基于MODISNDVI數據的粵港澳大灣區植被覆蓋時空演變?

馮嫻慧 曾芝琳 張德順

1 華南理工大學建筑學院 廣州 510641

2 同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

植被是生態環境的關鍵組成部分,區域植被覆蓋變化受城市群建設和人類活動的影響[1]。在城鄉生態環境統籌保護、國土空間總體規劃的新時代發展背景下,不局限于市域綠地空間,在更大規模范圍上探討植被覆蓋變化,特別是城市群密集建設區域、都市連綿發展區的植被生態空間時空變化規律的研究在建設美麗中國、推進生態文明、改善民生福祉、促進區域城市群和諧發展方面具有重要意義。

當前,通過RS、GIS技術研究植被覆蓋的核心參數是植被覆蓋度(Fractional Vegetation Cover,FVC),定義為單位面積內植被地上部分(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比[2]。植被覆蓋度是表征地球表面植被群落生長狀況的重要量化指標,可以反映大范圍的生態環境特征[3]。地表實測與遙感探測是獲取植被覆蓋度的2種有效途徑[4],其中遙感探測在時效性、人工投入和監測范圍等方面都比傳統地表實測展現出更加顯著的優勢[5－6],因而已逐漸成為獲取區域植被覆蓋信息的重要方法。在當前常用的遙感產品中,歸一化植被指數(NDVI)能夠有效反映植被覆蓋度指標[7－8],可高效、敏銳地檢測出大尺度植被生物物理變化特征[9]。當前國內外學者已經采用NDVI指數研究了一些特定城市群區域的植被覆蓋變化,如De La Barrera等[10]通過計算NDVI、歸一化建筑指數(NDBI)兩個指標分析智利3個城市群1989—2015年的植被變化；李卓等[11]通過NDVI數據估算京津冀城市群2005—2015年的植被覆蓋變化；崔浩楠等[12]利用NDVI數據分析了長江經濟帶1982—2019年植被覆蓋變化的時空特征。

粵港澳大灣區(以下簡稱大灣區)是我國近年來重點發展建設的世界級城市群及都市連綿區。中共中央國務院印發的?粵港澳大灣區發展規劃綱要?指出,推進生態文明建設、加強生態環境保護是粵港澳大灣區進一步提升發展質量的重要支撐[12]。因此,探索大灣區生態環境的時空變化,尤其是植被的動態演替進化規律是提升區域發展質量的重要內容。

本研究基于2001—2020年的MODIS NDVI遙感數據,通過對大灣區此20年的植被覆蓋時空演變格局進行定量分析,以較為全面、科學的方式展現城市發展對植被生態環境的影響,并對植被變化趨勢進行預測。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況及數據來源

大灣區位于我國華南地區,總面積5.6萬km2,包括原珠三角九市(廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶)和香港、澳門兩個特別行政區[13]。

本研究使用的NDVI數據來自美國NASA發布的MOD13Q1產品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。由于該數據記錄始于2000年2月,為保證數據的完整性,故選取研究的時間范圍為2001—2020年。

為充分反映年度植被長勢最佳時間的地表覆被狀況,運用最大值合成法(Maximum Value Composite,MVC),將每年的全部影像進行合成,得到2001—2020年大灣區每年的年最大NDVI值作為后續植被年際變化的分析指標[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 植被覆蓋度計算

依據像元二分模型,像元的植被覆蓋度fc的計算公式如式(1):

式(1)中:NDVIveg為純植被像元的NDVI值；NDVIsoil為純裸地像元的NDVI值。依據頻率統計表,分別選取累積頻率為0.5%和99.5%的NDVI值作為NDVIsoil和NDVIveg。由式(1)計算得到2001—2020年粵港澳大灣區每年的植被覆蓋度分布情況。

1.2.2 植被覆蓋度年際變化趨勢分析

利用大灣區20年來的植被覆蓋度,逐像元構建一元線性回歸方程,方程斜率的計算公式如式(2):

式(2)中:slope為線性擬合斜率；n為監測年數；fci為第i年的植被覆蓋度。

采用F檢驗進行植被覆蓋度增減趨勢的顯著性檢驗,計算公式如式(3):

式(3)中:yi為第i年的植被覆蓋度值；ˉy為監測時段內植被覆蓋度的多年平均值；＾yi為第i年的植被覆蓋度線性回歸值；n為監測年數。

依據計算所得F值找到統計學所對應的表征置信度的P值,將P值與斜率綜合起來作為劃分變化趨勢等級的依據:極顯著退化(slope<0,P<0.01)；顯著退化(slope<0,0.010.05)；不顯著改善(slope>0,P>0.05)；顯著改善(slope>0,0.010,P<0.01)。

1.2.3 植被覆蓋度穩定性分析

變異系數(Cv)能夠反映一組數據的離散程度。本研究通過計算每個像元在研究時段內的植被覆蓋度的變異系數,揭示大灣區植被活動的穩定性分布狀況。計算公式如式(4):

式(4)中:Ci為第i年的植被覆蓋度值；ˉC為監測時段內植被覆蓋度的多年平均值；n為監測年數。

1.2.4 植被覆蓋度演變趨勢預測

R/S分析法是一種檢測時間序列的方法,可證明數據變化的持續性并量化其持續性強度。R/S分析法常應用于利用大量連續資料進行科學預報的情境,適用于經濟學、水文學等諸多領域[3]。其原理如下:

對于一個時間序列{ξ(t)},t＝1,2,…,對于任意正整數τ≥1,定義均值序列的計算公式如式(5):

用X(t)表示累計離差,計算公式如式(6):

研究發現,標度關系如式(7):

式(7)中,H為Hurst指數。在植被覆蓋度序列的R/S檢測中,Hurst指數的意義為:H＝0.5,表明植被覆蓋度值前后的變化無關,數據具有隨機特征；0

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度時空分布特征

2.1.1 時序變化特征

20年間(2001—2020年),大灣區植被覆蓋度總體呈下降趨勢。如圖1所示,植被覆蓋度年際變化的波動范圍為[0.690,0.753],平均值為0.724。植被覆蓋下降過程出現的明顯波動可大致分為3個階段,即緩慢波動減少期(2001—2009年)、顯著降低期(2010—2014年)和緩慢波動回升期(2015—2020年)。在緩慢波動減少期,植被覆蓋度整體位于趨勢線以上,降幅為1.8%。2004年、2008年與2009年的植被覆蓋度偏低,可能是受當時華南地區嚴重旱情的影響[14]。在顯著降低期,植被覆蓋度均位于趨勢線以下,2011年廣東省嚴重旱情以及城市的快速發展建設可能是使該地區植被覆蓋度降入新低的主要原因[15]。

圖1 2001—2020年粵港澳大灣區年最大植被覆蓋度的年際變化趨勢

2.1.2 空間分布特征

20年間(2001—2020年),大灣區不同區域年最大植被覆蓋度的平均值差異較大,呈現中部較低、外圍較高的特點(圖2)。植被覆蓋度較高的區域主要位于東、西、北部的山地丘陵地帶,如肇慶、江門、惠州及廣州北部,這反映了該地區優良的自然植被本底條件。植被覆蓋度較低的區域則主要出現在中部平原地帶的城市集群區,如廣州南部、佛山、東莞、深圳、中山、珠海等地,說明城市的擴張對植被覆蓋度造成了較大的影響。

圖2 2001—2020年粵港澳大灣區植被覆蓋度年均值空間分布圖

2.2 植被覆蓋度變化規律

對2001—2020年大灣區年最大植被覆蓋度進行逐像元線性回歸分析,結果表明,植被覆蓋度增長的區域主要位于東、西、北部地區,植被覆蓋度降低的區域則主要位于中部地區。F檢驗表明,研究區內約30%的區域發生顯著(P<0.05)的植被覆蓋度變化(圖3、表1)。極顯著改善與顯著改善區域共占比9.87%,主要分布在廣州北部、肇慶中部、江門、惠州、深圳、香港等地,植被環境的改善初步分析應當是得益于2013年啟動的“新一輪綠化廣東大行動”。極顯著退化區域占比13.96%,主要出現在佛山、中山北部、廣州南部、東莞西部、江門東部、珠海中部、肇慶西北部和東南部以及惠州中部,退化的原因可能與過去20年間大灣區城市的快速發展建設有關。

圖3 2001—2020年粵港澳大灣區植被覆蓋度顯著性變化空間分布圖

2.3 植被覆蓋度穩定性評價

逐像元計算2001—2020年植被覆蓋度的變異系數(Cv),得到大灣區植被覆蓋度穩定性圖(圖4)。由圖4可知,20年間大灣區大部分地區Cv值較低,即植被覆蓋度的穩定性較高。穩定性高的區域主要分布于外圍山地丘陵地區,這些地區的人類活動相對較弱。局部地區Cv值較高,穩定性較低。穩定性低的區域主要集中在中部城市建成區及其周邊地區,以及部分河流沿線區域,人類活動相對頻繁。由圖3、圖4比較可得,植被覆蓋度顯著變化區域與穩定性較低的區域(Cv高值區域)基本吻合,據此可以初步推斷大灣區的植被環境變化主要受城市發展建設等人為經濟社會活動的影響,氣溫、降水等自然條件的影響不明顯。

2.4 植被覆蓋度演變趨勢預測

用R/S分析法對大灣區近20年植被覆蓋度的時間序列進行分析,結果表明,大灣區Hurst指數的平均值為0.46,呈現持續性的像元比重占34.6%、反持續性的像元比重占65.4%。參考李雙雙[16]和李卓[11]的相關研究,將大灣區的Hurst指數進行等級劃分,得到Hurst指數空間分布圖(圖5)。如圖5所示,持續性像元(綠色)與反持續性像元(紫色)呈交錯分布態勢,且弱持續性序列(0.35~0.65)占絕對優勢(83.5%),表明區域植被變化可能是在自然、人工等諸多因素綜合影響下形成[11]。

圖5 2001—2020年粵港澳大灣區Hurst指數空間分布圖

為實現對大灣區植被覆蓋未來變化趨勢的預測,將線性擬合斜率和Hurst指數進行疊加耦合分析,結果(圖6、表2)表明,未來植被覆蓋持續退化區域占比21.07%,反持續改善區域占比31.37%,合計預測未來退化面積比重超50%以上,約占比52.44%。

圖6 粵港澳大灣區變化趨勢持續性分布圖

表2 粵港澳大灣區變化趨勢持續性統計

在空間分布上,持續退化區域主要分布在肇慶西北部和東南部、佛山、廣州南部、中山北部、珠海、江門中部和惠州中部。反持續性改善區域主要分布在肇慶、江門、廣州北部、惠州、深圳和香港。持續改善區域占比13.50%,主要出現在除中部以外的其他地區。反持續性退化區域占比34.06%,主要位于持續退化區域的周邊。

以此為基礎,推測在未來20年間,若不采取更有效的生態體系建設措施,大灣區一半以上的植被覆蓋將面臨持續退化風險。

3 討論

鄧玉嬌等[17],何全軍[18]、Hu等[19]通過對廣東、珠三角地區的植被覆蓋研究發現,近15年內植被覆蓋呈現微弱的增長趨勢,但本研究發現大灣區在近20年(2001—2020年)的植被覆蓋整體呈微弱的降低趨勢,原因大致為兩個方面:1)本研究在方法上進行了更為合理的改進,上述鄧玉嬌、何全軍、Hu等的研究直接使用NDVI均值進行時序分析,NDVI影像的異常值易導致趨勢分析的偏差；本研究基于NDVI,采用像元二分模型估算FVC,再對FVC值進行時序分析,像元二分模型中NDVIsoil和NDVIveg取值時累積頻率閾值的采用在一定程度上削弱了異常值的影響,有效糾正了可能存在的誤差。2)采用更高精度的NDVI數據,研究結果會更準確。前人研究中采用的NDVI數據分別為MOD13A3(精度1 km)、MOD13C2(精度5 600 m),本研究采用的NDVI數據為MOD13Q1(精度250 m),本研究結果相較于前兩者或能更準確地表征局部詳細的植被覆蓋變化情況。

在前人研究中,未見以大灣區作為整體統籌研究其植被變化的時空規律,如,鄧玉嬌等[17]只是基于NDVI數據分析廣東省2000—2018年的植被覆蓋時空分布特征,何全軍[18]、Hu等[19]和Ruan等[20]利用NDVI數據分別分析珠江三角洲區域2001—2017年、2000—2016年以及2000—2015年的植被動態變化。而本研究首次以當前大灣區作為整體進行植被變化的時空規律研究。

已有研究多關注植被覆蓋變化及其影響因子的分析,尚未預測未來大灣區植被覆蓋時空變化規律。本研究在參考前人研究的基礎上,依據R/S分析法對大灣區近20年植被覆蓋度的時間序列進行分析,將線性擬合斜率和Hurst指數進行疊加耦合分析預測未來的植被演變趨勢。

4 結論與建議

4.1 結論

本研究基于2001—2020年的MODIS NDVI數據,使用像元二分模型計算大灣區的植被覆蓋度,采用線性回歸分析、變異系數分析等方法,探索年最大植被覆蓋度在20年間的時空變化規律,并采用R/S分析方法預測植被未來演變趨勢,得到以下結論:

1)近20年來大灣區植被覆蓋度總體呈下降趨勢(－0.023/10年),其變化過程可分為3個階段:緩慢波動減少期(2001—2009年)、顯著降低期(2010—2014年)和緩慢波動回升期(2015—2020年)。

2)2001—2020年大灣區植被覆蓋不顯著變化區域占比最大(69.18%),極顯著改善與顯著改善區域共占比9.87%；極顯著退化與顯著退化區域共占比20.95%,主要位于各大城市中心區周邊。

3)2001—2020年,大灣區的植被覆蓋演變趨勢以弱持續性序列為主,反持續性序列占比65.4%,持續性序列占比34.6%,預測未來將有52.44%以上面積的地區發生植被覆蓋退化情況。

4.2 建議

基于結論提出如下建議:1)采取一定的國土空間保護規劃措施,遏制城市建成區的無序擴張,嚴格保護城市群區域,尤其是城市邊界的生態植被。2)在“綠水青山就是金山銀山”的發展戰略指導下,大灣區應當制定新一輪的生態保護大行動,積極持續推進大灣區東側、西側、北側三面的山地丘陵地帶植被保護和人工植被恢復工作,構建連綿山體森林生態屏障體系。3)依托廣東萬里“碧道”的重大環境建設項目,制定防護休憩綠帶的建設策略和建設標準,積極推進沿珠江等主要水系及沿海岸線的防護林、濱河綠帶、濱海生態綠帶等的建設工作。