基于植被覆蓋度變化的山東泰山區域生態修復工程效果研究

隋建紅 隋巖剛 李超

收稿日期：20231031；修訂日期：20240213；編輯：曹麗麗

作者簡介：隋建紅（1979—），女，山東諸城人，正高級工程師，主要從事環境地質、水文地質、遙感技術等工作；Email：sdusui@163.com? *

作者簡介：隋巖剛（1981—），男，山東乳山人，高級工程師，主要從事地質環境、水文地質等工作;Email：suiyangang@163.com

摘要：采用最大值合成法、像元二分模型和趨勢分析法，以NASA發布的2017—2022年MODIS NDVI 16d最大值合成數據為基礎數據，通過植被覆蓋度變化趨勢對山東泰山區域生態修復工程整體效果進行研究。結果表明：2017—2022年泰山區域NDVI最大值和平均值總體呈波動上升趨勢，最大值增長率為0.0055/a，平均值增長率為0.0049/a。山東省泰山區域Slope平均值為0.00478，生態修復工程絕大多數所處像元植被覆蓋度變化率大于0，說明整個區域植被覆蓋度有所改善，工程有明顯效果。

關鍵詞：山水林田湖草;生態修復工程;植被覆蓋度;像元二分法;趨勢分析法；泰山區域；山東省

中圖分類號：X37；F301??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.06.007

引文格式：隋建紅，隋巖剛，李超.基于植被覆蓋度變化的山東泰山區域生態修復工程效果研究［J］.山東國土資源，2024，40（6）：5156.SUI Jianhong， SUI Yan'gang，LI Chao. Study on the Effect of Ecological Restoration Project in Taishan Area in Shandong Province Based on the Change of Vegetation Coverage［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（6）：5156.

0? 引言

評價一個區域的生態環境變化情況，多采用區域內植被覆蓋狀態來衡量，而評價植被覆蓋狀態的重要指標是植被覆蓋度［13］（Fractional vegetation cover， FVC）。一般將植被冠層在地面上垂直投影面積之和與區域總面積的比值定義為植被覆蓋度［46］。利用遙感數據研究植被覆蓋度變化趨勢，是當前區域生態建設影響評價的重要手段。主要采用歸一化植被指數（NDVI）、像元二分模型應用和趨勢分析法等研究方法。常規工程驗收僅對單個工程生態修復效果［79］進行調查評價，不能對某區域整體生態修復效果進行評價。本文通過研究區工程建設前后植被覆蓋度變化評價整體區域生態修復效果。

1? 研究區概況與數據

1.1? 研究區概況

2017年12月，山東省泰山區域入選國家第二批山水林田湖草生態保護修復工程試點范圍［10］。山東省泰山區域生態保護修復工程涵蓋省會濟南及泰安2市的14個縣（市、區），布設工程類型有地質環境、生物多樣性、水環境、土地整治和監管能力建設等5大類［1112］。2018年工程全面實施，截至2022年3月，總投資約159億元，修復礦山和整治土地2.8萬hm2，治理采煤塌陷地9605hm2。2022年底進行了整體工程驗收，區域生態功能系統得到提升。

1.2? 數據源與預處理

數據源為美國國家航空航天局（NASA，網址https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）發布的2017年1月—2022年12月經過幾何精校正、輻射校正處理的16d最大值合成數據集MOD13Q1（分辨率250m）。

預處理采用的軟件工具為MRT批處理工具和ArcGIS軟件。首先對MOD13Q1數據進行投影和格式轉化處理，然后利用泰山區域邊界矢量數據對處理后的數據進行裁剪，再次對研究區數據進行統計和分析，最后采用最大化合成法（MVC）合成年NDVI數據。MOD13Q1原始數據和研究對象NDVI取值范圍不同，兩者之間轉換關系式為NDVI=DNⅹ0.0001［1314］。

2? 研究方法

2.1? 植被覆蓋度估算

像元二分模型是一種簡單實用的遙感估算模型［1516］，其計算公式如式（1）：

FVC=NDVI-NDVIsNDVIv-NDVIs（1）

式中：FVC代表計算單元的植被覆蓋度；NDVI代表計算單元的NDVI值；NDVIs代表純植物單元的NDVI值；NDVIv代表完全無植被覆蓋單元的NDVI值。

裸地表面NDVIs理論上應接近0且不易變化，但受眾多因素影響，NDVIs會隨著空間變化而變化，其變化范圍一般在0.1～0.2。同時，NDVIv值隨著植被類型不同和季節變化而變化，因此計算植被覆蓋度時，即使是對同一景影像，NDVIs和NDVIv也不能取固定值，故選取評價區域內NDVImax和NDVImin代表NDVIv和NDVIs，計算公式如式（2）：

FVC=0??????????? NDVI≤NDVIminNDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin? NDVImin

式中：NDVImax為評價區域內累計概率為95%的NDVI值；NDVImin為評價區域內累計概率為5%的NDVI值。

2.2? 趨勢分析法

趨勢分析法以時間為變量對研究數據進行線性回歸分析，以便研究數據的變化趨勢［1718］。計算方法如式（3）：

Slope=n∑ni=1（i×NDVIi）-∑ni=1i×∑ni=1NDVIin∑ni=1i2-（∑ni=1i）2? （3）

式中：Slope為像元回歸方程的斜率;NDVIi為第1年的NDVI值;n為研究的時間長度，視自身情況而定。

當Slope>0時，表示該像元NDVI為增加趨勢;當Slope=0，表示該像元NDVI基本不變;當Slope<0時，表示該像元NDVI為減少趨勢［1920］。

3? 結果和分析

3.1? 植被覆蓋時間變化特征

3.1.1? 整個區域變化特征

2017—2022年，泰山區域NDVI最大值和平均值均總體呈波動上升趨勢，最大值增長率為0.0055/a，平均值增長率為0.0049/a，變化趨勢見圖1。2019年生態修復工程處于初期，效果尚未顯現，而區域建設仍處于發展狀態，故最大值和平均值均在該年度達到最低值。

3.1.2? 不同等級區域變化特征

參照2008年水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》［21］將劃分植被覆蓋度分為5個等級［22］，<30%為植被低覆蓋度；30%～45%為植被中低覆蓋度；45%～60%為植被中等覆蓋度；60%～75%為植被中高覆蓋度；>75%為植被高覆蓋度。

2017—2022年山東泰山區域各不同等級覆蓋度占比變化趨勢見圖2。可以看出，低覆蓋度占地呈先降后增的變化趨勢，中等覆蓋度、中低覆蓋度和中高覆蓋度占地均呈先增后降的變化趨勢，高覆蓋度占地呈逐漸升高的變化趨勢。

3.2? 植被覆蓋空間分布特征

3.2.1? 年植被覆蓋度空間分布特征

2017—2022年，泰山區域低覆蓋度區主要分布于區域北部、西部和東南部的城市建設區和東平湖、大汶河等河流、湖泊區；高覆蓋區主要分布于區域中部和南部；逐年等級植被覆蓋度分布特征變化較小（圖3）。

3.2.2? 年植被覆蓋度變化率空間分布特征

采用趨勢分析法對2017—2022年山東泰山區域植被覆蓋度以時間作為變量因子進行趨勢分析（圖4，表1），分析結果表明：6年來，部分區域植被覆蓋度處于增加趨勢，植被覆蓋度顯著改善區域面積為810.17km2，占比達5.2%；90.5%面積占比區域植被覆蓋度基本保持不變。

3.3? 生態修復工程與覆蓋度變化率關系

將實施的山東泰山區域生態修復工程（水環境治理類除外）與2017—2022年植被覆蓋度變化率疊合，獲取到其所處像元的變化率，進行分析（圖5）。

由圖5可以看出，2017年以來實施的生態修復工程絕大多數所處像元植被覆蓋度變化率大于0，且均不小于0.05（顯著退化），平均值為0.014，進一步說明了實施工程有效性，顯著改善區域與生態修復工程中植樹、綠化區也基本對應。

4? 結語

采用最大值合成法、像元二分模型和趨勢分析法等研究方法，以NASA發布的2017—2022年MODIS NDVI 16d最大值合成數據為基礎數據，對山東泰山區域近6年來（生態保護修復工程實施前后）植被覆蓋度時間和空間變化趨勢進行分析，以便驗證山東省泰山區域生態修復工程整體效果。

（1）2017—2022年，泰山區域NDVI最大值和平均值總體均呈上升趨勢，最大值增長率為0.0055/a，平均值增長率為0.0049/a。

（2）2017—2022年，山東泰山區域低覆蓋度占地呈先降后增的變化趨勢，中等覆蓋度、中低覆蓋度和中高覆蓋度占地均呈先增后降的變化趨勢，高覆蓋度占地呈逐漸升高的變化趨勢。

（3）部分區域植被覆蓋度處于增加趨勢，植被覆蓋度明顯改善區域面積占比達5.2%；90.5%面積占比區域植被覆蓋度基本保持不變。

（4）山東泰山區域Slope平均值為0.00478，生態修復工程絕大多數所處像元植被覆蓋度變化率大于0，且均不小于0.05（顯著退化），說明整個區域植被覆蓋度呈現改善趨勢，工程有明顯效果。

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Study on the Effect of Ecological Restoration Project in Taishan Area in Shandong Province Based on the Change of Vegetation Coverage

SUI Jianhong， SUI Yan'gang，LI Chao

（Shandong Institute of Coalfield Geological Engineering and Exploration， Shandong Ji'nan 250100， China）

Abstract：According to the change trend of vegetation coverage， the overall effect of ecological restoration project in Taishan area in Shandong province has been studied by maximum synthesis method， trend analysis method and pixel dichotomy model. The study data comes from MODIS NDVI data products released by NASA from 2017 to 2022. As showed by the results， from 2017 to 2022， the maximum value and average value of NDVI in Taishan region show a fluctuating upward trend， with the maximum growth rate of 0.0055/a and the average growth rate of 0.0049/a. The average slope value is 0.00478. The vegetation coverage change rate of most of the restoration projects is greater than 0. It is indicated that the vegetation coverage of the whole region shows an improvement trend， and the project has obvious effect.

Key words：Mountain，water，forest，field，lake and grass; ecological environment restoration project; vegetation coverage; pixel dichotomy; trend analysis; Taishan region; Shandong province