基于Google Earth Engine平臺的昆明市近30年植被覆蓋變化研究

李躍彬, 胡文英,2,3

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500)

遙感作為一種可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行觀測且觀測速度快、可信度較高的工具，廣泛應(yīng)用于地表動態(tài)變化監(jiān)測及相關(guān)地理學(xué)研究中.有研究指出，當(dāng)前近地衛(wèi)星向地球發(fā)回傳輸數(shù)據(jù)量為每秒GB級別[1]，這對當(dāng)前的服務(wù)器和工作站硬件存儲性能提出了極高的要求.本地硬件資源以及傳統(tǒng)遙感繁雜的預(yù)處理流程顯然成了提高遙感數(shù)據(jù)處理效率的瓶頸[2].隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，云存儲和云計(jì)算技術(shù)快速興起，谷歌針對遙感處理數(shù)據(jù)量大且預(yù)處理繁雜這一問題，聯(lián)合美國地質(zhì)勘探局創(chuàng)建了Google Earth Engine(GEE)云平臺，其集成了近幾十年來包括陸地衛(wèi)星系列(Landsat)和中分辨率成像光譜儀(MODIS)等數(shù)據(jù)集在內(nèi)的常用遙感圖像數(shù)據(jù)集，并涵蓋了夜燈、地形和土地覆蓋等常用地理空間數(shù)據(jù)集[3].GEE利用其強(qiáng)大的后臺服務(wù)器對海量遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，對本地的硬件設(shè)施幾乎沒有要求，甚至能在移動端使用GEE進(jìn)行遙感影像處理，這種方式簡化甚至省去了許多傳統(tǒng)遙感中的預(yù)處理流程，極大地提高了遙感數(shù)據(jù)處理的效率且降低了成本.

本文基于GEE的云計(jì)算平臺，收集昆明市近30年的Landsat5-8的遙感數(shù)據(jù)，運(yùn)用像元二分模型及一元線性回歸趨勢分析模型等方法，在長時間尺度上分析昆明市植被覆蓋度的時空變化，以期為昆明和類似區(qū)域的生態(tài)環(huán)境評估及治理等提供參考.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

昆明市位于云貴高原-滇中地區(qū)(102°10′～103°40′E,24°23′～26°22′N),總體地勢北部高,南部低,由北向南呈階梯狀逐漸降低，海拔在1 500～2 800 m之間.屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.5 ℃，年均降雨量1 450 mm，年均無霜期278天[4].包含盤龍區(qū)、西山區(qū)、五華區(qū)、官渡區(qū)、呈貢區(qū)、東川區(qū)、安寧市、宜良縣、嵩明縣、富民區(qū)、晉寧區(qū)、尋甸回族彝族自治縣、石林彝族自治縣和祿勸彝族苗族自治縣共14個轄區(qū),轄區(qū)總面積21 000 km2.

1.2 GEE簡介

GEE是谷歌公司聯(lián)合美國地質(zhì)勘探局創(chuàng)建的一個可以大批量在線處理遙感影像數(shù)據(jù)的云計(jì)算平臺，旨在全球范圍內(nèi)執(zhí)行高度交互式算法開發(fā).同時它提供了在線JavaScript和離線Python的 API接口，用戶可以通過這些API在線編程，快速調(diào)用大批量影像并進(jìn)行影像分析處理.相較ENVI和ERDAS等傳統(tǒng)遙感影像處理工具，GEE可以快速且批量處理多達(dá)PB級的大數(shù)據(jù)量影像，通過GEE可以快速進(jìn)行植被指數(shù)(NDVI)、水體指數(shù)(NDWI)、城鎮(zhèn)指數(shù)(NDBI)等指數(shù)計(jì)算[5].

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)：利用JavaScript API在線訪問GEE服務(wù)器，獲取昆明市1988-2018年Landsat數(shù)據(jù)集，通過在線方式，對收集到的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正等預(yù)處理.

昆明市行政區(qū)矢量文件獲取于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/).

2 研究方法

2.1 像元二分模型

像元二分模型是遙感圖像處理中比較簡單的一種線性模型[6].基本原理為假設(shè)遙感圖像中一個像元的地表覆蓋信息由植被和非植被信息二者線性加權(quán)組成，即純植被信息和非植被信息相加之和為1，故只需知道其中純植被信息和非植被信息對應(yīng)的NDVI值，即可由此計(jì)算出每個像元中植被信息和非植被信息所占的比例[7]，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：FVC為像元植被覆蓋度，NDVI為像元?dú)w一化植被指數(shù)，NDVIg代表純植被像元信息，NDVIs代表非植被像元信息.

目前，大量研究都用給定置信度區(qū)間內(nèi)NDVI的最大值和最小值來代替公式(1)中NDVIg和NDVIs的值，該方法一定程度上可以消除遙感影像噪聲產(chǎn)生的誤差[7].本文也采用此種方法，取累積頻率5%所對應(yīng)的NDVI值作為NDVIs，累積頻率95%所對應(yīng)的NDVI值作為NDVIg.以每5年為間隔，計(jì)算得到1988-2018年的昆明市植被覆蓋情況圖.

2.2 求取NDVI年均值

利用GEE平臺數(shù)據(jù)庫中海量的遙感影像數(shù)據(jù)，以衛(wèi)星的重訪周期為間隔，通過編程方式調(diào)用所有涉及的遙感圖像，對其進(jìn)行云量篩選等預(yù)處理操作后，利用公式(2)對圖像的NDVI值進(jìn)行計(jì)算.

(2)

其中n為一年內(nèi)滿足條件的遙感圖像的數(shù)量，NDVIave為所求均值，NDVI為一年內(nèi)滿足條件的遙感圖像的NDVI值.計(jì)算出昆明市近30年每年每一景滿足條件的可用遙感影像(約4 080景)的NDVI值，再對其求均值計(jì)算出每年的NDVI均值，繪制出NDVI值的變化情況圖表.但由于GEE平臺對統(tǒng)計(jì)的最大像元數(shù)有限制，而昆明市面積較大，所含像元數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)定的數(shù)值，故采用選取樣本點(diǎn)的方法，在ArcGIS中隨機(jī)選取1 000個樣本點(diǎn)，制成融合表導(dǎo)入GEE平臺中，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算.

2.3 植被覆蓋度變化趨勢

植被覆蓋度隨著時間的變化往往會呈現(xiàn)出整體性變化，比如整體上升或整體下降，甚至?xí)谔厥獾臅r間節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)折性變化[8].本研究采用一元線性回歸模型分析植被覆蓋度隨時間變化的趨勢.此方法原理是采用最小二乘法逐像元擬合每個像元值的變化趨勢，以此來計(jì)算變化率.公式如下：

(3)

式中：k代表變化斜率，n為總的監(jiān)測年數(shù)，F(xiàn)VCi表示第i年的植被覆蓋度.k為正值，表示植被覆蓋度呈上升態(tài)勢；k為負(fù)值，表示植被覆蓋度呈下降態(tài)勢；k為零時，表示植被覆蓋度沒有變化.k的絕對值越大，表明植被覆蓋變化越明顯.

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋分級變化情況

采用等間距劃分法將昆明市植被覆蓋劃分為高覆蓋、中高覆蓋、中覆蓋、低覆蓋、裸地及水源五種類型[9].其中，0.8

該圖基于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)審圖號為云S(2019) 048號的昆明市標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改.

表1 昆明市1998-2018年植被覆蓋度分級面積占比

根據(jù)以上圖表可知，昆明市1988-2018年植被覆蓋狀況在空間上的分布幾乎一致.植被高覆蓋和中高覆蓋的地區(qū)主要集中在昆明市西部和東南部地區(qū)，也就是祿勸彝族苗族自治縣、富民縣、西山區(qū)、安寧市、晉寧區(qū)、宜良縣和石林彝族自治縣境內(nèi).昆明市東北部地區(qū)，即東川區(qū)和尋甸回族彝族自治縣，植被覆蓋率整體升高，大部分地區(qū)植被已經(jīng)從裸地變?yōu)橹懈采w和中高覆蓋.呈貢區(qū)植被覆蓋程度逐漸降低.而嵩明縣、盤龍區(qū)、官渡區(qū)和五華區(qū)整體植被覆蓋變化不大.

昆明市30年間植被覆蓋率整體狀況良好，總植被占比均達(dá)70%以上.其中高覆蓋植被占比最多，約30%左右.1988-1998年期間，植被覆蓋率總體呈減少趨勢；而1998年之后植被覆蓋率總體呈增長態(tài)勢，2018年植被覆蓋率達(dá)歷史最高，總植被占比為77.64%.但從具體的植被覆蓋分級類型來看，2018年的高覆蓋植被占比較2013年有所下降.說明2013-2018年雖然植被覆蓋率總體呈增長態(tài)勢，但植被覆蓋的質(zhì)量卻有所下降.

3.2 植被覆蓋度變化趨勢分析

圖2 昆明市1988-2018年NDVI均值變化圖

利用公式(2)，得到昆明市1988-2018 年NDVI歷年均值(圖2).根據(jù)公式(1)和(3)可計(jì)算出研究區(qū)每個像元的植被覆蓋度變化趨勢k值.依據(jù)k值的大小，利用自然斷點(diǎn)法將昆明市植被覆蓋度變化趨勢分為5類：嚴(yán)重退化(k<-0.015)、輕微退化(-0.015≤k<-0.005)、基本不變(k=-0.005)、輕微改善(-0.0050.005)[12].根據(jù)自然斷點(diǎn)法的分級結(jié)果，得到昆明市植被覆蓋變化趨勢圖(圖3)及植被覆蓋變化面積統(tǒng)計(jì)表(表3).

該圖基于標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)審圖號為云S(2019)048號的昆明市標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改.

表2 昆明市1988-2018年植被覆蓋度變化面積及比例

由圖3和表2可知，1998-2018年昆明市植被覆蓋度變化保持基本穩(wěn)定，植被覆蓋率改善的區(qū)域主要位于昆明市東部，植被覆蓋率改善的面積占昆明市總面積的38.8%，其中植被覆蓋率輕微改善地區(qū)的面積為32.29%，明顯改善地區(qū)面積為6.51%；昆明市植被覆蓋率退化的地區(qū)主要集中在城市周邊，其面積占比為13.42%，其中植被覆蓋率輕微退化地區(qū)面積為11.54%，植被覆蓋率嚴(yán)重退化的地區(qū)面積為1.88%.結(jié)合之前的研究結(jié)果，總體來說，1988-2018年間昆明市總體植被覆蓋情況呈改善狀況.

4 結(jié)語與討論

基于遙感大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺Google Earth Engine，分析了昆明市1988-2018年植被覆蓋變化情況，得出以下結(jié)果：

(1)利用GEE強(qiáng)大的云計(jì)算能力可以對研究區(qū)域進(jìn)行長時間序列的植被覆蓋動態(tài)監(jiān)測，且數(shù)據(jù)的處理效率高.

(2)昆明市1988-2018年植被覆蓋率整體狀況良好，總植被占比均達(dá)70%以上.中高覆蓋區(qū)域所占面積從1988年的13.32%升高至2018年的16.17%；高覆蓋區(qū)域面積增加，從1988年的28.39%升高至2018年的32.18%.從空間分布來看，植被覆蓋率高的地區(qū)主要分布在昆明市東北部、北部和西部；低覆蓋和裸地類型主要位于地勢平坦的昆明市主城區(qū).

(3)從植被覆蓋變化的情況來看，1988-2018年昆明市植被覆蓋度變化保持基本穩(wěn)定，植被覆蓋的改善率為38.8%，遠(yuǎn)大于其退化率13.42%，且改善地區(qū)集中在昆明市的東部.

以上的研究表明昆明市近30年的植被覆蓋情況總體呈增長趨勢，綠化情況逐漸改善.但對于本文中運(yùn)用的研究方法和獲取的數(shù)值，仍有需要改進(jìn)的地方.

(1)植被覆蓋與土地格局變化，存在較大的相關(guān)性，本文由于缺少足夠的有關(guān)政策、社會經(jīng)濟(jì)、人口統(tǒng)計(jì)等方面的資料，對變化的原因未能進(jìn)行深入分析.在后續(xù)研究中，將綜合多方面相關(guān)資料進(jìn)行分析.

(2)Google Earth Engine平臺上雖然有海量的數(shù)據(jù)庫，而且時間節(jié)點(diǎn)較近的數(shù)據(jù)十分完備，例如Landsat8 OLI數(shù)據(jù)集，Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)集，但是對于偏早的數(shù)據(jù)，如Landsat 5和Landsat 4數(shù)據(jù)集，所包含的數(shù)據(jù)集并不完善，質(zhì)量也有所欠佳，在完成如裁剪等操作時仍存在一些瑕疵.