基于植被覆蓋度變化的山東泰山區(qū)域生態(tài)修復(fù)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(jiǎn)介：隋建紅（1979—），女，山東諸城人，正高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)、遙感技術(shù)等工作；Email：sdusui@163.com? *

作者簡(jiǎn)介：隋巖剛（1981—），男，山東乳山人，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)環(huán)境、水文地質(zhì)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(shì)分析法，以NASA發(fā)布的2017—2022年MODIS NDVI 16d最大值合成數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過植被覆蓋度變化趨勢(shì)對(duì)山東泰山區(qū)域生態(tài)修復(fù)工程整體效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明：2017—2022年泰山區(qū)域NDVI最大值和平均值總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，最大值增長(zhǎng)率為0.0055/a，平均值增長(zhǎng)率為0.0049/a。山東省泰山區(qū)域Slope平均值為0.00478，生態(tài)修復(fù)工程絕大多數(shù)所處像元植被覆蓋度變化率大于0，說明整個(gè)區(qū)域植被覆蓋度有所改善，工程有明顯效果。

關(guān)鍵詞：山水林田湖草;生態(tài)修復(fù)工程;植被覆蓋度;像元二分法;趨勢(shì)分析法；泰山區(qū)域；山東省

中圖分類號(hào)：X37；F301??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(qū)域生態(tài)修復(fù)工程效果研究［J］.山東國(guó)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(píng)價(jià)一個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化情況，多采用區(qū)域內(nèi)植被覆蓋狀態(tài)來衡量，而評(píng)價(jià)植被覆蓋狀態(tài)的重要指標(biāo)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(qū)域總面積的比值定義為植被覆蓋度［46］。利用遙感數(shù)據(jù)研究植被覆蓋度變化趨勢(shì)，是當(dāng)前區(qū)域生態(tài)建設(shè)影響評(píng)價(jià)的重要手段。主要采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）、像元二分模型應(yīng)用和趨勢(shì)分析法等研究方法。常規(guī)工程驗(yàn)收僅對(duì)單個(gè)工程生態(tài)修復(fù)效果［79］進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)，不能對(duì)某區(qū)域整體生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文通過研究區(qū)工程建設(shè)前后植被覆蓋度變化評(píng)價(jià)整體區(qū)域生態(tài)修復(fù)效果。

1? 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1? 研究區(qū)概況

2017年12月，山東省泰山區(qū)域入選國(guó)家第二批山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點(diǎn)范圍［10］。山東省泰山區(qū)域生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程涵蓋省會(huì)濟(jì)南及泰安2市的14個(gè)縣（市、區(qū)），布設(shè)工程類型有地質(zhì)環(huán)境、生物多樣性、水環(huán)境、土地整治和監(jiān)管能力建設(shè)等5大類［1112］。2018年工程全面實(shí)施，截至2022年3月，總投資約159億元，修復(fù)礦山和整治土地2.8萬hm2，治理采煤塌陷地9605hm2。2022年底進(jìn)行了整體工程驗(yàn)收，區(qū)域生態(tài)功能系統(tǒng)得到提升。

1.2? 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)源為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA，網(wǎng)址https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/）發(fā)布的2017年1月—2022年12月經(jīng)過幾何精校正、輻射校正處理的16d最大值合成數(shù)據(jù)集MOD13Q1（分辨率250m）。

預(yù)處理采用的軟件工具為MRT批處理工具和ArcGIS軟件。首先對(duì)MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行投影和格式轉(zhuǎn)化處理，然后利用泰山區(qū)域邊界矢量數(shù)據(jù)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，再次對(duì)研究區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，最后采用最大化合成法（MVC）合成年NDVI數(shù)據(jù)。MOD13Q1原始數(shù)據(jù)和研究對(duì)象NDVI取值范圍不同，兩者之間轉(zhuǎn)換關(guān)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(jiǎn)單實(shí)用的遙感估算模型［1516］，其計(jì)算公式如式（1）：

FVC=NDVI-NDVIsNDVIv-NDVIs（1）

式中：FVC代表計(jì)算單元的植被覆蓋度；NDVI代表計(jì)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(yīng)接近0且不易變化，但受眾多因素影響，NDVIs會(huì)隨著空間變化而變化，其變化范圍一般在0.1～0.2。同時(shí)，NDVIv值隨著植被類型不同和季節(jié)變化而變化，因此計(jì)算植被覆蓋度時(shí)，即使是對(duì)同一景影像，NDVIs和NDVIv也不能取固定值，故選取評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)NDVImax和NDVImin代表NDVIv和NDVIs，計(jì)算公式如式（2）：

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

式中：NDVImax為評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)累計(jì)概率為95%的NDVI值；NDVImin為評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)累計(jì)概率為5%的NDVI值。

2.2? 趨勢(shì)分析法

趨勢(shì)分析法以時(shí)間為變量對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，以便研究數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)［1718］。計(jì)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(shí)間長(zhǎng)度，視自身情況而定。

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

3? 結(jié)果和分析

3.1? 植被覆蓋時(shí)間變化特征

3.1.1? 整個(gè)區(qū)域變化特征

2017—2022年，泰山區(qū)域NDVI最大值和平均值均總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，最大值增長(zhǎng)率為0.0055/a，平均值增長(zhǎng)率為0.0049/a，變化趨勢(shì)見圖1。2019年生態(tài)修復(fù)工程處于初期，效果尚未顯現(xiàn)，而區(qū)域建設(shè)仍處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，故最大值和平均值均在該年度達(dá)到最低值。

3.1.2? 不同等級(jí)區(qū)域變化特征

參照2008年水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［21］將劃分植被覆蓋度分為5個(gè)等級(jí)［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(qū)域各不同等級(jí)覆蓋度占比變化趨勢(shì)見圖2?？梢钥闯?，低覆蓋度占地呈先降后增的變化趨勢(shì)，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(shì)，高覆蓋度占地呈逐漸升高的變化趨勢(shì)。

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(qū)域低覆蓋度區(qū)主要分布于區(qū)域北部、西部和東南部的城市建設(shè)區(qū)和東平湖、大汶河等河流、湖泊區(qū)；高覆蓋區(qū)主要分布于區(qū)域中部和南部；逐年等級(jí)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(shì)分析法對(duì)2017—2022年山東泰山區(qū)域植被覆蓋度以時(shí)間作為變量因子進(jìn)行趨勢(shì)分析（圖4，表1），分析結(jié)果表明：6年來，部分區(qū)域植被覆蓋度處于增加趨勢(shì)，植被覆蓋度顯著改善區(qū)域面積為810.17km2，占比達(dá)5.2%；90.5%面積占比區(qū)域植被覆蓋度基本保持不變。

3.3? 生態(tài)修復(fù)工程與覆蓋度變化率關(guān)系

將實(shí)施的山東泰山區(qū)域生態(tài)修復(fù)工程（水環(huán)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(jìn)行分析（圖5）。

由圖5可以看出，2017年以來實(shí)施的生態(tài)修復(fù)工程絕大多數(shù)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(jìn)一步說明了實(shí)施工程有效性，顯著改善區(qū)域與生態(tài)修復(fù)工程中植樹、綠化區(qū)也基本對(duì)應(yīng)。

4? 結(jié)語

采用最大值合成法、像元二分模型和趨勢(shì)分析法等研究方法，以NASA發(fā)布的2017—2022年MODIS NDVI 16d最大值合成數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)山東泰山區(qū)域近6年來（生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程實(shí)施前后）植被覆蓋度時(shí)間和空間變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，以便驗(yàn)證山東省泰山區(qū)域生態(tài)修復(fù)工程整體效果。

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

（2）2017—2022年，山東泰山區(qū)域低覆蓋度占地呈先降后增的變化趨勢(shì)，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(shì)，高覆蓋度占地呈逐漸升高的變化趨勢(shì)。

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

（4）山東泰山區(qū)域Slope平均值為0.00478，生態(tài)修復(fù)工程絕大多數(shù)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(gè)區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)改善趨勢(shì)，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