生态用地比例遥感估算及应用分析——以宁夏沿黄城市带为例

孙灏，阮琳，郭航，徐丹，孙中平

(1.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918；3.生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094)

0 引言

生态用地比例是指评价区域绿地、水域湿地和耕地面积占评价区域总面积的比例，是衡量生态系统宏观构成性能的重要指标，也是《生态环境状况评价技术规范》中评价生态环境质量的重要参数[1]。宁夏沿黄城市带是以地缘相近、交通便利、经济关联度较高的银川市为中心，石嘴山、吴忠、中卫三个地级市为主干，形成大中小城市相结合呈带状分布的城镇集合体，是宁夏城镇分布最密集、生产力要素最活跃的区域，也是宁夏经济社会发展的精华地带。然而，工业化和城市化带来巨大经济效益的同时，也可能引发诸多生态环境问题[2-5]。定量评价与分析宁夏沿黄城市带的生态用地比例变化，有助于科学地揭示沿黄城市带已经和可能引发的生态环境问题，为宁夏可持续发展和生态文明建设提供重要的辅助决策资料。

目前，遥感技术已成为获取生态用地比例的重要手段[6-7]。其中，基于现有土地覆盖类型遥感产品计算生态用地比例，无需进行初始的分类操作，产品已经过严格的精度验证，能避免主观误差，且具有较为完善的分类体系，为大范围生态用地比例的获取提供了有利条件。然而，土地覆盖类型产品多式多样，且数据来源、制作原理等有着明显差异[8-10]，致使基于典型土地覆盖类型产品计算生态用地比例时标准难以统一。同时，分类系统的不同、语义分辨率的差异，也会导致各土地覆盖类型产品的不同土地覆盖类型间存在混淆，缺乏详细的一致性分析等问题[11-15]。另外，鲜有研究利用全球土地覆盖类型产品，定量评价与分析宁夏沿黄城市带的生态用地比例变化。

本文选取四种典型的全球土地覆盖类型产品，即MODIS-MCD12Q1[16]、GLOBCOVER[17-18]、GLOBELAND30[19-20]，以及FROM-GLC(finer resolution observation and monitoring of global land cover)[21-22]，从生态用地角度将土地覆盖类型进行重分类，在统一分类体系下设计生态用地比例计算方法。并针对宁夏沿黄城市带，从单个土地覆盖类别以及总体生态用地角度，定量分析了四种典型产品的相对一致性。在此基础上，选择时间连续性较好的MODIS-MCD12Q1产品，利用曼-肯德尔法非参检验(Mann-Kendall，M-K)、森氏斜率估计(Sen’s slope)、赫斯特指数(Hurts)等时间序列分析技术，分析宁夏沿黄城市带近20年生态用地比例的演变过程和趋势，以期为宁夏沿黄城市带的可持续发展规划提供科学依据，也为其他生态环境问题研究提供参考。

1 数据与研究方法

1.1 研究区概况

宁夏沿黄城市带地处黄河中上游引黄灌区(104°22′E～107°50′E，36°43′N～39°22′N)，属干旱半干旱气候，年均气温5～9 ℃，年降水180～680 mm，是生态环境保护研究的典型区域[23]。图1为宁夏沿黄城市带各区县空间分布图，图中背景为2010年MODIS土地覆盖类型产品MCD12Q1数据信息，采用IGBP分类系统[24]，空间分辨率为500 m。

注：该图基于宁夏地理信息公共服务平台下载的审图号为宁S[2019]第018号的标准地图制作，底图无修改。图1 研究区域空间分布图

1.2 典型土地覆盖类型遥感产品

四种典型土地覆盖类型遥感产品的基本信息如表1所示，其中MODIS-MCD12Q1产品提供了2001—2017年，每年一幅空间分辨率为500 m的影像，具有良好的时序性。它是基于决策树的监督分类方法，并借助先验知识和辅助信息做后续处理完成的分类。GLOBCOVER是欧洲空间局通过全球合作，利用ENVISAT/MERIS数据，采用非监督分类方法生产而成。GLOBELAND30是首批分辨率达到30 m的土地覆盖产品之一，它是利用Landsat TM、ETM+数据和中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像，结合大量辅助信息(全球MODIS NDVI年序数据、全球DEM数据等)，基于“像元-对象-知识”POK方法制作而成，并委托第三方进行精度评估。GLOBELAND30-2010数据的总体精度为83.51%，Kappa系数为0.78，具有很高可靠性和可信度。FROM-GLC是利用TM和ETM+数据，采用最大似然分类器、J4.8决策树分类器、随机森林分类器和支持向量机分类器四种分类器，最终合成全球30 m分辨率土地覆盖图。

表1 四种土地覆盖类型产品概要信息

1.3 生态用地比例计算

1)土地覆盖类型产品预处理。使用MRT工具将MODIS-MCD12Q1产品在WGS-1984坐标系下按UTM Zone 48N投影成空间分辨率480 m的影像。以MODIS-MCD12Q1为准，将GLOBCOVER、GLOBELAND30、FROM-GLC转换成相同坐标系。应用最近邻采样，将GLOBCOVER聚合到480 m，利用众数聚合，将GLOBELAND30和FROM-GLC聚合到480 m。

为能在同一分类基准下比较四类数据产品，从生态用地角度出发，对地物类型进行归并[25]。归并后共六类，分别为：自然植被、耕地、自然植被与耕地镶嵌体、湿地、水域以及非生态用地。表2为归并后类别与归并前类别编码的对应关系。

表2 统一分类系统后分类编码信息

2)一致性分析。MODIS-MCD12Q1产品具有良好的时序性，故本文以其为参考数据，对GLOBCOVER、GLOBELAND30、FROM-GLC产品从面积一致性、空间位置一致性两个方面进行对比[26]。面积一致性方面，主要对比分析各类别的面积占比。空间一致性方面，将土地覆盖类别进一步聚合为生态用地(E)和非生态用地(NE)，经过叠加分析生成四种数据类别，即E-E、E-NE、NE-E、NE-NE，最后运用式(1)计算四类产品的空间相似系数[27]。

(1)

式中：O代表空间相似系数；A代表E-E像元总数；B代表E-NE像元总数；C代表NE-E像元总数。

3)生态用地比例计算。依据生态用地比例定义，可将自然植被、耕地、自然植被/耕地镶嵌体、湿地、水域归入生态用地，得到式(2)。

(2)

式中：E为生态用地比例；X为生态用地的像元数目总和；Y为研究区范围内有效像元数目的总数(不包含无数据的像元)。为分析生态用地比例的时空演变趋势，研究使用了Mann-Kendall非参数检验、Sen’s 斜率估计以及Hurts指数分析[28-29]。

2 结果

2.1 不同土地覆盖类型产品的面积一致性

图2对各产品土地覆盖类型面积占比进行展示。与同期MODIS-MCD12Q1产品相比，各产品在自然植被、耕地、自然植被/耕地镶嵌体、湿地、水域、非生态用地的差异值为：GLOBCOVER-2005为-57.75%、-11.81%、23.26%、-0.07%、0.18%、46.19%；GLOBELAND30-2010为-22.49%、13.88%、0.0%、0.06%、1.17%、7.38%；FROM-GLC为-38.55%、1.99%、0%、-0.08%、2.31%、34.33%(2015年)，-44.93%、4.31%、0%、0.05%、0.9%、39.67%(2017年)。结果表明，其主要差异均体现在自然植被和非生态用地类型层面，MODIS-MCD12Q1产品中大多数被识别为自然植被类型(草地)的像元，在其他产品中被分为非生态用地类型(裸地)，是这一差异的主要原因。

图2 各产品与MCD12Q1产品土地覆盖类型面积占比

自然植被、耕地、湿地以及水体间的相互错分并不会引起生态用地比例计算的误差，故将土地类型进一步归并为生态用地和非生态用地2种类型，从而更为直观地反映各产品在生态用地比例计算方面的差异。图3是基于每种产品生对态用地比例的统计，与同期MODIS-MCD12Q1产品相比，生态用地比例差异值：GLOBCOVER-2005为-46%；GLOBELAND30-2010为-7%，具有最高一致性；FROM-GLC为-34%(2015年)、-40%(2017年)。宁夏沿黄城市带区域，稀疏草地分布较广，各产品对裸地和草地判别标准的不同是产生差异的主要原因。

图3 不同年份产品间生态用地面积占比

2.2 不同土地覆盖类型产品的空间一致性

图4为三种典型土地覆盖产品与同期MODIS-MCD12Q1空间一致性空间分布图，其中E-E代表类别一致，E-NE和NE-E代表两类产品在该处类别不一致。该图表明，MODIS-MCD12Q1与GLOBELAND30在统计生态用地和非生态用地方面的空间一致性较高。表3统计了三种土地覆盖产品(GLOBECOVER、GLOBELAND30以及FROM-GLC)与同期MCD12Q1产品生态用地总体空间相似系数。结果表明：FROM-GLC产品在2015、2017年，相似系数分别为60.93%、56.40%；GLOBELAND30-2010数据产品与MODIS-MCD12Q1产品相比，生态用地总体相似系数高达85.07%，具有较高的契合度。GLOBECOVER与MODIS-MCD12Q1产品的相似系数最低，仅为44.57%。

注：该图基于宁夏地理信息公共服务平台下载的审图号为宁S[2019]第018号的标准地图制作，底图无修改。图4 空间一致性分析(E为生态用地;NE为非生态用地)

表3 三种全球土地覆盖产品与同期MCD12Q1产品生态用地总体空间相似性 %

2.3 宁夏沿黄城市带生态用地比例演变趋势分析

通过不同产品间的一致性分析可知，MODIS-MCD12Q1与高分辨率产品GLOBELAND30-2010有较高的一致性。其中，GLOBELAND30-2010数据产品经第三方评价，具有很好的精度保证，间接验证了MODIS-MCD12Q1产品的精度和可靠性。同时，MODIS-MCD12Q1产品具有良好的时间连续性，适宜于长时间序列的研究分析。故本文基于MODIS-MCD12Q1土地覆盖产品，以宁夏沿黄城市带为例，探究生态用地比例的演变过程。

从图5可以看出，宁夏沿黄城市带生态用地比例主要分为三种趋势类型，即增长型、波动型、缩减型。大部分地区生态用地比例呈明显上升趋势，属增长型，如惠农县、大武口区；部分区县生态用地比例无明显变化趋势，属波动型，如中宁县、贺兰县；金凤区、西夏区两个区生态用地比例呈持续减少趋势，属缩减型。但宁夏沿黄城市带整体上呈明显增长趋势。

图5 研究区域生态用地比例时间序列图

对宁夏沿黄城市带2001—2017年的生态用地比例进行时间上的趋势显著性分析和定量变化率估计，如图6所示。结果表明：1)非参检验角度，除金凤区和西夏区生态用地比例呈下降趋势外，其余地区生态用地比例均呈上升趋势。金凤区和西夏区M-K趋势统计量绝对值均大于2.32，表明其下降趋势通过99%的显著性检验，即呈极显著减少趋势；生态用地比例趋势上升的所有地区中只有大武口区和利通区的M-K趋势统计量不满足99%的显著性检验，但其绝对值也大于1.64，通过了95%的显著性检验，即呈显著增加趋势。2)Sen’s斜率估计中，仅有金凤区和西夏区的估计量小于零，其他区县及研究区整体生态用地比例的估计量均大于零，即研究区内大部分地区生态用地比例都呈上升趋势，金凤区和西夏区生态用地比例呈下降趋势；惠农区估计值最大，表明惠农区生态用地比例增大趋势最明显。

图6 研究区域生态用地比例时间序列分析结果

图7为M-K统计量和Sen’s斜率估计空间分布图，更直观地展现宁夏沿黄城市带核心区域生态用地比例近20年的变化趋势及速率。

注：该图基于宁夏地理信息公共服务平台下载的审图号为宁S[2019]第018号的标准地图制作，底图无修改。图7 研究区域生态用地比例时间序列分析结果空间分布图

3 讨论

Hurst指数可以定量刻画时间序列发展趋势的持续性或反持续性强弱程度[30-31]，Hurst指数值为0.5表示序列为独立同分布的随机序列，属于布朗运动，即现在不会影响未来；大于0.5表示时间序列数据趋势具有持续性；小于0.5表示时间序列数据趋势具有反持续性。本文选择Hurst指数定量描述研究区生态用地比例的持续性或反持续性强度，结果如图8所示。

注：图(b)基于宁夏地理信息公共服务平台下载的审图号为宁S[2019]第018号的标准地图制作，底图无修改。图8 研究区域生态用地比例Hurst指数及其空间分布图

图8表明，除西夏区外其余各区和研究区整体的生态用地比例序列Hurst指数均大于0.80，表明这些区县生态用地比例时间序列变化趋势持续性很强，即金凤区将保持其下降趋势，其他区县将保持上升趋势。西夏区Hurst指数也达到了0.75以上，表明其持续性也较强，也将继续保持下降趋势。

图9为基于MODIS-MCD12Q1产品的土地覆盖类型变化图。可以看出：宁夏沿黄城市带自然植被类型在2006年之前呈微弱下降、之后呈现增长趋势；耕地先呈缓慢增加，后趋于变化稳定的趋势；裸地类型占比在2006年之后先迅速下降，后趋于稳定；建设用地则逐年稳步增加。该图表明宁夏沿黄城市带发展过程中建设用地的增加主要来源于裸地覆盖类型的减少，并未以破坏生态用地为代价，因此研究区整体生态用地比例呈现良好发展态势。

图9 研究区域主要土地覆盖类型变化分析图

4 结束语

本文比较分析了MODIS-MCD12Q1、GLOBCOVER、GLOBELAND30和FROM-GLC四种典型全球土地覆盖产品的相对一致性。基于MODIS-MCD12Q1运用M-K非参检验、Sen’s斜率估计以及Hurst指数分析了宁夏沿黄城市带近20年生态用地比例演变过程和趋势，结论如下。

1)从生态用地角度，MODIS-MCD12Q1产品与GLOBELAND30-2010数据产品面积差异仅为-7.38%，空间相似系数为85.07%，一致性程度最高；MODIS-MCD12Q1与FROM-GLC产品的一致性次之，与GLOBCOVER产品的一致性最低。同时发现，各产品在宁夏沿黄城市带的差异主要源于草地和裸地间的混淆。

2)M-K非参检验和Sen’s斜率估计结果表明，2001—2017年，宁夏沿黄城市带除金凤区和西夏区生态用地比例呈下降趋势外，其余区县均呈增长趋势或在小范围内波动，研究区总体呈现显著增长趋势。Hurst指数表明，各区趋势具有强、很强的持续性。通过对自然植被、耕地、建设用地以及裸地类型面积占比的趋势分析，发现总体生态用地比例增长趋势主要来源于自然植被和耕地的增加以及裸地类型的减少，建设用地的增加并未导致整体生态用地比例的减少。

虽然建设用地逐渐扩张有可能侵占生态用地，但通过生态环境综合治理(如对裸地等非生态用地绿化改造)，可维持整体生态用地比例的稳定，为宁夏沿黄城市带可持续发展提供保障。