基于Google Earth Engine的江西省植被覆盖度时空变化特征分析

2022-10-12廖凯涛宋月君谢颂华罗毅琛齐述华

中国水土保持 2022年10期

廖凯涛，宋月君，谢颂华，罗毅琛，林开，齐述华

(1.江西省水利科学院，江西南昌 330029；2.江西师范大学地理与环境学院，江西南昌 330022)

1 研究背景

植被覆盖度是用来表征地表植被状况的指标，也是评估区域水文、生态、环境变化的重要指标[1]。它是影响水土流失的重要因素之一，是中国土壤流失方程中的重要参数[2]。遥感技术的快速发展，为区域尺度上植被覆盖度的计算提供了新的技术手段[3]。用MODIS和Landsat卫星影像计算的归一化植被指数(NDVI)与植被覆盖度之间的相关性较高，且能提供长时间序列的连续数据，已成为利用遥感估算区域植被覆盖度的主要数据源[4]。MODIS数据时间分辨率高，能满足季节尺度或者月尺度的监测，但空间分辨率低[5]；Landsat影像分辨率高，但数据量大，在传统遥感分析模式下存在数据下载、处理、信息提取费时费力等弊端[6]。Google公司推出的谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)支持在线完成MODIS、Landsat等卫星影像数据的处理，克服了传统模式下数据处理繁杂的缺点[7]，为采用Landsat影像估算区域月尺度的植被覆盖度提供了可能。

江西省位于我国最大淡水湖鄱阳湖流域腹地，是南方红壤区水土流失严重的省份之一，并被列为我国首批三大生态文明试验区之一，对其开展生态环境监测尤为重要。本研究基于GEE云计算平台，利用2017—2019年Landsat卫星影像，获取江西省12个月的NDVI值，采用像元二分法估算12个月的植被覆盖度，分析江西省的植被覆盖时空变化特征，提出针对性的植被恢复建议，不仅能为该地区的水土流失防治提供数据支持，而且对该地区生态文明建设的持续推进具有重要意义。

2 研究区概况

江西省位于长江中下游南岸，是我国中部六省之一，地处北纬24°29′14″～30°04′43″、东经113°34′18″～118°28′56″，面积约16.69万km2；气候属于中亚热带湿润季风气候，多年平均气温为16.2～19.7 ℃、多年平均降水量为1 340～1 930 mm；地形复杂多样，四周高中间低，北部为湖区平原，山地和丘陵面积占土地总面积的78%，海拔-184～2 128 m；土壤以红壤为主，约占全省土地总面积的65%[8]。江西省属亚热带常绿阔叶林区，2019年，森林覆盖率为63.10%，位居全国第二，轻度及以上水力侵蚀面积为24 151.18 km2，占全省总面积的14.47%[9]。

3 研究方法

3.1 数据源与预处理

研究使用的遥感数据为Landsat OLI卫星影像，分辨率为30 m，共有9个波段，其中：第4、5波段分别为红光波段(Red)和近红外波段(NIR)，用于NDVI值的计算；第9波段为卷云波段，用于云检测。以GEE云计算平台为支持，通过在该平台编写代码，完成所用的江西省2017—2019年间Landsat OLI影像数据集的辐射定标、几何校正、云/雪/阴影掩膜、拼接和NDVI计算等工作。

本研究以2019年的影像为主，如2019年的影像存在大气、云雾等因素时，用2017和2018年的作为补充。对每个月内多个时相的NDVI采用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)进行处理，获得2019年12个月的NDVI数据值。

3.2 植被覆盖度计算

采用像元二分法[10]计算植被覆盖度，将12个月的NDVI值转换为相应的植被覆盖度。计算公式为

式中：FVC为植被覆盖度；NDVI为像元NDVI值；NDVImax为纯植被覆盖时的NDVI值；NDVImin为纯裸土时的NDVI值。NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范围内的最大值与最小值，本研究在月最大合成NDVI频率累计表上取频率95%对应的NDVI值作为NDVImax，取频率5%对应的NDVI值作为NDVImin[11]。

2019年植被覆盖度为全年12个月的平均值。按照水利部2018年颁布的《区域水土流失动态监测技术规定(试行)》中的植被覆盖度分级标准，将植被覆盖度分为5个等级：<30%为低覆盖，30%～45%为中低覆盖，45%～60%为中覆盖，60%～75%为中高覆盖，75%～100%为高覆盖。

4 结果与讨论

2019年江西省平均植被覆盖度为65.69%，处于中高覆盖水平，其中：低覆盖面积占13.31%，中低覆盖面积占7.59%，中覆盖面积占9.17%，中高覆盖面积占23.98%，高覆盖面积占45.96%，植被覆盖以中高覆盖为主。

4.1 植被覆盖度月度变化特征

从江西省2019年12个月的平均植被覆盖度分析(图1)，12个月的植被覆盖度均大于60%，属于中高植被覆盖；冬季1月植被覆盖度最小，为60.00%，夏季7月最大，为74.18%，整体呈现由春季向夏季逐渐增加，并在7月达到最大，随后由夏季向秋季、冬季逐渐减少，并在次年1月达到最小的趋势，与植被生长周期基本一致。江西省夏季湿热多雨，光照充足，适合植物生长，植被覆盖良好。

图1 江西省2019年12个月平均植被覆盖度

从各等级植被覆盖度面积占比分析(图2)，低覆盖占比在8.89%(夏季7月)到19.15%(冬季12月)之间，占比在5个等级中排名第3；中低覆盖占比在3.24%(夏季8月)到11.94%(冬季1月)之间，占比在5个等级中是最低的；中覆盖占比在5.4%(夏季8月)到12.9%(冬季2月)之间，占比在5个等级中仅比中低覆盖高；中高覆盖占比在21.05%(夏季7月)到26.14%(冬季2月)之间，全年均大于20%，变化不大，减少比例最大的月份为春夏交接的6月(23.82%)至7月(21.05%)，减少2.77个百分点，增加比例最大的月份为夏秋交接的8月(21.09%)至9月(24.28%)，增加3.19个百分点；高覆盖占比全年均在33%以上，最低为冬季2月的33.86%，最高为夏季8月的61.08%，增加比例最大的月份为春夏交接的5月(44.89%)至6月(53.66%)，增加了8.77个百分点，减少比例最大的月份为秋季的10月(48.69%)至11月(42.66%)，减少了6.03个百分点。总体上，低覆盖、中低覆盖、中覆盖和中高覆盖等级的最大值出现在冬季，最小值出现在夏季的7月或8月，整体随着月份增加呈现先减少后增加的趋势；而高覆盖等级全年变化趋势与其他几个等级相反，2月至8月呈现增加趋势，9月至次年1月呈现减少的趋势。江西省夏季受季风气候影响，水热充足，植物生长茂盛，故植被覆盖度往往在夏季达到最大；秋季气温降低，降水减少，植被覆盖度降低；冬季气温和降雨进一步降低和减少，一些落叶林进入落叶期，农业生产也进入休耕期，植被覆盖度大大降低。

图2 江西省2019年12个月各等级植被覆盖度面积占比

4.2 植被覆盖度空间分布特征

从江西省2019年植被覆盖度空间分布(图3)上看，植被覆盖度东、西、南三面较高，北部和中部较低。这与江西省的地形地貌特征吻合，山地植被覆盖度高，丘陵次之，平原地区最小。江西省中北部的水土保持功能分区主要为鄱阳湖丘岗平原农田防护水质维护区，赣、抚、信、饶、修五河于此汇入鄱阳湖，形成了鄱阳湖平原，这里是我国的九大商品粮基地之一，以农业生产为主，植被覆盖度较低，同时在鄱阳湖湖滨区和五河尾闾区还存在一定的风力侵蚀沙地，需加强开展沙地植被恢复[12]。东部与福建省交界的武夷山脉、西部的罗霄山脉、北部的庐山均是高植被覆盖区，这些区域海拔较高，降水量大，受人类活动干扰较小，植被生长茂盛。五河沿线是城市人口与农业生产的集中区，是人类活动最为频繁的区域，植被覆盖度较低，因此在开发建设的同时也要加强对植被的保护，重视生态建设。近些年中南部的宜春市、丰城市和吉安市等地经济发展较快，对植被造成了扰动，植被覆盖度也较低，这些地区水土流失强度以轻度为主，林下水土流失严重，流失面积大，需加强林下植被建设、改善林相结构、提升森林质量。南部主要是赣州市，20世纪时植被覆盖度较低，实施山江湖开发治理工程与飞播造林后，生态修复效果显著，植被得到良好的恢复，现在植被覆盖度较高[13]。但赣州市是江西省内崩岗侵蚀主要发生区[14]，也是特色经果林发展区[5]，需加强崩岗侵蚀区的植被恢复和特色经果林开发的植被保护。同时该市也是东江源和稀土矿的开采地[15]，需考虑水源地植被保护和废弃尾矿地的植被恢复。