福建省長汀縣植被覆蓋變化多源遙感數(shù)據(jù)分析

吳小伙

（福建省龍巖市基礎(chǔ)地理信息與測繪中心，福建 龍巖 364000）

1 概述

長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，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度的開采活動，長汀縣曾成為我國土壤流失最嚴重的三大地區(qū)之一[2]。因此水土流失防治和植被覆蓋恢復(fù)一直是當?shù)卣蜕鐣暮诵恼?。?jīng)過幾十年的有效治理，長汀縣已經(jīng)成為我國水土流失綜合治理的典范之一[3]。長汀植被覆蓋度時空分布格局監(jiān)測及其潛在驅(qū)動因素分析是當前紅壤丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境研究的關(guān)注焦點。

本文基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE) 云計算平臺和多源遙感數(shù)據(jù)分析長汀縣及其鄉(xiāng)鎮(zhèn)1980-2020年植被覆蓋時空分布格局。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)擴張人類活動之間的關(guān)系,以及其它類似區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護提供重要參考。

2 研究區(qū)概況

長汀縣(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、汀州、童坊、涂坊、新橋、宣成、羊牯、濯田十八個行政鄉(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、長時間序列衛(wèi)星觀測數(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)。為了獲取長汀縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地理位置，本文同時使用了長汀縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政矢量邊界數(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步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理、最大植被覆蓋度合成、時間變化趨勢和結(jié)果聚合分析。所有操作均基于谷歌地球引擎 (Google Earth Engine,GEE) 云計算平臺完成，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)星觀測不能有效反映地表真實狀況。為了解決這一問題，我們使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品自帶的質(zhì)量標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)星具有不同時間觀測頻率，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 時間變化趨勢。本文采用簡單有效的一元線性回歸方法分析長汀縣植被覆蓋度的時間變化趨勢。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 距平作為時間趨勢分析的數(shù)據(jù)。最大NDVI 距平是指多年NDVI 觀測值與對應(yīng)觀測周期內(nèi)NDVI 多年平均值的差值，反映了NDVI 相對于多年平均值的波段情況，具體表達為：

其中N 表示年份數(shù)。

4.4 結(jié)果聚合分析。基于上述三個步驟得到的結(jié)果進行長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的多尺度空間分析、縣級尺度植被覆蓋度區(qū)域平均多年變化趨勢分析和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度區(qū)域平均多年變化趨勢分析。其中縣級和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度植被覆蓋度區(qū)域平均分析由縣級和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政矢量邊界數(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、三洲和濯田六個鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于工業(yè)化程度高，植被覆蓋度相對較低。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)植被分布部分細節(jié)特征；AVHRR 空間分辨率最低，無法很好刻畫鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)植被分布細節(jié)特征。

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

5.2 縣級尺度植被覆蓋度多年變化趨勢分析

圖3 顯示了長汀縣植被覆蓋度多年變化趨勢空間分布特征。除了汀州、河田和策武三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈下降趨勢外，其它區(qū)域均植被覆蓋均隨時間呈現(xiàn)上升趨勢。與多年平均植被覆蓋度空間分布特征相反，多年變化趨勢呈現(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)強度比其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)高，尤其是河田和濯田這兩個歷史上水土流失最嚴重鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈現(xiàn)最快的恢復(fù)速度，也表明了當?shù)卣嗄晁练乐魏蜕鷳B(tài)環(huán)境保護的有效性。

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

圖4 顯示了縣級尺度植被覆蓋度多年變化趨勢結(jié)果，多源數(shù)據(jù)均表明長汀縣植被覆蓋度呈顯著性逐年上升趨勢。對比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)的長汀縣全縣植被覆蓋度多年變化趨勢

5.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度植被覆蓋度多年變化趨勢分析

表2 顯示了鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度植被覆蓋度多年變化趨勢分析結(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。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，回歸系數(shù)為0.0015、-0.0001 和-0.0026。

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

6 結(jié)論與討論

通過GEE 云計算平臺和多源衛(wèi)星長時間系列觀測，本文對長汀縣縣級和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級近40 年植被覆蓋度時空分布格局進行多尺度分析，主要發(fā)現(xiàn)以下兩點結(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，縣級尺度上，植被覆蓋度呈顯著增加趨勢。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，且增加強度各異。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)增加趨勢最緩慢。