包勤躍，谷正楠，張震

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

礦業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位，促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但礦產(chǎn)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)，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(chǔ)等不同，使綠色礦山的建設(shè)質(zhì)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(zhì)量評價具有重要意義[4-5]。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)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(jīng)濟(jì)帶地區(qū)[18-19]，鮮有關(guān)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(chǎn)資源到因資源枯竭進(jìn)行城市轉(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)移以及空間變化趨勢四個方面進(jìn)行分析，以期為今后有色金屬資源型城市的植被保護(hù)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價以及礦山綠色高質(zhì)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(nèi)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(fēng)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(nèi)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(chǎn)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(wù)器對影像進(jìn)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(nèi)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(jìn)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(jìn)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(jié)果簡單可靠[21]。該模型的基本思想是假設(shè)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(yīng)趨近于0，NDVIveg為完全被植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，理論上應(yīng)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(nèi)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(dāng)年的NDVIsoil， 累計頻率95%的值作為當(dāng)年的NDVIveg[21]。

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》[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(dāng)slope＞0時，表示在該研究時段內(nèi)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(jìn)行顯著性檢驗，根據(jù)一元線性回歸和顯著性檢驗結(jié)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(jié)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(guān)。銅陵市土地利用類型由西到東分別為水域、草地、建設(shè)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(jié)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(shè)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(yuǎn)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(dāng)時經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、過度開發(fā)以及依賴資源有關(guān)，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(guān)政策有關(guān)，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(zhì)山造林綠化和礦山植被恢復(fù)工程、江河湖灘增綠工程、丘陵增綠突破工程、農(nóng)田林網(wǎng)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(zhuǎn)移分析

2000-2019年平均植被覆蓋度時間變化趨勢分析結(jié)果（圖3和表2）表明，2000-2009年銅陵市植被覆蓋度的等級轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移的面積與高植被覆蓋度向中高植被覆蓋度方向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(kuò)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(guān)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(jié)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(jié)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(zhuǎn)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(guān)管理部門應(yīng)加強綠色礦山建設(shè)的監(jiān)督和管理，實現(xiàn)礦山的綠色及可持續(xù)發(fā)展。