基于SPOT數(shù)據(jù)的海河流域植被覆蓋度變化圖譜特征

申麗娜，景 悅，孫艷玲，2，呂豪朋

（1.地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院天津師范大學(xué)，天津300387；2.天津市水資源與水環(huán)境重點實驗室天津師范大學(xué)，天津 300387）

植被是連接各圈層要素的紐帶，也是指示全球變化的敏感指標(biāo)[1].植被覆蓋度是植被地上部分的垂直投影面積與地面總面積之比，在一定程度上可以指示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化[2].獲取多時相、大尺度植被數(shù)據(jù)時，現(xiàn)有研究在主要選擇誤差小且省時、省力的遙感測量[2-3].而植被指數(shù)與像元二分模型相結(jié)合的方法是一種簡單、實用的遙感測量的方法，在估算植被覆蓋度中最為常用[4-6].目前，植被指數(shù)主要選用歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI），它與植被分布密度相關(guān)性較顯著，是研究植被覆蓋度的重要參數(shù)[7-8].

海河流域是我國政治經(jīng)濟中心所在地，也是重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地[9].近年來，由于氣候變化和人為原因等導(dǎo)致海河流域自然災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，而植被變化對生態(tài)環(huán)境變化具有重要的指示作用[10].研究人員已經(jīng)對海河流域植被覆蓋度的變化情況展開研究[11-13]，主要采用一元線性趨勢分析法，該方法在體現(xiàn)植被覆蓋變化的空間位置信息方面存在缺陷，而圖譜分析法可以有效彌補基于非空間屬性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘方法在空間位置和形象思維等方面的不足.目前，圖譜分析法在土地利用變化方面應(yīng)用較廣泛，在植被覆蓋度變化研究中運用較少[14-17].為了更精確、細致地監(jiān)測海河流域植被覆蓋情況，本研究基于1999、2004、2009和 2013年海河流域的 SPOT/NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合地學(xué)信息圖譜，對海河流域植被覆蓋度時空變化特征及規(guī)律進行探討，以期為海河流域后期生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護提供科學(xué)的理論依據(jù).

1 數(shù)據(jù)來源及方法

1.1 研究區(qū)概況

海河流域總面積約3.182×105km2，包括8個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），本研究選取經(jīng)緯度位置為112°E～120°E，35°N～43°N，如圖 1所示.流域由 3大水系、7大河系和10條骨干河流組成，流域地勢由西北向東南逐漸降低；地貌類型分為高原、山地及平原；屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，受其影響植被類型豐富；土壤類型以褐土和棕壤為主.

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

采用時間跨度為1999—2013年、空間分辨率為1 km×1 km的由國家自然科學(xué)基金委員會提供的SPOT VGT/NDVI逐旬?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合研究需要，選取1999、2004、2009和2013年的NDVI數(shù)據(jù)，首先裁剪出研究區(qū)域，再對其圖像的數(shù)據(jù)格式、投影進行轉(zhuǎn)換，最后通過最大值合成法（maximum value composites，MVC）生成4年最大NDVI值分別代表4年的植被狀況.

圖1 海河流域地理位置示意圖Fig.1 Sketch map of location of the Haihe River Basin

1.3 像元二分模型

估算植被覆蓋度一般采用像元二分模型.在像元二分模型中，植被部分所產(chǎn)生的信息（NDVIveg）與裸土部分所產(chǎn)生的信息（NDVIsoil）共同組成了NDVI值[18]，因此植被覆蓋度計算方法為

式（1）中：NDVIsoil與NDVIveg分別為頻率累積表中頻率為5%和95%時的NDVI值[19].

1.4 圖譜模型建立

第1步，分別對4期數(shù)據(jù)的植被覆蓋度等級進行重編碼，并參考相關(guān)研究[18-20]劃分研究區(qū)植被覆蓋度等級，共分為3級，如表1所示.

表1 海河流域植被覆蓋度分級Tab.1 Classification of vegetation coverage in the Haihe River Basin

第2步，在時間序列基礎(chǔ)上，選取相鄰2期柵格單元的植被覆蓋度等級編碼值進行代數(shù)運算，生成編碼為2位數(shù)的新柵格，即十位數(shù)和個位數(shù)分別用前一期柵格單元的屬性值和后一期柵格單元的屬性值替代，則新柵格即為植被覆蓋度變化圖譜單元，由此得到海河流域1999—2004年、2004—2009年和2009—2013年的植被覆蓋度變化圖譜.

第3步，根據(jù)1999、2004、2009和 2013年4期植被覆蓋度變化情況，將4期植被覆蓋度變化圖譜類型概括為6種，如表2所示.計算公式為

式（2）中：M為利用植被覆蓋度等級代碼計算的4位編碼的時空耦合數(shù)據(jù)；n為植被覆蓋度時期數(shù)；N1、N2和Nn為不同時期的植被覆蓋度圖譜單元.

表2 植被覆蓋度變化模式圖譜分類Tab.2 Classification of vegetation coverage change pattern spectrum

1.5 圖譜特征分析

植被覆蓋度變化圖譜中的“圖”.本研究中的“圖”主要通過3個階段的變化圖譜單元圖和分離度圖來體現(xiàn)，“譜”則主要通過變化比率Cij來表現(xiàn)，其主要計算公式為

式（3）和式（4）中：分離度Fij表示圖譜單元在空間分布上的分散程度，分離度越大，圖譜單元在空間上分布越分散；變化比率Cij表示轉(zhuǎn)變的植被覆蓋度圖譜單元類型占研究區(qū)內(nèi)所有轉(zhuǎn)變的植被覆蓋度圖譜單元類型總面積的比率；Nij和Aij分別為前期（t）等級代碼為i的植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃冢╰+Δt）等級代碼為j的植被覆蓋度的圖譜單元數(shù)和面積；n為植被覆蓋度等級代碼.

2 結(jié)果分析

2.1 階段性的時間序列圖譜特征

2.1.1 1999—2004年植被覆蓋度變化圖譜特征

1999—2004年植被覆蓋度變化圖譜單元圖如圖2所示.

圖2 1999—2004年植被覆蓋度變化圖譜單元示意圖Fig.2 Sketch map of spectrum units of vegetation coverage change from 1999 to 2004

由圖2可以看出，在圖譜空間差異特征方面，1999—2004年植被覆蓋度變化圖譜單元由7種類型構(gòu)成，分布范圍存在一定的區(qū)域差異.其中無變化區(qū)域分布范圍最廣，說明1999—2004年植被覆蓋度較穩(wěn)定；變化最明顯的是編碼為23的“中→高”圖譜單元類型，集中分布在內(nèi)蒙古、山西、河南、山東以及天津周邊；其次是低→中（12）和低→高（13）圖譜單元類型，主要分布在山西北部、內(nèi)蒙古西部以及北京和天津；高→中（32）和中→低（21）圖譜單元類型，零星分布在內(nèi)蒙古北部、河南南部以及北京天津周邊一小部分；高→低（31）的圖譜單元類型分布范圍極小.

1999—2004年，植被覆蓋度變化圖譜單元空間分離度的分布如圖3所示.

圖3 1999—2004年植被覆蓋度變化圖譜單元的空間分離度Fig.3 Spatial isolation of spectrum units of vegetation coverage change from 1999 to 2004

由圖3可以看出，中→高（23）、低→中（12）、高→中（32）和低→高（13）的分離度值均較小，可見海河流域這4種圖譜單元空間分布較為集中；最為分散的是高→低（31）和中→低（21）圖譜單元類型，遠高出其他4種圖譜類型，可見這2種圖譜單元類型在該階段內(nèi)發(fā)生分散且轉(zhuǎn)出不活躍.此外，植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜單元的分離度小于植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元的分離度，由此可知，總體上海河流域覆蓋度轉(zhuǎn)好植被分布較集中，相反覆蓋度轉(zhuǎn)差的植被分布較分散.

對1999—2004年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化特征進行統(tǒng)計，結(jié)果如表3所示.

表3 1999—2004年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of spectrum quantitative changes of vegetation coverage from 1999 to 2004

由表3可以看出，1999—2004年植被覆蓋度變化的總面積為47.55×103km2，其中植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜單元所占比例較大，為97.89%，以中→高（23）圖譜單元類型為主，占所有圖譜單元的第1位，低→中（12）和低→高（13）圖譜單元類型的面積和變化比率居中間地位；植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元占2.11%，以中→低（21）、高→中（32）和中→低（31）圖譜單元類型為主，變化比率均小于2%，且面積小于1×103km2.綜上所述，海河流域植被覆蓋度在1999—2004年總體轉(zhuǎn)好.

2.1.2 2004—2009年植被覆蓋度變化圖譜特征

圖4為2004—2009年植被覆蓋度變化圖譜單元圖.

圖4 2004—2009年植被覆蓋度變化圖譜單元示意圖Fig.4 Sketch map of spectrum units of vegetation coverage change from 2004 to 2009

由圖4可以看出，在圖譜空間差異特征方面，2004—2009年植被覆蓋度變化圖譜單元由7種類型構(gòu)成，不同地區(qū)的圖譜類型分布差異顯著.其中無變化區(qū)域分布范圍依然最廣；與1999—2004年相比，最為明顯的是編碼為23的“中→高”圖譜單元類型的分布范圍變小，且分布地區(qū)大部分轉(zhuǎn)為高→中（32）圖譜單元類型，主要集中在內(nèi)蒙古、北京和天津；其次是中→低（21）和高→低（31）圖譜單元類型，分布范圍變大，主要分布在內(nèi)蒙古以及京津兩市中心；中→高（23）圖譜單元類型零星分布在山西北部、山東東北部以及北京和天津周圍一小部分；低→高（13）和低→中（12）圖譜單元類型分布范圍變小.總體來看，1999—2004年植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元主要集中在流域西北部以及京津市中心，與1999—2004年變化情況相反.

圖5為2004—2009年植被覆蓋度變化圖譜單元空間分離度圖.由圖5可以看出，2004—2009年植被覆蓋度變化總體分離度與1999—2004年的總體分離度相同，說明總體上植被覆蓋度變化的圖譜單元在流域內(nèi)離散程度不變.在圖譜單元類型方面，最為明顯的是分離度最大值由上一階段的高→低（31）變?yōu)榈汀撸?3）；高→中（32）、中→低（21）和高→低（31）的分離度值均減小，說明這3種植被覆蓋度變化的圖譜單元分布更加集中；其他圖譜單元的分離度值較上一階段均有所增大，說明其分布更加分散.總體上植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜單元的分離度大于植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元的分離度，2個階段分散程度相反，表現(xiàn)為覆蓋度轉(zhuǎn)好的植被分布更加分散，覆蓋度轉(zhuǎn)差的植被分布更加集中.

圖5 2004—2009年植被覆蓋度變化圖譜單元的空間分離度Fig.5 Spatial isolation of spectrum units of vegetation coverage change from 2004 to 2009

對2004—2009年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化特征進行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示.

表4 2004—2009年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of spectrum quantitative changes of vegetation coverage from 2004 to 2009

由表4可以看出，2004—2009年植被覆蓋度變化的總面積為29.85×103km2，與1999—2004年相比減少了17.70×103km2.植被覆蓋度變化在該階段與上一階段形成鮮明對比，其中轉(zhuǎn)好的圖譜單元類型的面積和變化比率均急速下降，以中→高（23）圖譜單元的變化最明顯，低→中（12）和低→高（13）圖譜單元的變化程度較小；而轉(zhuǎn)差的圖譜單元類型以高→中（32）為主，在該階段面積和變化比率最大，中→低（21）和高→低（31）圖譜單元類型比率也有一定程度的增加，說明這一階段植被覆蓋度總體下降.

2.1.3 2009—2013年植被覆蓋度變化圖譜特征

圖6為2009—2013年植被覆蓋度變化圖譜單元圖.

圖6 2009—2013年植被覆蓋度變化圖譜單元示意圖Fig.6 Sketch map of spectrum units of vegetation coverage change from 2009 to 2013

由圖6可以看出，圖譜空間差異特征方面，2009—2013年植被覆蓋度變化圖譜單元的類型和分布與第1階段相似，主要圖譜單元類型是編碼為23的“中→高”圖譜，但分布范圍有所變化，其中增加區(qū)域主要為內(nèi)蒙古北部，而山西中部以及天津南部、河北與山東交界地帶是減少最明顯的區(qū)域.與第2階段（2004—2009年）相比，最明顯的是植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元類型的分布區(qū)域被植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜類型替代.綜上所述，海河流域植被覆蓋度在2009—2013年總體增高.

圖7為2009—2013年植被覆蓋度變化圖譜單元空間分離度的分布.由圖7可知，2009—2013年植被覆蓋度變化的總體分離度與前2個階段相同，表明1999—2013年期間植被覆蓋度變化的圖譜單元在流域內(nèi)分散程度不變.該階段圖譜單元分離度曲線的走勢與1999—2004年分離度曲線走勢相似，不同的是所有圖譜單元的分離度值比1999—2004年的分離度值小，說明各圖譜單元類型在流域內(nèi)分布較集中.2004—2009年的分離度值與1999—2004年階段相反，表現(xiàn)為總體上植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜單元的分離度小于植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元的分離度，這2個階段分散程度相反，表現(xiàn)為覆蓋度轉(zhuǎn)好的植被分布更加集中，相反覆蓋度轉(zhuǎn)差的植被分布更加分散.

圖7 2009—2013年植被覆蓋度變化圖譜單元的空間分離度Fig.7 Spatial isolation of spectrum units of vegetation coverage change from 2009 to 2013

對2009—2013年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化特征進行統(tǒng)計，結(jié)果如表5所示.

表5 2009—2013年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化統(tǒng)計表Tab.5 Statistical table of spectrum quantitative changes of vegetation coverage from 2009 to 2013

表5顯示2009—2013年植被覆蓋度發(fā)生變化的總面積為32.68×103km2，在一定程度上比2004—2009年的變化總面積有所增加，但相比于1999—2004年依然相差14.87×103km2.該階段以中→高（23）圖譜單元類型為主，所占面積和變化比率最大.與2004—2009年相比，此階段植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的編碼為32、31和21的圖譜單元類型比率下降，尤以高→中（32）圖譜單元類型變化最明顯，其他圖譜單元類型的比率均有所增加，其中中→高（23）圖譜單元類型變化最明顯，總體來看與上一階段呈相反的變化結(jié)果.與1999—2004年相同的是編碼為23的圖譜單元面積和比率均占首位，植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜單元類型的比率較大，但仍然低于第1階段相同圖譜單元類型的比率.同理，植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元類型的比率較小，但仍然高于第1階段相同圖譜單元類型的比率.總體來看，植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜單元的面積和比率在該階段恢復(fù)上升趨勢，轉(zhuǎn)差的圖譜單元的面積和比率減小，說明這一階段植被覆蓋度等級不斷轉(zhuǎn)好，總體呈現(xiàn)上升趨勢.

2.2 時空耦合的變化模式圖譜特征

本研究中變化模式圖譜的圖譜單元既耦合了1999、2004、2009和2013年4個時期的植被覆蓋度現(xiàn)狀，也綜合了上述1999—2004年、2004—2009年和2009—2013年3個階段圖譜單元特征，因此不同模式圖譜的特征顯示特定階段的圖譜意義，有助于全面掌握時空耦合下海河流域植被覆蓋度的變化規(guī)律.

1999—2013年植被覆蓋度變化圖譜特征和模式圖譜分別如表6和圖8所示.

表6 1999—2013年植被覆蓋度變化圖譜特征Tab.6 Characteristic of vegetation coverage change spectrum from 1999 to 2013

由表6和圖8可知：①海河流域植被覆蓋度變化模式以穩(wěn)定型為主，面積共2.609 7×105km2，占流域總面積的82.01%，主要分布在流域中部、北部和南部.其中高→高→高→高圖譜單元類型在組成穩(wěn)定型的所有圖譜單元類型中占比最大，面積為2.588 1×105km2.可見1999—2013年期間流域內(nèi)植被覆蓋度以高等為主且較穩(wěn)定.②第二大植被覆蓋度變化圖譜類型為僅在1999—2004年發(fā)生變化的前期轉(zhuǎn)換型，面積為2.278×104km2，占流域總面積的7.16%，主要分布在山西以及天津以南的環(huán)渤海地帶，其中變化最大的圖譜單元是中→高→高→高，面積為1.994×104km2.③連續(xù)轉(zhuǎn)換型零星分布在內(nèi)蒙古、山西和河北三省交界地帶，面積為1.933×104km2，占流域總面積的6.07%，位居第3位，其中中→高→中→高是連續(xù)轉(zhuǎn)換型中變化最大的圖譜單元，面積為1.203×104km2.④反復(fù)轉(zhuǎn)換型和后期轉(zhuǎn)換型的面積為7.85×103和4.84×103km2，分別占流域總面積的2.47%和1.52%，分布范圍較小，主要分布在內(nèi)蒙古東北、山西北部、北京和天津市中心等地區(qū).⑤面積比例最小的是中期轉(zhuǎn)換型，分布范圍最小，零星分布在京津、河南和內(nèi)蒙古等地.

圖8 1999—2013年植被覆蓋度變化模式圖譜示意圖Fig.8 Sketch map of spectrum of vegetation coverage change pattern from 1999 to 2013

所有圖譜類型主要以中、高等植被覆蓋度轉(zhuǎn)換為主，其中穩(wěn)定型所占比例最大，說明近年來海河流域植被覆蓋度較穩(wěn)定，其他圖譜類型比例較小，主要集中在流域西、北部以及城市周邊.反復(fù)轉(zhuǎn)換型代表植被覆蓋度等級在先前某一階段轉(zhuǎn)換而在最后階段又恢復(fù)，連續(xù)轉(zhuǎn)換型則代表植被覆蓋度等級發(fā)生轉(zhuǎn)換后無法得到恢復(fù)，且反復(fù)轉(zhuǎn)換型所占比例小于連續(xù)轉(zhuǎn)換型，可以發(fā)現(xiàn)等級轉(zhuǎn)換后無法得到恢復(fù)的植被覆蓋度面積較大；前期變化的植被覆蓋度面積大于中后期變化的植被覆蓋度面積，可見植被覆蓋度變化主要發(fā)生在前期（1999—2004年），且主要以植被覆蓋度發(fā)生變化后無法得到恢復(fù)為主.

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

海河流域地理位置極其重要，研究其植被覆蓋度變化為海河流域植被動態(tài)監(jiān)測提供了科學(xué)的理論指導(dǎo)，有助于為海河流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和修復(fù)提供科學(xué)的理論支持[9-11].圖譜分析法通過圖和譜表示植被在空間和時間上的變化，本研究應(yīng)用的植被覆蓋度變化圖譜模式對植被覆蓋度在時間和空間上的變化起到一定的耦合作用，可以充分反映時間序列上植被覆蓋度變化過程在空間上的分異規(guī)律，是對以趨勢分析法為代表反映植被覆蓋度變化特征的方法的革新.

但隨著植被覆蓋度等級的增加，圖譜數(shù)量不斷增加，不利于圖譜分析[14-16，20].此外，海河流域的植被覆蓋度變化過程在各種因素共同影響下表現(xiàn)出復(fù)雜的特征，對劃分植被空間單元產(chǎn)生影響，因此對海河流域植被覆蓋度變化的地理過程機制進行深入探討非常必要.

3.2 結(jié)論

（1）1999—2004年階段，植被覆蓋度變化圖譜以植被覆蓋度等級轉(zhuǎn)好為主.空間差異較明顯的是中→高（23）、低→中（12）和低→高（13）圖譜單元類型，集中分布在內(nèi)蒙古、山西、河南、山東和天津周邊，相應(yīng)的空間分離度較低，空間分布集中.植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元比例較小，空間分布較分散.

（2）2004—2009年階段，植被覆蓋度變化的總面積在減少.空間差異上植被覆蓋度的變化與上一階段正好相反，其中植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元面積在增加，其分離度也在減小，空間分布由分散變?yōu)榧?，以高→中?2）、中→低（21）和高→低（31）為主，植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的圖譜單元比例變小，空間分布變分散.

（3）2009—2013年階段，與 2004—2009年階段相比，植被覆蓋度變化的總面積在增加，而相比于1999—2004年，植被覆蓋度變化的總面積在減少.空間差異上植被覆蓋度的變化與第1階段相似，與第2階段相反，均以植被覆蓋度轉(zhuǎn)好的中→高（23）、低→中（12）和低→高（13）圖譜單元類型為主，其空間分布集中，植被覆蓋度轉(zhuǎn)差的圖譜單元比例較小，空間分布較分散.

（4）植被覆蓋度變化模式圖譜以穩(wěn)定型主，其次是前期轉(zhuǎn)換型和連續(xù)轉(zhuǎn)換型，主要分布在流域西、北部以及城市周邊.從最大變化圖譜單元類型上看，所有圖譜模式主要以中、高等植被覆蓋度相互轉(zhuǎn)換為主，說明近年來海河流域大部分地區(qū)植被覆蓋度較穩(wěn)定，而植被覆蓋度變化主要發(fā)生在前期（1999—2004年），且以植被覆蓋度發(fā)生變化后無法得到恢復(fù)為主.