王亭月

（遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧大連116029）

引言

綠水青山就是金山銀山，建設(shè)生態(tài)文明，是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢的重要戰(zhàn)略任務(wù)，關(guān)乎人民福祉和民族未來。黑龍江省作為生態(tài)大省，具有推動可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性優(yōu)勢，是中國北方重要的生態(tài)屏障[1]。因此，對黑龍江省的植被覆蓋格局演化開展研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。區(qū)域覆蓋植物群落統(tǒng)稱為植被（Vegetation），是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。遙感是獲取區(qū)域及全球植被覆蓋度參數(shù)的一個重要手段，可以反映不同空間尺度的植被覆蓋情況及變化趨勢[3]。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）對植被的生物物理特征十分敏感，通常被用來進(jìn)行區(qū)域尺度的植被分類和植被覆蓋度研究[4]。植被覆蓋度是刻畫地表植被覆蓋的重要參數(shù)[3]，常被應(yīng)用在植被動態(tài)監(jiān)測、地表過程模擬及區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價等領(lǐng)域。對植被覆蓋度的時空變化進(jìn)行研究，既能評估植被長勢，還為可持續(xù)發(fā)展提供決策參考[5]。

許多學(xué)者通過對植被覆蓋度的計(jì)算分析不同區(qū)域的植被覆蓋情況，從而進(jìn)行時空動態(tài)監(jiān)測、總結(jié)規(guī)律以及評估預(yù)測。J Q i等人基于LandsatTM等數(shù)據(jù)，使用像元二分模型計(jì)算了圣佩德羅河河岸走廊和美國西南部的綠色植被覆蓋率并繪制時空分布圖[6]。趙明偉等人基于MODIS-NDVI遙感數(shù)據(jù)計(jì)算了我國2001～2015年植被覆蓋度的空間格局，討論了植被覆蓋度的時空變化規(guī)律[7]。何航等人基于中國北方N D VI數(shù)據(jù)及氣象站點(diǎn)逐日氣象資料，分析了1982～2015年中國北方15個省（自治區(qū)、直轄市）植被覆蓋時空演變特征及其對氣候變化和極端氣候的響應(yīng)[8]。賈路等人根據(jù)重心轉(zhuǎn)移模型和相對發(fā)展率分析了2000～2013年來西安市植被覆蓋度變化特征和空間變化差異[9]。裴志方等人利用像元二分模型估算寧夏地區(qū)2000～2016年的植被覆蓋度，并定量分析其植被覆蓋景觀格局變化及發(fā)展趨勢[10]。穆少杰等人探索了2001～2010年內(nèi)蒙古地區(qū)植被覆蓋度的空間格局和變化規(guī)律[11]。劉漢生等人采取像元二分模型，對黃岡市2000、2005和2010年進(jìn)行植被覆蓋度計(jì)算并分析其時空特征[12]。蘇慧敏等人基于MO DISNDVI分析了北京市2014～2016年植被覆蓋度及其變化情況[13]。而對于黑龍江，目前有劉成新等人對黑龍江省2017年植被生長季進(jìn)行遙感監(jiān)測，分析植被生長季歸一化植被指數(shù)NDVI的月際時空分布變化規(guī)律[14]；趙博文使用2000～2017年作物生長關(guān)鍵期內(nèi)的MODIS反射率產(chǎn)品，綜合氣象、地理因子等相關(guān)因素，分析了黑龍江省農(nóng)業(yè)災(zāi)害的時空分布特征[15]。

黑龍江省是中國最大的林業(yè)省份之一，而目前國內(nèi)根據(jù)黑龍江省植被覆蓋度的時空演變規(guī)律進(jìn)行的相關(guān)性研究相對較少?；诖?，本研究選取2012、2014、2016和2018年為研究時相，利用中國月度植被指數(shù)（N D VI）空間分布數(shù)據(jù)開展黑龍江省的植被覆蓋度分析研究，使用像元二分模型估算植被覆蓋度，并采用一元線性回歸分析方法，定量分析其植被覆蓋度的時空分布和變化特征，為黑龍江省生態(tài)環(huán)境建設(shè)及城市發(fā)展提供合理科學(xué)的決策參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省是中國最北端以及陸地最東端的省級行政區(qū)。總面積47.3萬平方千米（含加格達(dá)奇和松嶺區(qū)），排在全國第6位。西鄰內(nèi)蒙古，南鄰吉林省，東部近日本海。

黑龍江省地勢大致呈西北、北部和東南部高，東北、西南部低。其地貌特征為“五山一水一草三分田”。山地面積占黑龍江省土地面積53.2%，包括大興安嶺、小興安嶺山地、張廣才嶺、老爺嶺和完達(dá)山脈。黑龍江省是中國最大的林業(yè)省份之一，占全省土地面積的2/3。森林覆蓋率達(dá)43.6%，是國家最重要的國有林區(qū)和最大的木材生產(chǎn)基地。擁有全國十大草原之一，主要集中在松嫩平原和三江平原。黑龍江省屬于寒溫帶與溫帶大陸性季風(fēng)氣候。春季低溫干旱，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季易澇早霜，冬季寒冷漫長。降水表現(xiàn)出明顯的季風(fēng)性特征。夏季受東南季風(fēng)的影響，降水充沛，冬季在干冷西北風(fēng)控制下，干燥少雨（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

目前，基于SPOT/VEGETATION 以及MODIS 等衛(wèi)星遙感影像得到的NDVI 時序數(shù)據(jù)已經(jīng)在各尺度區(qū)域的植被動態(tài)變化監(jiān)測、土地利用/ 覆被變化檢測等研究中得到了廣泛的應(yīng)用。本研究所用的數(shù)據(jù)是從資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（Resource and Environment Data Cloud Platform）下載的中國月度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集[16]。該數(shù)據(jù)集基于連續(xù)時間序列的SPOT/VEGETATION NDVI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用最大值合成法生成1998 年以來的月度（1～12 月）植被指數(shù)，能夠有效反映全國各地區(qū)在空間和時間尺度上的植被覆蓋分布和變化狀況。

根據(jù)研究區(qū)情況，考慮到黑龍江省每年的八月份植被覆蓋最為茂盛[5]，且云量較少，數(shù)據(jù)參考價值更大，因此選取了2012、2014、2016和2018年的八月份的數(shù)據(jù)，用作主要研究時間點(diǎn)，另外也下載了2013、2015和2017年的八月份數(shù)據(jù)用于后面的回歸分析。

本研究的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來自資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺中的2015年中國地市行政邊界數(shù)據(jù)和2015年中國省級行政邊界數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)完備的情況下，使用A rc M ap工具將行政區(qū)劃數(shù)據(jù)冗余進(jìn)行融合，得到黑龍江省省界、黑龍江省地市邊界和中國省級邊界用于制圖。對月度植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜提取，選取黑龍江省范圍，并進(jìn)行重分類。

圖1 黑龍江省地理位置示意圖

2 研究方法

2.1 植被覆蓋度計(jì)算方法（像元二分模型）

植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover, FVC）是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比[17]，與N D VI之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系[18]。像元二分模型[19]的主要思想為：假設(shè)像元由植被Sv和非植被Ss組成，其中植被所占比例就是該像元的植被覆蓋度（用 Fc表示），非植被比例為（1-Fc），進(jìn)而推出植被覆蓋度模型：

式中：Fc表示植被覆蓋度；S表示混合像元遙感信息；Sv表示純植被覆蓋時遙感信息；Ss表示純非植被覆蓋時遙感信息。

結(jié)合肖驍?shù)热薣5]的研究，建立如下植被覆蓋度計(jì)算模型：

上式中，F(xiàn)v表示植被覆蓋度，N D VI為像元的歸一化植被指數(shù)值，N D VIs為無植被覆蓋像元的N D VI值，即純裸土像元的歸一化植被指數(shù)值。N D VIv為完全由植被覆蓋的像元的N D VI值，即純植被像元的歸一化植被指數(shù)值。

2.2 植被覆蓋變化趨勢計(jì)算（一元線性回歸方法）

一元線性回歸分析能夠滿足在若干時間節(jié)點(diǎn)的長時段內(nèi)模擬變化趨勢要求，還可以提供空間演變規(guī)律的指示信息，常用在植被覆蓋度變化趨勢的估算研究中[5]，因此本文采用此方法來反映變化規(guī)律，其計(jì)算方式如下：

上式中，n是研究時段的年數(shù)（本文n=7）；Fvk是第k年植被覆蓋度；N D VIk是第k年的植被指數(shù)；α是植被覆蓋度在研究年段期間的變化斜率，用于反映其變化趨勢。當(dāng)α＞0，即代表植被覆蓋情況呈增加趨勢；當(dāng)α=0，即代表植被覆蓋度沒有變化，維持穩(wěn)定；當(dāng)α＜0，即代表植被覆蓋情況呈減少趨勢。并且，當(dāng)α絕對值越大，植被覆蓋度增加的速度越快，即植被情況改善越迅速，反之則退化越迅速。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋空間格局分布特征

結(jié)合研究區(qū)植被覆蓋分布情況，在《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（S L190-1996）中低[0,20%]、中低[20%,40%]、中等 [40%,60%]、中高[60%,80%]和 高[80%,100%]的基礎(chǔ)上加少許改動，使變化最大可視化，并分別命名為稀疏、較稀疏、中度、較茂盛、茂盛。

根據(jù)圖2可以看出，黑龍江省的植被覆蓋情況總體分布基本一致，均呈現(xiàn)西南部植被覆蓋最為稀疏，西北、東南部相對稀疏的特征。中部地區(qū)始終保持較為茂密的植被覆蓋，地理位置與東北平原區(qū)域基本吻合，但在西南部地區(qū)，尤其省會哈爾濱、大慶、齊齊哈爾以及綏化地區(qū)，植被覆蓋區(qū)面積較少，且位置相對穩(wěn)定，集中于城市群及周邊；另外還有黑龍江省東南部的雞西市，因?yàn)榕d凱湖的存在，植被覆蓋少；其余中度和較茂密植被覆蓋區(qū)分散分布在黑龍江省全域，只在大、小興安嶺以及部分長白山脈等山地區(qū)域（圖3），受海拔和氣候影響，植被覆蓋茂密程度稍遜于平原區(qū)域。

2012～2018年黑龍江省的植被覆蓋茂盛地區(qū)面積明顯增加（圖4），共約11.8萬平方千米，而較茂盛區(qū)域卻呈下降趨勢，結(jié)合圖2看，絕大部分減少的較茂盛區(qū)域轉(zhuǎn)為茂盛區(qū)域；而中度、較稀疏和稀疏植被覆蓋區(qū)域面積始終保持平穩(wěn)波動。

圖2 2012年8月至2018年8月黑龍江省植被覆蓋分布圖

續(xù)圖2 2012年8月至2018年8月黑龍江省植被覆蓋分布圖

經(jīng)過對各年不同等級植被覆蓋度面積所占比例的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算（表1），2012年較茂盛和茂盛植被區(qū)域面積相當(dāng)，稀疏植被面積占比很小，不到1%（0.53%），植被覆蓋程度更多的集中在較茂盛區(qū)域。而到了2014年之后，植被覆蓋茂密區(qū)域面積明顯增大，較2012年增加約18.11%，達(dá)到了全域植被覆蓋面積的一半以上（64.79%），同時，城市建設(shè)漸漸發(fā)達(dá)，因此植被稀疏和較稀疏區(qū)域面積也比2012年共增加了約1.44%。隨著時間變化，茂盛區(qū)域面積占比不斷增加，在2018年達(dá)到了72.78%，但與此同時，稀疏、較稀疏和中等區(qū)域總面積占比也并沒有因此而減少，始終維持在7%～8%左右，由此可見黑龍江省在加快建設(shè)城市群和加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)起步并進(jìn)的同時，也沒有忽略其協(xié)同性。計(jì)算各級植被覆蓋度的平均面積得到圖5，充分反映了黑龍江省的平均植被覆蓋基本以植被覆蓋茂密為主。

3.2 植被覆蓋時空變化趨勢分析

根據(jù)2012年至2018年的植被覆蓋程度變化面積進(jìn)行分級制圖，得到黑龍江省植被覆蓋變化程度分布圖（圖6），可以看到絕大多數(shù)區(qū)域的植被覆蓋是維持穩(wěn)定和有所增加的，少數(shù)有退化情況。植被增加的區(qū)域主要是黑龍江省的北部和東部部分區(qū)域，對應(yīng)大、小興安嶺地區(qū)，以及東部松花江流域周邊區(qū)域，具體涉及到的地市有大興安嶺地區(qū)、黑河市、佳木斯市等。而植被覆蓋退化的區(qū)域相對較少，從圖6可以看出基本沿道路及水系線路分布，另外東北部邊界和西鄰內(nèi)蒙古區(qū)域也有分布。而在黑龍江中部東北平原區(qū)域的植被覆蓋基本維持穩(wěn)定（圖7和表2）。

圖3 黑龍江省地貌類型空間分布圖

圖4 不同植被覆蓋度面積隨時間變化折線圖

表1 各年不同等級植被覆蓋度面積占比統(tǒng)計(jì)單位：%

圖5 多年平均植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)

總體來說，2012年至2018年的植被覆蓋變化情況中，維持穩(wěn)定面積為27.56萬平方千米，占比超過一半（60.95%），其次就是植被覆蓋有所增加的面積為14.15萬平方千米，占比31.29%，剩下有6.39%的區(qū)域面積植被輕微退化，重度退化和顯著增加面積極少，一共僅占總面積的0.62%。

圖6 2012～2018年黑龍江省植被覆蓋變化圖

為了更好的研究黑龍江省的植被覆蓋情況變化趨勢，本次研究將2013、2015、2017年的8月份的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了簡單的處理，單獨(dú)提取了植被覆蓋茂盛的區(qū)域并分別計(jì)算面積，繪制成折線圖（圖8），可以看到，從2012年至2018年植被茂密區(qū)域面積整體呈上升趨勢，至于2013年的急劇減少是由于2013年8月，松花江流域出現(xiàn)1998年來最大洪水，此次災(zāi)害除了影響人民安全、社會財(cái)產(chǎn)、農(nóng)作物產(chǎn)量，植被覆蓋也受洪災(zāi)影響急劇減少。好在經(jīng)過迅速的調(diào)整和治理，在2014年就恢復(fù)了原樣甚至超過2012年約8.2萬平方千米，并且在之后逐年穩(wěn)步增長。根據(jù)2012年至2018年逐年的植被覆蓋茂密區(qū)域面積的數(shù)據(jù)進(jìn)行了一元線性回歸方法的計(jì)算分析（圖9），結(jié)果表明，2012～2018年黑龍江省的植被覆蓋茂盛面積整體呈增加趨勢，增速為2.9625/a。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

空間上，黑龍江省的整體植被覆蓋情況呈現(xiàn)西南部城市群區(qū)域的植被覆蓋最為稀疏，西北、東南部地區(qū)相對稀疏的特征，尤其在大、小興安嶺和長白山脈的山地影響下，植被覆蓋很難達(dá)到像東北平原區(qū)域（黑龍江中部）覆蓋著基本均勻的茂密植被。

時間上，黑龍江省在2012年至2018年的植被覆蓋茂密等級面積一直呈現(xiàn)上升趨勢，到2015年之前，除了2013年受洪災(zāi)影響植被覆蓋急劇減少，一直保持極可觀的增加速度，在2015年之后速度略有放慢，但也保持著穩(wěn)步上升的態(tài)勢。

2012～2018年六年間，植被覆蓋情況一直有所改善，但各地有所不同。改善最明顯的是西北部大興安嶺地區(qū)，植被覆蓋面積顯著增加，還有東部尤其是東北部的佳木斯市，植被覆蓋情況改善明顯。植被退化主要發(fā)生在黑龍江省西部與內(nèi)蒙古接壤邊界附近，還有西南部以哈爾濱市、齊齊哈爾市和綏化市為代表的城市群區(qū)域植被有所退化，以及東北部松花江流域、東南部牡丹江市長白山脈區(qū)域有少許退化。而在黑龍江省的中部絕大部分和東部部分區(qū)域始終維持穩(wěn)定。

圖7 2012～2018年各級植被變化面積統(tǒng)計(jì)

表2 2012～2018年各級植被變化程度面積及占比

圖8 2012～2018年逐年茂盛面積折線圖

圖9 2012～2018年茂盛面積隨時間變化趨勢

4.2 討論

本文對黑龍江省植被覆蓋度進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與分析，采用GIS制圖、一元線性回歸分析、繪制圖表等方法觀察、計(jì)算并分析了黑龍江省植被的時空變化特征，最終得到了黑龍江省植被覆蓋度總體呈上升趨勢，變化幅度以西北部最為顯著，北部和東部次之，中部基本保持不變，城市群小區(qū)域退化為特征。本文旨在通過植被指數(shù)（N D VI）空間分布數(shù)據(jù)，分析并通過多種模型方法再現(xiàn)2012年至2018年黑龍江省植被覆蓋度時空分布規(guī)律。在現(xiàn)實(shí)中，植被生長與生態(tài)環(huán)境之間有著密切的關(guān)系，要更好地開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)、更科學(xué)地部署城市建設(shè)、更深層次的呈現(xiàn)植被覆蓋度的空間格局、時空變化規(guī)律，是需要繼續(xù)探索的下一步工作；其次，本文沒有對變化原因進(jìn)行分析，如定量分析自然和人文因素并進(jìn)行對比，找到主要因素或是影響規(guī)律，并針對主要影響因素提出有利于黑龍江省生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市建設(shè)的發(fā)展方向和有效措施，這也是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。