基于SPOT数据的海河流域植被覆盖度变化图谱特征

申丽娜，景 悦，孙艳玲，2，吕豪朋

（1.地理与环境科学学院天津师范大学，天津300387；2.天津市水资源与水环境重点实验室天津师范大学，天津 300387）

植被是连接各圈层要素的纽带，也是指示全球变化的敏感指标[1].植被覆盖度是植被地上部分的垂直投影面积与地面总面积之比，在一定程度上可以指示区域生态环境的变化[2].获取多时相、大尺度植被数据时，现有研究在主要选择误差小且省时、省力的遥感测量[2-3].而植被指数与像元二分模型相结合的方法是一种简单、实用的遥感测量的方法，在估算植被覆盖度中最为常用[4-6].目前，植被指数主要选用归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI），它与植被分布密度相关性较显著，是研究植被覆盖度的重要参数[7-8].

海河流域是我国政治经济中心所在地，也是重要的工农业生产基地[9].近年来，由于气候变化和人为原因等导致海河流域自然灾害频发，生态系统十分脆弱，而植被变化对生态环境变化具有重要的指示作用[10].研究人员已经对海河流域植被覆盖度的变化情况展开研究[11-13]，主要采用一元线性趋势分析法，该方法在体现植被覆盖变化的空间位置信息方面存在缺陷，而图谱分析法可以有效弥补基于非空间属性数据库的数据挖掘方法在空间位置和形象思维等方面的不足.目前，图谱分析法在土地利用变化方面应用较广泛，在植被覆盖度变化研究中运用较少[14-17].为了更精确、细致地监测海河流域植被覆盖情况，本研究基于1999、2004、2009和 2013年海河流域的 SPOT/NDVI数据，结合地学信息图谱，对海河流域植被覆盖度时空变化特征及规律进行探讨，以期为海河流域后期生态环境建设与保护提供科学的理论依据.

1 数据来源及方法

1.1 研究区概况

海河流域总面积约3.182×105km2，包括8个省（自治区、直辖市），本研究选取经纬度位置为112°E～120°E，35°N～43°N，如图 1所示.流域由 3大水系、7大河系和10条骨干河流组成，流域地势由西北向东南逐渐降低；地貌类型分为高原、山地及平原；属于温带大陆性季风气候，受其影响植被类型丰富；土壤类型以褐土和棕壤为主.

1.2 数据来源与预处理

采用时间跨度为1999—2013年、空间分辨率为1 km×1 km的由国家自然科学基金委员会提供的SPOT VGT/NDVI逐旬数据，结合研究需要，选取1999、2004、2009和2013年的NDVI数据，首先裁剪出研究区域，再对其图像的数据格式、投影进行转换，最后通过最大值合成法（maximum value composites，MVC）生成4年最大NDVI值分别代表4年的植被状况.

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

1.3 像元二分模型

估算植被覆盖度一般采用像元二分模型.在像元二分模型中，植被部分所产生的信息（NDVIveg）与裸土部分所产生的信息（NDVIsoil）共同组成了NDVI值[18]，因此植被覆盖度计算方法为

式（1）中：NDVIsoil与NDVIveg分别为频率累积表中频率为5%和95%时的NDVI值[19].

1.4 图谱模型建立

第1步，分别对4期数据的植被覆盖度等级进行重编码，并参考相关研究[18-20]划分研究区植被覆盖度等级，共分为3级，如表1所示.

表1 海河流域植被覆盖度分级Tab.1 Classification of vegetation coverage in the Haihe River Basin

第2步，在时间序列基础上，选取相邻2期栅格单元的植被覆盖度等级编码值进行代数运算，生成编码为2位数的新栅格，即十位数和个位数分别用前一期栅格单元的属性值和后一期栅格单元的属性值替代，则新栅格即为植被覆盖度变化图谱单元，由此得到海河流域1999—2004年、2004—2009年和2009—2013年的植被覆盖度变化图谱.

第3步，根据1999、2004、2009和 2013年4期植被覆盖度变化情况，将4期植被覆盖度变化图谱类型概括为6种，如表2所示.计算公式为

式（2）中：M为利用植被覆盖度等级代码计算的4位编码的时空耦合数据；n为植被覆盖度时期数；N1、N2和Nn为不同时期的植被覆盖度图谱单元.

表2 植被覆盖度变化模式图谱分类Tab.2 Classification of vegetation coverage change pattern spectrum

1.5 图谱特征分析

植被覆盖度变化图谱中的“图”.本研究中的“图”主要通过3个阶段的变化图谱单元图和分离度图来体现，“谱”则主要通过变化比率Cij来表现，其主要计算公式为

式（3）和式（4）中：分离度Fij表示图谱单元在空间分布上的分散程度，分离度越大，图谱单元在空间上分布越分散；变化比率Cij表示转变的植被覆盖度图谱单元类型占研究区内所有转变的植被覆盖度图谱单元类型总面积的比率；Nij和Aij分别为前期（t）等级代码为i的植被覆盖度转变为后期（t+Δt）等级代码为j的植被覆盖度的图谱单元数和面积；n为植被覆盖度等级代码.

2 结果分析

2.1 阶段性的时间序列图谱特征

2.1.1 1999—2004年植被覆盖度变化图谱特征

1999—2004年植被覆盖度变化图谱单元图如图2所示.

图2 1999—2004年植被覆盖度变化图谱单元示意图Fig.2 Sketch map of spectrum units of vegetation coverage change from 1999 to 2004

由图2可以看出，在图谱空间差异特征方面，1999—2004年植被覆盖度变化图谱单元由7种类型构成，分布范围存在一定的区域差异.其中无变化区域分布范围最广，说明1999—2004年植被覆盖度较稳定；变化最明显的是编码为23的“中→高”图谱单元类型，集中分布在内蒙古、山西、河南、山东以及天津周边；其次是低→中（12）和低→高（13）图谱单元类型，主要分布在山西北部、内蒙古西部以及北京和天津；高→中（32）和中→低（21）图谱单元类型，零星分布在内蒙古北部、河南南部以及北京天津周边一小部分；高→低（31）的图谱单元类型分布范围极小.

1999—2004年，植被覆盖度变化图谱单元空间分离度的分布如图3所示.

图3 1999—2004年植被覆盖度变化图谱单元的空间分离度Fig.3 Spatial isolation of spectrum units of vegetation coverage change from 1999 to 2004

由图3可以看出，中→高（23）、低→中（12）、高→中（32）和低→高（13）的分离度值均较小，可见海河流域这4种图谱单元空间分布较为集中；最为分散的是高→低（31）和中→低（21）图谱单元类型，远高出其他4种图谱类型，可见这2种图谱单元类型在该阶段内发生分散且转出不活跃.此外，植被覆盖度转好的图谱单元的分离度小于植被覆盖度转差的图谱单元的分离度，由此可知，总体上海河流域覆盖度转好植被分布较集中，相反覆盖度转差的植被分布较分散.

对1999—2004年植被覆盖度图谱数量变化特征进行统计，结果如表3所示.

表3 1999—2004年植被覆盖度图谱数量变化统计表Tab.3 Statistical table of spectrum quantitative changes of vegetation coverage from 1999 to 2004

由表3可以看出，1999—2004年植被覆盖度变化的总面积为47.55×103km2，其中植被覆盖度转好的图谱单元所占比例较大，为97.89%，以中→高（23）图谱单元类型为主，占所有图谱单元的第1位，低→中（12）和低→高（13）图谱单元类型的面积和变化比率居中间地位；植被覆盖度转差的图谱单元占2.11%，以中→低（21）、高→中（32）和中→低（31）图谱单元类型为主，变化比率均小于2%，且面积小于1×103km2.综上所述，海河流域植被覆盖度在1999—2004年总体转好.

2.1.2 2004—2009年植被覆盖度变化图谱特征

图4为2004—2009年植被覆盖度变化图谱单元图.

图4 2004—2009年植被覆盖度变化图谱单元示意图Fig.4 Sketch map of spectrum units of vegetation coverage change from 2004 to 2009

由图4可以看出，在图谱空间差异特征方面，2004—2009年植被覆盖度变化图谱单元由7种类型构成，不同地区的图谱类型分布差异显著.其中无变化区域分布范围依然最广；与1999—2004年相比，最为明显的是编码为23的“中→高”图谱单元类型的分布范围变小，且分布地区大部分转为高→中（32）图谱单元类型，主要集中在内蒙古、北京和天津；其次是中→低（21）和高→低（31）图谱单元类型，分布范围变大，主要分布在内蒙古以及京津两市中心；中→高（23）图谱单元类型零星分布在山西北部、山东东北部以及北京和天津周围一小部分；低→高（13）和低→中（12）图谱单元类型分布范围变小.总体来看，1999—2004年植被覆盖度转差的图谱单元主要集中在流域西北部以及京津市中心，与1999—2004年变化情况相反.

图5为2004—2009年植被覆盖度变化图谱单元空间分离度图.由图5可以看出，2004—2009年植被覆盖度变化总体分离度与1999—2004年的总体分离度相同，说明总体上植被覆盖度变化的图谱单元在流域内离散程度不变.在图谱单元类型方面，最为明显的是分离度最大值由上一阶段的高→低（31）变为低→高（13）；高→中（32）、中→低（21）和高→低（31）的分离度值均减小，说明这3种植被覆盖度变化的图谱单元分布更加集中；其他图谱单元的分离度值较上一阶段均有所增大，说明其分布更加分散.总体上植被覆盖度转好的图谱单元的分离度大于植被覆盖度转差的图谱单元的分离度，2个阶段分散程度相反，表现为覆盖度转好的植被分布更加分散，覆盖度转差的植被分布更加集中.

图5 2004—2009年植被覆盖度变化图谱单元的空间分离度Fig.5 Spatial isolation of spectrum units of vegetation coverage change from 2004 to 2009

对2004—2009年植被覆盖度图谱数量变化特征进行统计，结果如表4所示.

表4 2004—2009年植被覆盖度图谱数量变化统计表Tab.4 Statistical table of spectrum quantitative changes of vegetation coverage from 2004 to 2009

由表4可以看出，2004—2009年植被覆盖度变化的总面积为29.85×103km2，与1999—2004年相比减少了17.70×103km2.植被覆盖度变化在该阶段与上一阶段形成鲜明对比，其中转好的图谱单元类型的面积和变化比率均急速下降，以中→高（23）图谱单元的变化最明显，低→中（12）和低→高（13）图谱单元的变化程度较小；而转差的图谱单元类型以高→中（32）为主，在该阶段面积和变化比率最大，中→低（21）和高→低（31）图谱单元类型比率也有一定程度的增加，说明这一阶段植被覆盖度总体下降.

2.1.3 2009—2013年植被覆盖度变化图谱特征

图6为2009—2013年植被覆盖度变化图谱单元图.

图6 2009—2013年植被覆盖度变化图谱单元示意图Fig.6 Sketch map of spectrum units of vegetation coverage change from 2009 to 2013

由图6可以看出，图谱空间差异特征方面，2009—2013年植被覆盖度变化图谱单元的类型和分布与第1阶段相似，主要图谱单元类型是编码为23的“中→高”图谱，但分布范围有所变化，其中增加区域主要为内蒙古北部，而山西中部以及天津南部、河北与山东交界地带是减少最明显的区域.与第2阶段（2004—2009年）相比，最明显的是植被覆盖度转差的图谱单元类型的分布区域被植被覆盖度转好的图谱类型替代.综上所述，海河流域植被覆盖度在2009—2013年总体增高.

图7为2009—2013年植被覆盖度变化图谱单元空间分离度的分布.由图7可知，2009—2013年植被覆盖度变化的总体分离度与前2个阶段相同，表明1999—2013年期间植被覆盖度变化的图谱单元在流域内分散程度不变.该阶段图谱单元分离度曲线的走势与1999—2004年分离度曲线走势相似，不同的是所有图谱单元的分离度值比1999—2004年的分离度值小，说明各图谱单元类型在流域内分布较集中.2004—2009年的分离度值与1999—2004年阶段相反，表现为总体上植被覆盖度转好的图谱单元的分离度小于植被覆盖度转差的图谱单元的分离度，这2个阶段分散程度相反，表现为覆盖度转好的植被分布更加集中，相反覆盖度转差的植被分布更加分散.

图7 2009—2013年植被覆盖度变化图谱单元的空间分离度Fig.7 Spatial isolation of spectrum units of vegetation coverage change from 2009 to 2013

对2009—2013年植被覆盖度图谱数量变化特征进行统计，结果如表5所示.

表5 2009—2013年植被覆盖度图谱数量变化统计表Tab.5 Statistical table of spectrum quantitative changes of vegetation coverage from 2009 to 2013

表5显示2009—2013年植被覆盖度发生变化的总面积为32.68×103km2，在一定程度上比2004—2009年的变化总面积有所增加，但相比于1999—2004年依然相差14.87×103km2.该阶段以中→高（23）图谱单元类型为主，所占面积和变化比率最大.与2004—2009年相比，此阶段植被覆盖度转差的编码为32、31和21的图谱单元类型比率下降，尤以高→中（32）图谱单元类型变化最明显，其他图谱单元类型的比率均有所增加，其中中→高（23）图谱单元类型变化最明显，总体来看与上一阶段呈相反的变化结果.与1999—2004年相同的是编码为23的图谱单元面积和比率均占首位，植被覆盖度转好的图谱单元类型的比率较大，但仍然低于第1阶段相同图谱单元类型的比率.同理，植被覆盖度转差的图谱单元类型的比率较小，但仍然高于第1阶段相同图谱单元类型的比率.总体来看，植被覆盖度转好的图谱单元的面积和比率在该阶段恢复上升趋势，转差的图谱单元的面积和比率减小，说明这一阶段植被覆盖度等级不断转好，总体呈现上升趋势.

2.2 时空耦合的变化模式图谱特征

本研究中变化模式图谱的图谱单元既耦合了1999、2004、2009和2013年4个时期的植被覆盖度现状，也综合了上述1999—2004年、2004—2009年和2009—2013年3个阶段图谱单元特征，因此不同模式图谱的特征显示特定阶段的图谱意义，有助于全面掌握时空耦合下海河流域植被覆盖度的变化规律.

1999—2013年植被覆盖度变化图谱特征和模式图谱分别如表6和图8所示.

表6 1999—2013年植被覆盖度变化图谱特征Tab.6 Characteristic of vegetation coverage change spectrum from 1999 to 2013

由表6和图8可知：①海河流域植被覆盖度变化模式以稳定型为主，面积共2.609 7×105km2，占流域总面积的82.01%，主要分布在流域中部、北部和南部.其中高→高→高→高图谱单元类型在组成稳定型的所有图谱单元类型中占比最大，面积为2.588 1×105km2.可见1999—2013年期间流域内植被覆盖度以高等为主且较稳定.②第二大植被覆盖度变化图谱类型为仅在1999—2004年发生变化的前期转换型，面积为2.278×104km2，占流域总面积的7.16%，主要分布在山西以及天津以南的环渤海地带，其中变化最大的图谱单元是中→高→高→高，面积为1.994×104km2.③连续转换型零星分布在内蒙古、山西和河北三省交界地带，面积为1.933×104km2，占流域总面积的6.07%，位居第3位，其中中→高→中→高是连续转换型中变化最大的图谱单元，面积为1.203×104km2.④反复转换型和后期转换型的面积为7.85×103和4.84×103km2，分别占流域总面积的2.47%和1.52%，分布范围较小，主要分布在内蒙古东北、山西北部、北京和天津市中心等地区.⑤面积比例最小的是中期转换型，分布范围最小，零星分布在京津、河南和内蒙古等地.

图8 1999—2013年植被覆盖度变化模式图谱示意图Fig.8 Sketch map of spectrum of vegetation coverage change pattern from 1999 to 2013

所有图谱类型主要以中、高等植被覆盖度转换为主，其中稳定型所占比例最大，说明近年来海河流域植被覆盖度较稳定，其他图谱类型比例较小，主要集中在流域西、北部以及城市周边.反复转换型代表植被覆盖度等级在先前某一阶段转换而在最后阶段又恢复，连续转换型则代表植被覆盖度等级发生转换后无法得到恢复，且反复转换型所占比例小于连续转换型，可以发现等级转换后无法得到恢复的植被覆盖度面积较大；前期变化的植被覆盖度面积大于中后期变化的植被覆盖度面积，可见植被覆盖度变化主要发生在前期（1999—2004年），且主要以植被覆盖度发生变化后无法得到恢复为主.

3 结论与讨论

3.1 讨论

海河流域地理位置极其重要，研究其植被覆盖度变化为海河流域植被动态监测提供了科学的理论指导，有助于为海河流域生态环境建设和修复提供科学的理论支持[9-11].图谱分析法通过图和谱表示植被在空间和时间上的变化，本研究应用的植被覆盖度变化图谱模式对植被覆盖度在时间和空间上的变化起到一定的耦合作用，可以充分反映时间序列上植被覆盖度变化过程在空间上的分异规律，是对以趋势分析法为代表反映植被覆盖度变化特征的方法的革新.

但随着植被覆盖度等级的增加，图谱数量不断增加，不利于图谱分析[14-16，20].此外，海河流域的植被覆盖度变化过程在各种因素共同影响下表现出复杂的特征，对划分植被空间单元产生影响，因此对海河流域植被覆盖度变化的地理过程机制进行深入探讨非常必要.

3.2 结论

（1）1999—2004年阶段，植被覆盖度变化图谱以植被覆盖度等级转好为主.空间差异较明显的是中→高（23）、低→中（12）和低→高（13）图谱单元类型，集中分布在内蒙古、山西、河南、山东和天津周边，相应的空间分离度较低，空间分布集中.植被覆盖度转差的图谱单元比例较小，空间分布较分散.

（2）2004—2009年阶段，植被覆盖度变化的总面积在减少.空间差异上植被覆盖度的变化与上一阶段正好相反，其中植被覆盖度转差的图谱单元面积在增加，其分离度也在减小，空间分布由分散变为集中，以高→中（32）、中→低（21）和高→低（31）为主，植被覆盖度转好的图谱单元比例变小，空间分布变分散.

（3）2009—2013年阶段，与 2004—2009年阶段相比，植被覆盖度变化的总面积在增加，而相比于1999—2004年，植被覆盖度变化的总面积在减少.空间差异上植被覆盖度的变化与第1阶段相似，与第2阶段相反，均以植被覆盖度转好的中→高（23）、低→中（12）和低→高（13）图谱单元类型为主，其空间分布集中，植被覆盖度转差的图谱单元比例较小，空间分布较分散.

（4）植被覆盖度变化模式图谱以稳定型主，其次是前期转换型和连续转换型，主要分布在流域西、北部以及城市周边.从最大变化图谱单元类型上看，所有图谱模式主要以中、高等植被覆盖度相互转换为主，说明近年来海河流域大部分地区植被覆盖度较稳定，而植被覆盖度变化主要发生在前期（1999—2004年），且以植被覆盖度发生变化后无法得到恢复为主.