基于植被覆盖度变化的山东泰山区域生态修复工程效果研究

隋建红 隋岩刚 李超

收稿日期：20231031；修订日期：20240213；编辑：曹丽丽

作者简介：隋建红（1979—），女，山东诸城人，正高级工程师，主要从事环境地质、水文地质、遥感技术等工作；Email：sdusui@163.com  *

作者简介：隋岩刚（1981—），男，山东乳山人，高级工程师，主要从事地质环境、水文地质等工作;Email：suiyangang@163.com

摘要：采用最大值合成法、像元二分模型和趋势分析法，以NASA发布的2017—2022年MODIS NDVI 16d最大值合成数据为基础数据，通过植被覆盖度变化趋势对山东泰山区域生态修复工程整体效果进行研究。结果表明：2017—2022年泰山区域NDVI最大值和平均值总体呈波动上升趋势，最大值增长率为0.0055/a，平均值增长率为0.0049/a。山东省泰山区域Slope平均值为0.00478，生态修复工程绝大多数所处像元植被覆盖度变化率大于0，说明整个区域植被覆盖度有所改善，工程有明显效果。

关键词：山水林田湖草;生态修复工程;植被覆盖度;像元二分法;趋势分析法；泰山区域；山东省

中图分类号：X37；F301    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.007

引文格式：隋建红，隋岩刚，李超.基于植被覆盖度变化的山东泰山区域生态修复工程效果研究［J］.山东国土资源，2024，40（6）：5156.SUI Jianhong， SUI Yan'gang，LI Chao. Study on the Effect of Ecological Restoration Project in Taishan Area in Shandong Province Based on the Change of Vegetation Coverage［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：5156.

0  引言

评价一个区域的生态环境变化情况，多采用区域内植被覆盖状态来衡量，而评价植被覆盖状态的重要指标是植被覆盖度［13］（Fractional vegetation cover， FVC）。一般将植被冠层在地面上垂直投影面积之和与区域总面积的比值定义为植被覆盖度［46］。利用遥感数据研究植被覆盖度变化趋势，是当前区域生态建设影响评价的重要手段。主要采用归一化植被指数（NDVI）、像元二分模型应用和趋势分析法等研究方法。常规工程验收仅对单个工程生态修复效果［79］进行调查评价，不能对某区域整体生态修复效果进行评价。本文通过研究区工程建设前后植被覆盖度变化评价整体区域生态修复效果。

1  研究区概况与数据

1.1  研究区概况

2017年12月，山东省泰山区域入选国家第二批山水林田湖草生态保护修复工程试点范围［10］。山东省泰山区域生态保护修复工程涵盖省会济南及泰安2市的14个县（市、区），布设工程类型有地质环境、生物多样性、水环境、土地整治和监管能力建设等5大类［1112］。2018年工程全面实施，截至2022年3月，总投资约159亿元，修复矿山和整治土地2.8万hm2，治理采煤塌陷地9605hm2。2022年底进行了整体工程验收，区域生态功能系统得到提升。

1.2  数据源与预处理

数据源为美国国家航空航天局（NASA，网址https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）发布的2017年1月—2022年12月经过几何精校正、辐射校正处理的16d最大值合成数据集MOD13Q1（分辨率250m）。

预处理采用的软件工具为MRT批处理工具和ArcGIS软件。首先对MOD13Q1数据进行投影和格式转化处理，然后利用泰山区域边界矢量数据对处理后的数据进行裁剪，再次对研究区数据进行统计和分析，最后采用最大化合成法（MVC）合成年NDVI数据。MOD13Q1原始数据和研究对象NDVI取值范围不同，两者之间转换关系式为NDVI=DNⅹ0.0001［1314］。

2  研究方法

2.1  植被覆盖度估算

像元二分模型是一种简单实用的遥感估算模型［1516］，其计算公式如式（1）：

FVC=NDVI-NDVIsNDVIv-NDVIs（1）

式中：FVC代表计算单元的植被覆盖度；NDVI代表计算单元的NDVI值；NDVIs代表纯植物单元的NDVI值；NDVIv代表完全无植被覆盖单元的NDVI值。

裸地表面NDVIs理论上应接近0且不易变化，但受众多因素影响，NDVIs会随着空间变化而变化，其变化范围一般在0.1～0.2。同时，NDVIv值随着植被类型不同和季节变化而变化，因此计算植被覆盖度时，即使是对同一景影像，NDVIs和NDVIv也不能取固定值，故选取评价区域内NDVImax和NDVImin代表NDVIv和NDVIs，计算公式如式（2）：

FVC=0            NDVI≤NDVIminNDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin  NDVImin

式中：NDVImax为评价区域内累计概率为95%的NDVI值；NDVImin为评价区域内累计概率为5%的NDVI值。

2.2  趋势分析法

趋势分析法以时间为变量对研究数据进行线性回归分析，以便研究数据的变化趋势［1718］。计算方法如式（3）：

Slope=n∑ni=1（i×NDVIi）-∑ni=1i×∑ni=1NDVIin∑ni=1i2-（∑ni=1i）2  （3）

式中：Slope为像元回归方程的斜率;NDVIi为第1年的NDVI值;n为研究的时间长度，视自身情况而定。

当Slope>0时，表示该像元NDVI为增加趋势;当Slope=0，表示该像元NDVI基本不变;当Slope<0时，表示该像元NDVI为减少趋势［1920］。

3  结果和分析

3.1  植被覆盖时间变化特征

3.1.1  整个区域变化特征

2017—2022年，泰山区域NDVI最大值和平均值均总体呈波动上升趋势，最大值增长率为0.0055/a，平均值增长率为0.0049/a，变化趋势见图1。2019年生态修复工程处于初期，效果尚未显现，而区域建设仍处于发展状态，故最大值和平均值均在该年度达到最低值。

3.1.2  不同等级区域变化特征

参照2008年水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》［21］将划分植被覆盖度分为5个等级［22］，<30%为植被低覆盖度；30%～45%为植被中低覆盖度；45%～60%为植被中等覆盖度；60%～75%为植被中高覆盖度；>75%为植被高覆盖度。

2017—2022年山东泰山区域各不同等级覆盖度占比变化趋势见图2。可以看出，低覆盖度占地呈先降后增的变化趋势，中等覆盖度、中低覆盖度和中高覆盖度占地均呈先增后降的变化趋势，高覆盖度占地呈逐渐升高的变化趋势。

3.2  植被覆盖空间分布特征

3.2.1  年植被覆盖度空间分布特征

2017—2022年，泰山区域低覆盖度区主要分布于区域北部、西部和东南部的城市建设区和东平湖、大汶河等河流、湖泊区；高覆盖区主要分布于区域中部和南部；逐年等级植被覆盖度分布特征变化较小（图3）。

3.2.2  年植被覆盖度变化率空间分布特征

采用趋势分析法对2017—2022年山东泰山区域植被覆盖度以时间作为变量因子进行趋势分析（图4，表1），分析结果表明：6年来，部分区域植被覆盖度处于增加趋势，植被覆盖度显著改善区域面积为810.17km2，占比达5.2%；90.5%面积占比区域植被覆盖度基本保持不变。

3.3  生态修复工程与覆盖度变化率关系

将实施的山东泰山区域生态修复工程（水环境治理类除外）与2017—2022年植被覆盖度变化率叠合，获取到其所处像元的变化率，进行分析（图5）。

由图5可以看出，2017年以来实施的生态修复工程绝大多数所处像元植被覆盖度变化率大于0，且均不小于0.05（显著退化），平均值为0.014，进一步说明了实施工程有效性，显著改善区域与生态修复工程中植树、绿化区也基本对应。

4  结语

采用最大值合成法、像元二分模型和趋势分析法等研究方法，以NASA发布的2017—2022年MODIS NDVI 16d最大值合成数据为基础数据，对山东泰山区域近6年来（生态保护修复工程实施前后）植被覆盖度时间和空间变化趋势进行分析，以便验证山东省泰山区域生态修复工程整体效果。

（1）2017—2022年，泰山区域NDVI最大值和平均值总体均呈上升趋势，最大值增长率为0.0055/a，平均值增长率为0.0049/a。

（2）2017—2022年，山东泰山区域低覆盖度占地呈先降后增的变化趋势，中等覆盖度、中低覆盖度和中高覆盖度占地均呈先增后降的变化趋势，高覆盖度占地呈逐渐升高的变化趋势。

（3）部分区域植被覆盖度处于增加趋势，植被覆盖度明显改善区域面积占比达5.2%；90.5%面积占比区域植被覆盖度基本保持不变。

（4）山东泰山区域Slope平均值为0.00478，生态修复工程绝大多数所处像元植被覆盖度变化率大于0，且均不小于0.05（显著退化），说明整个区域植被覆盖度呈现改善趋势，工程有明显效果。

参考文献：

［1］  王柳，段英.利用遥感影像进行植被分布分析［J］.测绘与空间地理信息，2012，35（3）：140142.

［2］  李世伟，尼加提·穆合塔尔，周迪，等.济南市植被覆盖时空变化特征研究［J］.绿色科技，2020，14：813.

［3］  金凯，王飞，韩剑桥，等.1982—2015年中国气候变化和人类活动对植被NDVI变化的影响［J］.地理学报，2020，75（5）：961974.

［4］  白欣，贺炳彦，高婷，等.基于GEE云平台的榆林市植被覆盖度时空变化研究［J］.湖北农业科学，2022，61（16）：7075.

［5］  李玉虎，滕佳华，马文涛.京津冀地区植被覆盖度时空演变特征分析［J］.北京测绘，2019，33（11）：13021307.

［6］  张志强，刘欢，左其亭，等.2000—2019年黄河流域植被覆盖度时空变化［J］.资源科学，2021，43（4）：849858.

［7］  郝启勇，王忠，胡玉禄，等.沂蒙山区域山水林田湖草一体化保护和修复工程规划实践［J］.山东国土资源，2022，38（5）：4146.

［8］  徐风，焦玉国，唐丽伟，等.泰安市山水林田湖草生态修复区废弃露天矿山治理模式与技术体系研究［J］.山东国土资源，2022，38（6）：6371.

［9］  边微.泰山区域山水林田湖草保护修复试点：泰安市土地综合整治模式探索［J］.山东国土资源，2022，38（3）：7075.

［10］  山东省人民政府办公厅.关于推进泰山区域山水林田湖草生态保护修复工程的实施意见［N］.山东省人民政府公报，2018（16）：1420.

［11］  徐风，唐丽伟，魏凯，等.山东省泰安市山水林田湖草生态保护修复工程平台设计与实现［J］.山东国土资源，2023，39（12）：3948.

［12］  于楚榕.泰山区域山水林田湖草生态保护修复工程调查研究［J］.低碳世界，2020（2）：216217.

［13］  徐勇，奚砚涛，刘欣婷.2000—2013年江苏省植被覆盖度时空变化特征［J］.西南农业学报，2016，29（2）：437444.

［14］  徐勇.植被覆盖动态变化及其与气候因子的时空响应特征研究［D］.徐州：中国矿业大学，2015：120.

［15］  王爱芸，赵志芳.基于遥感的植被覆盖度估算方法研究进展［J］.绿色科技，2015（3）：1015.

［16］  钟琪，胡晋山，康建荣.基于像元二分法的大宁矿区植被覆盖度研究［J］.金属矿山，2021（11）：197203.

［17］  王晓蕾，石守海，陈江朝霞.黄河流域植被覆盖度变化及驱动因素［J］.中国环境科学，2022，42（11）：53585368.

［18］  冯莉莉，何贞铭，刘学锋，等.基于MODISNDVI数据的吉林省植被覆盖度及其时空动态变化［J］.中国科学院大学学报，2014，31（4）：492499.

［19］  徐勇，奚砚涛.江苏省植被覆盖动态变化及其与气候因子的关系［J］.水土保持通报，2015（4）：195201.

［20］  郭帅，裴艳茜，胡胜，等.黄河流域植被指数对气候变化的响应及其与水沙变化的关系［J］.水土保持通报，2020，40（3）：17.

［21］  中华人民共和国水利部.土壤侵蚀分类分级标准：SL1902007［S］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［22］  李钰溦，贾坤，魏香琴，等.中国北方地区植被覆盖度遥感估算及其变化分析［J］.国土资源遥感，2015（2）：112117.

Study on the Effect of Ecological Restoration Project in Taishan Area in Shandong Province Based on the Change of Vegetation Coverage

SUI Jianhong， SUI Yan'gang，LI Chao

（Shandong Institute of Coalfield Geological Engineering and Exploration， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：According to the change trend of vegetation coverage， the overall effect of ecological restoration project in Taishan area in Shandong province has been studied by maximum synthesis method， trend analysis method and pixel dichotomy model. The study data comes from MODIS NDVI data products released by NASA from 2017 to 2022. As showed by the results， from 2017 to 2022， the maximum value and average value of NDVI in Taishan region show a fluctuating upward trend， with the maximum growth rate of 0.0055/a and the average growth rate of 0.0049/a. The average slope value is 0.00478. The vegetation coverage change rate of most of the restoration projects is greater than 0. It is indicated that the vegetation coverage of the whole region shows an improvement trend， and the project has obvious effect.

Key words：Mountain，water，forest，field，lake and grass; ecological environment restoration project; vegetation coverage; pixel dichotomy; trend analysis; Taishan region; Shandong province