基于MODIS 數據的四川植被覆蓋度景觀格局特征分析

朱林富

（樂山師范學院 旅游學院，四川 樂山 614004）

0 引言

植被在陸地生態系統中起著十分重要的作用[1-2]，植被覆蓋狀況對生態環境具有很好的指示作用[2-4]，其景觀格局則反映了植被覆蓋的空間分布及其在環境異質性和干擾狀況綜合控制下的變化特征[5]。四川是長江上游重要的生態屏障，對三峽庫區以及長江下游的經濟發展和生態安全至關重要[6-8]。長期以來的資源不合理利用、毀林開墾、過度放牧等導致了植被覆蓋被破壞、水土流失、局部生態環境惡化、自然災害頻發等生態環境問題[2-3,8]。為了保護生態環境，實現生態優先綠色發展，國家和地方政府積極推進新一輪退耕還林、退牧還草、天然林資源保護等一系列植被恢復工程[2-3]。

植被覆蓋度的監測與評價是生態環境保護與植被恢復的重要內容之一。遙感技術克服了傳統的地面測量區域小、費時費力、局限大、難推廣等缺點，使大范圍的植被覆蓋度監測成為可能。Google Earth Engine（GEE）是目前世界上最先進的全球衛星遙感數據獲取、計算、分析與處理的云平臺，在獲取全球范圍遙感數據及大型地理空間數據方面具有非常大的優勢[9-11]。MODIS（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀）是目前世界上新一代的“圖譜合一”光學遙感儀器，光譜和時間分辨率高，可以及時提供地表的植被、水體、溫度等特征信息。歸一化植被指數（NDVI）和增強型植被指數（EVI）是MODIS 數據中反映植被覆蓋狀況的主要產品。相比于NDVI，EVI 經過了大氣和土壤背景校正[12-13]，并改進了合成算法[13-14]，克服了NDVI 易飽和的問題[7,14-18]，不僅能更好地反映高覆蓋區域的植被狀況[13-14,19]，還能對低覆蓋區域的植被具有較好的區分能力[13,20-22]。

四川地形地貌復雜，植被類型多樣，生態環境異質性高，是全球氣候變化敏感區[2,23]。目前，關于植被的研究主要集中在NDVI 時空變化特征[6,8-9,23-25]以及與氣候[1,4,7-8,23-27]、地形[1,7,28]等因子之間的關系，而選取EVI 計算植被覆蓋度并采用景觀格局指數來分析植被覆蓋空間格局特征的研究還較少[5,29]。本文借助于GEE 平臺，以MODIS-EVI 數據為基礎，運用GIS 技術結合像元二分模型和景觀格局指數分析四川省2000—2020 年植被覆蓋度的景觀格局特征，從而揭示其植被覆蓋的空間分布規律，有助于從宏觀上了解區域植被覆蓋變化狀況，以期為四川省生態植被恢復和持續健康發展提供一定的參考。

1 研究區概況

四川地處中國西南、長江上游，92°21′～108°12′E、26°03′～34°19′N，東西長約1075 km，南北寬約900 km。東連重慶，南鄰云南、貴州，西銜西藏，北界陜西、甘肅、青海，面積48.6×104km2。

四川處于青藏高原和長江中下游平原的過渡帶，高差懸殊，地形復雜多樣，地貌東西差異大。西部為高原、山地，海拔多在4000 m 以上；東部為盆地、丘陵，海拔多在1 000～3 000 m 之間。氣候主要為亞熱帶濕潤季風氣候和高寒氣候，垂直地帶性顯著。植被類型豐富多樣，主要有亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠和落葉混交林、溫帶針闊混交林、寒帶針葉林、高山草甸等。

四川城鄉和區域差異大，經濟發展與環境保護矛盾較為突出。在“一帶一路”發展戰略下，四川省提出了成都平原經濟區、川西北生態示范區、川東北經濟區、攀西經濟區和川南經濟區等五大經濟區協調發展的思路。成都平原經濟區包括成都、德陽、綿陽、樂山、眉山、資陽、遂寧和雅安，將建設全面創新改革試驗的先導區；川西北生態示范區包括甘孜州和阿壩州，將建設國家生態文明建設先行示范區；川東北經濟區包括廣元、南充、廣安、達州和巴中，將打造成川渝陜甘結合部的區域經濟中心；攀西經濟區包括攀枝花市和涼山州，將建設國家級戰略資源創新開發試驗區；川南經濟區包括自貢、瀘州、內江和宜賓，將建設多中心城市群一體化發展試驗區和國家重要的先進制造業基地。

圖1 四川省五大經濟區域分布圖

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本研究的四川省矢量范圍來源于中國科學院資源環境科學與數據中心2015 年中國地市行政邊界數據，shape 格式，Krasovsky_1940_Albers投影。在ArcGIS10.8 軟件中提取四川省地市（州）范圍，并轉換為GCS_WGS_1984 投影。

MODIS-EVI 數據來源于GEE 云平臺。通過GEE 云平臺，調用JavaScript API，上傳四川省矢量范圍，在線裁剪、重投影并采用最大值合成法獲取2000 年和2020 年MOD13Q1 的EVI 數據，GCS_WGS_1984 投影，250 m 空間分辨率，將處理好的數據導入Google Drive，再下載到本地進行計算和處理。

2.2 像元二分模型

像元二分模型的基本原理是假設遙感傳感器觀測到的圖像光譜信息（EVI）是由植被光譜信息（EVIveg）和非植被光譜信息（EVIsoil）兩部分一元線性加權合成，其權重就是各自的面積在像元面積中所占的比例[30-32]。假設某一像元中植被的面積所占比例為F，即植被覆蓋度，則非植被覆蓋的面積比例為1-F，那植被覆蓋度的計算公式[33]如下：

其中，EVIveg包含了植被的類型和結構等信息，EVIsoil包含了土壤等的類型、顏色和濕度等非植被信息。在復雜的地表環境下，EVIveg和EVIsoil會隨時間和空間的變化而變化。本研究選取像元數累計百分比0.5%的為純非植被像元值，99.5%的為純植被像元值。像元二分模型的參數含義明確，在很大程度上削弱了大氣、土壤以及植被類型和結構的影響，不受區域限制，容易推廣使用[30,34]。

為了便于數據分析，參考相關研究[2]，將植被覆蓋度劃分為無植被覆蓋（≤5%）、劣覆蓋度（5%～30%）、低覆蓋度（30%～50%）、中覆蓋度（50%～70%）、高覆蓋度（＞70%）5 種類型。

圖2 四川省2000 年和2020 年植被覆蓋度空間分布

2.3 景觀格局指數

景觀格局的分析通常采用景觀指數進行描述，可以定量分析景觀斑塊特征、破碎化特征、多樣性特征等[5,29]。本研究中各景觀格局指數的計算采用Fragstats4.2.1 軟件，選取的景觀格局指數共9 種：

a）斑塊數目。斑塊數目（Number of Patches，NP）是指一個景觀中的斑塊數量，是景觀異質性的簡單描述，其值N ≥1，當N=1 時，說明整個景觀由一個斑塊組成。

b）斑塊所占景觀面積比例。斑塊所占景觀面積比例（Percentage of Landscape，PLAND）指的是不同斑塊類型占整個景觀的面積比，反映的是各斑塊類型的比重。

c）斑塊密度。斑塊密度（Patch Density，PD）是指景觀單位面積上的斑塊數量，反映的是破碎化程度，密度越大，景觀的破碎化程度越嚴重。

d）最大斑塊指數。最大斑塊指數（Largest Patch Index，LPI）是指景觀中最大斑塊的面積與整個景觀面積的比例，是對優勢度的簡單度量，其值0 ＜LPI ≤100，當LPI 接近0 時，說明最大斑塊面積越來越小，優勢度越不明顯。

e）形狀指數。形狀指數（Land Shape Index，LSI）是指景觀斑塊形狀的不規則情況，其值LSI ≥1，當LSI ＝1 時，說明景觀中只有一個斑塊且形狀規則，當邊緣的不規則化加劇，其值逐漸變大。

f）蔓延度。蔓延度（Contagion，CONTAG）是指斑塊類型在空間分布上的連接或延展趨勢，反映了不同斑塊類型之間的連通性及其混合狀況，其值0 ＜CONTAG ≤100，當景觀中所有的斑塊類型最大程度地間斷分布時，其值趨于0。

g）聚集度指數。聚集度指數（Aggregation Index，AI）是指景觀斑塊的鄰近度和聚集程度，當景觀中同一類型的斑塊的離散分布達到最大化時，其值為0，而當同一類型的斑塊聚合在一起，成為一個結構緊湊的單獨斑塊時，其值為100。

h）多樣性指數。多樣性指數（Shannon' s Diversity Index，SHDI）是景觀中斑塊類型的豐富性、多樣化程度。當景觀中的斑塊類型數增加以及面積的均衡化，其值也逐漸增大。

i）均勻度指數。均勻度指數（Shannon' s Evenness Index，SHEI）指的是景觀中不同斑塊類型的面積的均勻程度，反映的是不同斑塊類型的面積比重均衡度，其值0 ≤SHEI ≤1。當景觀中不同斑塊類型的面積比重平衡程度增加，其值就接近于1。

3 結果與分析

2000—2020 年，在景觀水平上（見表1），四川植被覆蓋的NP、PD、LPI、CONTAG、AI 在降低，說明植被覆蓋破碎度在減小、最大斑塊優勢、連通性和聚集性減弱；LSI、SHDI、SHEI 在增加，說明復雜性、多樣性和均勻性在增強。

表1 四川省植被覆蓋景觀水平格局指數

在類型水平上（見表2），劣覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI、AI 均在降低，說明劣覆蓋度的面積在減少、破碎度減小、形狀簡單化、聚集性減弱。低覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI在增加，LPI、AI 在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復雜化，最大斑塊優勢和聚集性增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優勢和聚集性增強。

表2 四川省植被覆蓋類型水平格局指數

3.1 成都平原經濟區

2000—2020 年，在景觀水平上（見表3），成都平原經濟區植被覆蓋的NP、PD、LPI、CONTAG、AI 在降低，LSI、SHDI、SHEI 在增加，說明植被覆蓋破碎度在減小，最大斑塊優勢、連通性和聚集性減弱，復雜性、多樣性和均勻性增強。

表3 成都平原經濟區植被覆蓋景觀水平格局指數

在類型水平上（見表4），劣覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI、AI 均在增加，說明劣覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、LPI、LSI、AI 在增加，NP、PD 在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI 在降低，LPI、AI 在增加，說明高覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀簡單化，最大斑塊優勢和聚集性增強。

表4 成都平原經濟區植被覆蓋類型水平格局指數

3.2 川西北生態示范區

2000—2020 年，在景觀水平上（見表5），川西北生態示范區植被覆蓋的NP、PD、LSI 在增加，LPI、CONTAG、SHDI、AI 在減少，說明植被覆蓋破碎度在加大、形狀復雜化，最大斑塊優勢、連通性、多樣性和聚集性在減弱。

表5 川西北生態示范區植被覆蓋景觀水平格局指數

在類型水平上（見表6），劣覆蓋度的PLAND、AI 在降低，NP、PD、LPI、LSI 在增加，說明劣覆蓋度的面積在減少、聚集性減弱，破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢增強。低覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI 在增加，LPI、AI在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復雜化，最大斑塊優勢和聚集性減弱。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI、AI 均在增加，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性增強。

表6 川西北生態示范區植被覆蓋類型水平格局指數

3.3 川東北經濟區

2000—2020 年，在景觀水平上（見表7），川東北經濟區植被覆蓋的NP、PD、LPI、LSI、CONTAG 在降低，SHDI、SHEI、AI 在增加，說明植被覆蓋破碎度在減小、最大斑塊優勢減弱、形狀簡單化、連通性降低，多樣性、均勻性和聚集性增強。

表7 川東北經濟區植被覆蓋景觀水平格局指數

在類型水平上（見表8），劣覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明劣覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI 在降低，AI 在增加，說明低覆蓋度的面積在減少、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優勢減弱、聚集性在增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、LSI、AI 在降低，NP、PD 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀簡單化、最大斑塊優勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優勢和聚集性增強。

表8 川東北經濟區植被覆蓋類型水平格局指數

3.4 攀西經濟區

2000—2020 年，在景觀水平上（見表9），攀西經濟區植被覆蓋的NP、PD、LSI、SHDI、SHEI 在降低，LPI、CONTAG、AI 在增加，說明植被覆蓋破碎度在減小、形狀簡單化、多樣性和均勻性減弱，最大斑塊優勢、連通性和聚集性增強。

表9 攀西經濟區植被覆蓋景觀水平格局指數

在類型水平上（見表10），劣覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI 在降低，AI 在增加，說明劣覆蓋度的面積減少、破碎度減小、形狀簡單化，聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、LPI、LSI、AI 在降低，NP、PD 在增加，說明低覆蓋度的面積減少、破碎度加大、形狀簡單化、最大斑塊優勢和聚集性減弱。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明中覆蓋度的面積增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優勢和聚集性增強。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LSI、AI 在增加，LPI 在降低，說明高覆蓋度的面積增加、破碎度加大、形狀復雜化、聚集性增強，最大斑塊優勢減弱。

表10 攀西經濟區植被覆蓋類型水平格局指數

3.5 川南經濟區

2000—2020 年，在景觀水平上（見表11），川南經濟區植被覆蓋的NP、PD、LSI、SHDI、SHEI 在增加，LPI、CONTAG、AI 在降低，說明植被覆蓋破碎度加大、形狀復雜化、多樣性和均勻性增強，最大斑塊優勢、連通性和聚集性減弱。

表11 川南經濟區植被覆蓋景觀水平格局指數

在類型水平上（見表12），劣覆蓋度的PLAND、LSI、AI 在增加，說明劣覆蓋度的面積在增加、形狀復雜化、聚集性增強。低覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在增加，NP、PD、LSI 在降低，說明低覆蓋度的面積在增加、破碎度減小、形狀簡單化、最大斑塊優勢和聚集性增強。中覆蓋度的PLAND、LPI、AI 在降低，NP、PD、LSI 在增加，說明中覆蓋度的面積在減少、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性減弱。高覆蓋度的PLAND、NP、PD、LPI、LSI、AI 均在增加，說明高覆蓋度的面積在增加、破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢和聚集性增強。

表12 川南經濟區植被覆蓋類型水平格局指數

4 結論

本研究借助于Google Earth Engine 云平臺，以MODIS-EVI 數據為基礎，采用像元二分模型和景觀格局指數分析了四川省2000—2020 年的植被覆蓋度景觀格局特征?？傮w上，四川省植被覆蓋破碎度在減小、形狀復雜化，最大斑塊優勢、連通性和聚集性減弱，多樣性和均勻性增強。其中，破碎度減小的是劣、高覆蓋度，形狀復雜化的是低、中覆蓋度，最大斑塊優勢減弱的是中覆蓋度，聚集性減弱的是劣、中覆蓋度，面積增加的是低、高覆蓋度。

在景觀水平上，成都平原經濟區植被覆蓋破碎度在減小、形狀復雜化，最大斑塊優勢、連通性和聚集性減弱，多樣性和均勻性增強；川西北生態示范區植被覆蓋破碎度在加大、形狀復雜化，最大斑塊優勢、連通性、多樣性和聚集性減弱；川東北經濟區植被覆蓋破碎度在減小、形狀簡單化，最大斑塊優勢、連通性減弱，聚集性、多樣性和均勻性增強；攀西經濟區植被覆蓋破碎度在減小、形狀簡單化，最大斑塊優勢、連通性和聚集性增強，多樣性和均勻性減弱；川南經濟區植被覆蓋破碎度在加大、形狀復雜化，最大斑塊優勢、連通性和聚集性減弱，多樣性和均勻性增強。

在類型水平上，成都平原經濟區破碎度減小的是低覆蓋度，形狀復雜化的是劣、低、中覆蓋度，最大斑塊優勢和聚集性減弱的是中覆蓋度，面積增加的劣、低覆蓋度；川西北生態示范區破碎度加大、形狀復雜化、最大斑塊優勢、聚集性減弱的是低、中覆蓋度，面積增加的是低、高覆蓋度；川東北經濟區破碎度減小、形狀簡單化的是低、高覆蓋度，最大斑塊優勢減弱的是低、中覆蓋度，聚集性增強的是劣、低、高覆蓋度，面積增加的是劣、高覆蓋度；攀西經濟區破碎度減小、形狀簡單化的是劣、中覆蓋度，最大斑塊優勢增強的是中覆蓋度，聚集性增強的是劣、中、高覆蓋度，面積增加的是中、高覆蓋度；川南經濟區破碎度加大、形狀復雜化的是中、高覆蓋度，最大斑塊優勢和聚集性減弱的是中覆蓋度，面積增加的是劣、低、高覆蓋度。