福建省长汀县植被覆盖变化多源遥感数据分析

吴小伙

（福建省龙岩市基础地理信息与测绘中心，福建 龙岩 364000）

1 概述

长汀县地处福建省西部山区丘陵，位于武夷山脉南麓，气候温润，雨量充沛，属于南方亚热带红壤丘陵土壤区[1]。由于红壤易侵蚀性，气候极端性以及人类高强度的开采活动，长汀县曾成为我国土壤流失最严重的三大地区之一[2]。因此水土流失防治和植被覆盖恢复一直是当地政府和社会的核心政策。经过几十年的有效治理，长汀县已经成为我国水土流失综合治理的典范之一[3]。长汀植被覆盖度时空分布格局监测及其潜在驱动因素分析是当前红壤丘陵区生态环境研究的关注焦点。

本文基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE) 云计算平台和多源遥感数据分析长汀县及其乡镇1980-2020年植被覆盖时空分布格局。此研究可以为探究植被覆盖研究与水土流失防治、植树造林和城镇扩张人类活动之间的关系,以及其它类似区域生态环境保护提供重要参考。

2 研究区概况

长汀县(116°00′ ～ 116°40′E, 25°18′ ～26°02′N) 位于福建省西南部，南邻广东省，西接江西省，是闽、粤、赣三省的重要枢纽。全县总面积3 099 km2, 包括庵杰、策武、大同、古城、馆前、河田、红山、南山、三洲、四都、铁长、汀州、童坊、涂坊、新桥、宣成、羊牯、濯田十八个行政乡镇。该区域属于亚热带季风气候，四季分明，年平均气温和年降水量分别为18.3℃和1 730.4 mm，降雨量集中且强度大。区域土壤以抗侵蚀性低红壤和赤红壤为主。植被类型主要有马尾松、低效林和灌丛、荒草坡等次生植被和人工植被。

3 数据介绍

本文共采用三套多源、多尺度、长时间序列卫星观测数据(如表1 所示)，包括5-km AVHRR 卫星地表反射率数据、500-m MODIS 卫星地表反射率数据和30-m Landsat 地表反射率数据。为了获取长汀县乡镇的地理位置，本文同时使用了长汀县乡镇级行政矢量边界数据集，见表1。

表1 卫星传感器参数设置

4 处理方法

如图1 所示，本文的研究方法主要包括四个步骤：数据预处理、最大植被覆盖度合成、时间变化趋势和结果聚合分析。所有操作均基于谷歌地球引擎 (Google Earth Engine,GEE) 云计算平台完成，具体步骤介绍如图1。

图1 技术流程图

4.1 数据预处理。由于卫星数据容易受到大气中云及云影的影响，导致卫星观测不能有效反映地表真实状况。为了解决这一问题，我们使用卫星数据产品自带的质量标记剔除受到云和云影影响的像元。

4.2 最大植被覆盖度合成。由于多源遥感卫星具有不同时间观测频率，本文采用年内最大归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI) 作为植被覆盖度的指示因子。其中归一化植被因子计算公式如下：

其中RefNIR和RefRed分别代表近红外波段和红光波段反射率。NDVI 范围为-1 到1, 其中NDVI 值越接近于1 表明植被覆盖度越高，反之NDVI 值越接近-1 表示植被覆盖度越低。

4.3 时间变化趋势。本文采用简单有效的一元线性回归方法分析长汀县植被覆盖度的时间变化趋势。为了消除年际变化的误差，采用多源卫星数据最大NDVI 距平作为时间趋势分析的数据。最大NDVI 距平是指多年NDVI 观测值与对应观测周期内NDVI 多年平均值的差值，反映了NDVI 相对于多年平均值的波段情况，具体表达为：

其中N 表示年份数。

4.4 结果聚合分析。基于上述三个步骤得到的结果进行长汀县植被覆盖度多年变化聚合分析，主要包括植被覆盖度多年平均的多尺度空间分析、植被覆盖度像元尺度变化趋势的多尺度空间分析、县级尺度植被覆盖度区域平均多年变化趋势分析和乡镇尺度区域平均多年变化趋势分析。其中县级和乡镇尺度植被覆盖度区域平均分析由县级和乡镇级行政矢量边界数据集与卫星数据叠加分析得到。

5 结果与分析

5.1 植被覆盖度空间分布特征

图2 显示了长汀县植被覆盖度空间分布。多源数据均呈现一致的中间低-四周高的空间分布格局。其中大同、汀州、河田、策武、三洲和濯田六个乡镇由于工业化程度高，植被覆盖度相对较低。其它乡镇由于工业化程度较低，开发程度小，植被覆盖度较高。同时多源遥感数据得到的结果具有一定差异，Landsat 空间分辨率，能够很好捕捉乡镇内植被分布细节特征；MDOIS 空间分辨率居中，能够捕捉乡镇尺度内植被分布部分细节特征；AVHRR 空间分辨率最低，无法很好刻画乡镇内植被分布细节特征。

图2 基于多源遥感数据的长汀县植被覆盖度多年平均值空间分布

5.2 县级尺度植被覆盖度多年变化趋势分析

图3 显示了长汀县植被覆盖度多年变化趋势空间分布特征。除了汀州、河田和策武三个乡镇呈下降趋势外，其它区域均植被覆盖均随时间呈现上升趋势。与多年平均植被覆盖度空间分布特征相反，多年变化趋势呈现中间高-四周低的空间分布格局。此结果表明在工业化的区域植被覆盖恢复强度比其它乡镇高，尤其是河田和濯田这两个历史上水土流失最严重乡镇呈现最快的恢复速度，也表明了当地政府多年水土防治和生态环境保护的有效性。

图3 基于多源遥感数据的长汀县植被覆盖度多年变化趋势空间分布

图4 显示了县级尺度植被覆盖度多年变化趋势结果，多源数据均表明长汀县植被覆盖度呈显著性逐年上升趋势。对比AVHRR 和Landsat 数据，可以看出,与空间分辨率较高的Landsat (回归斜率为0.0046 year-1) 数据相比，分辨率较低的AVHRR 数据监测的植被覆盖度恢复较慢 (回归斜率为0.0035 year-1)。

图4 基于多源遥感数据的长汀县全县植被覆盖度多年变化趋势

5.3 乡镇尺度植被覆盖度多年变化趋势分析

表2 显示了乡镇尺度植被覆盖度多年变化趋势分析结果, 从表中可以看出除了位于县城中心的汀州镇，其它乡镇的植被覆盖度均呈现显著逐年上升趋势。其中三洲镇的植被覆盖增加速度最快，AVHRR、MODIS 和Landsat 卫星回归斜率系数分别为0.0054、0.0089 和0.0098。河田镇的植被覆盖增加速度次之，回归系数分别为0.0043、0.0058和0.0070。古城镇的植被覆盖增加速度最慢，回归系数分别为0.0021、0.0025 和0.0038。汀州镇的植被覆盖呈下降趋势，回归系数为0.0015、-0.0001 和-0.0026。

表2 长汀县乡镇尺度植被覆盖度多年变化趋势回归系数

6 结论与讨论

通过GEE 云计算平台和多源卫星长时间系列观测，本文对长汀县县级和乡镇级近40 年植被覆盖度时空分布格局进行多尺度分析，主要发现以下两点结论：

6.1 植被覆盖度空间分布上，大同、汀州、河田、策武、三洲和濯田六个工业化程度高的乡镇，植被覆盖度低。其它乡镇工业化程度低，植被覆盖度高。

6.2 植被覆盖度多年变化趋势，县级尺度上，植被覆盖度呈显著增加趋势。乡镇尺度上，除了汀州镇，其余乡镇均呈显著增加趋势，且增加强度各异。其中三洲镇植被覆盖度增加速度最快，河田镇次之，土城镇增加趋势最缓慢。