基于Google Earth Engine的江西省植被覆蓋度時(shí)空變化特征分析

廖凱濤，宋月君，謝頌華，羅毅琛，林 開，齊述華

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022)

1 研究背景

植被覆蓋度是用來表征地表植被狀況的指標(biāo)，也是評估區(qū)域水文、生態(tài)、環(huán)境變化的重要指標(biāo)[1]。它是影響水土流失的重要因素之一，是中國土壤流失方程中的重要參數(shù)[2]。遙感技術(shù)的快速發(fā)展，為區(qū)域尺度上植被覆蓋度的計(jì)算提供了新的技術(shù)手段[3]。用MODIS和Landsat衛(wèi)星影像計(jì)算的歸一化植被指數(shù)(NDVI)與植被覆蓋度之間的相關(guān)性較高，且能提供長時(shí)間序列的連續(xù)數(shù)據(jù)，已成為利用遙感估算區(qū)域植被覆蓋度的主要數(shù)據(jù)源[4]。MODIS數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率高，能滿足季節(jié)尺度或者月尺度的監(jiān)測，但空間分辨率低[5]；Landsat影像分辨率高，但數(shù)據(jù)量大，在傳統(tǒng)遙感分析模式下存在數(shù)據(jù)下載、處理、信息提取費(fèi)時(shí)費(fèi)力等弊端[6]。Google公司推出的谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)支持在線完成MODIS、Landsat等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的處理，克服了傳統(tǒng)模式下數(shù)據(jù)處理繁雜的缺點(diǎn)[7]，為采用Landsat影像估算區(qū)域月尺度的植被覆蓋度提供了可能。

江西省位于我國最大淡水湖鄱陽湖流域腹地，是南方紅壤區(qū)水土流失嚴(yán)重的省份之一，并被列為我國首批三大生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)之一，對其開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測尤為重要。本研究基于GEE云計(jì)算平臺，利用2017—2019年Landsat衛(wèi)星影像，獲取江西省12個(gè)月的NDVI值，采用像元二分法估算12個(gè)月的植被覆蓋度，分析江西省的植被覆蓋時(shí)空變化特征，提出針對性的植被恢復(fù)建議，不僅能為該地區(qū)的水土流失防治提供數(shù)據(jù)支持，而且對該地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

江西省位于長江中下游南岸，是我國中部六省之一，地處北緯24°29′14″～30°04′43″、東經(jīng)113°34′18″～118°28′56″，面積約16.69萬km2；氣候?qū)儆谥衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫為16.2～19.7 ℃、多年平均降水量為1 340～1 930 mm；地形復(fù)雜多樣，四周高中間低，北部為湖區(qū)平原，山地和丘陵面積占土地總面積的78%，海拔-184～2 128 m；土壤以紅壤為主，約占全省土地總面積的65%[8]。江西省屬亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，2019年，森林覆蓋率為63.10%，位居全國第二，輕度及以上水力侵蝕面積為24 151.18 km2，占全省總面積的14.47%[9]。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

研究使用的遙感數(shù)據(jù)為Landsat OLI衛(wèi)星影像，分辨率為30 m，共有9個(gè)波段，其中：第4、5波段分別為紅光波段(Red)和近紅外波段(NIR)，用于NDVI值的計(jì)算；第9波段為卷云波段，用于云檢測。以GEE云計(jì)算平臺為支持，通過在該平臺編寫代碼，完成所用的江西省2017—2019年間Landsat OLI影像數(shù)據(jù)集的輻射定標(biāo)、幾何校正、云/雪/陰影掩膜、拼接和NDVI計(jì)算等工作。

本研究以2019年的影像為主，如2019年的影像存在大氣、云霧等因素時(shí)，用2017和2018年的作為補(bǔ)充。對每個(gè)月內(nèi)多個(gè)時(shí)相的NDVI采用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)進(jìn)行處理，獲得2019年12個(gè)月的NDVI數(shù)據(jù)值。

3.2 植被覆蓋度計(jì)算

采用像元二分法[10]計(jì)算植被覆蓋度，將12個(gè)月的NDVI值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的植被覆蓋度。計(jì)算公式為

式中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為像元NDVI值；NDVImax為純植被覆蓋時(shí)的NDVI值；NDVImin為純裸土?xí)r的NDVI值。NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，本研究在月最大合成NDVI頻率累計(jì)表上取頻率95%對應(yīng)的NDVI值作為NDVImax，取頻率5%對應(yīng)的NDVI值作為NDVImin[11]。

2019年植被覆蓋度為全年12個(gè)月的平均值。按照水利部2018年頒布的《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(試行)》中的植被覆蓋度分級標(biāo)準(zhǔn)，將植被覆蓋度分為5個(gè)等級：<30%為低覆蓋，30%～45%為中低覆蓋，45%～60%為中覆蓋，60%～75%為中高覆蓋，75%～100%為高覆蓋。

4 結(jié)果與討論

2019年江西省平均植被覆蓋度為65.69%，處于中高覆蓋水平，其中：低覆蓋面積占13.31%，中低覆蓋面積占7.59%，中覆蓋面積占9.17%，中高覆蓋面積占23.98%，高覆蓋面積占45.96%，植被覆蓋以中高覆蓋為主。

4.1 植被覆蓋度月度變化特征

從江西省2019年12個(gè)月的平均植被覆蓋度分析(圖1)，12個(gè)月的植被覆蓋度均大于60%，屬于中高植被覆蓋；冬季1月植被覆蓋度最小，為60.00%，夏季7月最大，為74.18%，整體呈現(xiàn)由春季向夏季逐漸增加，并在7月達(dá)到最大，隨后由夏季向秋季、冬季逐漸減少，并在次年1月達(dá)到最小的趨勢，與植被生長周期基本一致。江西省夏季濕熱多雨，光照充足，適合植物生長，植被覆蓋良好。

圖1 江西省2019年12個(gè)月平均植被覆蓋度

從各等級植被覆蓋度面積占比分析(圖2)，低覆蓋占比在8.89%(夏季7月)到19.15%(冬季12月)之間，占比在5個(gè)等級中排名第3；中低覆蓋占比在3.24%(夏季8月)到11.94%(冬季1月)之間，占比在5個(gè)等級中是最低的；中覆蓋占比在5.4%(夏季8月)到12.9%(冬季2月)之間，占比在5個(gè)等級中僅比中低覆蓋高；中高覆蓋占比在21.05%(夏季7月)到26.14%(冬季2月)之間，全年均大于20%，變化不大，減少比例最大的月份為春夏交接的6月(23.82%)至7月(21.05%)，減少2.77個(gè)百分點(diǎn)，增加比例最大的月份為夏秋交接的8月(21.09%)至9月(24.28%)，增加3.19個(gè)百分點(diǎn)；高覆蓋占比全年均在33%以上，最低為冬季2月的33.86%，最高為夏季8月的61.08%，增加比例最大的月份為春夏交接的5月(44.89%)至6月(53.66%)，增加了8.77個(gè)百分點(diǎn)，減少比例最大的月份為秋季的10月(48.69%)至11月(42.66%)，減少了6.03個(gè)百分點(diǎn)。總體上，低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋和中高覆蓋等級的最大值出現(xiàn)在冬季，最小值出現(xiàn)在夏季的7月或8月，整體隨著月份增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢；而高覆蓋等級全年變化趨勢與其他幾個(gè)等級相反，2月至8月呈現(xiàn)增加趨勢，9月至次年1月呈現(xiàn)減少的趨勢。江西省夏季受季風(fēng)氣候影響，水熱充足，植物生長茂盛，故植被覆蓋度往往在夏季達(dá)到最大；秋季氣溫降低，降水減少，植被覆蓋度降低；冬季氣溫和降雨進(jìn)一步降低和減少，一些落葉林進(jìn)入落葉期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也進(jìn)入休耕期，植被覆蓋度大大降低。

圖2 江西省2019年12個(gè)月各等級植被覆蓋度面積占比

4.2 植被覆蓋度空間分布特征

從江西省2019年植被覆蓋度空間分布(圖3)上看，植被覆蓋度東、西、南三面較高，北部和中部較低。這與江西省的地形地貌特征吻合，山地植被覆蓋度高，丘陵次之，平原地區(qū)最小。江西省中北部的水土保持功能分區(qū)主要為鄱陽湖丘崗平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)，贛、撫、信、饒、修五河于此匯入鄱陽湖，形成了鄱陽湖平原，這里是我國的九大商品糧基地之一，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，植被覆蓋度較低，同時(shí)在鄱陽湖湖濱區(qū)和五河尾閭區(qū)還存在一定的風(fēng)力侵蝕沙地，需加強(qiáng)開展沙地植被恢復(fù)[12]。東部與福建省交界的武夷山脈、西部的羅霄山脈、北部的廬山均是高植被覆蓋區(qū)，這些區(qū)域海拔較高，降水量大，受人類活動干擾較小，植被生長茂盛。五河沿線是城市人口與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集中區(qū)，是人類活動最為頻繁的區(qū)域，植被覆蓋度較低，因此在開發(fā)建設(shè)的同時(shí)也要加強(qiáng)對植被的保護(hù)，重視生態(tài)建設(shè)。近些年中南部的宜春市、豐城市和吉安市等地經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，對植被造成了擾動，植被覆蓋度也較低，這些地區(qū)水土流失強(qiáng)度以輕度為主，林下水土流失嚴(yán)重，流失面積大，需加強(qiáng)林下植被建設(shè)、改善林相結(jié)構(gòu)、提升森林質(zhì)量。南部主要是贛州市，20世紀(jì)時(shí)植被覆蓋度較低，實(shí)施山江湖開發(fā)治理工程與飛播造林后，生態(tài)修復(fù)效果顯著，植被得到良好的恢復(fù)，現(xiàn)在植被覆蓋度較高[13]。但贛州市是江西省內(nèi)崩崗侵蝕主要發(fā)生區(qū)[14]，也是特色經(jīng)果林發(fā)展區(qū)[5]，需加強(qiáng)崩崗侵蝕區(qū)的植被恢復(fù)和特色經(jīng)果林開發(fā)的植被保護(hù)。同時(shí)該市也是東江源和稀土礦的開采地[15]，需考慮水源地植被保護(hù)和廢棄尾礦地的植被恢復(fù)。

圖3 江西省2019年植被覆蓋度空間分布

5 結(jié) 論

基于GEE云計(jì)算平臺，利用Landsat OLI衛(wèi)星影像和像元二分法，估算了2019年江西省12個(gè)月的植被覆蓋度，分析了江西省植被覆蓋的空間分布和月度變化特征，主要結(jié)果如下：

(1)GEE云計(jì)算平臺能提供長時(shí)間序列的Landsat影像數(shù)據(jù)，并通過編程完成數(shù)據(jù)在線處理，可節(jié)約大量的時(shí)間和精力，實(shí)現(xiàn)用Landsat影像估算大面積研究區(qū)的月尺度植被覆蓋度。

(2)2019年江西省的植被覆蓋度為65.69%，處于中高覆蓋水平；夏季7月的植被覆蓋度最高(74.18%)，冬季1月的植被覆蓋度最低(60.00%)，植被覆蓋度整體呈現(xiàn)由春季到夏季逐漸增加，在7月達(dá)到最大，隨后由夏季到秋季、冬季逐漸減少，并在1月達(dá)到最小的變化規(guī)律，與植被生長周期基本一致。

(3)從空間分布上看，江西省植被覆蓋度在東、西、南三面較高，北部和中部較低。在鄱陽湖湖濱區(qū)和五河尾閭區(qū)需加強(qiáng)沙地植被恢復(fù)，在贛中地區(qū)應(yīng)注重城市發(fā)展對植被的破壞和關(guān)注林下水土流失，在贛南應(yīng)加強(qiáng)崩崗侵蝕區(qū)的植被恢復(fù)和特色經(jīng)果林開發(fā)的植被保護(hù)。