基于Google Earth Engine的有色金屬資源型地區(qū)植被覆蓋度動態(tài)變化分析
——以安徽省銅陵市為例

包勤躍，谷正楠，張震

（1.銅陵有色金屬集團股份有限公司礦產資源中心，安徽 銅陵 244000；2.安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001）

礦業(yè)在我國經濟發(fā)展中占據(jù)重要地位，促進國家經濟發(fā)展，但礦產資源開發(fā)利用帶來的植被退化等生態(tài)環(huán)境問題不容忽視。針對礦山開發(fā)中存在的問題，國家及部分地區(qū)相繼出臺了綠色礦山建設標準，并已取得顯著成效[1]。然而，由于政府政策，礦山企業(yè)自身可持續(xù)發(fā)展基礎等不同，使綠色礦山的建設質量良莠不齊[2]，影響礦山的可持續(xù)發(fā)展。植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在生態(tài)環(huán)境變化研究中起著指示器的作用[3]。植被覆蓋度可以有效反映地表植被的生長狀況，因此，研究植被覆蓋度動態(tài)變化對城市及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質量評價具有重要意義[4-5]。

近年來，國內外眾多學者對植被覆蓋度變化展開的研究主要為植被覆蓋度的時空變化[6-9]及影響因素[10-11]分析，研究區(qū)多為山地[12]、濕地[13-14]、流域[15]、生態(tài)敏感區(qū)[16-17]以及經濟帶地區(qū)[18-19]，鮮有關于有色金屬資源型地區(qū)的研究，銅陵市作為典型的有色金屬資源型地區(qū)，在過去的20年里，由大規(guī)模開發(fā)礦產資源到因資源枯竭進行城市轉型，其發(fā)展歷史周期具有一定代表性，研究其植被覆蓋度動態(tài)變化可以為其他資源型地區(qū)提供參考。此外，已有研究多采用間隔年份進行植被覆蓋度的動態(tài)變化分析，而長時間序列的植被覆蓋度動態(tài)變化分析較少。究其原因，長時間序列的遙感圖像存在數(shù)據(jù)收集、存儲、整理困難，而且數(shù)據(jù)的處理也費時費力。

本研究以銅陵市為例，基于Google Earth Engine(GEE)平臺，以2000-2019年的MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用像元二分模型和一元線性回歸法，從植被覆蓋度的空間分布特征、時間變化特征、不同等級植被覆蓋度的面積轉移以及空間變化趨勢四個方面進行分析，以期為今后有色金屬資源型城市的植被保護、生態(tài)環(huán)境質量評價以及礦山綠色高質量發(fā)展提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

銅陵市(30°45′-31°09N′，117°35′-118°09′E)位于安徽省中南部、長江中下游平原與皖南山區(qū)的交接地帶。境內南部為低山和丘陵，空間上呈北東向分布。屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，氣候多變，降水年際變化大。銅陵市也是長江三角洲中心區(qū)27城之一，因其內生成礦條件有利，以有色金屬銅礦著稱。目前已發(fā)現(xiàn)的礦產地有115處，非金屬礦床9處。

本研究選取銅陵市下轄的銅官區(qū)、郊區(qū)和義安區(qū)為研究對象（圖1），其中郊區(qū)為2018年之前的行政區(qū)劃，研究區(qū)總面積約為1102km2。

圖1 研究區(qū)行政區(qū)劃

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 GEE平臺簡介

GEE（Google Earth Engine）是基于云計算的地理信息處理平臺。該平臺存儲了大量的遙感數(shù)據(jù)集，并提供了Python API和JavaScript API，以供用戶輕松利用Google的高性能集群服務器對影像進行地理空間分析和可視化處理，極大地提高了工作效率[20]。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究基于GEE云平臺在線訪問全球范圍內2000-2019年的MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)（時間分辨率為16 d，空間分辨率為250m），共計457期。為去除大氣輻射和云污染等影響，采用最大值合成法合成長時間序列的NDVI年最大值影像，并基于均值法合成NDVI年平均值影像。進一步采用像元二分模型和一元線性回歸法分別得到銅陵市2000-2019年的植被覆蓋度影像和植被覆蓋度空間變化趨勢影像。最后以銅陵市矢量邊界裁剪并下載至本地，在ArcGIS中進行后續(xù)的影像分析。

2.3 研究方法

2.3.1 像元二分模型

像元二分模型被廣泛用于估算植被覆蓋度，它可以在很大程度上減輕大氣、土壤等因素的影響，計算結果簡單可靠[21]。該模型的基本思想是假設一個像元只由有植被覆蓋和無植被覆蓋兩部分組成，其計算公式為：

式（1）中，F(xiàn)VC為植被覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil為無植被覆蓋區(qū)域或裸土的NDVI值，理論上應趨近于0，NDVIveg為完全被植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，理論上應趨近于1。但由于大氣、土壤、植被類型等因素的影響，NDVIsoil和NDVIveg一般取一定置信度范圍內的最小值與最大值，具體取值要視具體情況來確定。本研究根據(jù)2000-2019年的年最大值影像制作逐年的頻率累計表，在每年的頻率累計表上選取累計頻率5%的值作為當年的NDVIsoil， 累計頻率95%的值作為當年的NDVIveg[21]。

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》[22]，研究將銅陵市的植被覆蓋度等級分為5類：低植被覆蓋度(FVC≤30%)、中低植被覆蓋度(30%＜FVC≤45%)、中植被覆蓋度(45%＜FVC≤60%)、中高植被覆蓋度(60%＜FVC≤75%)和高植被覆蓋度(FVC＞75%)。

2.3.2 一元線性回歸趨勢分析

一元線性回歸趨勢分析可以反映區(qū)域植被覆蓋度變化的空間分布特征并模擬出其變化趨勢[23]。其計算公式為：

式（2）中，slope為植被覆蓋度變化的斜率，fci為像元第i年的植被覆蓋度，n為研究時段的年數(shù)。當slope＞0時，表示在該研究時段內植被覆蓋度呈增加趨勢，反之則呈減少趨勢。

采用F檢驗對植被覆蓋度變化趨勢進行顯著性檢驗，根據(jù)一元線性回歸和顯著性檢驗結果，將銅陵市的植被覆蓋度變化趨勢分為了6個等級，分別為：極顯著改善(slope＞0，P≤0.01)、顯著改善(slope＞0，0.01＜P≤0.05)、輕微改善(slope＞0，P＞0.05)、輕微退化(slope＜0，P＞0.05)、顯著退化(slope＜0，0.01＜P≤0.05)和極顯著退化(slope＜0，P≤0.01)。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度空間分布特征

銅陵市的植被覆蓋度呈現(xiàn)由西向東遞增的趨勢（圖2），該空間分布特征與土地利用類型有關。銅陵市土地利用類型由西到東分別為水域、草地、建設用地、耕地和林地，東南地區(qū)的低山、丘陵地帶植被最為茂盛。

圖2 銅陵市2000-2019年平均植被覆蓋度空間分布

銅陵市2000-2019年各等級平均植被覆蓋度（表1）結果表明，高植被覆蓋度區(qū)域所占的比例最大（49.76%），主要分布在東南以及北部地區(qū)，土地利用類型以耕地和林地為主。而低植被覆蓋度區(qū)域相比之下所占比例較?。?3.43%），以建設用地分布的中西部地區(qū)為主。其中，中植被覆蓋度以上等級（含中植被覆蓋度）占銅陵市的81%，其所占面積的比例遠超過中植被覆蓋度以下區(qū)域。因此，銅陵市的植被生長狀態(tài)良好。

表1 銅陵市2000-2019年各等級平均植被覆蓋度的面積及比例

3.2 植被覆蓋度時間變化特征

受氣溫和降水影響，銅陵植被覆蓋變化稍有波動，2000-2009年有明顯下降趨勢（-0.078·（10a）-1），與當時經濟高速發(fā)展、過度開發(fā)以及依賴資源有關，而2010-2019年，植被覆蓋度呈現(xiàn)上升趨勢（0.05·（10a）-1）（圖3）。近十年的植被增長趨勢與安徽省以及銅陵市相關政策有關，比如，2009年，銅陵被評為全國首批現(xiàn)代林業(yè)示范市；2012年，銅陵市為落實安徽實施的千萬畝森林增長工程，提出了石質山造林綠化和礦山植被恢復工程、江河湖灘增綠工程、丘陵增綠突破工程、農田林網突破工程等工程項目；2014年，銅陵市作出創(chuàng)建國家森林城市的重要決定，銅陵綠色發(fā)展繼續(xù)保持良好態(tài)勢。

圖3 銅陵市2000-2019年平均植被覆蓋度時間變化趨勢

3.3 植被覆蓋度等級的面積轉移分析

2000-2019年平均植被覆蓋度時間變化趨勢分析結果（圖3和表2）表明，2000-2009年銅陵市植被覆蓋度的等級轉化以中、中高和高植被覆蓋度區(qū)域為主?？傮w來說，該研究時期植被覆蓋度下降，主要原因為大部分區(qū)域都向低于原植被覆蓋度等級的方向轉化。2009-2019年低、中低、中以及中高植被覆蓋度區(qū)域均有所改善，大部分區(qū)域都向高于原植被覆蓋度等級的方向轉化，植被覆蓋度呈現(xiàn)上升趨勢?？傮w上，2000-2019年中高植被覆蓋度向高植被覆蓋度方向轉移的面積與高植被覆蓋度向中高植被覆蓋度方向轉移的面積基本持平。

表2 銅陵市2000-2009年、2009-2019年、2000-2019年植被覆蓋度等級面積轉移矩陣（km2）

3.4 植被覆蓋度空間變化趨勢

2000-2019年，銅陵市67.43%的區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢，32.57%的區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢。其中，顯著（顯著和極顯著）改善區(qū)域和顯著（顯著和極顯著）退化區(qū)域的面積分別為687.51km2（62.38%）和309.41km2（28.07%）（表3），即銅陵市植被覆蓋度改善的面積明顯大于退化（圖4），表明銅陵市的植被覆蓋度空間變化趨勢以改善為主。從空間分布上來看，植被退化區(qū)域主要位于銅陵市的建設用地所在區(qū)域，以城鎮(zhèn)用地和礦區(qū)所在區(qū)域為主，表明城市用地的擴張和礦山的開采對地表植被覆蓋度變化有顯著的擾動特性。其中值得注意的是，雖然顯著退化區(qū)域的面積與顯著改善區(qū)域的面積相比較小，但這些地區(qū)位于城鎮(zhèn)用地和礦區(qū)的核心區(qū)，是城鎮(zhèn)用地和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測需要重點關注的區(qū)域。

表3 植被覆蓋度空間變化趨勢面積統(tǒng)計

圖4 銅陵市2000-2019年植被覆蓋度空間變化趨勢

4 結語

本研究基于GEE云平臺，獲取2000-2019年MOD13Q1 NDVI數(shù)據(jù)，采用像元二分模型和一元線性回歸法分析銅陵市2000-2019年植被覆蓋度時空演變情況，主要結論如下：

（1）2000-2019年，銅陵市植被覆蓋度等級以中高和高植被覆蓋度為主，占研究區(qū)面積的71.97%。高植被覆蓋度區(qū)域主要分布在東南及北部地區(qū)，土地利用類型以耕地和林地為主，植被生長狀態(tài)良好。

（2）2000-2009年銅陵市植被覆蓋度呈下降趨勢（-0.078·（10a）-1），植被生長退化；2010-2019年，植被覆蓋度呈上升趨勢（0.05·（10a）-1），植被生長狀況有所改善。

（3）2000-2019年，不同植被覆蓋度等級的面積轉化主要發(fā)生在中、中高和高植被覆蓋度區(qū)域之間。

（4）銅陵市的植被覆蓋度空間變化趨勢以改善為主，顯著（顯著和極顯著）改善區(qū)域的面積為687.51km2（62.38%），顯著（顯著和極顯著）退化區(qū)域的面積為309.41km2（28.07%）。植被極顯著退化區(qū)域主要為城鎮(zhèn)用地和礦區(qū)所在區(qū)域，政府及相關管理部門應加強綠色礦山建設的監(jiān)督和管理，實現(xiàn)礦山的綠色及可持續(xù)發(fā)展。