基于MODIS的廣西典型土地覆被變化特征分析

賴雙雙 龐柯柯 姚文昕

摘要 [目的]研究2001—2017年廣西3種典型土地覆被（森林、農(nóng)田和城市）的時(shí)空變化特征。[方法]基于廣西統(tǒng)計(jì)年鑒和MODIS遙感觀測(cè)資料，以經(jīng)濟(jì)區(qū)為研究單元對(duì)土地覆被的時(shí)空變化進(jìn)行比較分析。[結(jié)果]廣西森林覆被率整體提高，各經(jīng)濟(jì)區(qū)森林覆被的持續(xù)穩(wěn)定比率差異明顯，東部地區(qū)（包括桂北、桂中、桂東）持續(xù)穩(wěn)定比率高且呈連片分布，增速較慢，屬森林穩(wěn)定發(fā)展區(qū);西部地區(qū)（包括桂西、桂南）持續(xù)穩(wěn)定比率低，但新增森林覆被較多且增速較快，屬森林快速發(fā)展區(qū);農(nóng)田覆被整體變化不大，桂南、桂中、桂東地區(qū)農(nóng)田覆被率高、持續(xù)穩(wěn)定比率高，且連片分布，與桂西、桂北的低覆被率、低持續(xù)穩(wěn)定比率形成明顯差異;各經(jīng)濟(jì)區(qū)城市覆被均增加，從北至南以桂林、柳州、南寧三大主要城市為核心向四周擴(kuò)張，前期（2001—2010年）、后期（2011—2017年）均有不同程度的增長(zhǎng)，桂—柳—南沿線以東城市擴(kuò)張發(fā)展較沿線以西好，與經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)發(fā)展相符合。[結(jié)論]該研究為土地可持續(xù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 土地覆被;森林;農(nóng)田;城市;變化特征;MODIS;廣西

中圖分類號(hào) P237? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）13-0051-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.014

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis on Characteristics of Typical Land Cover Change over Guangxi Based on MODIS

LAI Shuang shuang1，2， PANG Ke ke1，YAO Wen xin1

（1.School of Natural Resources and Surveying， Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001;2.Center of Health Geography and Education Information，Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001）

Abstract [Objective] To study the temporal and spatial characteristics of three typical land covers （forest， farmland and city） in Guangxi from 2001 to 2017.[Method] Based on the Guangxi Statistical Yearbook and MODIS remote sensing observation data， the economic zone is used as the research unit to compare and analyze the temporal and spatial changes of land cover.[Result]The forest cover rate of Guangxi improved as a whole， and there were obvious differences in the continuous steady ratio of forest cover among the economic regions. The eastern region （including northern， central and eastern Guangxi） had a high continuous steady ratio and contiguous distribution， but the growth rate was slow， this area was a forest stable development zone. The western region （including western and southern Guangxi） had a low continuous steady ratio， but the newly increased forest cover was more and the growth rate was fast， this area was a forest fast development zone.The overall change of farmland cover was not significant. In southern， central and eastern Guangxi， the farmland cover rate and continuous steady ratio were high， and the farmland cover distribution was contiguous， which was contributed to the significant differences from the western and northern parts of Guangxi.The urban cover of economic zones increased， and expanded to surrounding areas from north to south of Guangxi， with Guilin， Liuzhou and Nanning as the core cities， the urban cover of economic zones had different degrees of increase in the early （2001-2010） and late （2011-2017） stages. The expansion and development of the cities in the east of the line of Guilin Liuzhou Nanning was better than that in the west of the line， which was consistent with the actual economic development of the economic zones.[Conclusion]The study provides the reference for sustainable development of land.

Key words Land cover;Forest;Farmland;City;Change characteristics;MODIS;Guangxi

土地覆被變化是全球變化和可持續(xù)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容[1-2]。20世紀(jì)后期以來，中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快，以及國家區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)中國土地覆被空間格局變化產(chǎn)生了顯著的影響[3-4]，各區(qū)域由于自然環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的不同，其土地覆被變化存在明顯的空間差異[5-7]。在當(dāng)前眾多的土地覆被類型中，森林、城市和農(nóng)田是受氣候變化和人類活動(dòng)影響較大的 3 種土地覆被類型，其變化也是最顯著的[8-12]。廣西是西部地區(qū)唯一的沿海省份，巖溶地貌覆蓋廣，山多地少，屬生態(tài)敏感地區(qū)。為從整體上把握廣西土地覆被的時(shí)空變化特征，筆者選用MODIS作為主要數(shù)據(jù)源，通過比較MODIS土地覆被產(chǎn)品和廣西統(tǒng)計(jì)年鑒2種數(shù)據(jù)，選擇合適的研究單元，分析廣西3種典型土地覆被的變化特征。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

MODIS（MODerate resolution imaging spectroadiometer）土地覆被數(shù)據(jù)，是由美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的地球觀測(cè)系統(tǒng)（EOS）環(huán)境衛(wèi)星Terra（AM-1）和Aqua（PM-1）的中分辨率成像光譜儀反演獲得的。該研究選用MODIS土地覆被產(chǎn)品MOCD12Q1.V006（數(shù)據(jù)下載自美國國家航天局網(wǎng)站：https：//lpdaac.usgs.gov），土地覆被類型按照國際地圈生物圈（IGBP）計(jì)劃定義分為17類，空間分辨率為500 m，時(shí)間長(zhǎng)度為2001—2017年。依據(jù)IGBP定義分類，MODIS數(shù)據(jù)的森林指常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和混交林5種森林類型的面積總和;農(nóng)田指農(nóng)田和農(nóng)田/自然植被覆蓋之和;城市指城區(qū)和城市覆蓋面積之和。

廣西統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)（以下簡(jiǎn)稱年鑒）來自廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站（http：//tjj.gxzf.gov.cn/）。由于廣西2002年12月設(shè)崇左市（原屬南寧市）、來賓市（原屬柳州市），年鑒自2003年起單獨(dú)記錄來賓市數(shù)據(jù)，自2004年起單獨(dú)記錄崇左市數(shù)據(jù)，為統(tǒng)一行政區(qū)劃，該研究選用2004、2016年的年鑒數(shù)據(jù)，包括廣西各市的森林覆被率、建成區(qū)面積和常用耕地面積。

1.2 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)能反映出2個(gè)變量之間線性相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)取值為-1～1。值越大，相關(guān)程度越高，當(dāng)其值大于0時(shí)為正相關(guān)，小于0時(shí)為負(fù)相關(guān)，等于1時(shí)表示完全相關(guān)，等于0時(shí)則表示不相關(guān)，計(jì)算如下：

r=ni=1（Xi-）（Yi-）

ni=1（Xi-）2×ni=1（Yi-）2

（1）

式中，X、Y分別代表2個(gè)變量，即令X為MODIS數(shù)據(jù)的土地覆被，Y為年鑒的土地覆被。

1.3 土地覆被變化動(dòng)態(tài)度

土地覆被變化動(dòng)態(tài)度可以反映一定區(qū)域內(nèi)土地覆被類型變化的劇烈程度[13]，可以定量描述區(qū)域土地覆被變化的速度，對(duì)比較土地覆被變化的區(qū)域差異具有重要意義。單一土地覆被類型動(dòng)態(tài)度表示的是研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地覆被類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)如下[13]：

K=Ua-UbUa×1T×100%（2）

式中，K為研究時(shí)段某一土地覆被類型變化的動(dòng)態(tài)度，Ua、Ub分別為研究初始和研究結(jié)束時(shí)期某一土地覆被類型的數(shù)量，T為研究時(shí)段長(zhǎng)度，該研究將T的時(shí)段設(shè)定為年。

1.4 光學(xué)三原色合成法

三原色指色彩中不能再分解的3種基本顏色[14]。光學(xué)三原色即紅、綠、藍(lán)，混合后組成顯示屏顏色，三原色等量相加為白色。將2001、2010、2017年同一土地覆被的分布圖分別賦予色彩紅、綠、藍(lán)，根據(jù)光學(xué)三原色合成原理（為了與底色白色區(qū)分，使用灰色代替白色），得到圖例說明如表1，作為2001—2017年土地覆被類型時(shí)空變化圖的分析依據(jù)，其中2001—2010年為研究時(shí)段前期（簡(jiǎn)稱前期），2011—2017年為研究時(shí)段后期（簡(jiǎn)稱后期）。

2 結(jié)果與分析

2.1 MODIS適用單元分析

經(jīng)濟(jì)區(qū)是根據(jù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不同、地理位置的差異、資源分布和資源結(jié)構(gòu)的差異以及現(xiàn)有行政區(qū)劃等因素劃分的[15]，據(jù)此將廣西劃分為五大經(jīng)濟(jì)區(qū)，即桂東經(jīng)濟(jì)區(qū)（梧州、貴港、玉林、賀州）、桂南經(jīng)濟(jì)區(qū)（南寧、北海、欽州、防城港）、桂西經(jīng)濟(jì)區(qū)（百色、河池、崇左）、桂北經(jīng)濟(jì)區(qū)（桂林）、桂中經(jīng)濟(jì)區(qū)（柳州、來賓）。

以經(jīng)濟(jì)區(qū)和市區(qū)為單元，將2004、2016年的MODIS和年鑒數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，以驗(yàn)證不同單元MODIS數(shù)據(jù)的可靠性，結(jié)果如表2所示。3種土地覆被中，以經(jīng)濟(jì)區(qū)為單元的相關(guān)系數(shù)均高于市區(qū)單元，其中城市覆被2種單元的相關(guān)系數(shù)均較低，低于0.70，但將2004和2016年2種數(shù)據(jù)的城市覆被變化進(jìn)行相關(guān)分析，經(jīng)濟(jì)區(qū)相關(guān)系數(shù)為0.92，市區(qū)為0.90，同樣符合經(jīng)濟(jì)區(qū)相關(guān)系數(shù)高于市區(qū)的規(guī)律。因此，該研究以經(jīng)濟(jì)區(qū)為單元，研究廣西典型土地覆被的變化特征。

2.2 典型土地覆被的變化特征

2.2.1 森林覆被的變化特征。

從廣西森林覆被變化（表3）可以看出，各經(jīng)濟(jì)區(qū)整體呈提升態(tài)勢(shì)，且后期增長(zhǎng)速度顯著增加，這與廣西推行的喀斯特地區(qū)封山育林、實(shí)施南方速生豐產(chǎn)林工程等政策密切相關(guān)。桂北經(jīng)濟(jì)區(qū)包含的森林種類最為豐富，包括常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林和混交林，其森林覆被率最高，但總增長(zhǎng)最少（2.95%）且增速緩慢（0.58%）;桂西經(jīng)濟(jì)區(qū)森林覆被率較低，但增長(zhǎng)最多（866%）且增長(zhǎng)速率最快（6.21%）。

從2001—2017年廣西森林覆被時(shí)空變化（圖1）可以看出，森林覆被的空間分布差異明顯。東部包括桂北、桂東、桂中森林成片分布，持續(xù)穩(wěn)定區(qū)域所占比率（簡(jiǎn)稱持續(xù)穩(wěn)定比率）均較高（分別為21.93%、1109%、8.87%），屬森林穩(wěn)定發(fā)展區(qū)，其中桂北后期轉(zhuǎn)入林、恢復(fù)林較多，分別占區(qū)域總面積的5.32%、4.14%，桂東的前期、后期轉(zhuǎn)入林較多，分別占區(qū)域面積的3.68%、6.29%。西部地區(qū)包括桂西、桂南森林持續(xù)穩(wěn)定比率低（分別為5.53%、531%），但年動(dòng)態(tài)度較高，屬森林快速發(fā)展區(qū)，其中桂西破碎斑塊多，即森林覆被空間分布變化較大，前期森林覆被率低、增速快，多為前期、后期轉(zhuǎn)入林，分別占區(qū)域面積的289%、7.38%。

2.2.2 農(nóng)田覆被的變化特征。

廣西農(nóng)田覆被如表4，其變化存在區(qū)域差異。桂北經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田覆被率最低，總面積持續(xù)減少，且變化最為劇烈（-2.91%）;其他地區(qū)農(nóng)田均先增加后減少，其中桂南經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田覆被率持續(xù)最高（29.99%），且增長(zhǎng)最多（1.36%），但增速較為緩慢（0.27%）;桂中農(nóng)田覆蓋率次之（24.16%），且變化速度最為緩慢（0.27%）。

2001—2017年廣西農(nóng)田覆被時(shí)空變化如圖2，農(nóng)田主要分布在中南部地區(qū)，存在轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出，但總面積較為穩(wěn)定。桂南、桂中、桂東農(nóng)田呈連片分布，且空間持續(xù)穩(wěn)定比率較高，分別為24.32%、18.58%、13.45%;桂南、桂中農(nóng)田的前期轉(zhuǎn)入多，分別占區(qū)域面積的4.40%、2.88%，后期轉(zhuǎn)出也較多，分別占區(qū)域面積的3.00%、3.30%，主要分布在桂中南部和桂南中部。

2.2.3 城市覆被率的變化特征。

鑒于前文對(duì)MODIS和年鑒相關(guān)性的研究，MODIS僅適用于研究城市覆被的增長(zhǎng)情況。由表5可知，廣西整體城市覆被率較低，2001—2017年各經(jīng)濟(jì)區(qū)城市覆被率均增加，其中桂南經(jīng)濟(jì)區(qū)增長(zhǎng)最多（031%），桂西經(jīng)濟(jì)區(qū)增長(zhǎng)最少（0.07%）。

從圖3可以看出，各經(jīng)濟(jì)區(qū)城市覆被均增加，從北至南以桂林、柳州、南寧三大主要城市為核心向四周擴(kuò)張，桂—柳—南沿線以東城市擴(kuò)張發(fā)展相對(duì)較好，前期、后期均有不同程度的轉(zhuǎn)入;沿線以西城市覆被率低且斑塊稀疏、破碎，城市擴(kuò)張速度慢。城市的擴(kuò)張與經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)，各經(jīng)濟(jì)區(qū)城市覆被率變化與其國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）增長(zhǎng)呈正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)均高達(dá)0.95以上。2018年廣西28個(gè)縣被列入國家級(jí)貧困縣，其中25個(gè)貧困縣分布在沿線以西，占總數(shù)的893%，其區(qū)域受巖溶石山惡劣自然環(huán)境的影響，經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，是廣西的重點(diǎn)扶貧區(qū)域。

3 結(jié)論與討論

該研究通過綜合對(duì)比MODIS土地覆被產(chǎn)品和廣西統(tǒng)計(jì)年鑒2種數(shù)據(jù)，以經(jīng)濟(jì)區(qū)為研究單元，對(duì)3種受人類活動(dòng)影響最大的典型土地覆被（森林、城市和農(nóng)田）的變化特征進(jìn)行定量分析和比較，結(jié)果表明，2001—2017年廣西森林覆被率整體提高，各經(jīng)濟(jì)區(qū)森林覆被變化及穩(wěn)定情況差異顯著，東部地區(qū)（包括桂北、桂中、桂東）持續(xù)穩(wěn)定比率高且連片分布，增速較慢，屬森林穩(wěn)定發(fā)展區(qū);桂西、桂南持續(xù)穩(wěn)定比率低，但新增森林覆被較多且速度較快，屬森林快速發(fā)展區(qū)。農(nóng)田覆被率的變化相對(duì)穩(wěn)定，整體變化不大，桂南、桂中、桂東地區(qū)農(nóng)田覆被率高、持續(xù)穩(wěn)定比率高，且連片分布，與桂西、桂北的低覆被率、低持續(xù)穩(wěn)定比率形成顯著差異。各經(jīng)濟(jì)區(qū)城市覆被均增加，從北至南以桂林、柳州、南寧三大主要城市為核心向四周擴(kuò)張，前期（2001—2010年）、后期（2011—2017年）均有不同程度的增長(zhǎng)，桂—柳—南沿線以東城市擴(kuò)張發(fā)展較沿線以西好，與經(jīng)濟(jì)區(qū)實(shí)際的經(jīng)濟(jì)發(fā)展相符合。

該研究以經(jīng)濟(jì)區(qū)為研究單元，以MODIS作為研究土地覆被變化的數(shù)據(jù)，由于MODIS數(shù)據(jù)分辨率有限，難以監(jiān)測(cè)到小面積的土地覆被，導(dǎo)致一些土地覆被（如城市）的年際變化不明顯。未來應(yīng)在此基礎(chǔ)上，針對(duì)廣西特殊地區(qū)（如貧困覆蓋率較高的桂—柳—南以西地區(qū)），結(jié)合更高分辨率的土地覆被數(shù)據(jù)，研究更精細(xì)單元的土地覆被變化，進(jìn)一步揭示廣西特殊地區(qū)的土地覆被變化特征。

參考文獻(xiàn)

[1] DONG J W，KUANG W H，LIU J Y.Continuous land cover change monitoring in the remote sensing big data era[J].Science China earth sciences，2017，60（12）：2223-2224.

[2] TURNER B L Ⅱ，LAMBIN E F，REENBERG A.The emergence of land change science for global environmental change and sustainability[J].Proceedings of the national academy of sciences，2007，104（52）：20666-20671.

[3] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，匡文慧，張?jiān)鱿?，?20世紀(jì)80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J].地理學(xué)報(bào)，2014，69（1）：3-14.

[4] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，寧佳，匡文慧，等.2010—2015年中國土地利用變化的時(shí)空格局與新特征[J].地理學(xué)報(bào)，2018，73（5）：789-802.

[5] 邵景安，李陽兵，魏朝富，等.區(qū)域土地利用變化驅(qū)動(dòng)力研究前景展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2007，22（8）：798-809.

[6] 楊梅，張廣錄，侯永平.區(qū)域土地利用變化驅(qū)動(dòng)力研究進(jìn)展與展望[J].地理與地理信息科學(xué)，2011，27（1）：95-100.

[7] 李夢(mèng)穎，邢艷秋，王錚，等.基于Landsat影像的土地利用/覆蓋變化研究：以吉林省汪清縣為例[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，31（6）：257-263.

[8] 王震，閆文德，劉曙光，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的中國三種主要土地類型變化的空間特征分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（10）：3295-3301.

[9] LAMBIN E F，GEIST H J.Global land use and land cover change：What have we learned so far？[J].Global change news letter，2001，46（6）：27-30.

[10] 史培軍，王靜愛，馮文利，等.中國土地利用/覆蓋變化的生態(tài)環(huán)境安全響應(yīng)與調(diào)控 [J].地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21（2）：111-119.

[11] 韓云環(huán)，鄭子彥，肖宇，等.基于統(tǒng)計(jì)年鑒和MODIS的中國區(qū)域土地利用/覆蓋變化特征研究[J].氣候與環(huán)境研究，2017，22（6）：733-746.

[12] 劉采，張海燕，李遷.1980—2018年海南島人類活動(dòng)強(qiáng)度時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2020，39（4）：567-576.

[13] 侍昊，薛建輝，馬婉麗.1991—2006年無錫市土地利用變化動(dòng)態(tài)度及轉(zhuǎn)換參數(shù)分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，36（6）：63-68.

[14] 毛贊猷，朱良，周占鰲，等.新編地圖學(xué)教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2017：153-157.

[15] 廣西區(qū)計(jì)委課題組.廣西五大經(jīng)濟(jì)區(qū)劃分的主要依據(jù)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)開發(fā)戰(zhàn)略選擇和開發(fā)模式構(gòu)想[J].計(jì)劃與市場(chǎng)探索，2000（6）：11-14.