吳小伙

（福建省龍巖市基礎(chǔ)地理信息與測(cè)繪中心，福建 龍巖 364000）

1 概述

長(zhǎng)汀縣地處福建省西部山區(qū)丘陵，位于武夷山脈南麓，氣候溫潤(rùn)，雨量充沛，屬于南方亞熱帶紅壤丘陵土壤區(qū)[1]。由于紅壤易侵蝕性，氣候極端性以及人類高強(qiáng)度的開采活動(dòng)，長(zhǎng)汀縣曾成為我國(guó)土壤流失最嚴(yán)重的三大地區(qū)之一[2]。因此水土流失防治和植被覆蓋恢復(fù)一直是當(dāng)?shù)卣蜕鐣?huì)的核心政策。經(jīng)過(guò)幾十年的有效治理，長(zhǎng)汀縣已經(jīng)成為我國(guó)水土流失綜合治理的典范之一[3]。長(zhǎng)汀植被覆蓋度時(shí)空分布格局監(jiān)測(cè)及其潛在驅(qū)動(dòng)因素分析是當(dāng)前紅壤丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境研究的關(guān)注焦點(diǎn)。

本文基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE) 云計(jì)算平臺(tái)和多源遙感數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)汀縣及其鄉(xiāng)鎮(zhèn)1980-2020年植被覆蓋時(shí)空分布格局。此研究可以為探究植被覆蓋研究與水土流失防治、植樹造林和城鎮(zhèn)擴(kuò)張人類活動(dòng)之間的關(guān)系,以及其它類似區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要參考。

2 研究區(qū)概況

長(zhǎng)汀縣(116°00′ ～ 116°40′E, 25°18′ ～26°02′N) 位于福建省西南部，南鄰廣東省，西接江西省，是閩、粵、贛三省的重要樞紐。全縣總面積3 099 km2, 包括庵杰、策武、大同、古城、館前、河田、紅山、南山、三洲、四都、鐵長(zhǎng)、汀州、童坊、涂坊、新橋、宣成、羊牯、濯田十八個(gè)行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫和年降水量分別為18.3℃和1 730.4 mm，降雨量集中且強(qiáng)度大。區(qū)域土壤以抗侵蝕性低紅壤和赤紅壤為主。植被類型主要有馬尾松、低效林和灌叢、荒草坡等次生植被和人工植被。

3 數(shù)據(jù)介紹

本文共采用三套多源、多尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)(如表1 所示)，包括5-km AVHRR 衛(wèi)星地表反射率數(shù)據(jù)、500-m MODIS 衛(wèi)星地表反射率數(shù)據(jù)和30-m Landsat 地表反射率數(shù)據(jù)。為了獲取長(zhǎng)汀縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地理位置，本文同時(shí)使用了長(zhǎng)汀縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政矢量邊界數(shù)據(jù)集，見表1。

表1 衛(wèi)星傳感器參數(shù)設(shè)置

4 處理方法

如圖1 所示，本文的研究方法主要包括四個(gè)步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理、最大植被覆蓋度合成、時(shí)間變化趨勢(shì)和結(jié)果聚合分析。所有操作均基于谷歌地球引擎 (Google Earth Engine,GEE) 云計(jì)算平臺(tái)完成，具體步驟介紹如圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)容易受到大氣中云及云影的影響，導(dǎo)致衛(wèi)星觀測(cè)不能有效反映地表真實(shí)狀況。為了解決這一問(wèn)題，我們使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品自帶的質(zhì)量標(biāo)記剔除受到云和云影影響的像元。

4.2 最大植被覆蓋度合成。由于多源遙感衛(wèi)星具有不同時(shí)間觀測(cè)頻率，本文采用年內(nèi)最大歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI) 作為植被覆蓋度的指示因子。其中歸一化植被因子計(jì)算公式如下：

其中RefNIR和RefRed分別代表近紅外波段和紅光波段反射率。NDVI 范圍為-1 到1, 其中NDVI 值越接近于1 表明植被覆蓋度越高，反之NDVI 值越接近-1 表示植被覆蓋度越低。

4.3 時(shí)間變化趨勢(shì)。本文采用簡(jiǎn)單有效的一元線性回歸方法分析長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度的時(shí)間變化趨勢(shì)。為了消除年際變化的誤差，采用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)最大NDVI 距平作為時(shí)間趨勢(shì)分析的數(shù)據(jù)。最大NDVI 距平是指多年NDVI 觀測(cè)值與對(duì)應(yīng)觀測(cè)周期內(nèi)NDVI 多年平均值的差值，反映了NDVI 相對(duì)于多年平均值的波段情況，具體表達(dá)為：

其中N 表示年份數(shù)。

4.4 結(jié)果聚合分析?；谏鲜鋈齻€(gè)步驟得到的結(jié)果進(jìn)行長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度多年變化聚合分析，主要包括植被覆蓋度多年平均的多尺度空間分析、植被覆蓋度像元尺度變化趨勢(shì)的多尺度空間分析、縣級(jí)尺度植被覆蓋度區(qū)域平均多年變化趨勢(shì)分析和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度區(qū)域平均多年變化趨勢(shì)分析。其中縣級(jí)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度植被覆蓋度區(qū)域平均分析由縣級(jí)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政矢量邊界數(shù)據(jù)集與衛(wèi)星數(shù)據(jù)疊加分析得到。

5 結(jié)果與分析

5.1 植被覆蓋度空間分布特征

圖2 顯示了長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度空間分布。多源數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)一致的中間低-四周高的空間分布格局。其中大同、汀州、河田、策武、三洲和濯田六個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于工業(yè)化程度高，植被覆蓋度相對(duì)較低。其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于工業(yè)化程度較低，開發(fā)程度小，植被覆蓋度較高。同時(shí)多源遙感數(shù)據(jù)得到的結(jié)果具有一定差異，Landsat 空間分辨率，能夠很好捕捉鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)植被分布細(xì)節(jié)特征；MDOIS 空間分辨率居中，能夠捕捉鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度內(nèi)植被分布部分細(xì)節(jié)特征；AVHRR 空間分辨率最低，無(wú)法很好刻畫鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)植被分布細(xì)節(jié)特征。

圖2 基于多源遙感數(shù)據(jù)的長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度多年平均值空間分布

5.2 縣級(jí)尺度植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)分析

圖3 顯示了長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)空間分布特征。除了汀州、河田和策武三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈下降趨勢(shì)外，其它區(qū)域均植被覆蓋均隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。與多年平均植被覆蓋度空間分布特征相反，多年變化趨勢(shì)呈現(xiàn)中間高-四周低的空間分布格局。此結(jié)果表明在工業(yè)化的區(qū)域植被覆蓋恢復(fù)強(qiáng)度比其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)高，尤其是河田和濯田這兩個(gè)歷史上水土流失最嚴(yán)重鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)最快的恢復(fù)速度，也表明了當(dāng)?shù)卣嗄晁练乐魏蜕鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)的有效性。

圖3 基于多源遙感數(shù)據(jù)的長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)空間分布

圖4 顯示了縣級(jí)尺度植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)結(jié)果，多源數(shù)據(jù)均表明長(zhǎng)汀縣植被覆蓋度呈顯著性逐年上升趨勢(shì)。對(duì)比AVHRR 和Landsat 數(shù)據(jù)，可以看出,與空間分辨率較高的Landsat (回歸斜率為0.0046 year-1) 數(shù)據(jù)相比，分辨率較低的AVHRR 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的植被覆蓋度恢復(fù)較慢 (回歸斜率為0.0035 year-1)。

圖4 基于多源遙感數(shù)據(jù)的長(zhǎng)汀縣全縣植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)

5.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)分析

表2 顯示了鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)分析結(jié)果, 從表中可以看出除了位于縣城中心的汀州鎮(zhèn)，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)的植被覆蓋度均呈現(xiàn)顯著逐年上升趨勢(shì)。其中三洲鎮(zhèn)的植被覆蓋增加速度最快，AVHRR、MODIS 和Landsat 衛(wèi)星回歸斜率系數(shù)分別為0.0054、0.0089 和0.0098。河田鎮(zhèn)的植被覆蓋增加速度次之，回歸系數(shù)分別為0.0043、0.0058和0.0070。古城鎮(zhèn)的植被覆蓋增加速度最慢，回歸系數(shù)分別為0.0021、0.0025 和0.0038。汀州鎮(zhèn)的植被覆蓋呈下降趨勢(shì)，回歸系數(shù)為0.0015、-0.0001 和-0.0026。

表2 長(zhǎng)汀縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)回歸系數(shù)

6 結(jié)論與討論

通過(guò)GEE 云計(jì)算平臺(tái)和多源衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間系列觀測(cè)，本文對(duì)長(zhǎng)汀縣縣級(jí)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)近40 年植被覆蓋度時(shí)空分布格局進(jìn)行多尺度分析，主要發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)結(jié)論：

6.1 植被覆蓋度空間分布上，大同、汀州、河田、策武、三洲和濯田六個(gè)工業(yè)化程度高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，植被覆蓋度低。其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)化程度低，植被覆蓋度高。

6.2 植被覆蓋度多年變化趨勢(shì)，縣級(jí)尺度上，植被覆蓋度呈顯著增加趨勢(shì)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，除了汀州鎮(zhèn)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均呈顯著增加趨勢(shì)，且增加強(qiáng)度各異。其中三洲鎮(zhèn)植被覆蓋度增加速度最快，河田鎮(zhèn)次之，土城鎮(zhèn)增加趨勢(shì)最緩慢。