基于Google Earth Engine的有色金属资源型地区植被覆盖度动态变化分析——以安徽省铜陵市为例

包勤跃，谷正楠，张震

（1.铜陵有色金属集团股份有限公司矿产资源中心，安徽 铜陵 244000；2.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南 232001）

矿业在我国经济发展中占据重要地位，促进国家经济发展，但矿产资源开发利用带来的植被退化等生态环境问题不容忽视。针对矿山开发中存在的问题，国家及部分地区相继出台了绿色矿山建设标准，并已取得显著成效[1]。然而，由于政府政策，矿山企业自身可持续发展基础等不同，使绿色矿山的建设质量良莠不齐[2]，影响矿山的可持续发展。植被是陆地生态系统的主要组成部分，在生态环境变化研究中起着指示器的作用[3]。植被覆盖度可以有效反映地表植被的生长状况，因此，研究植被覆盖度动态变化对城市及矿区生态环境质量评价具有重要意义[4-5]。

近年来，国内外众多学者对植被覆盖度变化展开的研究主要为植被覆盖度的时空变化[6-9]及影响因素[10-11]分析，研究区多为山地[12]、湿地[13-14]、流域[15]、生态敏感区[16-17]以及经济带地区[18-19]，鲜有关于有色金属资源型地区的研究，铜陵市作为典型的有色金属资源型地区，在过去的20年里，由大规模开发矿产资源到因资源枯竭进行城市转型，其发展历史周期具有一定代表性，研究其植被覆盖度动态变化可以为其他资源型地区提供参考。此外，已有研究多采用间隔年份进行植被覆盖度的动态变化分析，而长时间序列的植被覆盖度动态变化分析较少。究其原因，长时间序列的遥感图像存在数据收集、存储、整理困难，而且数据的处理也费时费力。

本研究以铜陵市为例，基于Google Earth Engine(GEE)平台，以2000-2019年的MOD13Q1 NDVI数据为数据源，采用像元二分模型和一元线性回归法，从植被覆盖度的空间分布特征、时间变化特征、不同等级植被覆盖度的面积转移以及空间变化趋势四个方面进行分析，以期为今后有色金属资源型城市的植被保护、生态环境质量评价以及矿山绿色高质量发展提供参考和依据。

1 研究区概况

铜陵市(30°45′-31°09N′，117°35′-118°09′E)位于安徽省中南部、长江中下游平原与皖南山区的交接地带。境内南部为低山和丘陵，空间上呈北东向分布。属于北亚热带湿润季风气候，气候多变，降水年际变化大。铜陵市也是长江三角洲中心区27城之一，因其内生成矿条件有利，以有色金属铜矿著称。目前已发现的矿产地有115处，非金属矿床9处。

本研究选取铜陵市下辖的铜官区、郊区和义安区为研究对象（图1），其中郊区为2018年之前的行政区划，研究区总面积约为1102km²。

图1 研究区行政区划

2 数据与方法

2.1 GEE平台简介

GEE（Google Earth Engine）是基于云计算的地理信息处理平台。该平台存储了大量的遥感数据集，并提供了Python API和JavaScript API，以供用户轻松利用Google的高性能集群服务器对影像进行地理空间分析和可视化处理，极大地提高了工作效率[20]。

2.2 数据来源与处理

本研究基于GEE云平台在线访问全球范围内2000-2019年的MOD13Q1 NDVI数据（时间分辨率为16 d，空间分辨率为250m），共计457期。为去除大气辐射和云污染等影响，采用最大值合成法合成长时间序列的NDVI年最大值影像，并基于均值法合成NDVI年平均值影像。进一步采用像元二分模型和一元线性回归法分别得到铜陵市2000-2019年的植被覆盖度影像和植被覆盖度空间变化趋势影像。最后以铜陵市矢量边界裁剪并下载至本地，在ArcGIS中进行后续的影像分析。

2.3 研究方法

2.3.1 像元二分模型

像元二分模型被广泛用于估算植被覆盖度，它可以在很大程度上减轻大气、土壤等因素的影响，计算结果简单可靠[21]。该模型的基本思想是假设一个像元只由有植被覆盖和无植被覆盖两部分组成，其计算公式为：

式（1）中，FVC为植被覆盖度，NDVI为归一化植被指数，NDVIsoil为无植被覆盖区域或裸土的NDVI值，理论上应趋近于0，NDVIveg为完全被植被覆盖区域的NDVI值，理论上应趋近于1。但由于大气、土壤、植被类型等因素的影响，NDVIsoil和NDVIveg一般取一定置信度范围内的最小值与最大值，具体取值要视具体情况来确定。本研究根据2000-2019年的年最大值影像制作逐年的频率累计表，在每年的频率累计表上选取累计频率5%的值作为当年的NDVIsoil， 累计频率95%的值作为当年的NDVIveg[21]。

根据《土壤侵蚀分类分级标准》[22]，研究将铜陵市的植被覆盖度等级分为5类：低植被覆盖度(FVC≤30%)、中低植被覆盖度(30%＜FVC≤45%)、中植被覆盖度(45%＜FVC≤60%)、中高植被覆盖度(60%＜FVC≤75%)和高植被覆盖度(FVC＞75%)。

2.3.2 一元线性回归趋势分析

一元线性回归趋势分析可以反映区域植被覆盖度变化的空间分布特征并模拟出其变化趋势[23]。其计算公式为：

式（2）中，slope为植被覆盖度变化的斜率，fci为像元第i年的植被覆盖度，n为研究时段的年数。当slope＞0时，表示在该研究时段内植被覆盖度呈增加趋势，反之则呈减少趋势。

采用F检验对植被覆盖度变化趋势进行显著性检验，根据一元线性回归和显著性检验结果，将铜陵市的植被覆盖度变化趋势分为了6个等级，分别为：极显著改善(slope＞0，P≤0.01)、显著改善(slope＞0，0.01＜P≤0.05)、轻微改善(slope＞0，P＞0.05)、轻微退化(slope＜0，P＞0.05)、显著退化(slope＜0，0.01＜P≤0.05)和极显著退化(slope＜0，P≤0.01)。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度空间分布特征

铜陵市的植被覆盖度呈现由西向东递增的趋势（图2），该空间分布特征与土地利用类型有关。铜陵市土地利用类型由西到东分别为水域、草地、建设用地、耕地和林地，东南地区的低山、丘陵地带植被最为茂盛。

图2 铜陵市2000-2019年平均植被覆盖度空间分布

铜陵市2000-2019年各等级平均植被覆盖度（表1）结果表明，高植被覆盖度区域所占的比例最大（49.76%），主要分布在东南以及北部地区，土地利用类型以耕地和林地为主。而低植被覆盖度区域相比之下所占比例较小（13.43%），以建设用地分布的中西部地区为主。其中，中植被覆盖度以上等级（含中植被覆盖度）占铜陵市的81%，其所占面积的比例远超过中植被覆盖度以下区域。因此，铜陵市的植被生长状态良好。

表1 铜陵市2000-2019年各等级平均植被覆盖度的面积及比例

3.2 植被覆盖度时间变化特征

受气温和降水影响，铜陵植被覆盖变化稍有波动，2000-2009年有明显下降趋势（-0.078·（10a）-1），与当时经济高速发展、过度开发以及依赖资源有关，而2010-2019年，植被覆盖度呈现上升趋势（0.05·（10a）-1）（图3）。近十年的植被增长趋势与安徽省以及铜陵市相关政策有关，比如，2009年，铜陵被评为全国首批现代林业示范市；2012年，铜陵市为落实安徽实施的千万亩森林增长工程，提出了石质山造林绿化和矿山植被恢复工程、江河湖滩增绿工程、丘陵增绿突破工程、农田林网突破工程等工程项目；2014年，铜陵市作出创建国家森林城市的重要决定，铜陵绿色发展继续保持良好态势。

图3 铜陵市2000-2019年平均植被覆盖度时间变化趋势

3.3 植被覆盖度等级的面积转移分析

2000-2019年平均植被覆盖度时间变化趋势分析结果（图3和表2）表明，2000-2009年铜陵市植被覆盖度的等级转化以中、中高和高植被覆盖度区域为主。总体来说，该研究时期植被覆盖度下降，主要原因为大部分区域都向低于原植被覆盖度等级的方向转化。2009-2019年低、中低、中以及中高植被覆盖度区域均有所改善，大部分区域都向高于原植被覆盖度等级的方向转化，植被覆盖度呈现上升趋势。总体上，2000-2019年中高植被覆盖度向高植被覆盖度方向转移的面积与高植被覆盖度向中高植被覆盖度方向转移的面积基本持平。

表2 铜陵市2000-2009年、2009-2019年、2000-2019年植被覆盖度等级面积转移矩阵（km²）

3.4 植被覆盖度空间变化趋势

2000-2019年，铜陵市67.43%的区域植被覆盖度呈现增加趋势，32.57%的区域植被覆盖度呈现下降趋势。其中，显著（显著和极显著）改善区域和显著（显著和极显著）退化区域的面积分别为687.51km²（62.38%）和309.41km²（28.07%）（表3），即铜陵市植被覆盖度改善的面积明显大于退化（图4），表明铜陵市的植被覆盖度空间变化趋势以改善为主。从空间分布上来看，植被退化区域主要位于铜陵市的建设用地所在区域，以城镇用地和矿区所在区域为主，表明城市用地的扩张和矿山的开采对地表植被覆盖度变化有显著的扰动特性。其中值得注意的是，虽然显著退化区域的面积与显著改善区域的面积相比较小，但这些地区位于城镇用地和矿区的核心区，是城镇用地和矿区生态环境监测需要重点关注的区域。

表3 植被覆盖度空间变化趋势面积统计

图4 铜陵市2000-2019年植被覆盖度空间变化趋势

4 结语

本研究基于GEE云平台，获取2000-2019年MOD13Q1 NDVI数据，采用像元二分模型和一元线性回归法分析铜陵市2000-2019年植被覆盖度时空演变情况，主要结论如下：

（1）2000-2019年，铜陵市植被覆盖度等级以中高和高植被覆盖度为主，占研究区面积的71.97%。高植被覆盖度区域主要分布在东南及北部地区，土地利用类型以耕地和林地为主，植被生长状态良好。

（2）2000-2009年铜陵市植被覆盖度呈下降趋势（-0.078·（10a）-1），植被生长退化；2010-2019年，植被覆盖度呈上升趋势（0.05·（10a）-1），植被生长状况有所改善。

（3）2000-2019年，不同植被覆盖度等级的面积转化主要发生在中、中高和高植被覆盖度区域之间。

（4）铜陵市的植被覆盖度空间变化趋势以改善为主，显著（显著和极显著）改善区域的面积为687.51km²（62.38%），显著（显著和极显著）退化区域的面积为309.41km²（28.07%）。植被极显著退化区域主要为城镇用地和矿区所在区域，政府及相关管理部门应加强绿色矿山建设的监督和管理，实现矿山的绿色及可持续发展。