1988—2018年間洱海流域植被覆蓋度時空變換特征探究

陳虹，郭兆成，賀鵬

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

植被是區(qū)域覆蓋植物群落的總稱，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有防沙治沙、保持水土等功能，是連結土壤、大氣和水分的自然紐帶[1]。植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)是指單位面積內植被地上部分(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比[2]。地表FVC及其變化在一定程度上能夠反映地表植被群落生長態(tài)勢，是衡量地表植被狀況、描述生態(tài)系統(tǒng)的一個重要指標，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化有重要的指示作用[3]。

遙感技術具備大范圍數據獲取及長時間序列觀測能力，是大尺度上研究地表生態(tài)過程的有效手段，被廣泛應用于不同時空尺度地表FVC的估算[3-5]。有研究利用歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)來表征植被覆蓋情況，但在FVC較高的地區(qū)，NDVI容易出現(xiàn)過飽和，無法準確反映植被覆蓋情況，因此FVC成為評估植被覆蓋情況的主要參量[6-7]。陸續(xù)有學者針對不同地區(qū)的長時間序列FVC變化做了大量研究工作，以上研究成果從區(qū)域尺度上分別探討了氣候[7-10]、環(huán)境[11]、土地利用[12]、地質災害[13]等因子與植被覆蓋變化的關系，并得出了一系列有意義的結論。然而，關于FVC與地質巖性的之間潛在關聯(lián)的認識仍較為缺乏，在同一地區(qū)的相同氣候帶條件下，探討地質巖性因子與植被之間的關系對于生態(tài)修復具有一定的意義。

洱海流域生態(tài)系統(tǒng)脆弱，環(huán)境保護壓力巨大，其生態(tài)環(huán)境質量直接影響到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此深入研究洱海流域植被覆蓋變化趨勢及其影響因素對揭示該區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律及生態(tài)修復的長遠規(guī)劃具有現(xiàn)實意義[14]。本文基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)云計算平臺，以Landsat系列影像為主要數據源，利用像元二分模型估算洱海流域1988—2018年間的年最大FVC，全面分析流域內FVC的時空變化特征，探究植被分布與地層巖性要素之間的內在關聯(lián)，為該流域的生態(tài)環(huán)境保護提供有力的技術支持。

1 研究區(qū)概況及數據源

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域位于云南省大理白族自治州境內，地理位置為E99°32′～100°27′，N25°25′～26°16′，地跨大理市和洱源縣，流域內包括蒼山國家級自然保護區(qū)以及云南省第二大淡水湖泊洱海，是滇西北地區(qū)濕地生態(tài)功能的核心區(qū)域。研究區(qū)2018年11月10日Landsat8 B4(R)，B3(G)，B2(B)彩色合成圖像如圖1所示。

圖1 洱海流域衛(wèi)星影像Fig.1 Satellite image of Erhai Lake basin

洱海流域呈狹長型，南北長約42 km，東西寬最大處約8.8 km，流域面積約2 600 km2，地勢西北高、東南低，海拔落差較大，海拔最低1 947 m，最高為4 086 m，平均海拔為2 000 m。區(qū)域屬典型的中亞熱帶西南季風氣候，氣候溫和日照充足，年均氣溫為15.2 ℃，年均降雨量為1 048 mm，受到大氣環(huán)流和特殊地理位置共同作用，降水主要集中在6—10月。流域內植被分布垂直地帶性特征明顯，山體海拔由下往上的分布類型依次為常綠闊葉灌木林、常綠闊葉林、常綠針葉林和高山草甸。洱海流域西部巖石類型以變質巖為主，南部、東北部以及洱海東西岸以碎屑巖為主，碳酸鹽巖主要分布在洱海東部以及洱海流域的北部區(qū)域。土壤類型以紅壤為主，其次是水稻土、棕壤、暗棕壤及黃棕壤。

1.2 數據源

本文基于GEE云平臺(https://code.earthengine.google.com/)，以空間分辨率30 m的Landsat系列影像作為主要數據源，包括Landsat4，Landsat5，Landsat7和Landsat8衛(wèi)星影像共455景(表1)，用于分析1988—2018年共31 a洱海流域的FVC時空變化特征。

表1 洱海流域Landsat系列影像分布統(tǒng)計(1988—2018年)Tab.1 Distribution of Landsat series images in Erhai Lake basin(1988—2018) (景)

GEE是目前先進的基于云計算的地理信息處理平臺，免費給用戶提供PB級的可下載地球觀測數據、數據分析算法和編程界面。平臺功能是通過JavaScript和Python中提供的應用編程接口(application program interface，API)來實現(xiàn)的，顯著提高了地理空間數據的計算效率，能夠快速地進行復雜的地理空間分析[15]。年最大NDVI可以很好地反映植被長勢最佳時期的地表植被覆蓋狀況，因此本文采用最大值合成法得到研究區(qū)每年最大NDVI，用于分析洱海流域近30 a間FVC的年際變化?；贕EE云平臺，實現(xiàn)長時間序列衛(wèi)星影像的輻射定標、幾何糾正、云/雪/陰影掩模、NDVI計算、NDVI最大值合成以及FVC的估算。

地層巖性數據以1∶25萬比例尺的區(qū)域巖性構造圖為基礎，疊加遙感影像進行了邊界修正，并將巖性類別進行歸并整理，形成6大類(碎屑巖、火山巖、侵入巖、變質巖、灰?guī)r和白云巖)的巖性空間分布圖(圖2)。經統(tǒng)計可知，洱海流域以碎屑巖分布為主，占49.26%，接近整個流域陸地面積的一半，其次是變質巖占16.29%，火山巖占12.25%，白云巖占11.18%，灰?guī)r占6.7%，侵入巖占4.3%。

圖2 洱海流域不同巖性類型的空間分布Fig.2 Spatial distribution corresponding to different lithologic types in Erhai Lake basin

2 研究方法

2.1 FVC估算

依據植被光譜信息與FVC之間的關系對大范圍區(qū)域進行遙感監(jiān)測是獲取區(qū)域FVC的重要手段。目前較為普遍的FVC遙感估算方法有混合像元分解模型法、回歸模型法、機器學習法、植被冠層模型法等[7,16]。混合像元分解模型法是利用遙感影像估算FVC的常用方法，其原理是假設圖像中的一個像元由多個組分構成，每個組分對傳感器所觀測到的信息都有貢獻，因此可以將遙感信息(波段或植被指數)分解，建立像元分解模型，并利用此模型估算FVC。

像元二分模型是混合像元分解模型法中最具有代表性的模型，其形式簡單，具有一定物理意義，在很大程度上削弱了大氣、土壤背景和植被類型的影響，應用范圍較廣泛。像元二分模型假設像元只由2部分構成：植被覆蓋地表與無植被覆蓋地表(如土壤)[17]?；旌舷裨墓庾V信息由這2個組分的光譜線性加權合成，而它們各自的面積在像元中所占的比率即線性加權的權重，其中植被覆蓋地表的權重即為該像元的FVC。

在像元二分模型中，F(xiàn)VC的數學表達式為：

(1)

式中：NDVIV為植被覆蓋部分的NDVI值；NDVIS為土壤部分的NDVI值。NDVIV和NDVIS的取值是像元二分模型成功應用的關鍵，然而，由于受影像噪聲、下墊面類型、氣象和物候等因素的影響，不同影像的NDVIV和NDVIS會存在一定的差異，因此本文采用了給定置信度區(qū)間的最大值和最小值的確定方法，對NDVIV與NDVIS的取值進行了估算。該方法在一定程度上可以消除遙感影像噪聲等產生的誤差[18]。在實際計算過程采用結合整幅影像上的NDVI值分布情況，以5%和95%的置信度(影像中NDVI值對應像元數量的累計百分比)獲取NDVI的上下限閾值近似代表NDVIS和NDVIV。為了避免在概率分布統(tǒng)計時引入錯誤數據，在計算前通過掩模信息，將有云和陰影以及水體覆蓋的區(qū)域去除。

同時，參閱了其他文獻關于FVC的分級標準，結合本研究區(qū)植被覆蓋狀況，本文將FVC劃分為5個等級：低覆蓋度(0，30%]、中低覆蓋度(30%，45%]、中等覆蓋度(45%，60%]、中高覆蓋度(60%，75%]以及高覆蓋度(75%，100%)。

2.2 線性回歸模型

在一定的時間周期內，線性回歸模型采用最小二乘法逐個像元擬合斜率，以單個像元FVC隨時間變化特征，即上升或者下降趨勢來反映整個空間的變化規(guī)律[19]。線性回歸模型估算的變化趨勢Slope可以表示為：

(2)

式中：n為總的監(jiān)測期數；fi為第i期的FVC。當Slope>0時，表明FVC呈現(xiàn)增加趨勢，反之則呈現(xiàn)下降趨勢。Slope絕對值越大，表明變化越明顯。

采用線性回歸模型對1988—2018年間各像元FVC序列的變化趨勢進行了計算，并對其值進行統(tǒng)計分析。根據各像元FVC值變化趨勢顯著性水平，按照Slope取值將FVC變化趨勢劃分為5級：顯著降低(≤-0.02)、輕度降低(-0.02，-0.01]、基本穩(wěn)定(-0.01，0.01]、輕度增加(0.01，0.02]以及顯著增加(>0.02)。

3 結果與分析

3.1 FVC時空變化趨勢

3.1.1 年際變化總體趨勢

1988—2018年間洱海流域FVC年際變化趨勢如圖3所示。

圖3 1988—2018年洱海流域FVC年際變化趨勢Fig.3 Inter-annual variations of FVC over Erhai Lake basin during 1988—2018

從圖3中可以看出，1988—2018年間，年均FVC最低為64.46%，出現(xiàn)在1993年；最高為84.85%，出現(xiàn)在2015年。從分段變化趨勢來看，分別有3個時段呈現(xiàn)逐步下降趨勢，即1988—1993年、2005—2010年以及2015—2018年，其中1988—1993年間FVC下降趨勢最為明顯。相對應的，還有2個時段呈現(xiàn)一定的上升趨勢，其中1993—2005年間緩慢上升，而2010—2015年是FVC增速最顯著的時段，增速達2.5%?？傮w來看，從1988—2018年，洱海流域年最大FVC在小幅上下波動中仍持續(xù)上升，整體上呈現(xiàn)隨時間持續(xù)增長的趨勢，反映出流域內植被恢復水平仍在不斷提升。

上述結果表明，自1990年后期以來洱海實施“三退三還”政策,即：退耕還林/湖、退塘還湖、退房還濕地，F(xiàn)VC開始隨之呈現(xiàn)緩慢回升，2002年云南省退耕還林工作全面啟動，2004—2008年間進入退耕還林鞏固成果階段，由于退耕還林政策的有力推進，從2010年開始洱海流域的FVC呈現(xiàn)有效增長，從2015年開始FVC出現(xiàn)下降勢頭，其原因可能與近幾年云南省降雨量減少導致的旱情有關。

3.1.2 年際變化空間分布變化特征

通過對洱海流域逐像元進行FVC變化趨勢的一元線性回歸分析，獲取了1988—2018年期間各像元FVC變化趨勢，F(xiàn)VC變化趨勢的空間分布情況如圖4所示。從整體年際變化趨勢來看，洱海流域內約82.39%的區(qū)域FVC是保持基本穩(wěn)定的；出現(xiàn)FVC退化趨勢的像元僅占流域總面積的3.27%，其中，F(xiàn)VC顯著降低的區(qū)域集中分布在環(huán)洱海區(qū)域，尤其是洱海南部的大理市、下關鎮(zhèn)和鳳儀鎮(zhèn)，通過實地調研，植被退化區(qū)域主要是由城市化建設帶來的新增建設用地所形成。與此同時，呈現(xiàn)改善趨勢的像元占14.34%，相比之下說明洱海流域植被覆蓋結構仍在不斷改善。盡管從洱海流域的整體變化趨勢來看，雖然植被狀態(tài)是持續(xù)改善的，但人類活動影響如城市建設、礦山開采、道路工程仍對洱海流域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定構成了一定的影響。

圖4 洱海流域FVC年際變化趨勢(1988—2018年)Fig.4 FVC Inter-annual change trend of FVC in Erhai Basic (1988—2018)

分別選取了1988年、1998年、2008年以及2018年4個期次的年均FVC空間分布情況進行綜合比對(圖5)，年均FVC分別為74.18%，75.92%，78.58%和82.94%，呈現(xiàn)逐步提升的趨勢?？傮w看來，各等級FVC的面積變化有所差異，即低植被覆蓋區(qū)、中低植被覆蓋區(qū)、中等植被覆蓋區(qū)以及中高植被覆蓋區(qū)面積均呈現(xiàn)下降趨勢，而高植被覆蓋區(qū)的面積呈現(xiàn)出增長趨勢(表2)。其中，低植被覆蓋區(qū)在1988—1998年這10 a間面積基本維持不變，在1998—2008年間面積迅速減少，比例降低了1.02%，但在2008—2018年間又有所反彈，占比從1.65%增加到2.24%，和1988年相比，2018年低植被覆蓋區(qū)在空間上更加集中，主要分布在洱源縣以及洱海南部城鎮(zhèn)化的區(qū)域。而中低、中等以及中高植被覆蓋區(qū)占比在1988—2018年間均持續(xù)下降，中等和中高植被覆蓋區(qū)降幅較大，其中中等植被覆蓋區(qū)從13.49%下降到4.44%，尤其是1998—2018年間，降幅分別接近6%和8%；中高植被覆蓋區(qū)占比從1988年的24.45%下降到2018年的12.42%，下降了近一半。與之相反的，高植被覆蓋區(qū)占比和面積在1988—2018年間呈現(xiàn)持續(xù)增長。綜合來看，相比1988年，到2018年高植被覆蓋區(qū)增長了23.32%；而中高、中等、中低植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)面積分別減少12.03%，9.05%，2.78%以及0.41%，尤其中等和中高植被覆蓋區(qū)在2008—2018年間降速顯著。1988年，高植被覆蓋區(qū)占總面積53.18%，而到了2018年高植被覆蓋區(qū)占比已升至76.50%，提升的部分主要就是由原中高、中等以及中低植被覆蓋區(qū)轉化的?？傮w看來，洱海流域植被整體FVC較高，高植被覆蓋區(qū)域的持續(xù)增長說明洱海流域植被質量在不斷提升，植被恢復趨勢顯著。

(a)1988年 (b)1998年 (c)2008年 (d)2018年

表2 1988—2018年洱海流域不同等級FVC面積及變化率Tab.2 Vegetation coverage area and rate of different levels of FVC in Erhai Basin from 1988 to 2018

雖然洱海流域整體上呈現(xiàn)不斷提升的趨勢，但從局部變化上看可以發(fā)現(xiàn)2018年洱海西岸的FVC整體情況相比1988年并沒有改善，反而低植被覆蓋情況有所增多，主要源于隨著當地旅游業(yè)的開發(fā)興建了大量建筑，對植被的破壞具有一定程度的不可逆轉性影響。

3.2 FVC時空變化與巖性相關性分析

在同一降水條件下，地質巖性是決定地下水的存貯狀態(tài)和豐缺程度的關鍵因素，不同地質巖性在巖石裂隙發(fā)育程度、土層厚度以及風化殼持水性等方面存在差異，因此本文從FVC分布與地質巖性的關系著手，通過ArcGIS軟件的空間疊置分析功能統(tǒng)計每種地質巖性在FVC各個等級區(qū)間中所占的面積百分比，得到FVC與地層對應關系，將其與FVC估算結果進行疊加分析，分析不同尺度下，地質巖性對洱海流域FVC分布的影響(圖6)。

圖6 洱海流域不同巖性類型年均FVC變化趨勢Fig.6 Changes of FVC values corresponding to different lithologic types in Erhai Lake basin

從圖6中可以看出，在相同年份，同樣的氣候條件下，不同地質巖性區(qū)域的FVC還是存在明顯差異的，但在長時間序列中的總體走向趨勢大致一致。其中平均FVC最高的是變質巖，為79.22%，其次是侵入巖，為77.55%，隨后是灰?guī)r和碎屑巖，分別為73.03%和71.87%，最后是白云巖和火山巖。由于白云巖和火山巖基巖裸露幾率高，這2類巖性類型區(qū)域的FVC最低，年均FVC分別為67.13%和66.33%。相比1988年不同地質巖性區(qū)域，2018年FVC增幅最大的是火山巖和白云巖，分別增長了13.02%和12.56%，增幅最低的是碎屑巖，增長了5.09%，說明了火山巖和白云巖地區(qū)植被仍具有一定的恢復潛力。

此外，結合圖2和圖4中不同地質巖性類型與FVC年際變化趨勢的空間分布情況看，可以發(fā)現(xiàn)FVC顯著降低的區(qū)域均分布在碎屑巖區(qū)域。從地質巖性對土壤結構影響的角度分析，碎屑巖風化后形成的土壤貧瘠，土壤結構較差，而火山巖上形成的土壤的質地結構較好，有利于礦物質元素更好地向植物體內轉移[20]。變質巖中形成的構造裂隙帶是良好的儲水空間，儲藏著豐富的淺層潛水，使得變質巖區(qū)的土壤水分含量較高，且變質巖區(qū)土層普遍深厚，即使在陡坡地帶也極少裸露，這類土地宜林程度較高，因此該類巖性區(qū)域各年份的FVC均高于其他類型?；?guī)r分布區(qū)地下水埋藏大多較深，不能補給土壤，土層零星淺薄而不耐干旱，因此植物生長的水分供應條件較差，宜林程度較低，適宜灌木生長。此外，經野外調查發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖發(fā)育土壤厚度多數為30～60 cm，水土涵養(yǎng)能力和抵御自然災害能力弱，開發(fā)不當容易造成嚴重的水土流失，導致石漠化[21-22]。

從2015年開始，洱海流域降雨量持續(xù)降低，經野外實地調查，共發(fā)現(xiàn)洱海流域11處由于降雨量減少導致樹木枯死的區(qū)域(圖2)，其中8處分布在白云巖區(qū)，2處在火山巖區(qū)，1處分布在碎屑巖區(qū)，1處分布在灰?guī)r區(qū)。同時，從圖6中可以看出土層薄且不易固水的巖性區(qū)域如灰?guī)r、白云巖、碎屑巖、火山巖的FVC從2015年開始呈現(xiàn)出了下降趨勢?？梢钥闯觯诤暧^尺度上，不同地質巖性發(fā)育的土壤無論是土層厚度還是固水能力都存在較大的差異，其植被覆蓋情況也存在一定的差別，在退耕還林中應根據不同巖性及其發(fā)育的土壤環(huán)境和適宜的植被特點等采取不同的生態(tài)恢復措施，以便提高植樹造林和生態(tài)恢復治理的成效。

4 結論

植被覆蓋變化監(jiān)測是區(qū)域資源環(huán)境承載力研究的基礎，對揭示地表空間變化規(guī)律，分析評估和預測區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及環(huán)境變化具有重要的現(xiàn)實意義。本文基于GEE遙感大數據云計算平臺，嘗試在洱海流域利用30 m空間分辨率的Landsat長時間序列影像，采用混合像元二分模型，實現(xiàn)了對區(qū)域尺度的FVC高精度信息提取和長時間序列的動態(tài)監(jiān)測，并在基礎上，探討了FVC與地層巖性之間的內在關聯(lián)。通過分析得出以下主要結論：

1)1988—2018年期間，洱海流域FVC在氣候變化和人類活動等多重因素共同驅動下，雖出現(xiàn)了階段性下降，但總體上仍呈現(xiàn)出波動上升的趨勢，尤其是高植被覆蓋區(qū)的面積不斷提升，反映了流域整體植被質量水平的持續(xù)優(yōu)化，說明人類活動對植被快速恢復起到重要作用，尤其是2000年以來我國實施了一系列生態(tài)恢復工程，洱海流域植被覆蓋狀況整體趨好。

2)該流域植被覆蓋變化以穩(wěn)定為主，局部存在退化現(xiàn)象，人類活動干擾仍是FVC變化的主要因素，植被退化區(qū)域多集中分布于流域內的城鎮(zhèn)化擴展地帶，人為活動以及城市化的迅速發(fā)展對于植被的影響較大。

3)通過對洱海流域FVC分布變化與巖性等關系分析得出，F(xiàn)VC的分布在一定程度上受地層巖性特性的影響，因此在實施生態(tài)修復過程中，必須考慮不同巖性條件下的植被恢復的差異，合理配置土地利用方式以及生態(tài)修復模式。