基于MODIS的廣西典型土地覆被變化特征分析

賴雙雙 龐柯柯 姚文昕

摘要 [目的]研究2001—2017年廣西3種典型土地覆被（森林、農田和城市）的時空變化特征。[方法]基于廣西統計年鑒和MODIS遙感觀測資料，以經濟區為研究單元對土地覆被的時空變化進行比較分析。[結果]廣西森林覆被率整體提高，各經濟區森林覆被的持續穩定比率差異明顯，東部地區（包括桂北、桂中、桂東）持續穩定比率高且呈連片分布，增速較慢，屬森林穩定發展區;西部地區（包括桂西、桂南）持續穩定比率低，但新增森林覆被較多且增速較快，屬森林快速發展區;農田覆被整體變化不大，桂南、桂中、桂東地區農田覆被率高、持續穩定比率高，且連片分布，與桂西、桂北的低覆被率、低持續穩定比率形成明顯差異;各經濟區城市覆被均增加，從北至南以桂林、柳州、南寧三大主要城市為核心向四周擴張，前期（2001—2010年）、后期（2011—2017年）均有不同程度的增長，桂—柳—南沿線以東城市擴張發展較沿線以西好，與經濟區實際的經濟發展相符合。[結論]該研究為土地可持續發展提供參考。

關鍵詞 土地覆被;森林;農田;城市;變化特征;MODIS;廣西

中圖分類號 P237? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）13-0051-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.014

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis on Characteristics of Typical Land Cover Change over Guangxi Based on MODIS

LAI Shuang shuang1，2， PANG Ke ke1，YAO Wen xin1

（1.School of Natural Resources and Surveying， Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001;2.Center of Health Geography and Education Information，Nanning Normal University， Nanning， Guangxi 530001）

Abstract [Objective] To study the temporal and spatial characteristics of three typical land covers （forest， farmland and city） in Guangxi from 2001 to 2017.[Method] Based on the Guangxi Statistical Yearbook and MODIS remote sensing observation data， the economic zone is used as the research unit to compare and analyze the temporal and spatial changes of land cover.[Result]The forest cover rate of Guangxi improved as a whole， and there were obvious differences in the continuous steady ratio of forest cover among the economic regions. The eastern region （including northern， central and eastern Guangxi） had a high continuous steady ratio and contiguous distribution， but the growth rate was slow， this area was a forest stable development zone. The western region （including western and southern Guangxi） had a low continuous steady ratio， but the newly increased forest cover was more and the growth rate was fast， this area was a forest fast development zone.The overall change of farmland cover was not significant. In southern， central and eastern Guangxi， the farmland cover rate and continuous steady ratio were high， and the farmland cover distribution was contiguous， which was contributed to the significant differences from the western and northern parts of Guangxi.The urban cover of economic zones increased， and expanded to surrounding areas from north to south of Guangxi， with Guilin， Liuzhou and Nanning as the core cities， the urban cover of economic zones had different degrees of increase in the early （2001-2010） and late （2011-2017） stages. The expansion and development of the cities in the east of the line of Guilin Liuzhou Nanning was better than that in the west of the line， which was consistent with the actual economic development of the economic zones.[Conclusion]The study provides the reference for sustainable development of land.

Key words Land cover;Forest;Farmland;City;Change characteristics;MODIS;Guangxi

土地覆被變化是全球變化和可持續發展的重要研究內容[1-2]。20世紀后期以來，中國社會經濟的持續快速發展，工業化、城市化進程的不斷加快，以及國家區域發展與生態保護戰略的實施，對中國土地覆被空間格局變化產生了顯著的影響[3-4]，各區域由于自然環境、技術、經濟發展等因素的不同，其土地覆被變化存在明顯的空間差異[5-7]。在當前眾多的土地覆被類型中，森林、城市和農田是受氣候變化和人類活動影響較大的 3 種土地覆被類型，其變化也是最顯著的[8-12]。廣西是西部地區唯一的沿海省份，巖溶地貌覆蓋廣，山多地少，屬生態敏感地區。為從整體上把握廣西土地覆被的時空變化特征，筆者選用MODIS作為主要數據源，通過比較MODIS土地覆被產品和廣西統計年鑒2種數據，選擇合適的研究單元，分析廣西3種典型土地覆被的變化特征。

1 資料與方法

1.1 數據來源

MODIS（MODerate resolution imaging spectroadiometer）土地覆被數據，是由美國國家航空航天局（NASA）發射的地球觀測系統（EOS）環境衛星Terra（AM-1）和Aqua（PM-1）的中分辨率成像光譜儀反演獲得的。該研究選用MODIS土地覆被產品MOCD12Q1.V006（數據下載自美國國家航天局網站：https：//lpdaac.usgs.gov），土地覆被類型按照國際地圈生物圈（IGBP）計劃定義分為17類，空間分辨率為500 m，時間長度為2001—2017年。依據IGBP定義分類，MODIS數據的森林指常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和混交林5種森林類型的面積總和;農田指農田和農田/自然植被覆蓋之和;城市指城區和城市覆蓋面積之和。

廣西統計年鑒數據（以下簡稱年鑒）來自廣西壯族自治區統計局網站（http：//tjj.gxzf.gov.cn/）。由于廣西2002年12月設崇左市（原屬南寧市）、來賓市（原屬柳州市），年鑒自2003年起單獨記錄來賓市數據，自2004年起單獨記錄崇左市數據，為統一行政區劃，該研究選用2004、2016年的年鑒數據，包括廣西各市的森林覆被率、建成區面積和常用耕地面積。

1.2 相關系數

相關系數能反映出2個變量之間線性相關程度，相關系數取值為-1～1。值越大，相關程度越高，當其值大于0時為正相關，小于0時為負相關，等于1時表示完全相關，等于0時則表示不相關，計算如下：

r=ni=1（Xi-）（Yi-）

ni=1（Xi-）2×ni=1（Yi-）2

（1）

式中，X、Y分別代表2個變量，即令X為MODIS數據的土地覆被，Y為年鑒的土地覆被。

1.3 土地覆被變化動態度

土地覆被變化動態度可以反映一定區域內土地覆被類型變化的劇烈程度[13]，可以定量描述區域土地覆被變化的速度，對比較土地覆被變化的區域差異具有重要意義。單一土地覆被類型動態度表示的是研究區一定時間范圍內某種土地覆被類型的數量變化情況，其表達如下[13]：

K=Ua-UbUa×1T×100%（2）

式中，K為研究時段某一土地覆被類型變化的動態度，Ua、Ub分別為研究初始和研究結束時期某一土地覆被類型的數量，T為研究時段長度，該研究將T的時段設定為年。

1.4 光學三原色合成法

三原色指色彩中不能再分解的3種基本顏色[14]。光學三原色即紅、綠、藍，混合后組成顯示屏顏色，三原色等量相加為白色。將2001、2010、2017年同一土地覆被的分布圖分別賦予色彩紅、綠、藍，根據光學三原色合成原理（為了與底色白色區分，使用灰色代替白色），得到圖例說明如表1，作為2001—2017年土地覆被類型時空變化圖的分析依據，其中2001—2010年為研究時段前期（簡稱前期），2011—2017年為研究時段后期（簡稱后期）。

2 結果與分析

2.1 MODIS適用單元分析

經濟區是根據地區經濟發展水平的不同、地理位置的差異、資源分布和資源結構的差異以及現有行政區劃等因素劃分的[15]，據此將廣西劃分為五大經濟區，即桂東經濟區（梧州、貴港、玉林、賀州）、桂南經濟區（南寧、北海、欽州、防城港）、桂西經濟區（百色、河池、崇左）、桂北經濟區（桂林）、桂中經濟區（柳州、來賓）。

以經濟區和市區為單元，將2004、2016年的MODIS和年鑒數據進行相關分析，以驗證不同單元MODIS數據的可靠性，結果如表2所示。3種土地覆被中，以經濟區為單元的相關系數均高于市區單元，其中城市覆被2種單元的相關系數均較低，低于0.70，但將2004和2016年2種數據的城市覆被變化進行相關分析，經濟區相關系數為0.92，市區為0.90，同樣符合經濟區相關系數高于市區的規律。因此，該研究以經濟區為單元，研究廣西典型土地覆被的變化特征。

2.2 典型土地覆被的變化特征

2.2.1 森林覆被的變化特征。

從廣西森林覆被變化（表3）可以看出，各經濟區整體呈提升態勢，且后期增長速度顯著增加，這與廣西推行的喀斯特地區封山育林、實施南方速生豐產林工程等政策密切相關。桂北經濟區包含的森林種類最為豐富，包括常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林和混交林，其森林覆被率最高，但總增長最少（2.95%）且增速緩慢（0.58%）;桂西經濟區森林覆被率較低，但增長最多（866%）且增長速率最快（6.21%）。

從2001—2017年廣西森林覆被時空變化（圖1）可以看出，森林覆被的空間分布差異明顯。東部包括桂北、桂東、桂中森林成片分布，持續穩定區域所占比率（簡稱持續穩定比率）均較高（分別為21.93%、1109%、8.87%），屬森林穩定發展區，其中桂北后期轉入林、恢復林較多，分別占區域總面積的5.32%、4.14%，桂東的前期、后期轉入林較多，分別占區域面積的3.68%、6.29%。西部地區包括桂西、桂南森林持續穩定比率低（分別為5.53%、531%），但年動態度較高，屬森林快速發展區，其中桂西破碎斑塊多，即森林覆被空間分布變化較大，前期森林覆被率低、增速快，多為前期、后期轉入林，分別占區域面積的289%、7.38%。

2.2.2 農田覆被的變化特征。

廣西農田覆被如表4，其變化存在區域差異。桂北經濟區農田覆被率最低，總面積持續減少，且變化最為劇烈（-2.91%）;其他地區農田均先增加后減少，其中桂南經濟區農田覆被率持續最高（29.99%），且增長最多（1.36%），但增速較為緩慢（0.27%）;桂中農田覆蓋率次之（24.16%），且變化速度最為緩慢（0.27%）。

2001—2017年廣西農田覆被時空變化如圖2，農田主要分布在中南部地區，存在轉入和轉出，但總面積較為穩定。桂南、桂中、桂東農田呈連片分布，且空間持續穩定比率較高，分別為24.32%、18.58%、13.45%;桂南、桂中農田的前期轉入多，分別占區域面積的4.40%、2.88%，后期轉出也較多，分別占區域面積的3.00%、3.30%，主要分布在桂中南部和桂南中部。

2.2.3 城市覆被率的變化特征。

鑒于前文對MODIS和年鑒相關性的研究，MODIS僅適用于研究城市覆被的增長情況。由表5可知，廣西整體城市覆被率較低，2001—2017年各經濟區城市覆被率均增加，其中桂南經濟區增長最多（031%），桂西經濟區增長最少（0.07%）。

從圖3可以看出，各經濟區城市覆被均增加，從北至南以桂林、柳州、南寧三大主要城市為核心向四周擴張，桂—柳—南沿線以東城市擴張發展相對較好，前期、后期均有不同程度的轉入;沿線以西城市覆被率低且斑塊稀疏、破碎，城市擴張速度慢。城市的擴張與經濟發展密切相關，各經濟區城市覆被率變化與其國內生產總值（GDP）增長呈正相關，且相關系數均高達0.95以上。2018年廣西28個縣被列入國家級貧困縣，其中25個貧困縣分布在沿線以西，占總數的893%，其區域受巖溶石山惡劣自然環境的影響，經濟發展緩慢，是廣西的重點扶貧區域。

3 結論與討論

該研究通過綜合對比MODIS土地覆被產品和廣西統計年鑒2種數據，以經濟區為研究單元，對3種受人類活動影響最大的典型土地覆被（森林、城市和農田）的變化特征進行定量分析和比較，結果表明，2001—2017年廣西森林覆被率整體提高，各經濟區森林覆被變化及穩定情況差異顯著，東部地區（包括桂北、桂中、桂東）持續穩定比率高且連片分布，增速較慢，屬森林穩定發展區;桂西、桂南持續穩定比率低，但新增森林覆被較多且速度較快，屬森林快速發展區。農田覆被率的變化相對穩定，整體變化不大，桂南、桂中、桂東地區農田覆被率高、持續穩定比率高，且連片分布，與桂西、桂北的低覆被率、低持續穩定比率形成顯著差異。各經濟區城市覆被均增加，從北至南以桂林、柳州、南寧三大主要城市為核心向四周擴張，前期（2001—2010年）、后期（2011—2017年）均有不同程度的增長，桂—柳—南沿線以東城市擴張發展較沿線以西好，與經濟區實際的經濟發展相符合。

該研究以經濟區為研究單元，以MODIS作為研究土地覆被變化的數據，由于MODIS數據分辨率有限，難以監測到小面積的土地覆被，導致一些土地覆被（如城市）的年際變化不明顯。未來應在此基礎上，針對廣西特殊地區（如貧困覆蓋率較高的桂—柳—南以西地區），結合更高分辨率的土地覆被數據，研究更精細單元的土地覆被變化，進一步揭示廣西特殊地區的土地覆被變化特征。

參考文獻

[1] DONG J W，KUANG W H，LIU J Y.Continuous land cover change monitoring in the remote sensing big data era[J].Science China earth sciences，2017，60（12）：2223-2224.

[2] TURNER B L Ⅱ，LAMBIN E F，REENBERG A.The emergence of land change science for global environmental change and sustainability[J].Proceedings of the national academy of sciences，2007，104（52）：20666-20671.

[3] 劉紀遠，匡文慧，張增祥，等.20世紀80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J].地理學報，2014，69（1）：3-14.

[4] 劉紀遠，寧佳，匡文慧，等.2010—2015年中國土地利用變化的時空格局與新特征[J].地理學報，2018，73（5）：789-802.

[5] 邵景安，李陽兵，魏朝富，等.區域土地利用變化驅動力研究前景展望[J].地球科學進展，2007，22（8）：798-809.

[6] 楊梅，張廣錄，侯永平.區域土地利用變化驅動力研究進展與展望[J].地理與地理信息科學，2011，27（1）：95-100.

[7] 李夢穎，邢艷秋，王錚，等.基于Landsat影像的土地利用/覆蓋變化研究：以吉林省汪清縣為例[J].西北林學院學報，2016，31（6）：257-263.

[8] 王震，閆文德，劉曙光，等.基于MODIS數據的中國三種主要土地類型變化的空間特征分析[J].生態學報，2017，37（10）：3295-3301.

[9] LAMBIN E F，GEIST H J.Global land use and land cover change：What have we learned so far？[J].Global change news letter，2001，46（6）：27-30.

[10] 史培軍，王靜愛，馮文利，等.中國土地利用/覆蓋變化的生態環境安全響應與調控 [J].地球科學進展，2006，21（2）：111-119.

[11] 韓云環，鄭子彥，肖宇，等.基于統計年鑒和MODIS的中國區域土地利用/覆蓋變化特征研究[J].氣候與環境研究，2017，22（6）：733-746.

[12] 劉采，張海燕，李遷.1980—2018年海南島人類活動強度時空變化特征及其驅動機制[J].地理科學進展，2020，39（4）：567-576.

[13] 侍昊，薛建輝，馬婉麗.1991—2006年無錫市土地利用變化動態度及轉換參數分析[J].南京林業大學學報（自然科學版），2012，36（6）：63-68.

[14] 毛贊猷，朱良，周占鰲，等.新編地圖學教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2017：153-157.

[15] 廣西區計委課題組.廣西五大經濟區劃分的主要依據及區域經濟開發戰略選擇和開發模式構想[J].計劃與市場探索，2000（6）：11-14.