯使用这种方法得到的多样性信息在精度上存在局限性(Griffiths&Leeꎬ2000ꎻLangfordetal.ꎬ2006)ꎮ卫星遥感影像衍生出的植被指数有助于分析生物多样性格局ꎬ这些影像是可更新且易获取的ꎬ并且还可以获得多个时空尺度上的影像信息(Duroetal.ꎬ2014)ꎮ有研究认为ꎬ归一化植被指数(NDVI)与植物多样性之间存在显著正相关关系(Fairbanks&McGwireꎬ2004ꎻCayuelaetalꎬ2006)ꎬ可以解释区域内物种丰富度或多样性变化ꎮ这为间接监测大尺度生物多样性提供了更为便捷的方式ꎬ用于评估区域和全球尺度的生物多样性现状和变化趋势(Oindo&Skidmoreꎬ2002ꎻTurneretal.ꎬ2003)ꎮFairbanks&McGwire(2004)的研究表明使用NDVI数据可以在区域尺度和长时间内对植物物种丰富度进行表征和监测ꎮArekhietal.(2017)使用Landsat数据研究了土耳其Gönen大坝流域植被指数与α和β多样性之间的相关性ꎬ研究表明NDVI有助于估计大面积植物的α多样性ꎮ程乾等(2016)研究表明NDVI监测湿地植物多样性的最佳空间尺度大小为152m×152mꎬ且与Simpson指数的相关性显著ꎮ在空间尺度的研究方面ꎬ方彬等(2007)利用基于空间变异理论和半方差函数探讨了植被指数用于生物多样性监测的最佳研究尺度ꎬ根据模拟结果得出不同植被指数用于生物多样性遥感监测的最佳尺度ꎮ国内外学者对于生物多样性遥感监测在不同植被指数、不同空间尺度甚至不同地域类型都开展了相关研究ꎬ表明遥感技术在生物多样性监测领域广泛的应用前景ꎬ但在大范围的实际应用中仍然处于探索阶段ꎮ海南岛地处热带北缘及干湿热带气候的过渡带ꎬ岛内地形复杂、气候多样、水热充沛、植被类型多样ꎬ保存了我国最大面积的热带雨林和丰富的生物多样性资源(张路等ꎬ2011)ꎮ2010年ꎬ环保部印 Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
发的«中国生物多样性保护战略与行动计划(2011—2030年)»中ꎬ海南岛中南部被确定为我国生物多样性保护优先区域ꎮ2014年ꎬ海南省印发«生物多样性保护战略与行动计划(2014—2030年)»ꎬ将海南岛北部生物多样性保护优先区域(主要保护对象为海口火山岩地区植被生态系统)确定为全省4个生物多样性保护优先区域之一ꎮ随后ꎬ海口市于2015年在«生物多样性保护战略与行动计划»中也将火山、海岸带及近岸海域、红树林等列入生物多样性保护优先区域ꎬ提出建立生物多样性监测和评估体系ꎮ基于此ꎬ本研究以海口市主城区为例ꎬ将遥感技术应用于植物多样性监测领域ꎬ是对区域生物多样性监测与保护的有益探索ꎬ有助于快速开展生物多样性本底调查和监测信息化建设ꎬ加强生物多样性优先区域的保护ꎮ3期何荣晓等:遥感植被指数与植物多样性的相关性及空间分布特征研究———以海口市主城区为例公园ꎬ南部有羊山湿地ꎬ森林覆盖率33.63%ꎮ现有植被主要以人工纯林为主ꎬ如木麻黄(Casuarinaequisetifolia)、马占相思(Acaciamangium)、桉树(Eucalyptusrobusta)、橡胶树(Heveabrasiliensis)、龙天然林相对较少ꎬ以热带地区常见的野生灌木草丛植物种群为主ꎬ以及分布于东部沿海一带的东寨港红树林群落ꎮ本研究以海口市主城区为研究样区ꎬ面积约520km2(图1)ꎮ眼(Dimocarpuslongan)、荔枝(Litchichinensis)等ꎮ3532 研究方法2.1植物多样性调查基于ArcGIS10.3采用随机抽样方法在海口市主城区范围内设置60个样方ꎬ大小为30m×30mꎮ在2013年6—11月间ꎬ采用高精度GPS定位实地寻找随机布设的样方ꎬ对样方内的调查记录内容包括:土地利用类型、地面覆盖情况ꎻ胸径≥3cm乔木的种类、株数、胸径、树高、干高、冠幅、健康状况等ꎻ灌木的种类、盖度、高度、健康状况ꎻ草本的种类、面积、高度、健康状况(何荣晓ꎬ2016)ꎮ但由于部分样方落在建筑、水面或农田上ꎬ为避免影响相关性分析精度ꎬ剔除代表性不强、易引起偏差的样方ꎬ最后优选出48个样方数据(图1)ꎮ从1 研究区概况海口市(110°10′—110°41′E、19°32′—20°05′N)位于海南岛北部ꎬ属热带海洋性季风气候ꎬ为典型的热带滨海省会城市ꎮ海拔为0~222mꎬ年平均气温24.4℃ꎬ年平均降水量1696.6mmꎬ平均相对湿度85%ꎮ区域内以滨海平原地貌为主ꎬ东部有海南东寨港红树林自然保护区ꎬ西部有火山口世界地质图1 研究区样方点分布示意图Fig.1 Distributionofsampleplotsinthestudyregion Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
中随机抽取2/3的样方数据(即32个样方)用于建模ꎬ剩余的样方用于模型验证ꎮ植物多样性指数选取3种广泛使用的α多样性指数(刘鲁霞ꎬ2019)ꎮ其计算公式如下ꎮ(1)Shannon ̄Wiener多样性指数:H=-∑(PilnPi)ꎻi=1s354广 西 植 物(1)差值植被指数:DVI=NIR-Rꎻ(2)增强型植被指数:EVI=2.5×(NIR-R)ꎻNIR+6×R-7.5×B+141卷(3)修改型土壤调整植被指数:(2)Simpson多样性指数:D=1-∑(Pi)2ꎻ(3)Pielou均匀度指数:J=Hꎮln(S)i=1s2NIR+1-(2NIR+1)2-8(NIR-R)MSAVI=ꎻ2(4)归一化差异植被指数:NDVI=(5)比值植被指数:RVI=NIRꎻRNDVI+0.5ꎮNIR-RꎻNIR+R式中:S为物种数ꎻPi为物种i的相对重要值ꎮ植物物种的相对重要值计算公式如下ꎮ相对显著度)/3ꎻ相对盖度)/3ꎻ相对盖度)/3ꎻ(1)乔木层:重要值IV=(相对密度+相对频度+(2)灌木层:重要值IV=(相对密度+相对频度+(3)草本层:重要值IV=(相对高度+相对频度+(4)相对重要值=该物种的重要值/该样地内通过R.3.2.2的vegan软件包中的diversity函数完成植物物种多样性指数计算(何荣晓ꎬ2016)ꎮ植物综合多样性指数引用杨学军等(1998)的多序稳定假说提出的时间-稳定系数C=ln(a+1)(a为植物进入稳定状态的时间)来计算乔木层、灌木层、草本层权重ꎬ求和得到相应综合指数ꎮ本研究中乔木层、灌木层、草本层的权重值分别取0.6、0.3和0.1(周彬等ꎬ2002ꎻ程乾等ꎬ2016)ꎮ2.2植被指数计算选用海口市清晰少云、且与调查时间一致的Landsat8OLI ̄TIRS遥感影像(数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn))ꎬ获取时间为2013-10-26ꎬ5.1软件平台ꎬ遥感影像经几何校正、辐射校正等预处理ꎬ误差控制在0.5个像元ꎬ运用栅格计算器分别计算生成各类植被指数栅格图ꎬ空间分辨率均为30mꎮ选取6种常用的植被指数进行处理分析(张艳楠等ꎬ2012ꎻArekhietal.ꎬ2017)ꎮ计算公式如下ꎮ(6)转换型植被指数:TVI=式中:NIR代表近红外波段即OLI ̄5ꎻR代表红外波段即OLI ̄4ꎻB代表蓝色波段即OLI ̄2ꎮ2.3数据统计分析根据前人对生物多样性遥感监测最佳空间尺度的研究成果(方彬等ꎬ2007ꎻMalihehetal.ꎬ2017)ꎬ本文DVI、IPVI、MSAVI、NDVI、RVI和TVI5种植被指数采用3×3像元(即90m×90m)ꎬEVI采用4×4像元(即120m×120m)ꎬ利用GIS空间分析工具分别对植被指数栅格图进行邻域均值统计分析ꎮ再通过样方中心点坐标提取得到每个样方所对应的植被指数值ꎬ导入SPSS22.0进行植被指数与植物多样性之间的Pearson相关性分析及回归分析ꎬ并建立相应的估测数学模型ꎮ通过计算估测值与实测值之间的标准误差(RMSE)、平均相对误差(MRE)、平均绝对误差(MAE)来分析研究区植物多样性遥感估测精度(Pereiraetal.ꎬ2010)ꎬ进而采用最佳数学模型估测研究区植物多样性ꎬ得到研究区植物多样性的空间分布矢量数据ꎮ为探索植物多样性的空间关联特征和聚集性ꎬ采用地统计学理论中的全局空间自相关Moran’sI统计量对研究区植物多样性的空间分布特征进行表征ꎮ计算公式如下ꎮI=S2(ijwij)n--ni=1j=1wij(xix)(xjx)所有物种的重要值之和ꎮ云量为2.44%ꎬ轨道号为p124/r46ꎮ依托ENVIꎮ局部空间自相关指标常采用局部Moran’sI统计量进行度量ꎬ用以准确地把握局部空间要素的聚集性和分异特征(Anselinetal.ꎬ2006)ꎮ计算公式如下ꎮ Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
3期Ii=-(xi-x)nj=1wij(xix)1ni=1(xi-x)2ꎮnS2何荣晓等:遥感植被指数与植物多样性的相关性及空间分布特征研究———以海口市主城区为例355ꎻS2=式中:n是空间单元数量ꎻxi和xj分别表示单元i和单元j的观测值ꎻwij是基于空间k邻接关系建立的空间权重矩阵ꎮ空间自相关分析采用GeoDa1.6.7软件完成ꎮ3 结果与分析3.1植物群落优势种从研究区各层次植物重要值排名前10位的物种来看(表1)ꎬ乔木层以椰子、印度紫檀为主要优势物种ꎬ重要值分别为10.51%和8.43%ꎻ灌木层优势物种以黄金榕、龙船花为主ꎬ重要值分别为9.81%和8.40%ꎻ草本层则以细叶结缕草、结缕草等为主要优势物种ꎬ重要值分别为13.71%和看ꎬ灌木层主要物种的优势程度要高于乔木层和草本层ꎬ其中除了鹅掌藤和福建茶为本地物种之外ꎬ其余的皆为栽培种ꎮ乔木层的本地物种种类较多ꎬ如椰子、秋枫、高山榕等ꎬ分布也较为广泛ꎮ草本层中本地种主要是牛筋草、地毯草、海芋等ꎬ其中南美蟛蜞菊为热带恶性入侵植物ꎮ3.2植被指数与植物多样性相关性分析对植被指数与实际调查各样点的植物多样性指数的相关性分析见表2ꎮ由表2可知ꎬShannon ̄Wiener多样性指数(H)、Simpson多样性指数(D)、Pielou均匀度指数(J)与6种植被指数均呈显著正相关(P<0.01)ꎮ其中ꎬShannon ̄Wiener多样性指数、Simpson多样性指数和Pielou均匀度指数与植被指数相关系数排前3位的分说明植物多样性与植被指数之间存在较强相关性ꎮ因此ꎬ可以利用植被指数建立植物多样性监测数学模型ꎮ在相关性分析的基础上ꎬ利用相关系数最高的植被指数与植物多样性进行回归分析ꎬ分别建立一元线性回归模型(图2)ꎮ其中Shannon ̄别是MSAVI、TVI、NDVIꎬ均在0.550以上(表2)ꎬ图2 植物多样性指数与植被指数的散点图分析Fig.2 Scattermapsbetweenvegetationindexesandplantdiversities7.09%ꎮ从排名前10位优势物种的重要值之和来Wiener多样性指数的线性回归模型为y=1.8275x+数的线性回归模型为y=0.9513x+0.0528ꎬ复相关系数为0.4467ꎻPielou均匀度指数的线性回归模型为y=1.2225x+0.1895ꎬ复相关系数为0.3310ꎬ均达到显著水平(P<0.01)ꎬ表明一元线性回归模型具有统计学意义ꎮ3.3植物多样性模型精度分析由表3可知ꎬ16个样地点的Shannon ̄Wiener多0.0408ꎬ复相关系数为0.4244ꎻSimpson多样性指 Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
356广 西 植 物表1 植物层次的主要优势种Table1 Majordominantspeciesinplantlevel41卷重要值前10乔木层ToptenofTreelayerimportantvalue12345678910椰子Cocosnucifera重要值Importantvalue(%)10.518.435.054.624.274.083.392.992.912.4948.74灌木层Shrublayer黄金榕Ficusmicrocarpa‘GoldenLeaves’龙船花Ixorachinensis重要值Importantvalue(%)9.818.406.585.924.774.003.993.713.533.4354.15草本层Herblayer细叶结缕草Zoysiapacifica重要值Importantvalue(%)13.717.094.674.593.963.312.822.552.442.2447.37印度紫檀Pterocarpusindicus大王棕Roystonearegia垂叶榕Ficusbenjamina散尾葵Chrysalidocarpuslutescens扶桑Hibiscusrosa ̄sinensis结缕草Zoysiajaponica牛筋草Eleusineindica小叶榕Ficusmicrocarpa非洲楝Khayasenegalensis秋枫Bischofiajavanica高山榕Ficusaltissima黄葛榕Ficusvirens金叶假连翘Durantaerecta‘GoldenLeaves’鹅掌藤Scheffleraarboricola南美蟛蜞菊Sphagneticolatrilobata水鬼蕉Hymenocallislittoralis三角梅Bougainvilleaglabra朱蕉Cordylinefruticosa旅人蕉Ravenalamadagascariensis海芋Alocasiaodora鸡蛋花Plumeriarubra‘Acutifolia’重要值之和Totalimportantvalue花叶假连翘Durantaerecta‘Variegata’福建茶Carmonamicrophylla斑茅Saccharumarundinaceum地毯草Axonopuscompressus鹤望兰Strelitziareginae重要值之和Totalimportantvalue重要值之和Totalimportantvalue表2 植被指数与植物多样性间的相关系数Table2 Correlationcoefficientsbetweenvegetationindexesandplantdiversities植物多样性指数PlantdiversityindexShannon ̄Wiener多样性指数Shannon ̄Wienerdiversityindex(H)Simpson多样性指数Simpsondiversityindex(D)Pielou均匀度指数Pielouevennessindex(J)DVI0.603∗∗0.623∗∗0.523∗∗EVI0.551∗∗0.561∗∗0.470∗∗MSAVI0.651∗∗0.668∗∗0.575∗∗NDVI0.620∗∗0.639∗∗0.550∗∗RVI0.562∗∗0.585∗∗0.504∗∗TVI0.634∗∗0.652∗∗0.561∗∗ 注:∗∗表示在0.01水平上显著相关ꎮ Note:∗∗meanssignificantcorrelationat0.01level.表3 植物多样性实测值与估测模型估测值的误差Table3 Errorofobservationvalueandsimulationvaluebasedontheestimatedmode植物多样性指数PlantdiversityindexShannon ̄Wiener多样性指数Shannon ̄Wienerdiversityindex(H)Simpson多样性指数Simpsondiversityindex(D)Pielou均匀度指数Pielouevennessindex(J)均值差值Meandifferencevalue0.0360.0260.021标准误差RMSE0.1050.1170.047平均相对误差MRE(%)6.905.107.03平均绝对误差MAE0.0760.0440.091复相关系数R20.88710.88160.4781 Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
3期何荣晓等:遥感植被指数与植物多样性的相关性及空间分布特征研究———以海口市主城区为例357图3 研究区植物多样性分级Fig.3 Gradesofbiologicaldiversitiesinthestudyregion相关系数分别为0.8871、0.8816、0.4781ꎮ结果表明ꎬShannon ̄Wiener多样性指数和Simpson多样性指数的拟合效果较好ꎬPielou均匀度指数相对较差ꎬ但均达到显著水平(P<0.01)ꎮ因此ꎬ可以使用线性回归模型估测研究区植物多样性的空间分布ꎮ3.4植物多样性空间分布从图3可以看出ꎬShannon ̄Wiener多样性指数、Simpson多样性指数和Pielou均匀度指数的空间分布较为一致ꎮ研究区主城区及南渡江入海口、西部长流开发区等区域ꎬ人口分布密集ꎬ植被覆盖程度低(多为城市人工绿地)ꎬ造成该区域的植物多样性水平偏低ꎮ在研究区西南部、东部等区域ꎬ因有海口火山口次生林以及东寨港红树林图4 Shannon ̄Wiener多样性指数Moran散点图Fig.4 Moranscatter ̄plotofShannon ̄Wienerdiversityindex等自然植被的连片分布ꎬ植被覆盖程度很高ꎬ且生长旺盛ꎬ植物多样性等级也最高ꎮ但在城乡结合部的市区南部、南渡江以东区域零散分布有耕地、块状湿地等用地类型ꎬ自然与人工覆被镶嵌分布其中ꎬ所以植物多样性居于中等水平ꎮ另外ꎬ在城区中心的金牛岭公园、万绿园等地也表现出较高样性指数、Simpson多样性指数和Pielou均匀度指数估测值与实测值的均值差值分别为0.036、0.026、0.021ꎬMRE分别为6.90%、5.10%、7.03%ꎬ复 Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
358广 西 植 物41卷图5 Shannon ̄Wiener多样性指数空间自相关聚集图Fig.5 Clustergraphsofspatialself ̄correlationofShannon ̄Wienerdiversityindex的植物多样性和均匀度ꎮ3.5植物多样性空间自相关分析从图4可以看出ꎬMoran散点主要分布在第一象限(HH)和第三象限(LL)ꎬ第二象限(LH)和第四象限(HL)散点分布相对较少ꎬ全局Moran’sI指数为0.6912ꎬ这说明研究区Shannon ̄Wiener多样性指数具有很强的空间正相关性ꎬ具有非常明显的聚集性ꎬ在空间分布上并非完全随机(图4)ꎮ从空间自相关分布图(图5)来看ꎬ直观反映了Shannon ̄Wiener多样性在空间聚集与分异的位置分布特征ꎮShannon ̄Wiener多样性指数HH聚集主要分布在研究区西南部、东南部以及南部区域ꎮLL聚集区主要出现在海口建成区以及西海岸开发区一带ꎮ在城乡结合部区域空间聚集性表现不显著(NS)ꎮ而HL聚集和LH聚集类型则在研究区内呈零星分布ꎮ4 讨论4.1植物多样性估测模型本研究利用Landsat8遥感数据与样方实测数据分析了植被指数与植物多样性指数之间的相关性ꎬ并估测植物多样性的空间分布特征ꎬ结果表明Shannon ̄Wiener多样性指数、Simpson多样性指数线性回归模型拟合效果较好(P<0.01)ꎬ具有统计学意义ꎮ梁大双(2011)在对吉林蛟河地区的森林植物多样性与植被指数之间的数学关系研究中得出ꎬShannon ̄Wiener多样性指数与SAVI指数(土壤调整植被指数)的相关性最好ꎬ模型在一定程度上反映出森林植物多样性状况ꎬ这与本研究得出的结论一致ꎮ和Pielou均匀度指数与MSAVI的相关系数最高ꎬ Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
3期何荣晓等:遥感植被指数与植物多样性的相关性及空间分布特征研究———以海口市主城区为例不同的地表覆被会表现出不同的遥感光谱特最高的区域ꎬ因此植物多样性水平也随之较高ꎬ这也反映出在保护地范围内外植物多样性水平的明显差异ꎮ而在研究区南部的羊山湿地一带ꎬ湿地植物茂密且物种多样ꎬ表现出植物多样性也相对较高ꎮ此外ꎬ在海口市主城区的金牛岭公园、万绿园、人民公园等城市绿地ꎬ由于自然植被的高度覆盖也反映出较高的植物多样性水平ꎬ这与雷金睿等(2017)对海口城市公园植物物种多样性分析的结果趋同ꎮ可见ꎬ利用估测模型得出研究区域的植物多样性空间分布状况与实际情况基本相符ꎬ监测结果可以反映海口市植物多样性的空间分布状况ꎮ通过地统计学理论探讨研究区植物多样性空间自相关性ꎬ结果表现出显著的正空间自相关关系ꎬ具有非常明显的聚集性ꎮ根据空间聚类模式认为ꎬ在东寨港红树林自然保护区、火山口及其周边区域(HH聚集)建议继续实施严格的保护措施ꎬ禁止或限制建设扩张ꎬ维持高水平的植物多样性ꎮ而在研究区南部的羊山湿地区域ꎬ应当限制耕地侵占、人为破坏干扰等方式损害羊山湿地多用途功能ꎬ继续保持较高水平的植物多样性ꎬ发挥湿地蓄水、净化等多样化的生态系统服务功能ꎮ上述区域的植被生态系统也是海口市生物多样性行动计划的优先保护区域ꎬ而在部分植物多样性水平较低的区域(LL聚集)应考虑更多的生态修复工程或城市景观绿化建设ꎬ提高植被覆盖率ꎮ359征ꎬ目前利用这一特征在监测生物量、蓄积量等方面应用广泛(张艳楠等ꎬ2012ꎻ王紫君等ꎬ2016)ꎬ方法较为成熟ꎬ建立遥感观测信息与地面实测数据的紧密联系从而实现二者的互补和有效结合(郭庆华等ꎬ2018ꎻ郭庆华和刘瑾ꎬ2018)ꎬ使大尺度空间监测成为可能ꎮ然而ꎬ建立遥感光谱与植物多样性间的关系模型的方法目前仍然存在一些问题(梁大双ꎬ2011)ꎮ引入多个空间指标因子可以明显提高回归模型的拟合精度ꎬ如李燕军(2006)在植被指数与植物多样性的一元回归模型基础上引入坡向数据构建多元回归模型ꎬ显著提高了回归方程的拟合度ꎮ此外ꎬ高程对植物多样性指数的估测也会产生一定的负向影响ꎬ即高程增加会导致多样性的降低(梁大双ꎬ2011)ꎮ但本研究区域首先选择在海口市北部滨海平原区域ꎬ地势平坦ꎬ高程相差很小ꎬ因此高程因子对本研究中的植物多样性影响可忽略不计ꎻ其次ꎬ本研究中的遥感数据与样方定位均通过空间纠正处理ꎬ匹配精度满足研究需要ꎬ也为精确分析遥感植被指数和植物多样性指数之间的相关性奠定了基础ꎮ4.2植物多样性空间分布对区域保护的启示长期以来ꎬ生物多样性的空间分布大都是通过繁琐的野外调查和分析获取ꎬ但这种途径会消耗大量人力物力和时间ꎬ不利于规划管理者及时掌握生物多样性的时空分布和制定切实可行的生物多样性保护策略(Fallahetal.ꎬ2012ꎻDalmayneetal.ꎬ2013)ꎮ在保护栖息地和大量物种时ꎬ监测植2012)ꎮ本研究利用卫星遥感数据确定植物多样性ꎬ结合地面调查数据构建监测模型ꎬ是一种获取植物多样性分布及其在大面积上的状态的便捷方式ꎬ这与郭庆华等(2018)和Turneretal.(2003)的研究结果一致ꎮ这些数据是可更新的、标准化的和多尺度的ꎬ这在生物多样性保护和植被景观规划的有效管理和决策中发挥着重要作用ꎬ使其在大尺度生物多样性监测、制图和评估方面具有极大优势ꎮ在研究区西南部区域靠近海口火山口地质公园ꎬ东部的红树林自然保护区均为植被覆盖程度物多样性已成为一个重要问题(Kiran&Mudaliarꎬ5 结论与展望本研究利用Landsat8遥感影像与样方实测数据研究了海口市植物多样性的相关性及空间分布状况ꎬ结果表明Shannon ̄Wiener多样性指数、Simpson多样性指数和Pielou均匀度指数与MSAVI、TVI、NDVI等3个植被指数的相关系数较高ꎬ均在0.550以上ꎻ以MSAVI与不同植物多样性指数建立线性回归模型ꎬ拟合效果较好ꎬ且均通过显著性检验(P<0.01)ꎬ说明回归方程具有统计学意义ꎮ通过最优模型监测研究区植物多样性结果与实际情况相符ꎬ表明本估测模型具有科学性与可靠性ꎬ证明利用遥感数据可快速有效地监测海 Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
口市植物多样性水平ꎮ根据研究结果建议继续实施严格的保护措施ꎬ加强城区的生态修复与保护工程ꎬ提高植被覆盖率和生物多样性水平ꎮ这对于植物多样性遥感监测、区域保护发展和维护生态安全具有重要的实践意义ꎬ是对海南岛生物多样性遥感监测与保护的有益探索ꎮ但应当注意的是ꎬ生态学和地理学的特征及现象常伴随着复杂的尺度效应ꎬ如何更科学地确定植被指数的空间尺度还有待于进一步研究ꎮ此外ꎬ引入其他空间指标如高分辨率的遥感影像、土壤类型等ꎬ继续提高植物多样性遥感监测精度也应当是今后重点研究的方向之一ꎮ360广 西 植 物参考文献:ANSELINLꎬSYABRIIꎬKHOYꎬ2006.GeoDa:Anintroductiontospatialdataanalysis[J].GeogrAnalꎬ38(1):5-22.AREKHIMꎬYILMAZOYꎬYILMAZHꎬetal.ꎬ2017.CantreespeciesdiversitybeassessedwithLandsatdatainatemperateforest?[J].EnvironMonitAssessꎬ189:586.CAYUELALꎬBENAYASJMRꎬJUSTELAꎬetal.ꎬ2006.Modellingtreediversityinahighlyfragmentedtropicalmontanelandscape[J].GlobEcolBiogeogrꎬ15:602-613.CHENLꎬWANGXGꎬ2008.Biodiversityandforestecosystemhealth:Somekeyquestions[J].ChinJEcolꎬ27(5):816-820.[陈亮ꎬ王绪高ꎬ2008.生物多样性与森林生态系统健康的几个关键问题[J].生态学杂志ꎬ27(5):816-820.]CHENGQꎬCHENYFꎬLISDꎬetal.ꎬ2016.ResearchonplantspeciesdiversityinestuarinewetlandofHangzhoubaybasedontheGF ̄1satelliteandinsitudata[J].JNatResourꎬ31(11):1938-1948.[程乾ꎬ陈奕霏ꎬ李顺达ꎬ等ꎬ2016.基于高分1号卫星和地面实测数据的杭州湾河口湿地植物物种多样性研究[J].自然资源学报ꎬ31(11):1938-1948.]DALMAYNEJꎬMÖCKELTꎬPRENTICEHCꎬetal.ꎬ2013.Assessmentoffine ̄scaleplantspeciesbetadiversityusingWorldView ̄2satellitespectraldissimilarity[J].EcolInformꎬ18:1-9.DURODCꎬGIRARDJꎬKINGDJꎬetal.ꎬ2014.PredictingspeciesdiversityinagriculturalenvironmentsusinglandsatTMimagery[J].RemoteSensEnvironꎬ144:214-225.FAIRBANKSDHKꎬMCGWIREKCꎬ2004.PatternsoffloristicrichnessinvegetationcommunitiesofCalifornia:Regionalscaleanalysiswithmulti ̄temporalNDVI[J].GlobEcolBiogeogrꎬ13:221-235.FALLAHCꎬMOZAFFARSBꎬHASHEMISAꎬ2012.ProbabilitymeasurementtoestimateforesttreediversityusingIRS ̄p6satelliteimagesinCaspianbroadleavedforests[J].ARPNJAgrBiolSciꎬ7:238-243.FANGBꎬCHENBꎬZHANGYꎬ2007.Researchonscaleselectionandmappingofinspectingbiologicdiversityusingremotesensing[J].GeogrGeo ̄InforSciꎬ23(6):78-81.[方彬ꎬ陈波ꎬ张元ꎬ2007.生物多样性遥感监测尺度选择及制图研究[J].地理与地理信息科学ꎬ23(6):78-81.]GOTTSCHALKTꎬHUETTMANNFꎬEHLERSMꎬ2005.Reviewarticle:Thirtyyearsofanalysingandmodellingavianhabitatrelationshipsusingsatelliteimagerydata:Areview[J].IntJRemoteSensꎬ26:2631-2656.GRIFFITHSGꎬLEEJꎬ2000.Landscapepatternandspeciesrichness:Regionalscaleanalysisfromremotesensing[J].IntJRemoteSensꎬ21:2685-2704.GUOQHꎬHUTYꎬJIANGYXꎬetal.ꎬ2018.Advancesinremotesensingapplicationforbiodiversityresearch[J].BiodiversSciꎬ26(8):789-806.[郭庆华ꎬ胡天宇ꎬ姜媛茜ꎬ等ꎬ2018.遥感在生物多样性研究中的应用进展[J].生物多样性ꎬ26(8):789-806.]GUOQHꎬLIUJꎬ2018.Remotesensinghasbecomeanindispensabletechnologyforbiodiversityresearchprotectionandchangemonitoring[J].BiodiversSciꎬ26(8):785-788.[郭庆华ꎬ刘瑾ꎬ2018.遥感已经成为生物多样性研究保护与变化监测不可或缺的技术手段[J].生物多样性ꎬ26(8):785-788.]HERXꎬ2016.Impactsofurbanizationonplantdiversity:AcasestudyofHaikouCity[D].Haikou:HainanUniversity.[何荣晓ꎬ2016.城市化对植物多样性的影响:以海口市为例[D].海口:海南大学.]HUHDꎬLIXYꎬDUYFꎬetal.ꎬ2012.Researchadvancesinbiodiversityremotesensingmonitoring[J].ChinJEcolꎬ31(6):1591-1596.[胡海德ꎬ李小玉ꎬ杜宇飞ꎬ等ꎬ2012.生物多样性遥感监测方法研究进展[J].生态学杂志ꎬ31(6):1591-1596.]KERRJTꎬSOUTHWOODTꎬCIHLARJꎬ2001.RemotelysensedhabitatdiversitypredictsbutterflyspeciesrichnessandcommunitysimilarityinCanada[J].PNatlAcadSciUSAꎬ98:11365.KIRANGSꎬMUDALIARAꎬ2012.Remotesensing&geoinformaticstechnologyinevaluationofforesttreediversity[J].AsianJPlantSciResꎬ2:237-242.KOPONENSꎬULLININENJꎬ2002.LakewaterqualityclassificationwithairbornehyperspectralspectrometerandsimulatedMERISdata[J].RemoteSensEnvironꎬ79:51-59.LANGFORDWTꎬGERGELSEꎬDIETTERICHTGꎬetal.ꎬ2006.Mapmisclassificationcancauselargeerrorsinlandscapepatternindices:Examplesfromhabitatfragmentation[J].Ecosystemsꎬ9:474-488.LEIJRꎬCHENZZꎬYANGQꎬetal.ꎬ2017.GIS ̄basedgradientanalysisofurbanlandscapepatternofHaikou[J].JNWForUnivꎬ32(3):205-210.[雷金睿ꎬ陈宗铸ꎬ杨琦ꎬ等ꎬ2017.基于GIS的海口市景观格局梯度分析[J].西北林41卷 Copyright©博看网 . All Rights Rerved.
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