福建省長汀縣植被覆蓋變化多源遙感數據分析

吳小伙

（福建省龍巖市基礎地理信息與測繪中心，福建 龍巖 364000）

1 概述

長汀縣地處福建省西部山區丘陵，位于武夷山脈南麓，氣候溫潤，雨量充沛，屬于南方亞熱帶紅壤丘陵土壤區[1]。由于紅壤易侵蝕性，氣候極端性以及人類高強度的開采活動，長汀縣曾成為我國土壤流失最嚴重的三大地區之一[2]。因此水土流失防治和植被覆蓋恢復一直是當地政府和社會的核心政策。經過幾十年的有效治理，長汀縣已經成為我國水土流失綜合治理的典范之一[3]。長汀植被覆蓋度時空分布格局監測及其潛在驅動因素分析是當前紅壤丘陵區生態環境研究的關注焦點。

本文基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE) 云計算平臺和多源遙感數據分析長汀縣及其鄉鎮1980-2020年植被覆蓋時空分布格局。此研究可以為探究植被覆蓋研究與水土流失防治、植樹造林和城鎮擴張人類活動之間的關系,以及其它類似區域生態環境保護提供重要參考。

2 研究區概況

長汀縣(116°00′ ～ 116°40′E, 25°18′ ～26°02′N) 位于福建省西南部，南鄰廣東省，西接江西省，是閩、粵、贛三省的重要樞紐。全縣總面積3 099 km2, 包括庵杰、策武、大同、古城、館前、河田、紅山、南山、三洲、四都、鐵長、汀州、童坊、涂坊、新橋、宣成、羊牯、濯田十八個行政鄉鎮。該區域屬于亞熱帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫和年降水量分別為18.3℃和1 730.4 mm，降雨量集中且強度大。區域土壤以抗侵蝕性低紅壤和赤紅壤為主。植被類型主要有馬尾松、低效林和灌叢、荒草坡等次生植被和人工植被。

3 數據介紹

本文共采用三套多源、多尺度、長時間序列衛星觀測數據(如表1 所示)，包括5-km AVHRR 衛星地表反射率數據、500-m MODIS 衛星地表反射率數據和30-m Landsat 地表反射率數據。為了獲取長汀縣鄉鎮的地理位置，本文同時使用了長汀縣鄉鎮級行政矢量邊界數據集，見表1。

表1 衛星傳感器參數設置

4 處理方法

如圖1 所示，本文的研究方法主要包括四個步驟：數據預處理、最大植被覆蓋度合成、時間變化趨勢和結果聚合分析。所有操作均基于谷歌地球引擎 (Google Earth Engine,GEE) 云計算平臺完成，具體步驟介紹如圖1。

圖1 技術流程圖

4.1 數據預處理。由于衛星數據容易受到大氣中云及云影的影響，導致衛星觀測不能有效反映地表真實狀況。為了解決這一問題，我們使用衛星數據產品自帶的質量標記剔除受到云和云影影響的像元。

4.2 最大植被覆蓋度合成。由于多源遙感衛星具有不同時間觀測頻率，本文采用年內最大歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index, NDVI) 作為植被覆蓋度的指示因子。其中歸一化植被因子計算公式如下：

其中RefNIR和RefRed分別代表近紅外波段和紅光波段反射率。NDVI 范圍為-1 到1, 其中NDVI 值越接近于1 表明植被覆蓋度越高，反之NDVI 值越接近-1 表示植被覆蓋度越低。

4.3 時間變化趨勢。本文采用簡單有效的一元線性回歸方法分析長汀縣植被覆蓋度的時間變化趨勢。為了消除年際變化的誤差，采用多源衛星數據最大NDVI 距平作為時間趨勢分析的數據。最大NDVI 距平是指多年NDVI 觀測值與對應觀測周期內NDVI 多年平均值的差值，反映了NDVI 相對于多年平均值的波段情況，具體表達為：

其中N 表示年份數。

4.4 結果聚合分析。基于上述三個步驟得到的結果進行長汀縣植被覆蓋度多年變化聚合分析，主要包括植被覆蓋度多年平均的多尺度空間分析、植被覆蓋度像元尺度變化趨勢的多尺度空間分析、縣級尺度植被覆蓋度區域平均多年變化趨勢分析和鄉鎮尺度區域平均多年變化趨勢分析。其中縣級和鄉鎮尺度植被覆蓋度區域平均分析由縣級和鄉鎮級行政矢量邊界數據集與衛星數據疊加分析得到。

5 結果與分析

5.1 植被覆蓋度空間分布特征

圖2 顯示了長汀縣植被覆蓋度空間分布。多源數據均呈現一致的中間低-四周高的空間分布格局。其中大同、汀州、河田、策武、三洲和濯田六個鄉鎮由于工業化程度高，植被覆蓋度相對較低。其它鄉鎮由于工業化程度較低，開發程度小，植被覆蓋度較高。同時多源遙感數據得到的結果具有一定差異，Landsat 空間分辨率，能夠很好捕捉鄉鎮內植被分布細節特征；MDOIS 空間分辨率居中，能夠捕捉鄉鎮尺度內植被分布部分細節特征；AVHRR 空間分辨率最低，無法很好刻畫鄉鎮內植被分布細節特征。

圖2 基于多源遙感數據的長汀縣植被覆蓋度多年平均值空間分布

5.2 縣級尺度植被覆蓋度多年變化趨勢分析

圖3 顯示了長汀縣植被覆蓋度多年變化趨勢空間分布特征。除了汀州、河田和策武三個鄉鎮呈下降趨勢外，其它區域均植被覆蓋均隨時間呈現上升趨勢。與多年平均植被覆蓋度空間分布特征相反，多年變化趨勢呈現中間高-四周低的空間分布格局。此結果表明在工業化的區域植被覆蓋恢復強度比其它鄉鎮高，尤其是河田和濯田這兩個歷史上水土流失最嚴重鄉鎮呈現最快的恢復速度，也表明了當地政府多年水土防治和生態環境保護的有效性。

圖3 基于多源遙感數據的長汀縣植被覆蓋度多年變化趨勢空間分布

圖4 顯示了縣級尺度植被覆蓋度多年變化趨勢結果，多源數據均表明長汀縣植被覆蓋度呈顯著性逐年上升趨勢。對比AVHRR 和Landsat 數據，可以看出,與空間分辨率較高的Landsat (回歸斜率為0.0046 year-1) 數據相比，分辨率較低的AVHRR 數據監測的植被覆蓋度恢復較慢 (回歸斜率為0.0035 year-1)。

圖4 基于多源遙感數據的長汀縣全縣植被覆蓋度多年變化趨勢

5.3 鄉鎮尺度植被覆蓋度多年變化趨勢分析

表2 顯示了鄉鎮尺度植被覆蓋度多年變化趨勢分析結果, 從表中可以看出除了位于縣城中心的汀州鎮，其它鄉鎮的植被覆蓋度均呈現顯著逐年上升趨勢。其中三洲鎮的植被覆蓋增加速度最快，AVHRR、MODIS 和Landsat 衛星回歸斜率系數分別為0.0054、0.0089 和0.0098。河田鎮的植被覆蓋增加速度次之，回歸系數分別為0.0043、0.0058和0.0070。古城鎮的植被覆蓋增加速度最慢，回歸系數分別為0.0021、0.0025 和0.0038。汀州鎮的植被覆蓋呈下降趨勢，回歸系數為0.0015、-0.0001 和-0.0026。

表2 長汀縣鄉鎮尺度植被覆蓋度多年變化趨勢回歸系數

6 結論與討論

通過GEE 云計算平臺和多源衛星長時間系列觀測，本文對長汀縣縣級和鄉鎮級近40 年植被覆蓋度時空分布格局進行多尺度分析，主要發現以下兩點結論：

6.1 植被覆蓋度空間分布上，大同、汀州、河田、策武、三洲和濯田六個工業化程度高的鄉鎮，植被覆蓋度低。其它鄉鎮工業化程度低，植被覆蓋度高。

6.2 植被覆蓋度多年變化趨勢，縣級尺度上，植被覆蓋度呈顯著增加趨勢。鄉鎮尺度上，除了汀州鎮，其余鄉鎮均呈顯著增加趨勢，且增加強度各異。其中三洲鎮植被覆蓋度增加速度最快，河田鎮次之，土城鎮增加趨勢最緩慢。