朱林富

（樂山師范學(xué)院 旅游學(xué)院，四川 樂山 614004）

0 引言

植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)中起著十分重要的作用[1-2]，植被覆蓋狀況對生態(tài)環(huán)境具有很好的指示作用[2-4]，其景觀格局則反映了植被覆蓋的空間分布及其在環(huán)境異質(zhì)性和干擾狀況綜合控制下的變化特征[5]。四川是長江上游重要的生態(tài)屏障，對三峽庫區(qū)以及長江下游的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)安全至關(guān)重要[6-8]。長期以來的資源不合理利用、毀林開墾、過度放牧等導(dǎo)致了植被覆蓋被破壞、水土流失、局部生態(tài)環(huán)境惡化、自然災(zāi)害頻發(fā)等生態(tài)環(huán)境問題[2-3,8]。為了保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展，國家和地方政府積極推進新一輪退耕還林、退牧還草、天然林資源保護等一系列植被恢復(fù)工程[2-3]。

植被覆蓋度的監(jiān)測與評價是生態(tài)環(huán)境保護與植被恢復(fù)的重要內(nèi)容之一。遙感技術(shù)克服了傳統(tǒng)的地面測量區(qū)域小、費時費力、局限大、難推廣等缺點，使大范圍的植被覆蓋度監(jiān)測成為可能。Google Earth Engine（GEE）是目前世界上最先進的全球衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取、計算、分析與處理的云平臺，在獲取全球范圍遙感數(shù)據(jù)及大型地理空間數(shù)據(jù)方面具有非常大的優(yōu)勢[9-11]。MODIS（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀）是目前世界上新一代的“圖譜合一”光學(xué)遙感儀器，光譜和時間分辨率高，可以及時提供地表的植被、水體、溫度等特征信息。歸一化植被指數(shù)（NDVI）和增強型植被指數(shù)（EVI）是MODIS 數(shù)據(jù)中反映植被覆蓋狀況的主要產(chǎn)品。相比于NDVI，EVI 經(jīng)過了大氣和土壤背景校正[12-13]，并改進了合成算法[13-14]，克服了NDVI 易飽和的問題[7,14-18]，不僅能更好地反映高覆蓋區(qū)域的植被狀況[13-14,19]，還能對低覆蓋區(qū)域的植被具有較好的區(qū)分能力[13,20-22]。

四川地形地貌復(fù)雜，植被類型多樣，生態(tài)環(huán)境異質(zhì)性高，是全球氣候變化敏感區(qū)[2,23]。目前，關(guān)于植被的研究主要集中在NDVI 時空變化特征[6,8-9,23-25]以及與氣候[1,4,7-8,23-27]、地形[1,7,28]等因子之間的關(guān)系，而選取EVI 計算植被覆蓋度并采用景觀格局指數(shù)來分析植被覆蓋空間格局特征的研究還較少[5,29]。本文借助于GEE 平臺，以MODIS-EVI 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用GIS 技術(shù)結(jié)合像元二分模型和景觀格局指數(shù)分析四川省2000—2020 年植被覆蓋度的景觀格局特征，從而揭示其植被覆蓋的空間分布規(guī)律，有助于從宏觀上了解區(qū)域植被覆蓋變化狀況，以期為四川省生態(tài)植被恢復(fù)和持續(xù)健康發(fā)展提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

四川地處中國西南、長江上游，92°21′～108°12′E、26°03′～34°19′N，東西長約1075 km，南北寬約900 km。東連重慶，南鄰云南、貴州，西銜西藏，北界陜西、甘肅、青海，面積48.6×104km2。

四川處于青藏高原和長江中下游平原的過渡帶，高差懸殊，地形復(fù)雜多樣，地貌東西差異大。西部為高原、山地，海拔多在4000 m 以上；東部為盆地、丘陵，海拔多在1 000～3 000 m 之間。氣候主要為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候和高寒氣候，垂直地帶性顯著。植被類型豐富多樣，主要有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠和落葉混交林、溫帶針闊混交林、寒帶針葉林、高山草甸等。

四川城鄉(xiāng)和區(qū)域差異大，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護矛盾較為突出。在“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略下，四川省提出了成都平原經(jīng)濟區(qū)、川西北生態(tài)示范區(qū)、川東北經(jīng)濟區(qū)、攀西經(jīng)濟區(qū)和川南經(jīng)濟區(qū)等五大經(jīng)濟區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展的思路。成都平原經(jīng)濟區(qū)包括成都、德陽、綿陽、樂山、眉山、資陽、遂寧和雅安，將建設(shè)全面創(chuàng)新改革試驗的先導(dǎo)區(qū)；川西北生態(tài)示范區(qū)包括甘孜州和阿壩州，將建設(shè)國家生態(tài)文明建設(shè)先行示范區(qū)；川東北經(jīng)濟區(qū)包括廣元、南充、廣安、達州和巴中，將打造成川渝陜甘結(jié)合部的區(qū)域經(jīng)濟中心；攀西經(jīng)濟區(qū)包括攀枝花市和涼山州，將建設(shè)國家級戰(zhàn)略資源創(chuàng)新開發(fā)試驗區(qū)；川南經(jīng)濟區(qū)包括自貢、瀘州、內(nèi)江和宜賓，將建設(shè)多中心城市群一體化發(fā)展試驗區(qū)和國家重要的先進制造業(yè)基地。

圖1 四川省五大經(jīng)濟區(qū)域分布圖

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的四川省矢量范圍來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心2015 年中國地市行政邊界數(shù)據(jù)，shape 格式，Krasovsky_1940_Albers投影。在ArcGIS10.8 軟件中提取四川省地市（州）范圍，并轉(zhuǎn)換為GCS_WGS_1984 投影。

MODIS-EVI 數(shù)據(jù)來源于GEE 云平臺。通過GEE 云平臺，調(diào)用JavaScript API，上傳四川省矢量范圍，在線裁剪、重投影并采用最大值合成法獲取2000 年和2020 年MOD13Q1 的EVI 數(shù)據(jù)，GCS_WGS_1984 投影，250 m 空間分辨率，將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Google Drive，再下載到本地進行計算和處理。

2.2 像元二分模型

像元二分模型的基本原理是假設(shè)遙感傳感器觀測到的圖像光譜信息（EVI）是由植被光譜信息（EVIveg）和非植被光譜信息（EVIsoil）兩部分一元線性加權(quán)合成，其權(quán)重就是各自的面積在像元面積中所占的比例[30-32]。假設(shè)某一像元中植被的面積所占比例為F，即植被覆蓋度，則非植被覆蓋的面積比例為1-F，那植被覆蓋度的計算公式[33]如下：

其中，EVIveg包含了植被的類型和結(jié)構(gòu)等信息，EVIsoil包含了土壤等的類型、顏色和濕度等非植被信息。在復(fù)雜的地表環(huán)境下，EVIveg和EVIsoil會隨時間和空間的變化而變化。本研究選取像元數(shù)累計百分比0.5%的為純非植被像元值，99.5%的為純植被像元值。像元二分模型的參數(shù)含義明確，在很大程度上削弱了大氣、土壤以及植被類型和結(jié)構(gòu)的影響，不受區(qū)域限制，容易推廣使用[30,34]。

為了便于數(shù)據(jù)分析，參考相關(guān)研究[2]，將植被覆蓋度劃分為無植被覆蓋（≤5%）、劣覆蓋度（5%～30%）、低覆蓋度（30%～50%）、中覆蓋度（50%～70%）、高覆蓋度（＞70%）5 種類型。

圖2 四川省2000 年和2020 年植被覆蓋度空間分布

2.3 景觀格局指數(shù)

景觀格局的分析通常采用景觀指數(shù)進行描述，可以定量分析景觀斑塊特征、破碎化特征、多樣性特征等[5,29]。本研究中各景觀格局指數(shù)的計算采用Fragstats4.2.1 軟件，選取的景觀格局指數(shù)共9 種：

a）斑塊數(shù)目。斑塊數(shù)目（Number of Patches，NP）是指一個景觀中的斑塊數(shù)量，是景觀異質(zhì)性的簡單描述，其值N ≥1，當(dāng)N=1 時，說明整個景觀由一個斑塊組成。

b）斑塊所占景觀面積比例。斑塊所占景觀面積比例（Percentage of Landscape，PLAND）指的是不同斑塊類型占整個景觀的面積比，反映的是各斑塊類型的比重。

c）斑塊密度。斑塊密度（Patch Density，PD）是指景觀單位面積上的斑塊數(shù)量，反映的是破碎化程度，密度越大，景觀的破碎化程度越嚴(yán)重。

d）最大斑塊指數(shù)。最大斑塊指數(shù)（Largest Patch Index，LPI）是指景觀中最大斑塊的面積與整個景觀面積的比例，是對優(yōu)勢度的簡單度量，其值0 ＜LPI ≤100，當(dāng)LPI 接近0 時，說明最大斑塊面積越來越小，優(yōu)勢度越不明顯。

e）形狀指數(shù)。形狀指數(shù)（Land Shape Index，LSI）是指景觀斑塊形狀的不規(guī)則情況，其值LSI ≥1，當(dāng)LSI ＝1 時，說明景觀中只有一個斑塊且形狀規(guī)則，當(dāng)邊緣的不規(guī)則化加劇，其值逐漸變大。

f）蔓延度。蔓延度（Contagion，CONTAG）是指斑塊類型在空間分布上的連接或延展趨勢，反映了不同斑塊類型之間的連通性及其混合狀況，其值0 ＜CONTAG ≤100，當(dāng)景觀中所有的斑塊類型最大程度地間斷分布時，其值趨于0。

g）聚集度指數(shù)。聚集度指數(shù)（Aggregation Index，AI）是指景觀斑塊的鄰近度和聚集程度，當(dāng)景觀中同一類型的斑塊的離散分布達到最大化時，其值為0，而當(dāng)同一類型的斑塊聚合在一起，成為一個結(jié)構(gòu)緊湊的單獨斑塊時，其值為100。

h）多樣性指數(shù)。多樣性指數(shù)（Shannon' s Diversity Index，SHDI）是景觀中斑塊類型的豐富性、多樣化程度。當(dāng)景觀中的斑塊類型數(shù)增加以及面積的均衡化，其值也逐漸增大。

i）均勻度指數(shù)。均勻度指數(shù)（Shannon' s Evenness Index，SHEI）指的是景觀中不同斑塊類型的面積的均勻程度，反映的是不同斑塊類型的面積比重均衡度，其值0 ≤SHEI ≤1。當(dāng)景觀中不同斑塊類型的面積比重平衡程度增加，其值就接近于1。

3 結(jié)果與分析

2000—2020 年，在景觀水平上（見表1），四川植被覆蓋的NP、PD、LPI、CONTAG、AI 在降低，說明植被覆蓋破碎度在減小、最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性減弱；LSI、SHDI、SHEI 在增加，說明復(fù)雜性、多樣性和均勻性在增強。

表1 四川省植被覆蓋景觀水平格局指數(shù)

在類型水平上（見表2），劣覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI、AI 均在降低，說明劣覆蓋度的面積在減少、破碎度減小、形狀簡單化、聚集性減弱。低覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI在增加，LPI、AI 在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復(fù)雜化，最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。

表2 四川省植被覆蓋類型水平格局指數(shù)

3.1 成都平原經(jīng)濟區(qū)

2000—2020 年，在景觀水平上（見表3），成都平原經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋的NP、PD、LPI、CONTAG、AI 在降低，LSI、SHDI、SHEI 在增加，說明植被覆蓋破碎度在減小，最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性減弱，復(fù)雜性、多樣性和均勻性增強。

表3 成都平原經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋景觀水平格局指數(shù)

在類型水平上（見表4），劣覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI、AI 均在增加，說明劣覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、LPI、LSI、AI 在增加，NP、PD 在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI 在降低，LPI、AI 在增加，說明高覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀簡單化，最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。

表4 成都平原經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋類型水平格局指數(shù)

3.2 川西北生態(tài)示范區(qū)

2000—2020 年，在景觀水平上（見表5），川西北生態(tài)示范區(qū)植被覆蓋的NP、PD、LSI 在增加，LPI、CONTAG、SHDI、AI 在減少，說明植被覆蓋破碎度在加大、形狀復(fù)雜化，最大斑塊優(yōu)勢、連通性、多樣性和聚集性在減弱。

表5 川西北生態(tài)示范區(qū)植被覆蓋景觀水平格局指數(shù)

在類型水平上（見表6），劣覆蓋度的PLAND、AI 在降低，NP、PD、LPI、LSI 在增加，說明劣覆蓋度的面積在減少、聚集性減弱，破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢增強。低覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI 在增加，LPI、AI在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復(fù)雜化，最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI、AI 均在增加，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。

表6 川西北生態(tài)示范區(qū)植被覆蓋類型水平格局指數(shù)

3.3 川東北經(jīng)濟區(qū)

2000—2020 年，在景觀水平上（見表7），川東北經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋的NP、PD、LPI、LSI、CONTAG 在降低，SHDI、SHEI、AI 在增加，說明植被覆蓋破碎度在減小、最大斑塊優(yōu)勢減弱、形狀簡單化、連通性降低，多樣性、均勻性和聚集性增強。

表7 川東北經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋景觀水平格局指數(shù)

在類型水平上（見表8），劣覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明劣覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI 在降低，AI 在增加，說明低覆蓋度的面積在減少、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優(yōu)勢減弱、聚集性在增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、LSI、AI 在降低，NP、PD 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀簡單化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。

表8 川東北經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋類型水平格局指數(shù)

3.4 攀西經(jīng)濟區(qū)

2000—2020 年，在景觀水平上（見表9），攀西經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋的NP、PD、LSI、SHDI、SHEI 在降低，LPI、CONTAG、AI 在增加，說明植被覆蓋破碎度在減小、形狀簡單化、多樣性和均勻性減弱，最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性增強。

表9 攀西經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋景觀水平格局指數(shù)

在類型水平上（見表10），劣覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI 在降低，AI 在增加，說明劣覆蓋度的面積減少、破碎度減小、形狀簡單化，聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、LPI、LSI、AI 在降低，NP、PD 在增加，說明低覆蓋度的面積減少、破碎度加大、形狀簡單化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明中覆蓋度的面積增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI、AI 在增加，LPI 在降低，說明高覆蓋度的面積增加、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、聚集性增強，最大斑塊優(yōu)勢減弱。

表10 攀西經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋類型水平格局指數(shù)

3.5 川南經(jīng)濟區(qū)

2000—2020 年，在景觀水平上（見表11），川南經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋的NP、PD、LSI、SHDI、SHEI 在增加，LPI、CONTAG、AI 在降低，說明植被覆蓋破碎度加大、形狀復(fù)雜化、多樣性和均勻性增強，最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性減弱。

表11 川南經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋景觀水平格局指數(shù)

在類型水平上（見表12），劣覆蓋度的PLAND、LSI、AI 在增加，說明劣覆蓋度的面積在增加、形狀復(fù)雜化、聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI、AI 均在增加，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢和聚集性增強。

表12 川南經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋類型水平格局指數(shù)

4 結(jié)論

本研究借助于Google Earth Engine 云平臺，以MODIS-EVI 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用像元二分模型和景觀格局指數(shù)分析了四川省2000—2020 年的植被覆蓋度景觀格局特征。總體上，四川省植被覆蓋破碎度在減小、形狀復(fù)雜化，最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性減弱，多樣性和均勻性增強。其中，破碎度減小的是劣、高覆蓋度，形狀復(fù)雜化的是低、中覆蓋度，最大斑塊優(yōu)勢減弱的是中覆蓋度，聚集性減弱的是劣、中覆蓋度，面積增加的是低、高覆蓋度。

在景觀水平上，成都平原經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋破碎度在減小、形狀復(fù)雜化，最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性減弱，多樣性和均勻性增強；川西北生態(tài)示范區(qū)植被覆蓋破碎度在加大、形狀復(fù)雜化，最大斑塊優(yōu)勢、連通性、多樣性和聚集性減弱；川東北經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋破碎度在減小、形狀簡單化，最大斑塊優(yōu)勢、連通性減弱，聚集性、多樣性和均勻性增強；攀西經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋破碎度在減小、形狀簡單化，最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性增強，多樣性和均勻性減弱；川南經(jīng)濟區(qū)植被覆蓋破碎度在加大、形狀復(fù)雜化，最大斑塊優(yōu)勢、連通性和聚集性減弱，多樣性和均勻性增強。

在類型水平上，成都平原經(jīng)濟區(qū)破碎度減小的是低覆蓋度，形狀復(fù)雜化的是劣、低、中覆蓋度，最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱的是中覆蓋度，面積增加的劣、低覆蓋度；川西北生態(tài)示范區(qū)破碎度加大、形狀復(fù)雜化、最大斑塊優(yōu)勢、聚集性減弱的是低、中覆蓋度，面積增加的是低、高覆蓋度；川東北經(jīng)濟區(qū)破碎度減小、形狀簡單化的是低、高覆蓋度，最大斑塊優(yōu)勢減弱的是低、中覆蓋度，聚集性增強的是劣、低、高覆蓋度，面積增加的是劣、高覆蓋度；攀西經(jīng)濟區(qū)破碎度減小、形狀簡單化的是劣、中覆蓋度，最大斑塊優(yōu)勢增強的是中覆蓋度，聚集性增強的是劣、中、高覆蓋度，面積增加的是中、高覆蓋度；川南經(jīng)濟區(qū)破碎度加大、形狀復(fù)雜化的是中、高覆蓋度，最大斑塊優(yōu)勢和聚集性減弱的是中覆蓋度，面積增加的是劣、低、高覆蓋度。