孫灝，阮琳，郭航，徐丹，孫中平

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918；3.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

0 引言

生態(tài)用地比例是指評(píng)價(jià)區(qū)域綠地、水域濕地和耕地面積占評(píng)價(jià)區(qū)域總面積的比例，是衡量生態(tài)系統(tǒng)宏觀構(gòu)成性能的重要指標(biāo)，也是《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要參數(shù)[1]。寧夏沿黃城市帶是以地緣相近、交通便利、經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)度較高的銀川市為中心，石嘴山、吳忠、中衛(wèi)三個(gè)地級(jí)市為主干，形成大中小城市相結(jié)合呈帶狀分布的城鎮(zhèn)集合體，是寧夏城鎮(zhèn)分布最密集、生產(chǎn)力要素最活躍的區(qū)域，也是寧夏經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的精華地帶。然而，工業(yè)化和城市化帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也可能引發(fā)諸多生態(tài)環(huán)境問題[2-5]。定量評(píng)價(jià)與分析寧夏沿黃城市帶的生態(tài)用地比例變化，有助于科學(xué)地揭示沿黃城市帶已經(jīng)和可能引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，為寧夏可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供重要的輔助決策資料。

目前，遙感技術(shù)已成為獲取生態(tài)用地比例的重要手段[6-7]。其中，基于現(xiàn)有土地覆蓋類型遙感產(chǎn)品計(jì)算生態(tài)用地比例，無需進(jìn)行初始的分類操作，產(chǎn)品已經(jīng)過嚴(yán)格的精度驗(yàn)證，能避免主觀誤差，且具有較為完善的分類體系，為大范圍生態(tài)用地比例的獲取提供了有利條件。然而，土地覆蓋類型產(chǎn)品多式多樣，且數(shù)據(jù)來源、制作原理等有著明顯差異[8-10]，致使基于典型土地覆蓋類型產(chǎn)品計(jì)算生態(tài)用地比例時(shí)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一。同時(shí)，分類系統(tǒng)的不同、語義分辨率的差異，也會(huì)導(dǎo)致各土地覆蓋類型產(chǎn)品的不同土地覆蓋類型間存在混淆，缺乏詳細(xì)的一致性分析等問題[11-15]。另外，鮮有研究利用全球土地覆蓋類型產(chǎn)品，定量評(píng)價(jià)與分析寧夏沿黃城市帶的生態(tài)用地比例變化。

本文選取四種典型的全球土地覆蓋類型產(chǎn)品，即MODIS-MCD12Q1[16]、GLOBCOVER[17-18]、GLOBELAND30[19-20]，以及FROM-GLC(finer resolution observation and monitoring of global land cover)[21-22]，從生態(tài)用地角度將土地覆蓋類型進(jìn)行重分類，在統(tǒng)一分類體系下設(shè)計(jì)生態(tài)用地比例計(jì)算方法。并針對(duì)寧夏沿黃城市帶，從單個(gè)土地覆蓋類別以及總體生態(tài)用地角度，定量分析了四種典型產(chǎn)品的相對(duì)一致性。在此基礎(chǔ)上，選擇時(shí)間連續(xù)性較好的MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品，利用曼-肯德爾法非參檢驗(yàn)(Mann-Kendall，M-K)、森氏斜率估計(jì)(Sen’s slope)、赫斯特指數(shù)(Hurts)等時(shí)間序列分析技術(shù)，分析寧夏沿黃城市帶近20年生態(tài)用地比例的演變過程和趨勢(shì)，以期為寧夏沿黃城市帶的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，也為其他生態(tài)環(huán)境問題研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏沿黃城市帶地處黃河中上游引黃灌區(qū)(104°22′E～107°50′E，36°43′N～39°22′N)，屬干旱半干旱氣候，年均氣溫5～9 ℃，年降水180～680 mm，是生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究的典型區(qū)域[23]。圖1為寧夏沿黃城市帶各區(qū)縣空間分布圖，圖中背景為2010年MODIS土地覆蓋類型產(chǎn)品MCD12Q1數(shù)據(jù)信息，采用IGBP分類系統(tǒng)[24]，空間分辨率為500 m。

注：該圖基于寧夏地理信息公共服務(wù)平臺(tái)下載的審圖號(hào)為寧S[2019]第018號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖1 研究區(qū)域空間分布圖

1.2 典型土地覆蓋類型遙感產(chǎn)品

四種典型土地覆蓋類型遙感產(chǎn)品的基本信息如表1所示，其中MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品提供了2001—2017年，每年一幅空間分辨率為500 m的影像，具有良好的時(shí)序性。它是基于決策樹的監(jiān)督分類方法，并借助先驗(yàn)知識(shí)和輔助信息做后續(xù)處理完成的分類。GLOBCOVER是歐洲空間局通過全球合作，利用ENVISAT/MERIS數(shù)據(jù)，采用非監(jiān)督分類方法生產(chǎn)而成。GLOBELAND30是首批分辨率達(dá)到30 m的土地覆蓋產(chǎn)品之一，它是利用Landsat TM、ETM+數(shù)據(jù)和中國(guó)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1)多光譜影像，結(jié)合大量輔助信息(全球MODIS NDVI年序數(shù)據(jù)、全球DEM數(shù)據(jù)等)，基于“像元-對(duì)象-知識(shí)”POK方法制作而成，并委托第三方進(jìn)行精度評(píng)估。GLOBELAND30-2010數(shù)據(jù)的總體精度為83.51%，Kappa系數(shù)為0.78，具有很高可靠性和可信度。FROM-GLC是利用TM和ETM+數(shù)據(jù)，采用最大似然分類器、J4.8決策樹分類器、隨機(jī)森林分類器和支持向量機(jī)分類器四種分類器，最終合成全球30 m分辨率土地覆蓋圖。

表1 四種土地覆蓋類型產(chǎn)品概要信息

1.3 生態(tài)用地比例計(jì)算

1)土地覆蓋類型產(chǎn)品預(yù)處理。使用MRT工具將MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品在WGS-1984坐標(biāo)系下按UTM Zone 48N投影成空間分辨率480 m的影像。以MODIS-MCD12Q1為準(zhǔn)，將GLOBCOVER、GLOBELAND30、FROM-GLC轉(zhuǎn)換成相同坐標(biāo)系。應(yīng)用最近鄰采樣，將GLOBCOVER聚合到480 m，利用眾數(shù)聚合，將GLOBELAND30和FROM-GLC聚合到480 m。

為能在同一分類基準(zhǔn)下比較四類數(shù)據(jù)產(chǎn)品，從生態(tài)用地角度出發(fā)，對(duì)地物類型進(jìn)行歸并[25]。歸并后共六類，分別為：自然植被、耕地、自然植被與耕地鑲嵌體、濕地、水域以及非生態(tài)用地。表2為歸并后類別與歸并前類別編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 統(tǒng)一分類系統(tǒng)后分類編碼信息

2)一致性分析。MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品具有良好的時(shí)序性，故本文以其為參考數(shù)據(jù)，對(duì)GLOBCOVER、GLOBELAND30、FROM-GLC產(chǎn)品從面積一致性、空間位置一致性兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比[26]。面積一致性方面，主要對(duì)比分析各類別的面積占比。空間一致性方面，將土地覆蓋類別進(jìn)一步聚合為生態(tài)用地(E)和非生態(tài)用地(NE)，經(jīng)過疊加分析生成四種數(shù)據(jù)類別，即E-E、E-NE、NE-E、NE-NE，最后運(yùn)用式(1)計(jì)算四類產(chǎn)品的空間相似系數(shù)[27]。

(1)

式中：O代表空間相似系數(shù)；A代表E-E像元總數(shù)；B代表E-NE像元總數(shù)；C代表NE-E像元總數(shù)。

3)生態(tài)用地比例計(jì)算。依據(jù)生態(tài)用地比例定義，可將自然植被、耕地、自然植被/耕地鑲嵌體、濕地、水域歸入生態(tài)用地，得到式(2)。

(2)

式中：E為生態(tài)用地比例；X為生態(tài)用地的像元數(shù)目總和；Y為研究區(qū)范圍內(nèi)有效像元數(shù)目的總數(shù)(不包含無數(shù)據(jù)的像元)。為分析生態(tài)用地比例的時(shí)空演變趨勢(shì)，研究使用了Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、Sen’s 斜率估計(jì)以及Hurts指數(shù)分析[28-29]。

2 結(jié)果

2.1 不同土地覆蓋類型產(chǎn)品的面積一致性

圖2對(duì)各產(chǎn)品土地覆蓋類型面積占比進(jìn)行展示。與同期MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品相比，各產(chǎn)品在自然植被、耕地、自然植被/耕地鑲嵌體、濕地、水域、非生態(tài)用地的差異值為：GLOBCOVER-2005為-57.75%、-11.81%、23.26%、-0.07%、0.18%、46.19%；GLOBELAND30-2010為-22.49%、13.88%、0.0%、0.06%、1.17%、7.38%；FROM-GLC為-38.55%、1.99%、0%、-0.08%、2.31%、34.33%(2015年)，-44.93%、4.31%、0%、0.05%、0.9%、39.67%(2017年)。結(jié)果表明，其主要差異均體現(xiàn)在自然植被和非生態(tài)用地類型層面，MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品中大多數(shù)被識(shí)別為自然植被類型(草地)的像元，在其他產(chǎn)品中被分為非生態(tài)用地類型(裸地)，是這一差異的主要原因。

圖2 各產(chǎn)品與MCD12Q1產(chǎn)品土地覆蓋類型面積占比

自然植被、耕地、濕地以及水體間的相互錯(cuò)分并不會(huì)引起生態(tài)用地比例計(jì)算的誤差，故將土地類型進(jìn)一步歸并為生態(tài)用地和非生態(tài)用地2種類型，從而更為直觀地反映各產(chǎn)品在生態(tài)用地比例計(jì)算方面的差異。圖3是基于每種產(chǎn)品生對(duì)態(tài)用地比例的統(tǒng)計(jì)，與同期MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品相比，生態(tài)用地比例差異值：GLOBCOVER-2005為-46%；GLOBELAND30-2010為-7%，具有最高一致性；FROM-GLC為-34%(2015年)、-40%(2017年)。寧夏沿黃城市帶區(qū)域，稀疏草地分布較廣，各產(chǎn)品對(duì)裸地和草地判別標(biāo)準(zhǔn)的不同是產(chǎn)生差異的主要原因。

圖3 不同年份產(chǎn)品間生態(tài)用地面積占比

2.2 不同土地覆蓋類型產(chǎn)品的空間一致性

圖4為三種典型土地覆蓋產(chǎn)品與同期MODIS-MCD12Q1空間一致性空間分布圖，其中E-E代表類別一致，E-NE和NE-E代表兩類產(chǎn)品在該處類別不一致。該圖表明，MODIS-MCD12Q1與GLOBELAND30在統(tǒng)計(jì)生態(tài)用地和非生態(tài)用地方面的空間一致性較高。表3統(tǒng)計(jì)了三種土地覆蓋產(chǎn)品(GLOBECOVER、GLOBELAND30以及FROM-GLC)與同期MCD12Q1產(chǎn)品生態(tài)用地總體空間相似系數(shù)。結(jié)果表明：FROM-GLC產(chǎn)品在2015、2017年，相似系數(shù)分別為60.93%、56.40%；GLOBELAND30-2010數(shù)據(jù)產(chǎn)品與MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品相比，生態(tài)用地總體相似系數(shù)高達(dá)85.07%，具有較高的契合度。GLOBECOVER與MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品的相似系數(shù)最低，僅為44.57%。

注：該圖基于寧夏地理信息公共服務(wù)平臺(tái)下載的審圖號(hào)為寧S[2019]第018號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖4 空間一致性分析(E為生態(tài)用地;NE為非生態(tài)用地)

表3 三種全球土地覆蓋產(chǎn)品與同期MCD12Q1產(chǎn)品生態(tài)用地總體空間相似性 %

2.3 寧夏沿黃城市帶生態(tài)用地比例演變趨勢(shì)分析

通過不同產(chǎn)品間的一致性分析可知，MODIS-MCD12Q1與高分辨率產(chǎn)品GLOBELAND30-2010有較高的一致性。其中，GLOBELAND30-2010數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)第三方評(píng)價(jià)，具有很好的精度保證，間接驗(yàn)證了MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品的精度和可靠性。同時(shí)，MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品具有良好的時(shí)間連續(xù)性，適宜于長(zhǎng)時(shí)間序列的研究分析。故本文基于MODIS-MCD12Q1土地覆蓋產(chǎn)品，以寧夏沿黃城市帶為例，探究生態(tài)用地比例的演變過程。

從圖5可以看出，寧夏沿黃城市帶生態(tài)用地比例主要分為三種趨勢(shì)類型，即增長(zhǎng)型、波動(dòng)型、縮減型。大部分地區(qū)生態(tài)用地比例呈明顯上升趨勢(shì)，屬增長(zhǎng)型，如惠農(nóng)縣、大武口區(qū)；部分區(qū)縣生態(tài)用地比例無明顯變化趨勢(shì)，屬波動(dòng)型，如中寧縣、賀蘭縣；金鳳區(qū)、西夏區(qū)兩個(gè)區(qū)生態(tài)用地比例呈持續(xù)減少趨勢(shì)，屬縮減型。但寧夏沿黃城市帶整體上呈明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖5 研究區(qū)域生態(tài)用地比例時(shí)間序列圖

對(duì)寧夏沿黃城市帶2001—2017年的生態(tài)用地比例進(jìn)行時(shí)間上的趨勢(shì)顯著性分析和定量變化率估計(jì)，如圖6所示。結(jié)果表明：1)非參檢驗(yàn)角度，除金鳳區(qū)和西夏區(qū)生態(tài)用地比例呈下降趨勢(shì)外，其余地區(qū)生態(tài)用地比例均呈上升趨勢(shì)。金鳳區(qū)和西夏區(qū)M-K趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量絕對(duì)值均大于2.32，表明其下降趨勢(shì)通過99%的顯著性檢驗(yàn)，即呈極顯著減少趨勢(shì)；生態(tài)用地比例趨勢(shì)上升的所有地區(qū)中只有大武口區(qū)和利通區(qū)的M-K趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量不滿足99%的顯著性檢驗(yàn)，但其絕對(duì)值也大于1.64，通過了95%的顯著性檢驗(yàn)，即呈顯著增加趨勢(shì)。2)Sen’s斜率估計(jì)中，僅有金鳳區(qū)和西夏區(qū)的估計(jì)量小于零，其他區(qū)縣及研究區(qū)整體生態(tài)用地比例的估計(jì)量均大于零，即研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)生態(tài)用地比例都呈上升趨勢(shì)，金鳳區(qū)和西夏區(qū)生態(tài)用地比例呈下降趨勢(shì)；惠農(nóng)區(qū)估計(jì)值最大，表明惠農(nóng)區(qū)生態(tài)用地比例增大趨勢(shì)最明顯。

圖6 研究區(qū)域生態(tài)用地比例時(shí)間序列分析結(jié)果

圖7為M-K統(tǒng)計(jì)量和Sen’s斜率估計(jì)空間分布圖，更直觀地展現(xiàn)寧夏沿黃城市帶核心區(qū)域生態(tài)用地比例近20年的變化趨勢(shì)及速率。

注：該圖基于寧夏地理信息公共服務(wù)平臺(tái)下載的審圖號(hào)為寧S[2019]第018號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖7 研究區(qū)域生態(tài)用地比例時(shí)間序列分析結(jié)果空間分布圖

3 討論

Hurst指數(shù)可以定量刻畫時(shí)間序列發(fā)展趨勢(shì)的持續(xù)性或反持續(xù)性強(qiáng)弱程度[30-31]，Hurst指數(shù)值為0.5表示序列為獨(dú)立同分布的隨機(jī)序列，屬于布朗運(yùn)動(dòng)，即現(xiàn)在不會(huì)影響未來；大于0.5表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)具有持續(xù)性；小于0.5表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)具有反持續(xù)性。本文選擇Hurst指數(shù)定量描述研究區(qū)生態(tài)用地比例的持續(xù)性或反持續(xù)性強(qiáng)度，結(jié)果如圖8所示。

注：圖(b)基于寧夏地理信息公共服務(wù)平臺(tái)下載的審圖號(hào)為寧S[2019]第018號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。圖8 研究區(qū)域生態(tài)用地比例Hurst指數(shù)及其空間分布圖

圖8表明，除西夏區(qū)外其余各區(qū)和研究區(qū)整體的生態(tài)用地比例序列Hurst指數(shù)均大于0.80，表明這些區(qū)縣生態(tài)用地比例時(shí)間序列變化趨勢(shì)持續(xù)性很強(qiáng)，即金鳳區(qū)將保持其下降趨勢(shì)，其他區(qū)縣將保持上升趨勢(shì)。西夏區(qū)Hurst指數(shù)也達(dá)到了0.75以上，表明其持續(xù)性也較強(qiáng)，也將繼續(xù)保持下降趨勢(shì)。

圖9為基于MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品的土地覆蓋類型變化圖。可以看出：寧夏沿黃城市帶自然植被類型在2006年之前呈微弱下降、之后呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；耕地先呈緩慢增加，后趨于變化穩(wěn)定的趨勢(shì)；裸地類型占比在2006年之后先迅速下降，后趨于穩(wěn)定；建設(shè)用地則逐年穩(wěn)步增加。該圖表明寧夏沿黃城市帶發(fā)展過程中建設(shè)用地的增加主要來源于裸地覆蓋類型的減少，并未以破壞生態(tài)用地為代價(jià)，因此研究區(qū)整體生態(tài)用地比例呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。

圖9 研究區(qū)域主要土地覆蓋類型變化分析圖

4 結(jié)束語

本文比較分析了MODIS-MCD12Q1、GLOBCOVER、GLOBELAND30和FROM-GLC四種典型全球土地覆蓋產(chǎn)品的相對(duì)一致性。基于MODIS-MCD12Q1運(yùn)用M-K非參檢驗(yàn)、Sen’s斜率估計(jì)以及Hurst指數(shù)分析了寧夏沿黃城市帶近20年生態(tài)用地比例演變過程和趨勢(shì)，結(jié)論如下。

1)從生態(tài)用地角度，MODIS-MCD12Q1產(chǎn)品與GLOBELAND30-2010數(shù)據(jù)產(chǎn)品面積差異僅為-7.38%，空間相似系數(shù)為85.07%，一致性程度最高；MODIS-MCD12Q1與FROM-GLC產(chǎn)品的一致性次之，與GLOBCOVER產(chǎn)品的一致性最低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，各產(chǎn)品在寧夏沿黃城市帶的差異主要源于草地和裸地間的混淆。

2)M-K非參檢驗(yàn)和Sen’s斜率估計(jì)結(jié)果表明，2001—2017年，寧夏沿黃城市帶除金鳳區(qū)和西夏區(qū)生態(tài)用地比例呈下降趨勢(shì)外，其余區(qū)縣均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)或在小范圍內(nèi)波動(dòng)，研究區(qū)總體呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。Hurst指數(shù)表明，各區(qū)趨勢(shì)具有強(qiáng)、很強(qiáng)的持續(xù)性。通過對(duì)自然植被、耕地、建設(shè)用地以及裸地類型面積占比的趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)總體生態(tài)用地比例增長(zhǎng)趨勢(shì)主要來源于自然植被和耕地的增加以及裸地類型的減少，建設(shè)用地的增加并未導(dǎo)致整體生態(tài)用地比例的減少。

雖然建設(shè)用地逐漸擴(kuò)張有可能侵占生態(tài)用地，但通過生態(tài)環(huán)境綜合治理(如對(duì)裸地等非生態(tài)用地綠化改造)，可維持整體生態(tài)用地比例的穩(wěn)定，為寧夏沿黃城市帶可持續(xù)發(fā)展提供保障。