基于MODISNDVI數(shù)據(jù)的粵港澳大灣區(qū)植被覆蓋時(shí)空演變?

馮嫻慧 曾芝琳 張德順

1 華南理工大學(xué)建筑學(xué)院 廣州 510641

2 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 上海 200092

植被是生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分,區(qū)域植被覆蓋變化受城市群建設(shè)和人類活動(dòng)的影響[1]。在城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌保護(hù)、國土空間總體規(guī)劃的新時(shí)代發(fā)展背景下,不局限于市域綠地空間,在更大規(guī)模范圍上探討植被覆蓋變化,特別是城市群密集建設(shè)區(qū)域、都市連綿發(fā)展區(qū)的植被生態(tài)空間時(shí)空變化規(guī)律的研究在建設(shè)美麗中國、推進(jìn)生態(tài)文明、改善民生福祉、促進(jìn)區(qū)域城市群和諧發(fā)展方面具有重要意義。

當(dāng)前,通過RS、GIS技術(shù)研究植被覆蓋的核心參數(shù)是植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC),定義為單位面積內(nèi)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(jì)區(qū)總面積的百分比[2]。植被覆蓋度是表征地球表面植被群落生長狀況的重要量化指標(biāo),可以反映大范圍的生態(tài)環(huán)境特征[3]。地表實(shí)測與遙感探測是獲取植被覆蓋度的2種有效途徑[4],其中遙感探測在時(shí)效性、人工投入和監(jiān)測范圍等方面都比傳統(tǒng)地表實(shí)測展現(xiàn)出更加顯著的優(yōu)勢[5－6],因而已逐漸成為獲取區(qū)域植被覆蓋信息的重要方法。在當(dāng)前常用的遙感產(chǎn)品中,歸一化植被指數(shù)(NDVI)能夠有效反映植被覆蓋度指標(biāo)[7－8],可高效、敏銳地檢測出大尺度植被生物物理變化特征[9]。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)采用NDVI指數(shù)研究了一些特定城市群區(qū)域的植被覆蓋變化,如De La Barrera等[10]通過計(jì)算NDVI、歸一化建筑指數(shù)(NDBI)兩個(gè)指標(biāo)分析智利3個(gè)城市群1989—2015年的植被變化；李卓等[11]通過NDVI數(shù)據(jù)估算京津冀城市群2005—2015年的植被覆蓋變化；崔浩楠等[12]利用NDVI數(shù)據(jù)分析了長江經(jīng)濟(jì)帶1982—2019年植被覆蓋變化的時(shí)空特征。

粵港澳大灣區(qū)(以下簡稱大灣區(qū))是我國近年來重點(diǎn)發(fā)展建設(shè)的世界級(jí)城市群及都市連綿區(qū)。中共中央國務(wù)院印發(fā)的?粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要?指出,推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)是粵港澳大灣區(qū)進(jìn)一步提升發(fā)展質(zhì)量的重要支撐[12]。因此,探索大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化,尤其是植被的動(dòng)態(tài)演替進(jìn)化規(guī)律是提升區(qū)域發(fā)展質(zhì)量的重要內(nèi)容。

本研究基于2001—2020年的MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù),通過對大灣區(qū)此20年的植被覆蓋時(shí)空演變格局進(jìn)行定量分析,以較為全面、科學(xué)的方式展現(xiàn)城市發(fā)展對植被生態(tài)環(huán)境的影響,并對植被變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

大灣區(qū)位于我國華南地區(qū),總面積5.6萬km2,包括原珠三角九市(廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶)和香港、澳門兩個(gè)特別行政區(qū)[13]。

本研究使用的NDVI數(shù)據(jù)來自美國NASA發(fā)布的MOD13Q1產(chǎn)品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。由于該數(shù)據(jù)記錄始于2000年2月,為保證數(shù)據(jù)的完整性,故選取研究的時(shí)間范圍為2001—2020年。

為充分反映年度植被長勢最佳時(shí)間的地表覆被狀況,運(yùn)用最大值合成法(Maximum Value Composite,MVC),將每年的全部影像進(jìn)行合成,得到2001—2020年大灣區(qū)每年的年最大NDVI值作為后續(xù)植被年際變化的分析指標(biāo)[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 植被覆蓋度計(jì)算

依據(jù)像元二分模型,像元的植被覆蓋度fc的計(jì)算公式如式(1):

式(1)中:NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為純裸地像元的NDVI值。依據(jù)頻率統(tǒng)計(jì)表,分別選取累積頻率為0.5%和99.5%的NDVI值作為NDVIsoil和NDVIveg。由式(1)計(jì)算得到2001—2020年粵港澳大灣區(qū)每年的植被覆蓋度分布情況。

1.2.2 植被覆蓋度年際變化趨勢分析

利用大灣區(qū)20年來的植被覆蓋度,逐像元構(gòu)建一元線性回歸方程,方程斜率的計(jì)算公式如式(2):

式(2)中:slope為線性擬合斜率；n為監(jiān)測年數(shù)；fci為第i年的植被覆蓋度。

采用F檢驗(yàn)進(jìn)行植被覆蓋度增減趨勢的顯著性檢驗(yàn),計(jì)算公式如式(3):

式(3)中:yi為第i年的植被覆蓋度值；ˉy為監(jiān)測時(shí)段內(nèi)植被覆蓋度的多年平均值；＾yi為第i年的植被覆蓋度線性回歸值；n為監(jiān)測年數(shù)。

依據(jù)計(jì)算所得F值找到統(tǒng)計(jì)學(xué)所對應(yīng)的表征置信度的P值,將P值與斜率綜合起來作為劃分變化趨勢等級(jí)的依據(jù):極顯著退化(slope<0,P<0.01)；顯著退化(slope<0,0.010.05)；不顯著改善(slope>0,P>0.05)；顯著改善(slope>0,0.010,P<0.01)。

1.2.3 植被覆蓋度穩(wěn)定性分析

變異系數(shù)(Cv)能夠反映一組數(shù)據(jù)的離散程度。本研究通過計(jì)算每個(gè)像元在研究時(shí)段內(nèi)的植被覆蓋度的變異系數(shù),揭示大灣區(qū)植被活動(dòng)的穩(wěn)定性分布狀況。計(jì)算公式如式(4):

式(4)中:Ci為第i年的植被覆蓋度值；ˉC為監(jiān)測時(shí)段內(nèi)植被覆蓋度的多年平均值；n為監(jiān)測年數(shù)。

1.2.4 植被覆蓋度演變趨勢預(yù)測

R/S分析法是一種檢測時(shí)間序列的方法,可證明數(shù)據(jù)變化的持續(xù)性并量化其持續(xù)性強(qiáng)度。R/S分析法常應(yīng)用于利用大量連續(xù)資料進(jìn)行科學(xué)預(yù)報(bào)的情境,適用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、水文學(xué)等諸多領(lǐng)域[3]。其原理如下:

對于一個(gè)時(shí)間序列{ξ(t)},t＝1,2,…,對于任意正整數(shù)τ≥1,定義均值序列的計(jì)算公式如式(5):

用X(t)表示累計(jì)離差,計(jì)算公式如式(6):

研究發(fā)現(xiàn),標(biāo)度關(guān)系如式(7):

式(7)中,H為Hurst指數(shù)。在植被覆蓋度序列的R/S檢測中,Hurst指數(shù)的意義為:H＝0.5,表明植被覆蓋度值前后的變化無關(guān),數(shù)據(jù)具有隨機(jī)特征；0

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度時(shí)空分布特征

2.1.1 時(shí)序變化特征

20年間(2001—2020年),大灣區(qū)植被覆蓋度總體呈下降趨勢。如圖1所示,植被覆蓋度年際變化的波動(dòng)范圍為[0.690,0.753],平均值為0.724。植被覆蓋下降過程出現(xiàn)的明顯波動(dòng)可大致分為3個(gè)階段,即緩慢波動(dòng)減少期(2001—2009年)、顯著降低期(2010—2014年)和緩慢波動(dòng)回升期(2015—2020年)。在緩慢波動(dòng)減少期,植被覆蓋度整體位于趨勢線以上,降幅為1.8%。2004年、2008年與2009年的植被覆蓋度偏低,可能是受當(dāng)時(shí)華南地區(qū)嚴(yán)重旱情的影響[14]。在顯著降低期,植被覆蓋度均位于趨勢線以下,2011年廣東省嚴(yán)重旱情以及城市的快速發(fā)展建設(shè)可能是使該地區(qū)植被覆蓋度降入新低的主要原因[15]。

圖1 2001—2020年粵港澳大灣區(qū)年最大植被覆蓋度的年際變化趨勢

2.1.2 空間分布特征

20年間(2001—2020年),大灣區(qū)不同區(qū)域年最大植被覆蓋度的平均值差異較大,呈現(xiàn)中部較低、外圍較高的特點(diǎn)(圖2)。植被覆蓋度較高的區(qū)域主要位于東、西、北部的山地丘陵地帶,如肇慶、江門、惠州及廣州北部,這反映了該地區(qū)優(yōu)良的自然植被本底條件。植被覆蓋度較低的區(qū)域則主要出現(xiàn)在中部平原地帶的城市集群區(qū),如廣州南部、佛山、東莞、深圳、中山、珠海等地,說明城市的擴(kuò)張對植被覆蓋度造成了較大的影響。

圖2 2001—2020年粵港澳大灣區(qū)植被覆蓋度年均值空間分布圖

2.2 植被覆蓋度變化規(guī)律

對2001—2020年大灣區(qū)年最大植被覆蓋度進(jìn)行逐像元線性回歸分析,結(jié)果表明,植被覆蓋度增長的區(qū)域主要位于東、西、北部地區(qū),植被覆蓋度降低的區(qū)域則主要位于中部地區(qū)。F檢驗(yàn)表明,研究區(qū)內(nèi)約30%的區(qū)域發(fā)生顯著(P<0.05)的植被覆蓋度變化(圖3、表1)。極顯著改善與顯著改善區(qū)域共占比9.87%,主要分布在廣州北部、肇慶中部、江門、惠州、深圳、香港等地,植被環(huán)境的改善初步分析應(yīng)當(dāng)是得益于2013年啟動(dòng)的“新一輪綠化廣東大行動(dòng)”。極顯著退化區(qū)域占比13.96%,主要出現(xiàn)在佛山、中山北部、廣州南部、東莞西部、江門東部、珠海中部、肇慶西北部和東南部以及惠州中部,退化的原因可能與過去20年間大灣區(qū)城市的快速發(fā)展建設(shè)有關(guān)。

圖3 2001—2020年粵港澳大灣區(qū)植被覆蓋度顯著性變化空間分布圖

2.3 植被覆蓋度穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

逐像元計(jì)算2001—2020年植被覆蓋度的變異系數(shù)(Cv),得到大灣區(qū)植被覆蓋度穩(wěn)定性圖(圖4)。由圖4可知,20年間大灣區(qū)大部分地區(qū)Cv值較低,即植被覆蓋度的穩(wěn)定性較高。穩(wěn)定性高的區(qū)域主要分布于外圍山地丘陵地區(qū),這些地區(qū)的人類活動(dòng)相對較弱。局部地區(qū)Cv值較高,穩(wěn)定性較低。穩(wěn)定性低的區(qū)域主要集中在中部城市建成區(qū)及其周邊地區(qū),以及部分河流沿線區(qū)域,人類活動(dòng)相對頻繁。由圖3、圖4比較可得,植被覆蓋度顯著變化區(qū)域與穩(wěn)定性較低的區(qū)域(Cv高值區(qū)域)基本吻合,據(jù)此可以初步推斷大灣區(qū)的植被環(huán)境變化主要受城市發(fā)展建設(shè)等人為經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)的影響,氣溫、降水等自然條件的影響不明顯。

2.4 植被覆蓋度演變趨勢預(yù)測

用R/S分析法對大灣區(qū)近20年植被覆蓋度的時(shí)間序列進(jìn)行分析,結(jié)果表明,大灣區(qū)Hurst指數(shù)的平均值為0.46,呈現(xiàn)持續(xù)性的像元比重占34.6%、反持續(xù)性的像元比重占65.4%。參考李雙雙[16]和李卓[11]的相關(guān)研究,將大灣區(qū)的Hurst指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分,得到Hurst指數(shù)空間分布圖(圖5)。如圖5所示,持續(xù)性像元(綠色)與反持續(xù)性像元(紫色)呈交錯(cuò)分布態(tài)勢,且弱持續(xù)性序列(0.35~0.65)占絕對優(yōu)勢(83.5%),表明區(qū)域植被變化可能是在自然、人工等諸多因素綜合影響下形成[11]。

圖5 2001—2020年粵港澳大灣區(qū)Hurst指數(shù)空間分布圖

為實(shí)現(xiàn)對大灣區(qū)植被覆蓋未來變化趨勢的預(yù)測,將線性擬合斜率和Hurst指數(shù)進(jìn)行疊加耦合分析,結(jié)果(圖6、表2)表明,未來植被覆蓋持續(xù)退化區(qū)域占比21.07%,反持續(xù)改善區(qū)域占比31.37%,合計(jì)預(yù)測未來退化面積比重超50%以上,約占比52.44%。

圖6 粵港澳大灣區(qū)變化趨勢持續(xù)性分布圖

表2 粵港澳大灣區(qū)變化趨勢持續(xù)性統(tǒng)計(jì)

在空間分布上,持續(xù)退化區(qū)域主要分布在肇慶西北部和東南部、佛山、廣州南部、中山北部、珠海、江門中部和惠州中部。反持續(xù)性改善區(qū)域主要分布在肇慶、江門、廣州北部、惠州、深圳和香港。持續(xù)改善區(qū)域占比13.50%,主要出現(xiàn)在除中部以外的其他地區(qū)。反持續(xù)性退化區(qū)域占比34.06%,主要位于持續(xù)退化區(qū)域的周邊。

以此為基礎(chǔ),推測在未來20年間,若不采取更有效的生態(tài)體系建設(shè)措施,大灣區(qū)一半以上的植被覆蓋將面臨持續(xù)退化風(fēng)險(xiǎn)。

3 討論

鄧玉嬌等[17],何全軍[18]、Hu等[19]通過對廣東、珠三角地區(qū)的植被覆蓋研究發(fā)現(xiàn),近15年內(nèi)植被覆蓋呈現(xiàn)微弱的增長趨勢,但本研究發(fā)現(xiàn)大灣區(qū)在近20年(2001—2020年)的植被覆蓋整體呈微弱的降低趨勢,原因大致為兩個(gè)方面:1)本研究在方法上進(jìn)行了更為合理的改進(jìn),上述鄧玉嬌、何全軍、Hu等的研究直接使用NDVI均值進(jìn)行時(shí)序分析,NDVI影像的異常值易導(dǎo)致趨勢分析的偏差；本研究基于NDVI,采用像元二分模型估算FVC,再對FVC值進(jìn)行時(shí)序分析,像元二分模型中NDVIsoil和NDVIveg取值時(shí)累積頻率閾值的采用在一定程度上削弱了異常值的影響,有效糾正了可能存在的誤差。2)采用更高精度的NDVI數(shù)據(jù),研究結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。前人研究中采用的NDVI數(shù)據(jù)分別為MOD13A3(精度1 km)、MOD13C2(精度5 600 m),本研究采用的NDVI數(shù)據(jù)為MOD13Q1(精度250 m),本研究結(jié)果相較于前兩者或能更準(zhǔn)確地表征局部詳細(xì)的植被覆蓋變化情況。

在前人研究中,未見以大灣區(qū)作為整體統(tǒng)籌研究其植被變化的時(shí)空規(guī)律,如,鄧玉嬌等[17]只是基于NDVI數(shù)據(jù)分析廣東省2000—2018年的植被覆蓋時(shí)空分布特征,何全軍[18]、Hu等[19]和Ruan等[20]利用NDVI數(shù)據(jù)分別分析珠江三角洲區(qū)域2001—2017年、2000—2016年以及2000—2015年的植被動(dòng)態(tài)變化。而本研究首次以當(dāng)前大灣區(qū)作為整體進(jìn)行植被變化的時(shí)空規(guī)律研究。

已有研究多關(guān)注植被覆蓋變化及其影響因子的分析,尚未預(yù)測未來大灣區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化規(guī)律。本研究在參考前人研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)R/S分析法對大灣區(qū)近20年植被覆蓋度的時(shí)間序列進(jìn)行分析,將線性擬合斜率和Hurst指數(shù)進(jìn)行疊加耦合分析預(yù)測未來的植被演變趨勢。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本研究基于2001—2020年的MODIS NDVI數(shù)據(jù),使用像元二分模型計(jì)算大灣區(qū)的植被覆蓋度,采用線性回歸分析、變異系數(shù)分析等方法,探索年最大植被覆蓋度在20年間的時(shí)空變化規(guī)律,并采用R/S分析方法預(yù)測植被未來演變趨勢,得到以下結(jié)論:

1)近20年來大灣區(qū)植被覆蓋度總體呈下降趨勢(－0.023/10年),其變化過程可分為3個(gè)階段:緩慢波動(dòng)減少期(2001—2009年)、顯著降低期(2010—2014年)和緩慢波動(dòng)回升期(2015—2020年)。

2)2001—2020年大灣區(qū)植被覆蓋不顯著變化區(qū)域占比最大(69.18%),極顯著改善與顯著改善區(qū)域共占比9.87%；極顯著退化與顯著退化區(qū)域共占比20.95%,主要位于各大城市中心區(qū)周邊。

3)2001—2020年,大灣區(qū)的植被覆蓋演變趨勢以弱持續(xù)性序列為主,反持續(xù)性序列占比65.4%,持續(xù)性序列占比34.6%,預(yù)測未來將有52.44%以上面積的地區(qū)發(fā)生植被覆蓋退化情況。

4.2 建議

基于結(jié)論提出如下建議:1)采取一定的國土空間保護(hù)規(guī)劃措施,遏制城市建成區(qū)的無序擴(kuò)張,嚴(yán)格保護(hù)城市群區(qū)域,尤其是城市邊界的生態(tài)植被。2)在“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下,大灣區(qū)應(yīng)當(dāng)制定新一輪的生態(tài)保護(hù)大行動(dòng),積極持續(xù)推進(jìn)大灣區(qū)東側(cè)、西側(cè)、北側(cè)三面的山地丘陵地帶植被保護(hù)和人工植被恢復(fù)工作,構(gòu)建連綿山體森林生態(tài)屏障體系。3)依托廣東萬里“碧道”的重大環(huán)境建設(shè)項(xiàng)目,制定防護(hù)休憩綠帶的建設(shè)策略和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),積極推進(jìn)沿珠江等主要水系及沿海岸線的防護(hù)林、濱河綠帶、濱海生態(tài)綠帶等的建設(shè)工作。