基于Google Earth Engine的江西省植被覆蓋度時空變化特征分析

廖凱濤，宋月君，謝頌華，羅毅琛，林 開，齊述華

(1.江西省水利科學院，江西 南昌 330029；2.江西師范大學 地理與環境學院，江西 南昌 330022)

1 研究背景

植被覆蓋度是用來表征地表植被狀況的指標，也是評估區域水文、生態、環境變化的重要指標[1]。它是影響水土流失的重要因素之一，是中國土壤流失方程中的重要參數[2]。遙感技術的快速發展，為區域尺度上植被覆蓋度的計算提供了新的技術手段[3]。用MODIS和Landsat衛星影像計算的歸一化植被指數(NDVI)與植被覆蓋度之間的相關性較高，且能提供長時間序列的連續數據，已成為利用遙感估算區域植被覆蓋度的主要數據源[4]。MODIS數據時間分辨率高，能滿足季節尺度或者月尺度的監測，但空間分辨率低[5]；Landsat影像分辨率高，但數據量大，在傳統遙感分析模式下存在數據下載、處理、信息提取費時費力等弊端[6]。Google公司推出的谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)支持在線完成MODIS、Landsat等衛星影像數據的處理，克服了傳統模式下數據處理繁雜的缺點[7]，為采用Landsat影像估算區域月尺度的植被覆蓋度提供了可能。

江西省位于我國最大淡水湖鄱陽湖流域腹地，是南方紅壤區水土流失嚴重的省份之一，并被列為我國首批三大生態文明試驗區之一，對其開展生態環境監測尤為重要。本研究基于GEE云計算平臺，利用2017—2019年Landsat衛星影像，獲取江西省12個月的NDVI值，采用像元二分法估算12個月的植被覆蓋度，分析江西省的植被覆蓋時空變化特征，提出針對性的植被恢復建議，不僅能為該地區的水土流失防治提供數據支持，而且對該地區生態文明建設的持續推進具有重要意義。

2 研究區概況

江西省位于長江中下游南岸，是我國中部六省之一，地處北緯24°29′14″～30°04′43″、東經113°34′18″～118°28′56″，面積約16.69萬km2；氣候屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均氣溫為16.2～19.7 ℃、多年平均降水量為1 340～1 930 mm；地形復雜多樣，四周高中間低，北部為湖區平原，山地和丘陵面積占土地總面積的78%，海拔-184～2 128 m；土壤以紅壤為主，約占全省土地總面積的65%[8]。江西省屬亞熱帶常綠闊葉林區，2019年，森林覆蓋率為63.10%，位居全國第二，輕度及以上水力侵蝕面積為24 151.18 km2，占全省總面積的14.47%[9]。

3 研究方法

3.1 數據源與預處理

研究使用的遙感數據為Landsat OLI衛星影像，分辨率為30 m，共有9個波段，其中：第4、5波段分別為紅光波段(Red)和近紅外波段(NIR)，用于NDVI值的計算；第9波段為卷云波段，用于云檢測。以GEE云計算平臺為支持，通過在該平臺編寫代碼，完成所用的江西省2017—2019年間Landsat OLI影像數據集的輻射定標、幾何校正、云/雪/陰影掩膜、拼接和NDVI計算等工作。

本研究以2019年的影像為主，如2019年的影像存在大氣、云霧等因素時，用2017和2018年的作為補充。對每個月內多個時相的NDVI采用最大值合成法(Maximum Value Composite，MVC)進行處理，獲得2019年12個月的NDVI數據值。

3.2 植被覆蓋度計算

采用像元二分法[10]計算植被覆蓋度，將12個月的NDVI值轉換為相應的植被覆蓋度。計算公式為

式中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為像元NDVI值；NDVImax為純植被覆蓋時的NDVI值；NDVImin為純裸土時的NDVI值。NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內的最大值與最小值，本研究在月最大合成NDVI頻率累計表上取頻率95%對應的NDVI值作為NDVImax，取頻率5%對應的NDVI值作為NDVImin[11]。

2019年植被覆蓋度為全年12個月的平均值。按照水利部2018年頒布的《區域水土流失動態監測技術規定(試行)》中的植被覆蓋度分級標準，將植被覆蓋度分為5個等級：<30%為低覆蓋，30%～45%為中低覆蓋，45%～60%為中覆蓋，60%～75%為中高覆蓋，75%～100%為高覆蓋。

4 結果與討論

2019年江西省平均植被覆蓋度為65.69%，處于中高覆蓋水平，其中：低覆蓋面積占13.31%，中低覆蓋面積占7.59%，中覆蓋面積占9.17%，中高覆蓋面積占23.98%，高覆蓋面積占45.96%，植被覆蓋以中高覆蓋為主。

4.1 植被覆蓋度月度變化特征

從江西省2019年12個月的平均植被覆蓋度分析(圖1)，12個月的植被覆蓋度均大于60%，屬于中高植被覆蓋；冬季1月植被覆蓋度最小，為60.00%，夏季7月最大，為74.18%，整體呈現由春季向夏季逐漸增加，并在7月達到最大，隨后由夏季向秋季、冬季逐漸減少，并在次年1月達到最小的趨勢，與植被生長周期基本一致。江西省夏季濕熱多雨，光照充足，適合植物生長，植被覆蓋良好。

圖1 江西省2019年12個月平均植被覆蓋度

從各等級植被覆蓋度面積占比分析(圖2)，低覆蓋占比在8.89%(夏季7月)到19.15%(冬季12月)之間，占比在5個等級中排名第3；中低覆蓋占比在3.24%(夏季8月)到11.94%(冬季1月)之間，占比在5個等級中是最低的；中覆蓋占比在5.4%(夏季8月)到12.9%(冬季2月)之間，占比在5個等級中僅比中低覆蓋高；中高覆蓋占比在21.05%(夏季7月)到26.14%(冬季2月)之間，全年均大于20%，變化不大，減少比例最大的月份為春夏交接的6月(23.82%)至7月(21.05%)，減少2.77個百分點，增加比例最大的月份為夏秋交接的8月(21.09%)至9月(24.28%)，增加3.19個百分點；高覆蓋占比全年均在33%以上，最低為冬季2月的33.86%，最高為夏季8月的61.08%，增加比例最大的月份為春夏交接的5月(44.89%)至6月(53.66%)，增加了8.77個百分點，減少比例最大的月份為秋季的10月(48.69%)至11月(42.66%)，減少了6.03個百分點。總體上，低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋和中高覆蓋等級的最大值出現在冬季，最小值出現在夏季的7月或8月，整體隨著月份增加呈現先減少后增加的趨勢；而高覆蓋等級全年變化趨勢與其他幾個等級相反，2月至8月呈現增加趨勢，9月至次年1月呈現減少的趨勢。江西省夏季受季風氣候影響，水熱充足，植物生長茂盛，故植被覆蓋度往往在夏季達到最大；秋季氣溫降低，降水減少，植被覆蓋度降低；冬季氣溫和降雨進一步降低和減少，一些落葉林進入落葉期，農業生產也進入休耕期，植被覆蓋度大大降低。

圖2 江西省2019年12個月各等級植被覆蓋度面積占比

4.2 植被覆蓋度空間分布特征

從江西省2019年植被覆蓋度空間分布(圖3)上看，植被覆蓋度東、西、南三面較高，北部和中部較低。這與江西省的地形地貌特征吻合，山地植被覆蓋度高，丘陵次之，平原地區最小。江西省中北部的水土保持功能分區主要為鄱陽湖丘崗平原農田防護水質維護區，贛、撫、信、饒、修五河于此匯入鄱陽湖，形成了鄱陽湖平原，這里是我國的九大商品糧基地之一，以農業生產為主，植被覆蓋度較低，同時在鄱陽湖湖濱區和五河尾閭區還存在一定的風力侵蝕沙地，需加強開展沙地植被恢復[12]。東部與福建省交界的武夷山脈、西部的羅霄山脈、北部的廬山均是高植被覆蓋區，這些區域海拔較高，降水量大，受人類活動干擾較小，植被生長茂盛。五河沿線是城市人口與農業生產的集中區，是人類活動最為頻繁的區域，植被覆蓋度較低，因此在開發建設的同時也要加強對植被的保護，重視生態建設。近些年中南部的宜春市、豐城市和吉安市等地經濟發展較快，對植被造成了擾動，植被覆蓋度也較低，這些地區水土流失強度以輕度為主，林下水土流失嚴重，流失面積大，需加強林下植被建設、改善林相結構、提升森林質量。南部主要是贛州市，20世紀時植被覆蓋度較低，實施山江湖開發治理工程與飛播造林后，生態修復效果顯著，植被得到良好的恢復，現在植被覆蓋度較高[13]。但贛州市是江西省內崩崗侵蝕主要發生區[14]，也是特色經果林發展區[5]，需加強崩崗侵蝕區的植被恢復和特色經果林開發的植被保護。同時該市也是東江源和稀土礦的開采地[15]，需考慮水源地植被保護和廢棄尾礦地的植被恢復。

圖3 江西省2019年植被覆蓋度空間分布

5 結 論

基于GEE云計算平臺，利用Landsat OLI衛星影像和像元二分法，估算了2019年江西省12個月的植被覆蓋度，分析了江西省植被覆蓋的空間分布和月度變化特征，主要結果如下：

(1)GEE云計算平臺能提供長時間序列的Landsat影像數據，并通過編程完成數據在線處理，可節約大量的時間和精力，實現用Landsat影像估算大面積研究區的月尺度植被覆蓋度。

(2)2019年江西省的植被覆蓋度為65.69%，處于中高覆蓋水平；夏季7月的植被覆蓋度最高(74.18%)，冬季1月的植被覆蓋度最低(60.00%)，植被覆蓋度整體呈現由春季到夏季逐漸增加，在7月達到最大，隨后由夏季到秋季、冬季逐漸減少，并在1月達到最小的變化規律，與植被生長周期基本一致。

(3)從空間分布上看，江西省植被覆蓋度在東、西、南三面較高，北部和中部較低。在鄱陽湖湖濱區和五河尾閭區需加強沙地植被恢復，在贛中地區應注重城市發展對植被的破壞和關注林下水土流失，在贛南應加強崩崗侵蝕區的植被恢復和特色經果林開發的植被保護。