生態用地比例遙感估算及應用分析
——以寧夏沿黃城市帶為例

孫灝，阮琳，郭航，徐丹，孫中平

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；2.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918；3.生態環境部衛星環境應用中心，北京 100094)

0 引言

生態用地比例是指評價區域綠地、水域濕地和耕地面積占評價區域總面積的比例，是衡量生態系統宏觀構成性能的重要指標，也是《生態環境狀況評價技術規范》中評價生態環境質量的重要參數[1]。寧夏沿黃城市帶是以地緣相近、交通便利、經濟關聯度較高的銀川市為中心，石嘴山、吳忠、中衛三個地級市為主干，形成大中小城市相結合呈帶狀分布的城鎮集合體，是寧夏城鎮分布最密集、生產力要素最活躍的區域，也是寧夏經濟社會發展的精華地帶。然而，工業化和城市化帶來巨大經濟效益的同時，也可能引發諸多生態環境問題[2-5]。定量評價與分析寧夏沿黃城市帶的生態用地比例變化，有助于科學地揭示沿黃城市帶已經和可能引發的生態環境問題，為寧夏可持續發展和生態文明建設提供重要的輔助決策資料。

目前，遙感技術已成為獲取生態用地比例的重要手段[6-7]。其中，基于現有土地覆蓋類型遙感產品計算生態用地比例，無需進行初始的分類操作，產品已經過嚴格的精度驗證，能避免主觀誤差，且具有較為完善的分類體系，為大范圍生態用地比例的獲取提供了有利條件。然而，土地覆蓋類型產品多式多樣，且數據來源、制作原理等有著明顯差異[8-10]，致使基于典型土地覆蓋類型產品計算生態用地比例時標準難以統一。同時，分類系統的不同、語義分辨率的差異，也會導致各土地覆蓋類型產品的不同土地覆蓋類型間存在混淆，缺乏詳細的一致性分析等問題[11-15]。另外，鮮有研究利用全球土地覆蓋類型產品，定量評價與分析寧夏沿黃城市帶的生態用地比例變化。

本文選取四種典型的全球土地覆蓋類型產品，即MODIS-MCD12Q1[16]、GLOBCOVER[17-18]、GLOBELAND30[19-20]，以及FROM-GLC(finer resolution observation and monitoring of global land cover)[21-22]，從生態用地角度將土地覆蓋類型進行重分類，在統一分類體系下設計生態用地比例計算方法。并針對寧夏沿黃城市帶，從單個土地覆蓋類別以及總體生態用地角度，定量分析了四種典型產品的相對一致性。在此基礎上，選擇時間連續性較好的MODIS-MCD12Q1產品，利用曼-肯德爾法非參檢驗(Mann-Kendall，M-K)、森氏斜率估計(Sen’s slope)、赫斯特指數(Hurts)等時間序列分析技術，分析寧夏沿黃城市帶近20年生態用地比例的演變過程和趨勢，以期為寧夏沿黃城市帶的可持續發展規劃提供科學依據，也為其他生態環境問題研究提供參考。

1 數據與研究方法

1.1 研究區概況

寧夏沿黃城市帶地處黃河中上游引黃灌區(104°22′E～107°50′E，36°43′N～39°22′N)，屬干旱半干旱氣候，年均氣溫5～9 ℃，年降水180～680 mm，是生態環境保護研究的典型區域[23]。圖1為寧夏沿黃城市帶各區縣空間分布圖，圖中背景為2010年MODIS土地覆蓋類型產品MCD12Q1數據信息，采用IGBP分類系統[24]，空間分辨率為500 m。

注：該圖基于寧夏地理信息公共服務平臺下載的審圖號為寧S[2019]第018號的標準地圖制作，底圖無修改。圖1 研究區域空間分布圖

1.2 典型土地覆蓋類型遙感產品

四種典型土地覆蓋類型遙感產品的基本信息如表1所示，其中MODIS-MCD12Q1產品提供了2001—2017年，每年一幅空間分辨率為500 m的影像，具有良好的時序性。它是基于決策樹的監督分類方法，并借助先驗知識和輔助信息做后續處理完成的分類。GLOBCOVER是歐洲空間局通過全球合作，利用ENVISAT/MERIS數據，采用非監督分類方法生產而成。GLOBELAND30是首批分辨率達到30 m的土地覆蓋產品之一，它是利用Landsat TM、ETM+數據和中國環境減災衛星(HJ-1)多光譜影像，結合大量輔助信息(全球MODIS NDVI年序數據、全球DEM數據等)，基于“像元-對象-知識”POK方法制作而成，并委托第三方進行精度評估。GLOBELAND30-2010數據的總體精度為83.51%，Kappa系數為0.78，具有很高可靠性和可信度。FROM-GLC是利用TM和ETM+數據，采用最大似然分類器、J4.8決策樹分類器、隨機森林分類器和支持向量機分類器四種分類器，最終合成全球30 m分辨率土地覆蓋圖。

表1 四種土地覆蓋類型產品概要信息

1.3 生態用地比例計算

1)土地覆蓋類型產品預處理。使用MRT工具將MODIS-MCD12Q1產品在WGS-1984坐標系下按UTM Zone 48N投影成空間分辨率480 m的影像。以MODIS-MCD12Q1為準，將GLOBCOVER、GLOBELAND30、FROM-GLC轉換成相同坐標系。應用最近鄰采樣，將GLOBCOVER聚合到480 m，利用眾數聚合，將GLOBELAND30和FROM-GLC聚合到480 m。

為能在同一分類基準下比較四類數據產品，從生態用地角度出發，對地物類型進行歸并[25]。歸并后共六類，分別為：自然植被、耕地、自然植被與耕地鑲嵌體、濕地、水域以及非生態用地。表2為歸并后類別與歸并前類別編碼的對應關系。

表2 統一分類系統后分類編碼信息

2)一致性分析。MODIS-MCD12Q1產品具有良好的時序性，故本文以其為參考數據，對GLOBCOVER、GLOBELAND30、FROM-GLC產品從面積一致性、空間位置一致性兩個方面進行對比[26]。面積一致性方面，主要對比分析各類別的面積占比。空間一致性方面，將土地覆蓋類別進一步聚合為生態用地(E)和非生態用地(NE)，經過疊加分析生成四種數據類別，即E-E、E-NE、NE-E、NE-NE，最后運用式(1)計算四類產品的空間相似系數[27]。

(1)

式中：O代表空間相似系數；A代表E-E像元總數；B代表E-NE像元總數；C代表NE-E像元總數。

3)生態用地比例計算。依據生態用地比例定義，可將自然植被、耕地、自然植被/耕地鑲嵌體、濕地、水域歸入生態用地，得到式(2)。

(2)

式中：E為生態用地比例；X為生態用地的像元數目總和；Y為研究區范圍內有效像元數目的總數(不包含無數據的像元)。為分析生態用地比例的時空演變趨勢，研究使用了Mann-Kendall非參數檢驗、Sen’s 斜率估計以及Hurts指數分析[28-29]。

2 結果

2.1 不同土地覆蓋類型產品的面積一致性

圖2對各產品土地覆蓋類型面積占比進行展示。與同期MODIS-MCD12Q1產品相比，各產品在自然植被、耕地、自然植被/耕地鑲嵌體、濕地、水域、非生態用地的差異值為：GLOBCOVER-2005為-57.75%、-11.81%、23.26%、-0.07%、0.18%、46.19%；GLOBELAND30-2010為-22.49%、13.88%、0.0%、0.06%、1.17%、7.38%；FROM-GLC為-38.55%、1.99%、0%、-0.08%、2.31%、34.33%(2015年)，-44.93%、4.31%、0%、0.05%、0.9%、39.67%(2017年)。結果表明，其主要差異均體現在自然植被和非生態用地類型層面，MODIS-MCD12Q1產品中大多數被識別為自然植被類型(草地)的像元，在其他產品中被分為非生態用地類型(裸地)，是這一差異的主要原因。

圖2 各產品與MCD12Q1產品土地覆蓋類型面積占比

自然植被、耕地、濕地以及水體間的相互錯分并不會引起生態用地比例計算的誤差，故將土地類型進一步歸并為生態用地和非生態用地2種類型，從而更為直觀地反映各產品在生態用地比例計算方面的差異。圖3是基于每種產品生對態用地比例的統計，與同期MODIS-MCD12Q1產品相比，生態用地比例差異值：GLOBCOVER-2005為-46%；GLOBELAND30-2010為-7%，具有最高一致性；FROM-GLC為-34%(2015年)、-40%(2017年)。寧夏沿黃城市帶區域，稀疏草地分布較廣，各產品對裸地和草地判別標準的不同是產生差異的主要原因。

圖3 不同年份產品間生態用地面積占比

2.2 不同土地覆蓋類型產品的空間一致性

圖4為三種典型土地覆蓋產品與同期MODIS-MCD12Q1空間一致性空間分布圖，其中E-E代表類別一致，E-NE和NE-E代表兩類產品在該處類別不一致。該圖表明，MODIS-MCD12Q1與GLOBELAND30在統計生態用地和非生態用地方面的空間一致性較高。表3統計了三種土地覆蓋產品(GLOBECOVER、GLOBELAND30以及FROM-GLC)與同期MCD12Q1產品生態用地總體空間相似系數。結果表明：FROM-GLC產品在2015、2017年，相似系數分別為60.93%、56.40%；GLOBELAND30-2010數據產品與MODIS-MCD12Q1產品相比，生態用地總體相似系數高達85.07%，具有較高的契合度。GLOBECOVER與MODIS-MCD12Q1產品的相似系數最低，僅為44.57%。

注：該圖基于寧夏地理信息公共服務平臺下載的審圖號為寧S[2019]第018號的標準地圖制作，底圖無修改。圖4 空間一致性分析(E為生態用地;NE為非生態用地)

表3 三種全球土地覆蓋產品與同期MCD12Q1產品生態用地總體空間相似性 %

2.3 寧夏沿黃城市帶生態用地比例演變趨勢分析

通過不同產品間的一致性分析可知，MODIS-MCD12Q1與高分辨率產品GLOBELAND30-2010有較高的一致性。其中，GLOBELAND30-2010數據產品經第三方評價，具有很好的精度保證，間接驗證了MODIS-MCD12Q1產品的精度和可靠性。同時，MODIS-MCD12Q1產品具有良好的時間連續性，適宜于長時間序列的研究分析。故本文基于MODIS-MCD12Q1土地覆蓋產品，以寧夏沿黃城市帶為例，探究生態用地比例的演變過程。

從圖5可以看出，寧夏沿黃城市帶生態用地比例主要分為三種趨勢類型，即增長型、波動型、縮減型。大部分地區生態用地比例呈明顯上升趨勢，屬增長型，如惠農縣、大武口區；部分區縣生態用地比例無明顯變化趨勢，屬波動型，如中寧縣、賀蘭縣；金鳳區、西夏區兩個區生態用地比例呈持續減少趨勢，屬縮減型。但寧夏沿黃城市帶整體上呈明顯增長趨勢。

圖5 研究區域生態用地比例時間序列圖

對寧夏沿黃城市帶2001—2017年的生態用地比例進行時間上的趨勢顯著性分析和定量變化率估計，如圖6所示。結果表明：1)非參檢驗角度，除金鳳區和西夏區生態用地比例呈下降趨勢外，其余地區生態用地比例均呈上升趨勢。金鳳區和西夏區M-K趨勢統計量絕對值均大于2.32，表明其下降趨勢通過99%的顯著性檢驗，即呈極顯著減少趨勢；生態用地比例趨勢上升的所有地區中只有大武口區和利通區的M-K趨勢統計量不滿足99%的顯著性檢驗，但其絕對值也大于1.64，通過了95%的顯著性檢驗，即呈顯著增加趨勢。2)Sen’s斜率估計中，僅有金鳳區和西夏區的估計量小于零，其他區縣及研究區整體生態用地比例的估計量均大于零，即研究區內大部分地區生態用地比例都呈上升趨勢，金鳳區和西夏區生態用地比例呈下降趨勢；惠農區估計值最大，表明惠農區生態用地比例增大趨勢最明顯。

圖6 研究區域生態用地比例時間序列分析結果

圖7為M-K統計量和Sen’s斜率估計空間分布圖，更直觀地展現寧夏沿黃城市帶核心區域生態用地比例近20年的變化趨勢及速率。

注：該圖基于寧夏地理信息公共服務平臺下載的審圖號為寧S[2019]第018號的標準地圖制作，底圖無修改。圖7 研究區域生態用地比例時間序列分析結果空間分布圖

3 討論

Hurst指數可以定量刻畫時間序列發展趨勢的持續性或反持續性強弱程度[30-31]，Hurst指數值為0.5表示序列為獨立同分布的隨機序列，屬于布朗運動，即現在不會影響未來；大于0.5表示時間序列數據趨勢具有持續性；小于0.5表示時間序列數據趨勢具有反持續性。本文選擇Hurst指數定量描述研究區生態用地比例的持續性或反持續性強度，結果如圖8所示。

注：圖(b)基于寧夏地理信息公共服務平臺下載的審圖號為寧S[2019]第018號的標準地圖制作，底圖無修改。圖8 研究區域生態用地比例Hurst指數及其空間分布圖

圖8表明，除西夏區外其余各區和研究區整體的生態用地比例序列Hurst指數均大于0.80，表明這些區縣生態用地比例時間序列變化趨勢持續性很強，即金鳳區將保持其下降趨勢，其他區縣將保持上升趨勢。西夏區Hurst指數也達到了0.75以上，表明其持續性也較強，也將繼續保持下降趨勢。

圖9為基于MODIS-MCD12Q1產品的土地覆蓋類型變化圖。可以看出：寧夏沿黃城市帶自然植被類型在2006年之前呈微弱下降、之后呈現增長趨勢；耕地先呈緩慢增加，后趨于變化穩定的趨勢；裸地類型占比在2006年之后先迅速下降，后趨于穩定；建設用地則逐年穩步增加。該圖表明寧夏沿黃城市帶發展過程中建設用地的增加主要來源于裸地覆蓋類型的減少，并未以破壞生態用地為代價，因此研究區整體生態用地比例呈現良好發展態勢。

圖9 研究區域主要土地覆蓋類型變化分析圖

4 結束語

本文比較分析了MODIS-MCD12Q1、GLOBCOVER、GLOBELAND30和FROM-GLC四種典型全球土地覆蓋產品的相對一致性。基于MODIS-MCD12Q1運用M-K非參檢驗、Sen’s斜率估計以及Hurst指數分析了寧夏沿黃城市帶近20年生態用地比例演變過程和趨勢，結論如下。

1)從生態用地角度，MODIS-MCD12Q1產品與GLOBELAND30-2010數據產品面積差異僅為-7.38%，空間相似系數為85.07%，一致性程度最高；MODIS-MCD12Q1與FROM-GLC產品的一致性次之，與GLOBCOVER產品的一致性最低。同時發現，各產品在寧夏沿黃城市帶的差異主要源于草地和裸地間的混淆。

2)M-K非參檢驗和Sen’s斜率估計結果表明，2001—2017年，寧夏沿黃城市帶除金鳳區和西夏區生態用地比例呈下降趨勢外，其余區縣均呈增長趨勢或在小范圍內波動，研究區總體呈現顯著增長趨勢。Hurst指數表明，各區趨勢具有強、很強的持續性。通過對自然植被、耕地、建設用地以及裸地類型面積占比的趨勢分析，發現總體生態用地比例增長趨勢主要來源于自然植被和耕地的增加以及裸地類型的減少，建設用地的增加并未導致整體生態用地比例的減少。

雖然建設用地逐漸擴張有可能侵占生態用地，但通過生態環境綜合治理(如對裸地等非生態用地綠化改造)，可維持整體生態用地比例的穩定，為寧夏沿黃城市帶可持續發展提供保障。