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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)相、大尺度植被數(shù)據(jù)時(shí)，現(xiàn)有研究在主要選擇誤差小且省時(shí)、省力的遙感測(cè)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(jiǎn)單、實(shí)用的遙感測(cè)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(guó)政治經(jīng)濟(jì)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(duì)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(duì)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(shì)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(bǔ)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(yùn)用較少[14-17].為了更精確、細(xì)致地監(jiān)測(cè)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(duì)海河流域植被覆蓋度時(shí)空變化特征及規(guī)律進(jìn)行探討，以期為海河流域后期生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)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(gè)省（自治區(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(shì)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(shí)間跨度為1999—2013年、空間分辨率為1 km×1 km的由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)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(duì)其圖像的數(shù)據(jù)格式、投影進(jìn)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(jì)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(shí)的NDVI值[19].

1.4 圖譜模型建立

第1步，分別對(duì)4期數(shù)據(jù)的植被覆蓋度等級(jí)進(jìn)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(jí)，共分為3級(jí)，如表1所示.

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

第2步，在時(shí)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(jí)編碼值進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，生成編碼為2位數(shù)的新柵格，即十位數(shù)和個(gè)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(jì)算公式為

式（2）中：M為利用植被覆蓋度等級(jí)代碼計(jì)算的4位編碼的時(shí)空耦合數(shù)據(jù)；n為植被覆蓋度時(shí)期數(shù)；N1、N2和Nn為不同時(shí)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(gè)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(jì)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(jí)代碼為i的植被覆蓋度轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃冢╰+Δt）等級(jí)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(jí)代碼.

2 結(jié)果分析

2.1 階段性的時(shí)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(yuǎn)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(duì)1999—2004年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)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(gè)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(duì)2004—2009年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)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(duì)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(gè)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(shì)與1999—2004年分離度曲線走勢(shì)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(gè)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(duì)2009—2013年植被覆蓋度圖譜數(shù)量變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jì)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(shì)，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(jí)不斷轉(zhuǎn)好，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì).

2.2 時(shí)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(gè)時(shí)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(gè)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(shí)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(jí)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(jí)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(jí)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)間上的變化，本研究應(yīng)用的植被覆蓋度變化圖譜模式對(duì)植被覆蓋度在時(shí)間和空間上的變化起到一定的耦合作用，可以充分反映時(shí)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(duì)以趨勢(shì)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(jí)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(duì)劃分植被空間單元產(chǎn)生影響，因此對(duì)海河流域植被覆蓋度變化的地理過程機(jī)制進(jìn)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(jí)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校愿摺校?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.