2000年—2020年珠江流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征研究

馮建平

2000年—2020年珠江流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征研究

馮建平

（西華師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院四川南充637009）

文章基于Google Earth Engine平臺(tái)，在MODIS EVI數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合像元二分法模型和一元線(xiàn)性回歸兩種方法來(lái)研究珠江流域2000年—2020年植被覆蓋度時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：（1）2000年—2020年研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度以0.002 9/a的速率波動(dòng)上升；（2）珠江流域植被覆蓋度空間上明顯呈西高東低分布格局，植被覆蓋度呈現(xiàn)改善趨勢(shì)的區(qū)域面積大于呈退化趨勢(shì)的區(qū)域面積，且大部分低植被覆蓋度區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄脖桓采w度區(qū)域。研究結(jié)果有助于了解地區(qū)生態(tài)環(huán)境演變，對(duì)于指導(dǎo)地區(qū)生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

植被覆蓋度；EVI；珠江流域；時(shí)空變化；趨勢(shì)分析

植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)光合作用吸收二氧化碳和水生成氧氣和有機(jī)質(zhì)，在水循環(huán)和碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用[1-2]。植被覆蓋變化可以作為反映植被健康和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，監(jiān)測(cè)植被覆蓋度的時(shí)空動(dòng)態(tài)對(duì)于及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)政策的效益至關(guān)重要[3-4]。常用于計(jì)算或者表征植被覆蓋度的植被指數(shù)有歸一化植被數(shù)據(jù)（NDVI）和增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI），與NDVI相比，EVI在合成算法上做了進(jìn)一步的優(yōu)化，有效地克服了NDVI容易過(guò)飽和的問(wèn)題[5-6]。

王行漢等基于MODIS EVI數(shù)據(jù)，利用相關(guān)性分析方法探討2004年—2013年珠江流域植被變化對(duì)氣象因子和人類(lèi)活動(dòng)因子的響應(yīng)，研究結(jié)果表明珠江流域人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被變化影響程度大于自然環(huán)境[7]。王睿卿等利用一元線(xiàn)性回歸方法探討2000年—2015年珠江流域NDVI植被時(shí)空變化特征，并運(yùn)用地理探測(cè)器探討自然環(huán)境因素與人為活動(dòng)因素兩類(lèi)因素對(duì)研究區(qū)內(nèi)植被NDVI時(shí)空變化的影響程度，研究結(jié)果表明珠江流域平均植被覆蓋呈明顯改善趨勢(shì)且人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被變化影響程度大于自然環(huán)境[8]。

綜上所述，關(guān)于珠江流域植被覆蓋變化的研究主要集中在NDVI時(shí)空變化特征及其與氣候、地形等因子之間的關(guān)系上，而利用MODIS EVI對(duì)珠江流域植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行研究較少。故本文利用Google Earth Engine（GEE）平臺(tái)，以MODIS EVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用像元二分法和一元線(xiàn)性回歸兩種方法分析珠江流域2000年—2020年植被覆蓋度時(shí)空變化特征，從宏觀(guān)方面了解區(qū)域植被變化趨勢(shì)分布狀況，旨在為珠江流域生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

珠江流域位于我國(guó)的西南部，橫跨云南、貴州、廣西、江西、福建、廣東6個(gè)省級(jí)行政單元，流域面積44.68萬(wàn)km2。研究區(qū)地勢(shì)總體上呈西高東低，從西到東依次跨過(guò)云貴高原、廣西丘陵、珠江三角洲三大地貌單元，海拔范圍為-55 m～2 890 m。研究區(qū)內(nèi)氣候以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，多年平均氣溫?4 ℃～22 ℃間，多年平均降水在660 mm～2 200 mm間，受海陸位置和地形的共同作用，降水量呈現(xiàn)由西向東逐漸增加的趨勢(shì)[9]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于GEE遙感云平臺(tái)，分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，具體處理過(guò)程如下：首先利用GEE網(wǎng)頁(yè)端的JavaScript API接口訪(fǎng)問(wèn)2000年—2020年全球范圍的MOD13Q1 EVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，其次根據(jù)矢量范圍篩選和裁剪出位于珠江流域的影像數(shù)據(jù)集，最后采用最大值合成法獲取2000年—2020年共21年的最大EVI時(shí)間序列影像[10]。

2.2 研究方法

2.2.1 Google Earth Engine云平臺(tái)

Google Earth Engine是谷歌公司研發(fā)的云計(jì)算平臺(tái)，其不僅可以提供海量的地理空間數(shù)據(jù)，還可以在線(xiàn)對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、編輯和可視化等一系列的操作。它提供的數(shù)據(jù)包括各種常用的光學(xué)影像、雷達(dá)影像、氣象和地形等數(shù)據(jù)集，容量達(dá)到PB級(jí)。GEE可以實(shí)現(xiàn)快速、大量地處理數(shù)據(jù)，而不受空間和時(shí)間限制，這有助于研究者快速地監(jiān)測(cè)和量化地表動(dòng)態(tài)變化。目前，GEE已被廣泛應(yīng)用于植被、水、城鎮(zhèn)和土地利用變化監(jiān)測(cè)等地學(xué)遙感研究[11]。

2.2.2 最大值合成法

為了更好地降低云、大氣和太陽(yáng)高度角等因素對(duì)MODIS EVI數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響程度，本研究采用最大值合成法逐年合成珠江流域植被EVI的年最大值[12]，具體計(jì)算公式如下：

2.2.3 像元二分法模型

像元二分法是線(xiàn)性混合像元分解最簡(jiǎn)化的一種模型，其原理是假設(shè)每個(gè)像元物質(zhì)都由植被和非植被兩部分組成，植被與非植被的面積在像元中所占的比例是二者的權(quán)重。植被覆蓋度就是植被所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，具體計(jì)算方法如下：

2.2.4 趨勢(shì)分析法

為了更加清楚地掌握2000年—2020年間珠江流域的時(shí)空變化特征，利用一元線(xiàn)性回歸的方法分析逐個(gè)像元植被覆蓋度的變化趨勢(shì)，具體計(jì)算公式如下：

表1　植被覆蓋度變化趨勢(shì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度的時(shí)間變化特征

為了更好地體現(xiàn)珠江流域植被覆蓋度年際間的變化，逐年求取研究區(qū)內(nèi)全部像元的平均值表示當(dāng)年珠江流域整體的植被覆蓋程度，繪制2000年—2020年珠江流域年最大EVI均值圖（見(jiàn)圖1）。研究區(qū)在近21年內(nèi)植被覆蓋度平均值呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在2000年，為0.529，于2018年達(dá)到最大值0.589。從擬合的線(xiàn)性關(guān)系可知，2000年—2020年珠江流域植被覆蓋度的增加趨勢(shì)為0.002 9/a，表明研究區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)改善的趨勢(shì)。

圖1　珠江流域2000年—2020年植被覆蓋度的年際間變化

3.2 植被覆蓋度的空間變化特征

利用Matlab 2019a軟件編程實(shí)現(xiàn)逐像元求取2000年—2020年間植被覆蓋度的均值后，參考相關(guān)研究文獻(xiàn)[11,13]，利用ArcGIS 10.3的重分類(lèi)工具把植被覆蓋等級(jí)分為以下5類(lèi)：植被覆蓋度小于5%的為無(wú)植被覆蓋，介于5%與30%之間的為劣覆蓋度，介于30%與50%之間的為低覆蓋度，介于50%與70%之間的為中覆蓋度，大于70%的為高覆蓋度。最終得到近21年來(lái)珠江流域植被覆蓋度空間分布格局，如圖2所示。從研究區(qū)域整體上看，呈現(xiàn)西高東低的分布格局。高覆蓋度主要分布于海拔較高的林地區(qū)域，由于海拔相對(duì)適中，水熱條件較好，適宜植被生長(zhǎng)，如曲靖市東南部、文山壯族苗族自治州東北部、百色市西北部。劣覆蓋度和無(wú)植被覆蓋主要分布于低海拔的建設(shè)用地區(qū)域，這部分區(qū)域坡度小，地形平坦，受人為活動(dòng)的影響較大，如南寧市、柳州市、桂林市、汕頭市、潮州市等地級(jí)市的城區(qū)，珠江三角洲的粵港澳大灣區(qū)。

圖2　珠江流域2000年—2020年植被覆蓋度分布格局

為了更加清晰地了解2000年—2020年各等級(jí)植被覆蓋度區(qū)域面積占比變化的情況，對(duì)2000年和2020年各等級(jí)植被覆蓋度進(jìn)行疊置分析后，得到2000年—2020年珠江流域植被覆蓋度變化空間轉(zhuǎn)移矩陣（見(jiàn)表2）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，2020年高覆蓋度、中覆蓋度和無(wú)植被覆蓋區(qū)域與2000年相比有所增加，其區(qū)域面積占比分別增加10.57%、8.42%和0.28%。剩余劣覆蓋度和低覆蓋度區(qū)域占比分別降低0.25%和19.02%。2000年低覆蓋度區(qū)域的轉(zhuǎn)出面積最大，占整個(gè)研究區(qū)面積的27.02%，其中大部分區(qū)域的植被由于生態(tài)環(huán)境的改善從低覆蓋度轉(zhuǎn)為中覆蓋度。

表2　珠江流域2000年—2020年植被覆蓋度變化空間轉(zhuǎn)移矩陣（單位：%）

利用Matlab 2019a軟件編程獲取2000年—2020年間逐像元一元線(xiàn)性回歸分析的斜率，并結(jié)合顯著性結(jié)果進(jìn)行重分類(lèi)，最終得到近21年來(lái)珠江流域植被覆蓋度變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖3）。從變化程度來(lái)看，珠江流域73.37%的區(qū)域植被覆蓋度的變化趨勢(shì)為基本保持穩(wěn)定。植被覆蓋度呈現(xiàn)改善趨勢(shì)的區(qū)域面積大于呈退化趨勢(shì)的區(qū)域面積，植被覆蓋度變化趨勢(shì)呈極顯著改善和顯著改善的面積占比分別為11.31%和11.03%；極顯著退化和顯著退化的面積占比分別為2.4%和1.88%。

圖3　珠江流域2000年—2020年植被覆蓋度變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

本研究基于GEE云平臺(tái)，在MODIS EVI數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，利用像元二分法模型估算了2000年—2020年珠江流域的植被覆蓋度，并采用一元線(xiàn)性回歸和空間轉(zhuǎn)移矩陣的方法探討近21年來(lái)珠江流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征，得出以下結(jié)論：

（1）在時(shí)間上，2000年—2020年珠江流域的植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，植被覆蓋率較高，處于0.529～0.589之間。

（2）在空間上，珠江流域植被覆蓋度空間上明顯呈西高東低的分布格局，植被覆蓋度呈改善趨勢(shì)的區(qū)域面積大于呈退化趨勢(shì)的區(qū)域面積。此外，研究區(qū)內(nèi)實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程后，大部分植被低覆蓋度區(qū)域改善變?yōu)橹脖恢懈采w度區(qū)域。

本文從時(shí)間和空間兩個(gè)角度分析珠江流域近21年來(lái)的植被覆蓋變化情況，在今后的研究中，將進(jìn)一步考慮自然因素和人為因素對(duì)植被覆蓋變化的影響，從而為珠江流域植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提出更加合理的治理和保護(hù)方案。

[1]陳寬,楊晨晨,白力嘎,等.基于地理探測(cè)器的內(nèi)蒙古自然和人為因素對(duì)植被NDVI變化的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2021,41(12):4963-4975.

[2]鄧元杰,姚順波,侯孟陽(yáng),等.長(zhǎng)江流域中上游植被NDVI時(shí)空變化及其地形分異效應(yīng)[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2020,29(1):66-78.

[3]丁永康,葉婷,陳康.基于地理探測(cè)器的滹沱河流域植被覆蓋時(shí)空變化與驅(qū)動(dòng)力分析[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文),2022,30(11):1737-1749.

[4]谷雷,岳彩榮,趙勛,等.基于Google Earth Engine的云南省1999—2018年植被覆蓋度變化分析[J].西部林業(yè)科學(xué),2020,49(5):74-80.

[5]廖成浩,曾艷,姚昆,等.江西植被EVI時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及驅(qū)動(dòng)因素分析[J].云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,44(5):981-989.

[6]伍宜丹,馬悅,吳浩然,等.基于MODIS-EVI指數(shù)的四川省植被指數(shù)時(shí)空演變特征及驅(qū)動(dòng)力[J].水土保持研究,2020,27(5):230-236,243,2.

[7]王行漢,叢沛桐,劉超群,等.2004—2013年珠江流域植被變化及其脅迫分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(19):6494-6503.

[8]王睿卿,蔣曉輝,聶桐.基于地理探測(cè)器的珠江流域NDVI時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力分析[J].人民珠江,2022,43(7):61-73.

[9]吳志勇,白博宇,何海,等.珠江流域1981—2020年水文干旱時(shí)空特征分析[J/OL].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版):1-10[2022-08-12].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1117.TV.20220812.1155.002.html.

[10]馮李.金沙江流域植被覆蓋度的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究[D].昆明:云南師范大學(xué),2021.

[11]朱林富,謝世友,楊華,等.基于MODIS-EVI的四川植被覆蓋地形分布特征[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,44(9):122-132.

[12]李亞楠.新疆2001-2020年NDVI時(shí)空特征及其對(duì)環(huán)境因子響應(yīng)研究[D].烏魯木齊:新疆大學(xué),2021.

[13]李美麗,尹禮昌,張園,等.基于MODIS-EVI的西南地區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因素研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2021,41(3):1138-1147.

10.3969/j.issn.2095-1205.2023.01.11

Q948

A

2095-1205(2023)01-34-04

馮建平（1995— ），男，漢族，四川宜賓人，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)橘Y源與環(huán)境遙感。