基于MODIS數據的都柳江流域2000—2021年植被覆蓋度時空變化

http：//www.renminzhujiang.cn

DOI：10.3969/j.issn.1001-9235.2024.03.012

翟香，趙青松.基于MODIS數據的都柳江流域2000—2021年植被覆蓋度時空變化［J］.人民珠江，2024，45（3）：109-119，137.

摘"要：通過植被覆蓋度變化所反映的生態環境改善或退化，以認識區域生態環境的演變特征。以都柳江流域為研究區，基于MODIS-NDVI產品數據，利用像元二分模型計算流域植被覆蓋度狀況；通過趨勢分析、距平百分率及變異系數分析22年來流域植被覆蓋度變化趨勢、波動及異常情況。結果表明：①都柳江流域植被覆蓋度整體為較高覆蓋度及高覆蓋度，植被覆蓋度良好且季節分布特征顯著；②植被覆蓋度變化趨勢主要以增加趨勢為主，夏季變化趨勢與年際變化趨勢相似度高，春季則與冬季變化趨勢相似；③22年來流域年植被覆蓋度大多處于正常狀態，正常狀態占比在年數據上體現比較穩定，春季和冬季異常狀態偏多，植被覆蓋度在不同年份相同季節的變化異常相對不同年份的年數據更加顯著；④2000—2021年年植被覆蓋度整體呈現穩定的狀態，但冬季和春季植被覆蓋度相對較不穩定，波動情況較夏季和秋季顯著，時空變化上年際和夏季分布情況較一致。

關鍵詞：植被覆蓋度；變化趨勢；異常情況；演變特征；都柳江流域

中圖分類號：Q948.1""文獻標識碼：A""文章編號：1001-9235（2024）03-0109-12

Temporal and Spatial Changes of Vegetation Coverage in Duliu River Basin from 2000 to 2021 Based on MODIS Data〖STBZ〗

ZHAI Xiang，ZHAO Qingsong

（Guizhou Lvxing Qingyuan Environmental Protection Co.，Ltd，Guiyang 550001，China）

Abstract：Changes in vegetation coverage can reflect the improvement or degradation of the ecological environment，so as to help identify the evolution characteristics of the regional ecological environment.This paper takes the Duliu River Basin as the research area and calculates the vegetation coverage condition of the basin by using a pixel binary model based on MODIS-NDVI product data.The changing trend，fluctuations，and abnormal conditions of the vegetation coverage of the basin over the past 22 years are analyzed through the analyses of the trend，the anomalous percentage，and the coefficient of variation.The results indicate that ① the vegetation coverage in the Duliu River Basin is generally higher or high，with excellent performance and significant seasonal distribution characteristics;② the vegetation coverage is mainly increasing， and the similarity between summer and interannual changes is high，while the changing trend between spring and winter is similar;③ for the past 22 years，the annual vegetation coverage of the basin has mostly been in a normal state，with a relatively stable proportion in annual data.There are more abnormal states in spring and winter.The abnormal changes in vegetation coverage in the same season of different years are more significant compared with the annual data of different years;④ from 2000 to 2021，the overall vegetation coverage shows a stable state.However，the vegetation coverage in winter and spring is relatively unstable，and the fluctuation in winter and spring is more significant than that in summer and autumn.The interannual and summer distribution patterns are relatively consistent in terms of spatiotemporal changes.

Keywords：vegetation coverage;changing trend;abnormal situation;evolution characteristics;Duliu River Basin

植被作為重要的陸地生態環境變化的“指示器”，是物質循環和能量傳遞的紐帶，具有維持生態系統平衡和調劑氣候的重要功能^［1］。植被覆蓋度的增加或下降能夠直接反映生態環境的改善或退化狀況，通過監測植被覆蓋度的變化，能夠準確認識區域生態環境的演變特征^［2］。

隨著科學技術的不斷發展，遙感數據憑借其特有的高效性、多時間尺度、多空間分辨率、直觀性、覆蓋范圍廣等特征，有關遙感數據的監測、使用及研究與日俱增。近年來，基于遙感數據的區域植被覆蓋度研究也較多，多采用像元二分模型來計算區域植被覆蓋度。如仲嘉亮等^［3］基于像元二分模型對2006—2015年新疆植被覆蓋度格局變化進行研究。劉曉波^［4］基于NDVI的線性混合像元二分模型對內蒙古自治區阿魯科爾沁旗扎嘎斯臺鎮的草地覆蓋度進行遙感估算。在遙感數據的使用上，多使用Landsat影像數據或MODIS產品數據。如趙楠等^［5］基于Landsat系列影像對黑龍江省1990—2020年植被覆蓋度的時空變化趨勢及驅動力進行研究分析。封鵬飛等^［6］基于Landsat遙感影像對圍場縣植被覆蓋度與地形因子的相關性開展研究。侯志雄等^［7］基于MODIS-NDVI產品數據對近20 a新疆北疆天然草地植被覆蓋度時空變化及其與氣象因子的關系展開研究。于惠等^［8］基于長時間序列的MODIS和野外實測數據，探討3種植被覆蓋度反演模型在河西干旱區的適用性，并以此為基礎分析了2001—2015年河西地區草地植被覆蓋度時空分布特征。對于研究區域和研究尺度上，有學者針對不同尺度行政區域對植被覆蓋度進行研究，如對昭覺縣^［9］、長汀縣^［10］、雅安市^［11］、陜西省^［12］等。亦有學者針對不同自然生態系統展開植被覆蓋度研究，如巢湖流域^［13］、海河流域^［14］、麥蓋提綠洲^［15］、天山新疆段^［16］等。但針對西南喀斯特地區流域范圍植被覆蓋度多年的變化研究較少。

中國南方喀斯特山地崎嶇，地形破碎，地貌類型影響了自然生態環境的特征，從宏觀上是區域地表徑流與沖刷的基本驅動力，具有水土易流失的重要特征^［17］。而水土流失特征會直接加劇區域生態環境的脆弱性，進一步影響區域景觀生態風險的時空異質性易導致石漠化的發生^［18］。植被覆蓋度作為區域生態環境研究的一個重要因子，一定程度上也可用于反映區域生態狀況。都柳江流域位于貴州省東南部，流域農耕區域較多，但由于其地形地貌特征，高質量精細化農業發展尚且落后；同時流域內森林資源豐富，是黔東南州用材林的重要組成部分。在較破碎化的耕作模式及用材林周期性的種植與砍伐的人類活動背景下，流域部分區域植被覆蓋度演變自然規律性相對較弱。因此加強喀斯特地區小流域植被覆蓋度的研究，探討流域內植被覆蓋度的空間格局及時間變化特征，致力于為區域生態環境監測及改善提供一定參考。

1"研究區概況與數據來源及處理

1.1"研究區概況

都柳江隸屬于珠江水系，是西江水系一級支流柳江上游河段，發源于貴州省黔南州獨山縣，流域范圍介于東經107°24′～109°26′，北緯25°07′～26°30′，主要流經貴州獨山縣、三都水族自治縣、荔波縣、丹寨縣、雷山縣、榕江縣、從江縣、黎平縣、都勻市等9個市縣^［19］，總面積15 727 km^2［20］（圖1）。流域年平均氣溫18～20℃，年降雨量1 400～1 800 mm，4—8月為雨季，占全年降水的72%^［21］。地勢西北高而東南低，最高點為雷公山，最低為地坪河出省境處；流域上下游地質背景不同，上游以沉積巖分布為主，碳酸鹽巖分布較廣，流域中下游出露地層主要以下江群碎屑巖為主，硅酸鹽巖分布廣，是典型的喀斯特流域^{［19，22］}。由于高溫多雨天氣，適宜亞熱帶和熱帶作物生長，上游以及中下游山區是中國重要的杉木林區，且干流流經的3個主要縣境均屬于貴州省10個林業基地縣^{［19，21］}，是貴州省森林覆蓋率較高的流域之一。

1.2"數據來源及處理

研究以MOD13Q1數據作為計算區域植被覆蓋度的基礎，來自于美國NASA LPDAAC EOS數據中心（http：//labweb.nascom.nasa.gov），空間分辨率250 m。MOD13Q1數據一年由23期數據構成，成像周期為16 d，平均每個月含有2期數據。研究下載MOD13Q1數據為2000—2021年，共22 a 506期數據。

MOD13Q1數據中小于0的數據監測結果為無效值，主要為云或濕地等區域。為了更好的反映區域植被覆蓋度情況，減少數據無效值對整體計算產生干擾，使用最大合成法將一年23期數據處理為年NDVI數據。依據氣象學上的季節分類，四季分類為春（3—5月），夏（6—8月），秋（9—11月），冬（12月至次年2月）。根據以上季節月份時間將MOD13Q1的23期數據按照月份分為春（5—10期）、夏（11—16期）、秋（17—21期）、冬（22、23、1—4期）。分類完成后，將季節對應月份同樣通過最大合成法得到區域NDVI季節數據。

2"研究方法

2.1"像元二分模型

基于歸一化植被指數利用像元二分模型^［23］對都柳江流域植被覆蓋度進行估算，計算見式（1）：

FVC=（S-S_soil）/（S_veg-S_soil）（1）

式中"FVC——區域植被覆蓋度；S——像元的NDVI值；S_veg——像元是植被類型的NDVI值；S_soil——像元是土壤的NDVI值。

在沒實測數據的情況下，取區域影像中給定置信度的置信區間內的NDVI最小值作為理想無植被地表；取區域影像中給定置信度的置信區間內的NDVI最大值作為理想植被全覆蓋地表^［3］。

通過像元二分模型計算出區域植被覆蓋度后，參照有關研究及研究區實際情況^［5，24］，將植被覆蓋度分為高覆蓋度、較高覆蓋度、中度覆蓋度、較低覆蓋度、低覆蓋度5個等級，以更直觀地體現區域植被覆蓋度的時空變化特征。通過計算得到2000—2021年22年來都柳江流域年植被覆蓋度情況及季節植被覆蓋度情況，后算取22年植被覆蓋度均值及22年春、夏、秋、冬四季植被覆蓋度均值后根據表1進行分級。

2.2"趨勢分析及Mann-Kendall顯著性檢驗

趨勢分析是預測一組數據隨時間變化的趨勢，通過對一組數據進行回歸分析來分析其變化趨勢。文章通過對2000—2021年22 a區域植被覆蓋度等級的年變化趨勢及多年來季節植被覆蓋度等級變化趨勢進行分析，從而分析流域植被覆蓋度相對穩定和變化顯著的區域和時間段^［16］。計算見式（2）：

式中"θ_slope——植被覆蓋度的變化趨勢；i——1～n的年序號；FVC_i——第i年的植被覆蓋度。

當θ_slope＞0時，表示n年中，植被變化呈增加的趨勢；當θ_slope=0時，植被基本無變化；θ_slope＜0時，植被變化呈現減少趨勢。文章通過對植被覆蓋度數據進行分級處理后計算各等級多年的植被變化情況。

使用M-K趨勢檢驗法檢驗FVC變化的顯著性，對時間序列（FVC₁，FVC₂，…，FVC_n）作如下假設：①F₀假設，假設序列存在上升或下降單調趨勢；②F₁假設，假設序列無顯著趨勢^［5］。在F₁假設下，定義檢驗統計量S為：

當n≥10時，S近似服從正態分布并進行標準化得到Z，將Z進行顯著性檢驗，見式（4）：

2.3"距平百分率

距平百分率是指某時間段的數值與多年同時期平均值之差、與多年同期平均值相比的百分率。它能反映某些值的異常變化情況，能表示某一段時間內的值比多年平均值偏多或偏少；常用于評估氣象上一個周期內發生的干旱事件。參照有關研究其也可用于表征一段時間內植被覆蓋度偏離同期多年平均值的程度^［24］。計算見式（6）、（7）：

將計算得到的區域植被覆蓋度距平百分率按表2進行分級處理。

2.4"變異系數

變異系數能夠反映數組的離散程度，是衡量一組數據中各值波動程度的統計量，由標準差與均值的百分比計算得到，可以減少多個數組中的數據因單位或平均數不同而對數組波動情況比較的影響^［24］。計算見式（8）、（9）：

式中，C.V.為變異系數；σ為標準差。C.V.越小，說明植被覆蓋度隨時間的變化波動越小、分布越集中、穩定性越好；C.V.越大，說明植被覆蓋度隨時間的變化波動越大、分布越離散、穩定性越差。

3"結果分析

3.1"植被覆蓋度時空變化分析

都柳江流域植被覆蓋度情況結果見表4、圖2。從年際數據上分析，都柳江高覆蓋度分布占流域總面積的75.39%，較高植被覆蓋度分布占流域總面積的23.74%，中等、較低及低覆蓋度分布極少，僅占流域總面積的1%左右。從季節數據上看，夏季植被高覆蓋度區域分布最廣泛，占流域面積的95.50%；春季及秋季主要為植被較高覆蓋度及高覆蓋度，春季二者占流域面積的95.61%，秋季二者占流域面積的97.82%；冬季植被分布主要為中等覆蓋度及較高覆蓋度。都柳江流域植被覆蓋度整體為較高覆蓋度及高覆蓋度，植被覆蓋良好且季節分布特征顯著。不同等級植被覆蓋度多年均值空間分布及多年四季均值空間分布見圖2。整體上植被覆蓋度高的區域主要在流域中部，流域西部及東部植被覆蓋度相對低。在榕江縣、獨山縣、三都水族自治縣、荔波縣4個縣城的城區范圍植被覆蓋度較低；而從江縣東部及西部植被覆蓋度相對西南部都較低。整體上植被覆蓋度較高的主要分布在山區，較低的區域分布在河谷及人類活動相對較多的地區。

3.2"植被覆蓋度變化趨勢分析

使用M-K趨勢檢驗法檢驗FVC變化的顯著性，結果見表5，檢驗結果顯示都柳江流域2000—2021年植被覆蓋度呈現顯著增加的趨勢，并通過信度99%的顯著性檢驗。都柳江流域2000—2021年各范圍植被覆蓋度具體變化趨勢情況見表5、圖3。從年際數據上看，植被覆蓋度呈增加趨勢的范圍占流域總面積的57.22%，不變趨勢的范圍占流域總面積的34.69%，減少趨勢的范圍分布較少。從季節數據上看，整體上植被覆蓋度呈增加的趨勢，且占比上看春季gt;冬季gt;秋季gt;夏季；植被覆蓋度不變趨勢面積占流域面積的比例為夏季gt;秋季gt;冬季gt;春季；植被覆蓋度減少的趨勢為夏季gt;冬季gt;春季gt;秋季。夏季植被覆蓋度變化趨勢與年際植被覆蓋度變化趨勢匹配度最高。

從植被覆蓋度變化趨勢空間分布狀況來看，植被覆蓋度不變趨勢區域主要以流域中部地區分布較為顯著，主要為三都水族自治縣東部、丹寨縣東南部、榕江縣西部及東北部、荔波縣中部、從江縣西南部及黃平縣西北部。植被覆蓋度增加趨勢區域主要分布在流域西部及東南地區，以獨山縣、三都水族自治縣西部、從江縣東部及黎平縣東南部趨勢較為顯著。

綜上，植被覆蓋度不變趨勢分布在空間上多位于流域中部，時間上多處于夏季，分布位置及時間植被覆蓋度都較高，一定程度上可以反映出植被覆蓋度高的區域和時間其變化較穩定；因此生態工程建設及生態環境監測中可優先選擇較穩定的時間段和地區。相反，春季和冬季以及植被覆蓋度相對低的區域，植被覆蓋度的變化較顯著，可見其更易受氣候因子、人為活動等因素影響。

3.3"植被覆蓋度異常情況分析

根據距平百分率計算分級結果，將植被覆蓋度變化異常情況分為異常偏少、偏少、正常、偏多、異常偏多5個分級（圖4）。都柳江流域2000—2021年22年來年植被覆蓋度整體狀態比較平穩且大多處于正常狀態。正常狀態植被覆蓋度占柳江流域面積比在2004年達最大為99.92%；在2019年達最低為99.57%。異常偏少及偏少狀態在2019年相對其他年份顯著，占比總量為0.41%。偏多及異常偏多狀態在2015年相對其他年份顯著，占比總量為0.18%。

都柳江2000—2021年春季植被覆蓋度正常狀態植被覆蓋度占柳江流域面積比在2011年達最大為99.22%；在2005年達最低為92.78%。異常偏少及偏少狀態在2005年相對其他年份顯著，占比總量為6.40%。偏多及異常偏多狀態在2016年相對其他年份顯著，占比總量為6.42%。

都柳江2000—2021年夏季植被覆蓋度正常狀態植被覆蓋度占柳江流域面積比在2002年達最大為99.81%；在2017年達最低為98.56%。異常偏少及偏少狀態在2000年相對其他年份顯著，占比總量為1.16%。偏多及異常偏多狀態在2016年相對其他年份顯著，占比總量為0.31%。

都柳江2000—2021年秋季植被覆蓋度正常狀態植被覆蓋度占柳江流域面積比在2012年達最大為99.80%；在2017年達最低為96.45%。異常偏少及偏少狀態在2001年相對其他年份顯著，占比總量為1.62%。偏多及異常偏多狀態在2017年相對其他年份顯著，占比總量為3.41%。

都柳江2000—2021年冬季植被覆蓋度正常狀態植被覆蓋度占柳江流域面積比在2006年達最大為99.32%；在2001年達最低為90.97%。異常偏少及偏少狀態在2001年相對其他年份顯著，占比總量為8.48%。偏多及異常偏多狀態在2021年相對其他年份顯著，占比總量為8.23%。

整體上看植被覆蓋度正常狀態占比在年數據上體現比較穩定，春季和冬季異常狀態偏多，夏季相對穩定，秋季異常狀態適中。植被覆蓋度在不同年份相同季節的變化異常相對不同年份的年數據更加顯著。春冬季節為多數植被生長初期和末期，更易受各類氣候的影響。因此，后續將加強區域氣象因素對不同季節植被覆蓋度的影響及極端天氣下植被覆蓋度的變化特征的研究與分析。此外，植被覆蓋度偏少狀態在2012年及其以前占比較多且變化波動較大，而偏多與異常偏多在2014年及其以后占比較多且占比波動較大；2013年植被覆蓋度最接近22年來植被覆蓋度多年同期均值，以2013年為節點，在各類環境保護政策及自然環因素如氣溫、降雨的影響下，植被覆蓋度相對前十余年來整體增強。

3.4"植被覆蓋度波動情況分析

都柳江流域2000—2021年植被覆蓋度波動變化情況見表6、圖5，將植被覆蓋度波動情況分為穩定、輕微波動、中度波動、重度波動4個波動等級。

從年際數據上看，2000—2021年植被覆蓋度整體呈現穩定的狀況，為流域面積的89.88%，之后為植被覆蓋度輕微波動，占流域面積的9.76%。從季節數據上看，植被覆蓋度波動為穩定狀況的面積占比為夏季（81.26%）gt;秋季（71.37%）gt;春季（39.63%）gt;冬季（18.98%）。植被覆蓋度為輕微波動的范圍面積占流域總面積比為冬季（72.29%）gt;春季（53.99%）gt;秋季（26.98%）gt;夏季（18.16）。無論年際數據還是季節數據上看，整體上重度波動和中度波動范圍都較少，但冬季和春季植被覆蓋度相對較不穩定，波動情況較夏季和秋季顯著。植被覆蓋度波動空間分布情況上看，波動情況較明顯的區域分布在流域的西部地區及各個縣城的城區范圍，以從江縣、三都水族自治縣、獨山縣最為顯著。空間變化上，年際和夏季分布情況較一致，其次為秋季，冬季分布差異明顯且一致性相對較弱。從植被覆蓋度波動分布的空間位置及季節上看，城區及其周邊與河谷地帶植被覆蓋波動較大，主要由于城區及其周邊人類活動較多，河谷地帶季節性的漲降水也會影響植被覆蓋的觀測值。時間上，夏季為植被生長最為旺盛的時期，區域人類活動或降水等對植被覆蓋度監測的影響較小，秋季會受部分區域人工植被或落葉林帶的影響，波動稍大，春冬季節則更易受雨霧、降雪等氣候因子的影響，從而導致監測值的變化較大，由此春冬季節波動較顯著。

4"結論與討論

4.1"結論

基于MODIS數據基礎，通過像元二分模型計算都柳江流域2000—2021年植被覆蓋度分布情況，并分析其變化趨勢、異常情況及波動情況。

a）都柳江流域植被覆蓋度整體為較高覆蓋度及高覆蓋度，植被覆蓋良好且季節分布特征顯著，其中夏季植被以高覆蓋度為主，冬季以較高覆蓋度為主。整體上植被覆蓋度高的區域主要在流域中部，流域西部及東部植被覆蓋度相對低。

b）植被覆蓋度變化趨勢年際數據與季節數據都主要以增加趨勢為主。但夏季植被覆蓋度變化與年際變化趨勢相似度較高，除增加趨勢外，二者不變趨勢植被覆蓋度范圍分布也較廣；而春季與冬季的變化趨勢也較相似。

c）22 a來都柳江流域年植被覆蓋度整體狀態比較平穩且大多處于正常狀態，正常狀態植被覆蓋度占柳江流域面積比在2004年達最大為99.92%，異常偏少及偏少狀態在2019年相對其他年份顯著，偏多及異常偏多狀態在2015年相對其他年份顯著。植被覆蓋度正常狀態占比在年數據上體現比較穩定，春季和冬季異常狀態偏多，夏季相對穩定，秋季異常狀態適中。植被覆蓋度在不同年份相同季節的變化異常相對不同年份的年數據更加顯著。

d）2000—2021年年植被覆蓋度整體呈現穩定的狀況，為流域面積的89.88%，之后為植被覆蓋度輕微波動，占流域面積的9.76%。整體上重度波動和中度波動范圍都較少，但冬季和春季植被覆蓋度相對較不穩定，波動情況較夏季和秋季顯著。波動情況較明顯的區域分布在流域的西部地區及各個縣城的城區范圍。空間變化上年際和夏季分布情況較一致，其次為秋季，冬季分布差異明顯且一致性相對較弱。

4.2"討論

研究結果顯示2000—2021年來都柳江流域植被覆蓋度整體為較高植被覆蓋度及高植被覆蓋度區域，植被覆蓋度整體呈現增加的趨勢，與代仁麗等^［27］研究結果一致。但植被分布在居民聚集地、中心城區等區域相較于保護地連片分布及山體區域變化差異顯著，區域土地利用類型的差異可能影響植被覆蓋度的變化特征，因此增加區域土地利用類型與植被覆蓋度耦合性分析具有一定現實意義。此外，研究表明都柳江流域西部及東部地區植被覆蓋度波動較中部地區顯著。在吳躍等^［27］的研究中表明植被覆蓋度的分布及變化在不同高程、不同巖性下差異顯著，在謝剛等^［18］的研究中也表明了巖溶地區地表、地下二元水土流失特征會加劇生態環境的脆弱性，進一步影響區域景觀生態風險的時空異質性。流域地勢西高東低，上下游地質背景也存在不同，因此上下游地形地貌不同是否為流域不同區域植被波動程度不同的原因之一也可作為植被覆蓋度及其變化的影響因子研究。

研究結果表明研究區域的植被覆蓋度分布情況、變化趨勢、異常情況及波動情況整體上看年際數據與夏季數據變化情況都很一致，春冬季變化差異較顯著，這與朱林富^［24］針對重慶市的植被覆蓋度時空變化及石漠化監測研究中研究結果一致，同時其還表明針對不同研究的植被覆蓋度算取方法及時間段的選擇都需要仔細考量。文中不同年份或不同季節植被覆蓋度的變化及波動與氣候因子也有一定的關系，如毛春艷等^［25］的研究表明2014年貴州省無干旱現象的發生，本文研究也表明2014年及以后植被覆蓋度偏多狀態分布顯著。吳端耀等^［28］的研究也表明貴州省林草植被覆蓋度的變化與氣溫降水存在相關性，而胡嶼等^［29］的研究中表明汛期為滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的高發期。較大的地質災害必然會對區域植被覆蓋造成突變的影響，因此耦合氣候因子及區域地質災害空間分布特征選取適宜時間段研究區域植被覆蓋度的變化更有利于主要影響因子的分析。

綜上，不同地形地貌特征與土地利用類型、氣溫及降雨等氣候因子及地質災害的偶發性都可能對區域植被覆蓋度造成具有規律性或突發性的影響。本文僅對流域內植被覆蓋度時空變化特征及不同時間變化下的波動情況進行分析研究，尚未對其影響因子及因子相關性進行系統性的計算與分析，將作為后續工作的研究方向。

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（責任編輯：程"茜）

收稿日期：2023-07-04

作者簡介：翟香（1998—），女，碩士，工程師，主要從事地理信息系統與遙感等相關工作。E-mail：zhaixiang97@163.com