基于MODIS-EVI的四川植被覆蓋地形分布特征

朱林富，謝世友，楊華，馬明國，4，夏軍

1. 樂山師范學院 旅游與地理科學學院， 四川 樂山 614000；2. 西南大學 重慶金佛山喀斯特生態系統教育部野外科學觀測研究站， 重慶 400715；3. 重慶師范大學 長江上游濕地科學研究重慶市重點實驗室， 重慶 401331；4. 西南大學 遙感大數據應用重慶市工程研究中心， 重慶 400715

植被是陸地生態環境的重要組成部分， 在地表物質循環和能量交換中扮演著重要的角色， 是連接土壤、 大氣和水分的自然“紐帶”[1-2]． 四川是長江上游生態屏障的主體， 對三峽庫區及長江下游地區的經濟發展和生態安全起著十分重要的作用[3-5]． 長期以來， 隨著人口的增長和經濟的發展， 資源的不合理利用、 毀林開墾、 過度放牧等造成地表植被破壞嚴重， 從而導致水土流失、 局部生態環境惡化、 自然災害頻發[2， 5-8]． 黨的十八大以來， 四川省認真貫徹國家關于加強生態環境保護的指示， 為實現生態優先綠色發展， 積極穩步推進新一輪退耕還林、 退牧還草、 天然林保護等一系列植被恢復工程[2，5]．

植被覆蓋度是地表植被覆蓋狀況的一個綜合衡量指標， 對生態環境具有很好的指示作用， 被廣泛應用于生態環境遙感監測中[2，5，9]． Google Earth Engine(GEE)是全球尺度衛星數據計算分析處理的云平臺， 在獲取全球范圍內遙感數據及大型地理空間數據集方面具有非常大的優勢[10-12]． MODIS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， 實現了對地表、 大氣和海洋的長期全球觀測． 在MODIS數據中， 反映植被覆蓋狀況的主要是歸一化植被指數(NDVI)和增強型植被指數(EVI)． 相比于NDVI，EVI經過了全面的大氣和土壤背景校正[13-14]， 并在合成算法上進行了改進[14-15]， 不僅克服了NDVI易飽和的問題[4， 15-19]， 能更好地反映高覆蓋區域的植被狀況[14-15， 20]， 還能對低覆蓋區域的植被很好地區分[14， 21-23]．

四川地形地貌差異大， 植被類型多樣， 生態環境異質性高， 是全球氣候變化敏感區[2，24]． 目前， 關于植被覆蓋變化的研究主要集中在NDVI時空變化特征[3， 8， 10， 24-26]以及與氣候[1， 4， 8-9， 24-28]、 地形[1，4，29]等因子之間的關系， 而選取EVI計算植被覆蓋度并采用分布指數來定量分析植被地形分布特征的研究還較少[4-5]． 本研究借助于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分布指數定量分析四川省近20年來的植被覆蓋地形分布規律， 有助于從宏觀方面了解區域植被覆蓋狀況， 以期為四川省生態植被恢復和健康可持續發展提供一定的參考．

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

四川省地處中國西南、 長江上游地區， 92°21′-108°12′ E， 26°03′-34°19′ N， 東西長約1 075 km， 南北寬約900 km． 東與重慶相連， 南與云南、 貴州相鄰， 西與西藏相銜， 北與陜西、 甘肅、 青海相界， 面積約48.6×104km2．

四川省處于青藏高原向長江中下游平原的過渡地帶， 地形高差懸殊， 地貌復雜多樣， 東西差異大． 西部大部分地區海拔大于4 000 m， 以高原和山地為主； 東部大部分地區海拔在1 000～3 000 m， 以盆地和丘陵為主．

四川省根據地形特點可分為四川盆地、 川西北高原和川西南山地． 四川盆地包括川西平原、 盆中丘陵和川東平行嶺谷， 海拔多在400～800 m， 盆地周圍主要有秦嶺、 米倉山、 大巴山、 大婁山、 龍門山、 邛崍山等， 水系主要有岷江、 沱江、 涪江、 嘉陵江等， 屬亞熱帶濕潤季風氣候， 以亞熱帶常綠闊葉林為主； 川西北主要是高山原和高山峽谷區， 海拔多在3 000～5 000 m， 屬高寒氣候， 以高山草甸植被為主； 川西南山地為橫斷山脈北段， 山高谷深， 主要有岷山、 邛崍山、 大雪山等， 水系有岷江、 大渡河、 雅礱江、 金沙江等， 氣候垂直地帶性顯著， 主要有寒帶針葉林、 溫帶針闊混交林、 亞熱帶常綠和落葉混交林、 亞熱帶常綠闊葉林等．

1.2 數據來源及處理

MODIS-EVI數據來源于GEE云平臺． 本研究通過GEE平臺， 調用JavaScript API， 上傳四川省矢量圖， 在線裁剪、 重投影并采用最大值合成法獲取2000-2019年MOD13Q1的EVI數據， 再根據像元二分模型計算出植被覆蓋度． 為了便于數據分析， 參考相關研究文獻[2]， 將植被覆蓋度劃分為5級， 分別是無植被覆蓋(≤5%)、 劣覆蓋度(5%～30%)、 低覆蓋度(30%～50%)、 中覆蓋度(50%～70%)、 高覆蓋度(>70%)．

DEM數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心的SRTM數據． 該數據集包括1 000，500，250 m 3種精度， 采用WGS 84投影． 本研究選取250 m分辨率， 經裁剪生成四川省DEM數據． 根據研究需要， 將DEM數據劃分為13級(圖1)； 根據林業調查中的坡度和坡向分級標準， 將坡度分為6級(圖2)、 坡向分為9類(圖3)．

審圖號： GS(2019)3333號．圖1 四川省高程圖

審圖號： GS(2019)3333號．圖2 四川省坡度圖

審圖號： GS(2019)3333號．圖3 四川省坡向圖

地貌數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心的1∶100萬中國地貌類型空間分布數據， 已廣泛應用在環境保護、 土地調查、 災害監測、 區域規劃等方面． 本研究以四川省矢量范圍為掩膜進行裁剪， 再經過投影轉換和重采樣為WGS 84投影、 250 m分辨率， 并劃分為7種類型(圖4)．

審圖號： GS(2019)3333號．圖4 四川省地貌類型圖

2 研究方法

2.1 Google Earth Engine云平臺

GEE是一個基于谷歌云計算的地理空間信息數據處理的可視化平臺， 它能夠提供全球尺度的遙感影像數據和地理空間數據， 包括Landsat，MODIS，Sentinel以及氣象、 地形等多尺度、 多源數據集[11， 30]， 容量達到PB級別， 超過500萬張遙感影像[31]．

GEE云平臺集云端海量數據存儲、 便捷的網頁或客戶端可視化訪問、 強大的云端后臺計算與分析等眾多優勢于一體， 為全球資源環境遙感監測提供了先進的研究技術和工具[31]． 相比于傳統的遙感影像收集、 預處理、 信息提取、 分析與應用模式， GEE通過JavaScript API和Python API， 基于谷歌云平臺和后臺處理器處理數據， 解決了大尺度研究中數據收集難、 數據量大、 數據集計算效率低等難題， 極大地提升了空間數據分析與處理效率[11， 30-31]．

在大數據背景下， GEE可以快速、 批量化處理數據， 不受空間和時間限制， 這為遙感科學家、 研究人員和開發人員在地表動態監測與量化分析中提供了便利[11，31]． 目前， GEE已經廣泛地應用在地學遙感研究中， 如植被、 水體、 城鎮、 土地利用變化監測等[10-12，30-31]．

2.2 像元二分模型

像元二分模型的原理是假設遙感傳感器所獲得的光譜信息(EVI)是由植被信息(EVIveg)和非植被信息(EVIsoil)通過線性加權合成， 其權重就是植被信息與非植被信息的面積在像元中所占的比例[32-34]． 假設在一個像元中， 植被信息所占比例為FVC， 即植被覆蓋度， 則非植被信息所占的比例為1-FVC， 那該像元的植被覆蓋度計算公式[35]如下：

FVC=(EVI-EVIsoil)/(EVIveg-EVIsoil)

(1)

式中：EVIveg包含了植被的類型、 結構等信息；EVIsoil包含了土壤的類型、 濕度等背景信息． 在復雜的地表環境中，EVIveg和EVIsoil會隨時間和空間變化． 本研究選取相應影像像元數累計百分比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物理含義明確， 同時削弱了大氣、 土壤以及植被類型的影響， 不受區域限制， 容易推廣使用[32， 36]．

2.3 分布指數

在評價植被覆蓋空間分布差異的實際應用中， 某一地形條件下某一植被覆蓋類型的面積雖然較小， 但相比于該植被覆蓋類型在整個研究區的比例卻較大， 由此導致植被覆蓋地形分布評價的不合理或者不確定性[37-38]． 為了消除地形因子因分類標準不同而產生的絕對面積不同對評價結果所帶來的干擾， 本研究采用分布指數[39-40]來定量評價植被覆蓋地形分布特征， 其計算公式如下：

(2)

式中：Sie為i植被覆蓋類型在e地形條件下的面積；Si為i植被覆蓋類型在研究區內的總面積；Se為e地形條件在研究區內的總面積；S為研究區的總面積； 當DI>1時， 說明i植被覆蓋類型在e地形條件下為優勢分布， 值越大優勢越明顯；DI=1時， 說明i植被覆蓋類型在e地形條件下屬于正常分布；DI<1時， 說明i植被覆蓋類型在e地形條件下為弱勢分布， 值越小分布越弱[41-42]．

3 結果與分析

2000-2019年四川省植被以中覆蓋度為主(64.56%)， 分布廣泛， 在四川盆地連片分布， 其次是低覆蓋度(17.04%)， 主要分布在城鄉結合區域以及川西北、 攀西高原區等． 高覆蓋度第三(13.59%)， 主要分布在華鎣山、 大巴山、 岷山、 龍門山、 青城山、 峨眉山、 大涼山一線以及若爾蓋草原、 雅礱江、 泥曲河沿線． 劣覆蓋度(4.03%)主要分布在各大城市區域以及貢嘎山、 四姑娘山、 格聶山、 雪寶頂、 雀兒山、 贊布貢瑪扎、 仙乃日等地． 無植被覆蓋僅占0.78%， 主要是貢嘎山、 四姑娘山、 格聶山、 雪寶頂、 雀兒山等地(圖5)． 由此可以看出， 四川省植被覆蓋雖然整體比較好， 但區域差異明顯．

審圖號： GS(2019)3333號．圖5 2000-2019年四川省年均植被覆蓋度空間分布

3.1 高程分布

不同的高程區域， 植被覆蓋度分布優勢區域差異明顯(圖6a)． 無植被覆蓋優勢分布區域為10-13級， 劣覆蓋度優勢分布區域為9-11級， 低覆蓋度優勢分布區域為7-10級， 中覆蓋度優勢分布區域為1-2級和6-8級， 高覆蓋度優勢分布區域為3-7級． 其中， 在1-2級高程區域， 以中覆蓋度分布為主； 3-6級高程區域， 以高覆蓋度分布為主； 7-9級高程區域， 以低覆蓋度分布為主； 10級高程區域， 以劣覆蓋度分布為主； 11-13級高程區域， 以無植被覆蓋分布為主．

隨著高程的增加， 無植被覆蓋比例逐漸增加， 劣覆蓋度、 低覆蓋度和高覆蓋度比例先增加后降低， 中覆蓋度比例逐漸降低(圖6b)． 其中， 無植被覆蓋比例在13級為100%； 劣覆蓋度在11級比例最高， 為28.94%； 低覆蓋度在10級比例最高， 為41.44%； 中覆蓋度在1級比例最高， 為90.35%； 高覆蓋度在4級比例最高， 為43.94%．

綜上可知， 植被覆蓋受高程影響明顯． 在≤1 000 m區域， 中覆蓋度呈優勢分布， 此區域為四川盆地， 以栽培植被為主； 在1 000～3 000 m區域， 高覆蓋度優勢明顯， 此區域主要是盆周山地區域， 以林地為主； 在3 000～4 500 m區域， 低覆蓋度呈優勢分布， 此區域為川西高原區， 以草地、 灌叢為主； 在>4 500 m區域， 劣覆蓋度和無植被覆蓋優勢明顯， 這是由于高海拔區域主要為積雪、 冰川， 幾乎沒有植被覆蓋．

圖6 2000-2019年四川省年均植被覆蓋度的高程分布

3.2 坡度分布

隨著坡度的增加， 無植被覆蓋度和低覆蓋度分布指數逐漸增加， 劣覆蓋度和高覆蓋度分布指數先增加后降低， 中覆蓋度分布指數逐漸降低(圖7a)． 無植被覆蓋、 劣覆蓋度、 低覆蓋度和高覆蓋度分布優勢區域均為3-6級， 中覆蓋度分布優勢區域為1-2級． 其中， 在1-2級坡度區域， 以中覆蓋度分布為主； 在3-6級坡度區域， 以無植被覆蓋分布為主．

隨著坡度的增加， 無植被覆蓋和低覆蓋度比例逐漸增加， 劣覆蓋度和高覆蓋度比例先增加后降低， 中覆蓋度比例逐漸降低(圖7b)． 其中， 無植被覆蓋比例在6級最高(2.04%)， 劣覆蓋度比例在3級最高(4.83%)， 低覆蓋度比例在6級最高(23.32%)， 中覆蓋度比例在1級最高(76.33%)， 高覆蓋度比例在4級最高(18.14%)．

綜上可知， 在不同的坡度區域， 植被覆蓋差異明顯． 在≤15°區域， 中覆蓋度比例高， 呈優勢分布， 主要為栽培植被和草地； 在>15°區域， 無植被覆蓋比例雖小但優勢明顯．

3.3 坡向分布

隨著坡向的變化， 無植被覆蓋、 劣覆蓋度、 低覆蓋度、 中覆蓋度分布指數先降低后增加， 高覆蓋度分布指數先增加后降低(圖8a)． 其中， 無植被覆蓋分布優勢區域為北坡、 東北坡和西北坡， 劣覆蓋度和低覆蓋度分布優勢區域為平地、 北坡、 西南坡、 西坡和西北坡， 中覆蓋度分布優勢區域為北坡、 東北坡、 西坡和西北坡， 高覆蓋度分布優勢區域為平地、 東北坡、 東坡、 東南坡和南坡． 其中， 在平地、 東坡、 東南坡和南坡區域， 以高覆蓋度分布為主； 在北坡和東北坡區域， 以無植被覆蓋分布為主； 在西南坡區域， 以劣覆蓋度分布為主； 在西坡和西北坡區域， 以低覆蓋度分布為主．

圖7 2000-2019年四川省年均植被覆蓋度的坡度分布

隨著坡向的變化， 無植被覆蓋、 劣覆蓋度、 低覆蓋度、 中覆蓋度比例先降低后增加， 高覆蓋度比例先增加后降低(圖8b)． 其中， 無植被覆蓋比例在北坡最高(0.93%)、 西坡最低(0.70%)， 劣覆蓋度比例在西坡最高(4.30%)、 東南坡最低(3.71%)， 低覆蓋度比例在西北坡最高(20.22%)、 東南坡最低(14.28%)， 中覆蓋度比例在西坡最高(66.23%)、 東南坡最低(62.63%)， 高覆蓋度比例在東南坡最高(18.66%)、 西北坡最低(8.66%)．

綜上可知， 在平地、 東坡、 東南坡和南坡區域， 高覆蓋度優勢明顯； 在北坡、 東北坡和西南坡， 無植被覆蓋、 劣覆蓋度為優勢分布； 在西坡和西北坡， 低覆蓋度為優勢分布．

圖8 2000-2019年四川省年均植被覆蓋度的坡向分布

3.4 地貌分布

在不同的地貌區域， 植被覆蓋優勢差異明顯(圖9a)． 無植被覆蓋分布優勢區域為大起伏山地和極大起伏山地， 劣覆蓋度和低覆蓋度分布優勢區域為平原、 大起伏山地和極大起伏山地， 中覆蓋度分布優勢區域為臺地、 丘陵和小起伏山地， 高覆蓋度分布優勢區域為平原和中起伏山地． 其中， 在平原和中起伏山地區域， 以高覆蓋度分布為主； 在臺地、 丘陵和小起伏山地區域， 以中覆蓋度分布為主； 在大起伏山地區域， 以劣覆蓋度分布為主； 在極大起伏山地區域， 以無植被覆蓋分布為主．

隨著地貌的變化， 無植被覆蓋、 劣覆蓋度和低覆蓋度比例先降低后增加， 中覆蓋度比例先增加后降低， 高覆蓋度比例先降低后增加又降低(圖9b)． 其中， 無植被覆蓋、 劣覆蓋度和低覆蓋度比例在極大起伏山地區域最高， 丘陵區域最低； 中覆蓋度比例在丘陵區域最高， 極大起伏山地區域最低； 高覆蓋度比例在中起伏山地區域最高， 極大起伏山地區域最低．

綜上可知， 在平原和中起伏山地， 高覆蓋度優勢明顯； 在臺地、 丘陵和小起伏山地， 中覆蓋度優勢明顯； 在大起伏和極大起伏山地， 無植被覆蓋和劣覆蓋度優勢明顯．

圖9 2000-2019年四川省年均植被覆蓋度的地貌分布

4 討論

本研究利用2000-2019年的MODIS-EVI數據， 采用地形分布指數分析了四川省近20年來的植被覆蓋度與地形因子之間的定量關系． 從中可以發現， 在各種地形條件下， 除了高程>4 500 m和極大起伏山地外， 中覆蓋度所占比例均高于其他覆蓋類型， 這與四川省植被以中覆蓋度為主基本一致． 根據分布指數， 中覆蓋度僅在高程≤1 000 m、 坡度≤15°以及臺地、 丘陵、 小起伏山地區域大于其他覆蓋類型， 說明在這些區域中覆蓋度分布占優勢， 而在其余區域均不占優勢． 由此表明， 單純地以面積比例來分析植被分布特征存在一定的不確定性或片面性， 而分布指數是一個標準化、 無量綱指數， 可以更加客觀地反映出植被的地形分布特征．

從各地形的分布指數可以看出， 分布指數的變化趨勢與其對應的面積比例的變化趨勢基本一致， 由此說明分布指數還可以反映出植被覆蓋在各個地形的比例變化趨勢． 此外， 高程和地貌的分布指數變化范圍要比坡度和坡向的變化范圍大， 這說明高程和地貌對植被覆蓋度的影響比坡度和坡向大， 可能是因為像四川省這樣水熱條件充足的地區， 坡度和坡向沒有高程和地貌的影響顯著． 四川省地域遼闊、 地形復雜， 植被“三向地帶性”顯著， 對遙感監測數據的質量要求高． 目前的MODIS-EVI時間序列還較短， 雖然文中EVI已經過最大值合成， 但仍然難免存在誤差， 還有待長時序列數據的積累和進一步的研究．

5 結論

2000-2019年四川省植被覆蓋度總體較好， 但區域差異明顯． 四川省植被覆蓋以中覆蓋度為主(64.56%)， 低覆蓋度次之(17.04%)， 高覆蓋度第三(13.59%)， 劣覆蓋度第四(4.03%)， 無植被覆蓋僅占0.78%； 無植被覆蓋和劣覆蓋度主要分布在城市以及中高山區域， 低覆蓋度主要分布在川西北、 攀西高原， 中覆蓋度分布范圍廣泛， 高覆蓋度主要分布在中低山區域．

高程分布中， 在≤1 000 m區域， 中覆蓋度分布優勢明顯； 1 000～3 000 m區域， 高覆蓋度優勢分布明顯； 3 000～4 500 m區域， 低覆蓋度優勢分布明顯； >4 500 m區域， 無植被覆蓋和劣覆蓋度優勢分布十分顯著．

坡度分布中， 在坡度≤15°區域， 中覆蓋度分布優勢明顯； >15°區域， 無植被覆蓋優勢分布明顯．

坡向分布中， 在平地、 東坡、 東南坡和南坡區域， 高覆蓋度分布優勢明顯； 北坡、 東北坡和西南坡區域， 無植被覆蓋和劣覆蓋度分布優勢明顯； 西坡和西北坡區域， 低覆蓋度分布優勢明顯．

地貌分布中， 在平原和中起伏山地區域， 高覆蓋度分布優勢明顯； 在臺地、 丘陵和小起伏山地區域， 中覆蓋度分布優勢明顯； 大起伏和極大起伏山地區域， 無植被覆蓋和劣覆蓋度分布優勢明顯．