基于MODIS数据的浙江省植被覆盖度时空变化分析

2021-05-18宋立旺王伟民戚德辉

长江科学院院报 2021年5期

宋立旺，邓健，王伟民，戚德辉

(浙江省水利水电勘测设计院环保院，杭州 310002)

1 研究背景

植被是陆地生态系统的重要组成部分，是连接土壤圈、大气圈、水圈、生物圈的自然纽带，具有涵养水源、保持水土、调节气候等多种功能，对全球的气候和环境变化具有重要的指示作用[1-3]。植被覆盖度是指植被(包括叶、茎、枝)在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比，是衡量地表植被状况、评价区域生态系统的重要指标[4-5]。NDVI(归一化植被指数)主要利用植被在不同波段的光谱反射特征计算得到，其对地表植被生长状况具有强敏感性，是监测区域植被和生态环境变化的有效指标，在全球植被变化研究中得到广泛应用[6-7]。

近年来，由于地理信息系统(GIS)、遥感(RS)技术发展迅速，借助RS/GIS技术对植被覆盖度的监测十分普遍，国内外许多学者从不同的角度对植被覆盖度进行了相关研究，如:刘宪锋等[8]对我国1982—2012年的植被覆盖时空变化特征进行了研究，发现这30 a我国NDVI呈缓慢增加趋势;张灿等[9]对福建省长汀县植被覆盖度变化及其生态效应进行了评估，发现植被覆盖度的生态提升效应显著;赵丽红等[5]研究了南昌市植被覆盖度时空演变及其对非气候因素的响应，发现2001—2010年植被覆盖度总体上呈退化趋势，2005年后植被退化有所减缓；李恒凯等[10]对赣南地区的植被覆盖变化及其与地貌因子的关系进行了研究，结果发现红壤区域植被覆盖度与高程具有强正相关性；吴志杰等[11]评估了南方丘陵区植被覆盖度遥感估算的地形效应，发现3种植被覆盖度估算模型均能削弱地形效应,但消除或抑制地形效应影响的能力不同；熊俊楠等[12]基于MODIS-NDVI对云南省植被覆盖度变化进行了分析，发现2001—2016年云南省植被覆盖度呈显著增加趋势。

目前，浙江省植被覆盖度的研究已有一些成果[13-15]，但研究时间主要在10 a前，对于近年来该地区的植被覆盖情况的研究相对较少。而浙江省山地多，平原少，森林资源丰富，同时该地区人口密集，社会经济发展迅速，人口与土地之间的矛盾将会影响该地区植被覆盖的变化，从而加剧区域水土流失，影响生态环境。为此，对浙江省近年来植被覆盖变化监测十分必要，有助于掌握植被变化的动态特征，为该地区的生态环境建设和水土流失防治提供理论依据。因此，本研究以浙江省为研究区，基于2009—2018年MODIS_NDVI数据，结合数字高程模型(DEM)数据提取的高程、坡度、坡向地形数据以及《浙江省林地保护利用规划》(2010—2020年)中的林地分区划分，探讨分析浙江省植被覆盖度的时空变化情况，全面了解浙江省近10 a植被覆盖分布、动态变化，为地区林地保护、水土流失防治及综合治理奠定理论基础。

本研究创新在于结合浙江省当前林业政策《浙江省林地保护利用规划》(2010—2020年)，对10 a规划期内的植被情况进行了动态监测分析，同时填补了近10 a该地区植被覆盖情况研究的空窗期，为全省后续的林业规划及区域发展提供理论基础及参考建议。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

浙江省位于我国东南沿海，长江三角洲南部，界于118°01′E—123°10′E，27°02′N—31°11′N，陆域面积10.18万 km2。气候类型属于亚热带季风气候，冬夏季风交替，温度适中，年平均气温15.6～18.3 ℃，年平均累积辐射量4 147.4～4 670.1 MJ/m2，无霜期241～351 d；雨量充沛，年平均降水量1 092～2 029 mm，降水季节分布不均，夏季最多，冬季最少[13,16]。地形上有“七山一水两分田”之称，西南高，东北低，山地多，平原少，海岸线曲折，岛屿众多，山地丘陵占总面积的70.4%，平原盆地占总面积的23.2%。土壤以红壤和黄壤为主。植被类型主要有亚热带针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、落叶阔叶混交林、竹林、灌草丛、水生植物群落，以及栽培植被等。

结合《浙江省林地保护利用规划》(2010—2020年)中的林地分区(图1)，共划分为5个区，分别为浙北平原区、浙西山地丘陵区、浙中丘陵盆地区、浙南山地区、浙东沿海丘陵海岛区。

图1 浙江省林地分区

2.2 数据来源及处理

本研究使用的MODIS数据来自https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov下载的MOD13Q1级植被指数产品，MOD13Q1数据是一个采用Sinusoidal投影方式的3级网格数据产品，空间分辨率250 m，时间分辨率16 d，选择2009—2018年每年7—9月份120景的影像，该季度为1 a中植被覆盖最好的时期。利用MRT(MODIS Reprojection Tool)软件对影像做拼接、投影、转换格式等预处理，再使用ENVI软件采用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)对每年6期影像进行处理，以减少噪声，排除云、大气、太阳高度角的干扰[17]，使得NDVI能够与地表植被覆盖状况更接近。

DEM数据来自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(www.gscloud.cn)，空间分辨率均为30 m×30 m。

2.3 植被覆盖度计算方法

像元二分模型是一种基于线性像元分解模型的植被覆盖度计算方法[18]，其原理为假设每个像元对应的地表只包含植被与裸地2种组分，混合像元的植被指数即是植被和裸地这2种覆盖类型在该像元内所占面积百分比的加权和，故该像元的植被覆盖度等于其归一化植被指数与裸地植被指数之差[19]。其计算公式为

式中:FVC为某一像元的植被覆盖度；NDVI为该像元上的归一化植被指数；NDVIsoil为裸地对应的植被指数；NDVIveg为纯植被对应的植被指数。本研究采用李苗苗等[20]改进的像元二分线性模型来估算植被覆盖度，选取0.5%置信度截取NDVI的上下阈值，将累计频率<0.5%的像元视为纯土壤像元，其NDVI的上限值定为NDVIsoil；累计频率>99.5%的像元视为纯植被像元，其NDVI的下限值定为NDVIveg。

根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)[21]，结合浙江省植被覆盖的实际情况，将植被覆盖度分为5个等级，即低盖度(FVC<30%)、中低盖度(30%≤FVC<45%)、中盖度(45%≤FVC<60%)、中高盖度(60%≤FVC<75%)、高盖度(FVC≥75%)。

2.4 地形因子提取

利用ArcGIS10.2软件对浙江省DEM数据进行镶嵌、裁剪等处理，提取高程、坡度、坡向等地形因子并分级。

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(1)高程：由于研究区高程1 000 m以上区域的面积仅占3.4%，基于此情况，以100 m为间距将高程划分为11个等级，即<100、[100，200)、[200，300)、[300,400)、[400,500)、[500,600)、[600,700)、[700,800)、[800,900)、[900,1 000)、≥1 000 m。

(2)坡度：参考水土保持工作中普遍采用的8°作为缓坡和斜坡的分级标准[22]，将坡度划分为6个等级,即[0°，5°)、[5°，8°)、[8°，15°)、[15°，25°)、[25°，35°)、≥35°。

(3)坡向：参考相关研究[23]，以正北方向为0°，22.5°为步长，将研究区分为平地(-1°)、北(0°～22.5°，337.5°～360°)、东北(22.5°～67.5°)、东(67.5°～112.5°)、东南(112.5°～157.5°)、南(157.5°～202.5°)、西南(202.5°～247.5°)、西(247.5°～292.5°)、西北(292.5°～337.5°)9个坡向带。将研究区分为5个坡向，即平地、阴坡(北坡、东北坡)、半阴坡(西北坡、东坡)、阳坡(南坡、西南坡)、半阳坡(东南坡、西坡)[24]。

3 结果分析

3.1 植被覆盖度年际变化趋势

对2009—2018年7—9月份的NDVI影像做最大值合成处理，取平均值作为每年的NDVI值，基于改进的像元二分模型计算植被覆盖度，得到近10 a的浙江省植被覆盖度及平均值(表1)，再利用统计软件对植被覆盖度变化趋势进行分析(图2)。可得，浙江省2009—2018年的植被覆盖度最大值在2012年，为78.55%，最小值在2013年，为76.73%，平均值为77.79%，总体变化在76%～79%，处于高盖度等级。变化趋势上，前4 a即2009—2012年的植被覆盖度均高于平均水平，2013年开始降低，至2015年有所回升，后3 a即2016—2018年的植被覆盖度均低于平均水平，年际变化总体处于缓慢下降趋势。这表明浙江省近10 a来的植被覆盖总体水平较高，存在缓慢降低的趋势。

表1 2009—2018年浙江省植被覆盖度

图2 2009—2018年浙江省植被覆盖度变化趋势

3.2 植被覆盖度空间变化特征

3.2.1 植被覆盖度空间分布格局分析

由2009年和2018年浙江省植被覆盖度分级图(图3)可以看出，植被覆盖度的空间分布格局基本保持一致，呈现出西北、南部高，北部、中部以及东南沿海低的空间格局，即浙南山地区、浙西山地丘陵区>浙中丘陵盆地区、浙东沿海丘陵海岛区>浙北平原区。这主要与浙江省特有的地形分布有关，该地区的地形以山地丘陵为主，人类活动主要集中在北部平原、东南沿海以及中部盆地区域，在降雨、气候等其他因素相同的情况下，这些地区的植被覆盖度相对较低。局部上，北部平原、东南沿海以及中部盆地区域存在植被覆盖度明显降低趋势，其他山地丘陵地区呈现提高现象。

图3 2009年和2018年浙江省植被覆盖度分级

3.2.2 不同植被覆盖度等级的面积变化分析

分别统计2009年和2018年不同植被覆盖度等级的面积占比，并对各覆盖度等级面积变化情况进行分析。由表2可得，虽然浙江省植被覆盖度处于高盖度水平，但2018年该等级面积占比相对2009年减少了2.09%，并且中高盖度级别面积占比也存在减少现象，这2个等级面积共减少了3.2%。中盖度及以下等级面积均有所增加，其中以中低盖度增加最多，为1.35%。将不同植被覆盖度等级面积变化在各分区所占比例情况进行统计，如图4所示。结果显示，高盖度等级面积减少主要在浙北平原区，该等级面积增加主要在浙南山地区，而中高盖度面积减少主要在浙东沿海丘陵区，与植被覆盖度空间分布格局分析一致。中盖度及以下等级面积增加均以浙北平原区为主，其次为浙中丘陵盆地区和浙东沿海丘陵海岛区，且中低盖度面积增加最多。

图4 不同植被覆盖度等级面积变化在各分区的占比

3.2.3 不同林地分区的植被覆盖空间演变分析

利用ArcGIS软件的地图代数下的栅格计算器工具，对2009年和2018年的植被覆盖度做差值运算，用后一年减去前一年的植被覆盖度，参考位宏等[25]的研究将差值结果重新分为7个等级，得到植被覆盖度变化分级图(图5)，并对各林地分区不同植被变化等级的面积进行统计(表3)。结果显示，浙江省植被覆盖稳定的区域面积占62.79%，该区域植被覆盖无明显变化，植被覆盖退化区域的面积为20.8%，植被覆盖改善区域的面积为16.41%。这表明了全省总体植被覆盖度保持较好，但存在缓慢下降趋势，尤其以人类集中活动地区表现最为突出，这些区域随着社会经济快速发展，人民生活水平日益提高，相应的各类生产建设项目也在不断增加，从而使得植被覆盖相对减少。从各林地分区来看，植被覆盖退化面积占比分别为浙北平原区6.73%、浙西山地丘陵区3.01%、浙中丘陵盆地区4.62%、浙南山地区2.95%、浙东沿海丘陵海岛区3.49%；植被覆盖改善面积占比分别为浙北平原区2.62%、浙西山地丘陵区1.77%、浙中丘陵盆地区3.88%、浙南山地区4.87%、浙东沿海丘陵海岛区3.27%。除了浙南山地区总体植被覆盖度增加，其他林地分区均出现下降趋势，以浙北平原区最为明显，这也与浙南山地区当地的森林保护密不可分。

表2 各林地分区不同植被覆盖度等级的面积占比及变化

图5 浙江省植被覆盖度变化分级

表3 各林地分区不同植被变化等级面积占比

3.3 植被覆盖度变化随地形的变化特征

3.3.1 植被覆盖度变化随高程的变化

由图6可得，不同高程范围内，植被覆盖度变化均以稳定为主，稳定面积占比随高程的升高，呈现先大幅增加后缓慢减少的趋势，在[300，400) m范围内的稳定面积占比最大，为74.06%。植被改善区域在各高程范围内的面积占比均稳定在16%左右，变化不大。植被退化面积占比的变化曲线与稳定面积占比的情况恰恰相反，呈现出先大幅下降后缓慢上升的趋势，在[300，400) m范围内最小，为9.79%。在高程[0，100]m的区域，植被改善类型的面积均大于植被退化类型，这说明该区域植被覆盖度总体处于增加的态势；由于高程[0,100)m区域多处于山地丘陵区，地表植被多以林地为主，受人为影响较少，同时热量和水分也非常适合植被的生长，植被覆盖度保持较好。高程100 m以下范围，植被退化区域的面积占比为36.13%，而植被改善区域面积占比例为15.6%，二者相差20.53%，因此，该范围内的植被覆盖度下降严重。另外，明显改善区是从高程200 m开始。

图6 不同高程范围植被覆盖度变化面积占比

3.3.2 植被覆盖度变化随坡度的变化

从各坡度范围内的植被覆盖度变化面积占比情况来看(图7)，主要以稳定类型为主，且随着坡度的升高，面积占比增加并趋于平稳，在[0°，5°]坡度范围内最小，为46.85%，坡度>35°范围内最大，为72.13%。植被退化区域的面积随着坡度增加逐渐减小，植被改善区域的面积随着坡度增加缓慢增加，变化不明显。植被改善区域的面积占比在>35°范围内最大，为17.82%，在[0°，5°)坡度范围内最小，为14.12%；植被退化区域的面积占比在10.05%～39.03%之间，在[0°，5°]坡度范围内最大，>35°范围内最小，与植被改善类型的情况刚好相反。总体上，在<15°坡度范围的区域内，植被覆盖度处于退化状态，退化最严重的区域为[0°，5°]坡度范围；坡度>15°区域的植被覆盖度处于改善状态，>35°的区域改善最明显。

图7 不同坡度范围植被覆盖度变化面积占比

3.3.3 植被覆盖度变化随坡向的变化

由图8可得，不同坡向的植被覆盖度变化表现出一致的特征，各变化类型面积占比基本处于稳定状态，其中，退化类型约占21%，改善类型约占17%，稳定类型占62%，植被覆盖度变化主要以稳定为主，植被改善区域的面积在各坡向均小于植被退化区域，相差4%左右，说明浙江省总体植被覆盖度状况处于稳定水平，但存在缓慢下降的趋势。综合来看，坡向对浙江省植被变化影响不大。

图8 不同坡向植被覆盖度变化面积占比

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)从逐像元的变化斜率分析发现，2009—2018年浙江省的植被覆盖度总体处于高盖度级别，存在缓慢降低的趋势，与浙江省1982—2010年整体变化趋势相对一致[13]，说明在过去三十多年，该区域的植被覆盖度在变化趋势上相对一致，起伏较小，较平稳，全省在城市化、工业化水平不断提升的同时，也在大力发展植树造林、森林保护，从而使得总体变化趋势起伏不大。从各林地分区的盖度变化情况来看，近10 a植被显著减少的区域发生在平原地区，该区域主要为水稻区，而典型的常绿阔叶林以及针叶林区植被有所增加，这可能与近些年全省的林业发展动向及城市化走向密不可分。

(2)与2009年相比，2018年中高盖度、高盖度面积减少，主要分布在浙东沿海丘陵区和浙北平原区，中低盖度面积增加最多，以浙北平原区为主。全省植被覆盖度变化以稳定为主，植被退化区域面积大于改善区域，植被退化以浙北平原区最为严重，改善趋势以浙南山地区最为明显。这与该区域的地形分布、气候、人类活动等多种因素有关：气候上，季风交替，温度适中，雨量充沛，太阳辐射量相对较多，非常适合植被的生长；而地形上主要以山地、丘陵为主，约占70%左右，该区域特有的地形分布对人类活动范围起到一定限制作用，使得人类活动主要集中于平原、盆地地区。因此，该区域特有的地形分布和人为活动2个方面对植被的生长起到了直接的影响。

(3)植被覆盖度变化对不同地形因子的响应程度不同，主要体现在高程与坡度两个地形因子方面，在各坡向间并不明显，这与研究区独特的气候特征与地形条件有关。浙江省属亚热带季风气候，年气温适中，雨量充沛，日照充足，平均海拔较低，有利于植被生长，削弱了坡向的影响。这也与相关研究结果[26-27]基本一致。相关研究[26-27]表明，植被变化类型与坡度显著，植被生长较好的区域主要分布在海拔相对较高的山区，坡度对植被的影响主要体现在缓坡区域，坡向对植被变化差异影响并不明显。