基于3S技术的东洞庭湖湿地植被的分布与适应性分析＊

曾光明，龙 勇，梁 婕†，蔡 青，黄 璐，李晓东，袁玉洁，武海鹏，彭也如，赖 旭

（1.湖南大学 环境科学与工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南大学 环境生物与控制教育部重点实验室，湖南 长沙 410082）

湿地植被的空间分布及其生物量与高程、水位、水质及植被种类等因素有关，这些因素相辅相成、相互影响.高程决定了其受水文影响的程度，决定其水分是否充足，因而对植被的分布具有重大影响.卫星遥感监测是开展大范围环境变化研究的有效工具，许多学者基于3S技术对卫星影像的应用，对区域景观格局变化、空间相关性及驱动力分析做了相关研究[1－2］.但亦存在两个问题：1）通常仅使用某一天的数据来代表该年度植被状况[3－4］，这在不同月份内水文条件时空差异较大的现状下，显然是不合理的.2）以区域作为整体进行研究[5］，这就忽略了区域内部的空间差异.本研究结合以往的研究成果，基于RS与GIS技术对MODIS数据进行EVI植被指数年最大值合成与年平均值合成，并与东洞庭湖植被分布图（环境卫星影像解译所得）及高程图相结合讨论，既结合了全年的数据，也考虑了高程等空间差异，避免了上面研究中所存在的问题.对东洞庭湖湿地植被及其生物量的空间分布进行分析，研究东洞庭湖湿地植被的空间分布及生物量与高程之间的关系，并从水文因素及植被生长特性等方面分析其原因，推论出芦苇与湖草等植被的适宜生长区域及条件，为该区湿地植被资源的保护及开发利用提供依据；这也将为研究三峡工程建成后引起洞庭湖水质水量变化对洞庭湖生态的影响及洞庭湖湿地修复提供基础数据和理论参考价值.

1 研究区概况

洞庭湖位于长江中游地区，是我国第二大淡水湖泊，其西面和南面接纳湘、资、沅、澧四水；东面有汨罗江和新墙河等水系入湖；北面有松滋、太平、藕池等“三口”分泄长江水流，并经岳阳城陵矶再次流入长江，具有重要的区域生态保障意义[6］.东洞庭湖是洞庭湖湖系中最大的湖泊，主要植被类型有芦苇（Phragmits australis）及苔草（Carex）、苦草（Vallisneria）、莲（Nelumbo nucifera）、菰（Zizania）等10余种湖草.研究区域各植被分布较为集中，且各主要滩地的主要植被种类比较单一，解译比较方便，对于MODIS数据250m的空间分辨率而言，主要植被种类单一的像元所占比例大，是运用MODIS数据进行各植被生物量研究的理想区域.

2 研究方法与研究内容

2.1 数据来源及其特点

本利用了2010年的环境卫星CCD影像与2010年全年MODIS数据以及DEM数据.环境卫星CCD影像是由“环境一号”卫星宽覆盖多光谱可见光相机拍摄，空间分辨率为30m，时间分辨率为2d.MODIS数据采用NASA免费提供的覆盖东洞庭湖地区的MODIS13Q1级产品，该数据空间分辨率为250m，时间分辨率为16d，数据集在一定程度上去除了云层等的影响和干扰.大量研究表明，NDVI与EVI等植被指数值与植被生物量成显著正相关关系，MODIS数据可以根据NDVI值或EVI值的大小来对比植被生物量大小[7－8］.DEM高程数据来源于国家科学数据服务平台（http：//datamirror.csdb.cn/index.jsp），包括两个部分：ASTER GDEM 30m分辨率高程数据和SRTM 90m分辨率高程数据，本文主要利用SRTM数据.

由于MODIS数据时间分辨率高但空间分辨率低，因此其植被指数适合用来监测全年植被生长状况或生物量的变化[9］，难以解译出东洞庭湖植被分布格局.而环境卫星数据空间分辨率高，弥补了这一缺点，影像中不同植被光谱特征区别明显，其较高的空间分辨率使其能够更加准确地反演地面参数并体现其空间变化规律[10－11］，但由于时间分辨率低及技术上的不成熟，用来监测全年生物量很难达到要求.因此将MODIS数据与CCD影像相结合来研究东洞庭湖植被是一个相互弥补的方法.

2.2 东洞庭湖植被提取

东洞庭湖在丰水期（6－8月）水位较高，大部分湖草与泥沙滩地被水淹没，不利于对东洞庭湖苔草等湖草滩地与泥炭滩地提取，而枯水期水位较低（其中1月份水位最低），苔草等湖草及泥滩基本露出水面，且各植被滩地光谱特征区别较大，有利于全面且准确地对东洞庭湖滩地进行解译.东洞庭湖1月与8月份遥感影像特征（波段组合为R：band 4G：band 3B：band 2）对比如图1所示.

从图1可知，在丰水期大部分植被洲滩被水淹没，而枯水期（1月份）洲滩基本露出水面，且光谱特征条理分布清晰.根据实地资料与遥感影像对比，防护林（包括人工造林）、芦荻、湖草、纯水域与泥滩地光谱特征区别明显，说明“环境一号”卫星影像可以用来解译东洞庭湖植被分布情况，且能达到很好的效果.研究区域各植被分布较为集中，且各植被滩地主要种群比较单一，遥感解译比较合适.由于洞庭湖“过水为洲，蓄水为湖”的特征，泥炭湿地丰水期被淹没，枯水期部分露出水面，其与水呈季节性相互转化，研究将东洞庭湖区划分为芦苇滩地、湖草滩地、防护林滩地、泥炭滩地和水域，并将泥炭湿地及水域合称为非植被滩地.

图1 东洞庭湖湿地范围Fig.1 Wetlands boundary of east Dongting Lake

根据影像特征及实地资料，利用ENVI4.7遥感软件和ArcGis10软件，应用2010年1月2日HJ1A－CCD2遥感影像对东洞庭湖湿地进行解译如图2所示.

研究组于2010年11月－2011年10月进行了实地调研，通过野外观测和对当地政府与居民的采访，对东洞庭湖湖区植被及其生物量分布情况进行了了解，对遥感分析结果进行了验证，证明解译结果较精确，符合东洞庭湖植被分析的要求.依据东洞庭湖湿地植被分布图（图2）通过GIS软件计算得出：东洞庭湖总面积1 340.7km2，芦苇滩地323.4 km2，占全湖面积的24.1%，且大部分生长在靠近水域的洲滩，湖草滩地479.4km2，占全湖面积的35.8%，防护林滩地3.6km2，占全湖面积的0.3%，泥炭滩地393.7km2，占全湖面积的29.3%，水域140.6km2，占全湖面积的10.5%.

图2 东洞庭湖湿地植被分布Fig.2 Distribution of wetland Vegetation in East Dongting Lake

2.3 EVI指数年最大值合成与年平均值计算

相关研究表明：归一化植被指数（NDVI）与植被郁闭度及生物量成正相关关系，是对植被生长状况和覆盖度的综合度量，NDVI最大值能反映植被一年中的最大郁闭度及生物量情况，植被覆盖类型不同，其NDVI值也会存在差异[7－8，12］.而在NDVI的基础上，EVI综合了近红外波段B1、红波段B2和蓝波段B3 3个波段的信息，它克服了NDVI的植被高覆盖区易饱和、植被低覆盖区受土壤背景影响较大、对大气衰减的去除不彻底等缺陷[13－17］.东洞庭湖植被丰富，生物量大，NDVI值容易饱和，EVI指数更能有效地反映洞庭湖生物量分布情况.由于不同植被的生物量时间序列不同，各植被的最大生物量也可能出现在不同时期，由同一时间的单张图片很难对各植被的生物量进行比较.但利用MVC法获取东洞庭湖地区全年最大EVI值能在一张图上反映当年各植被生物量达最大时的状况，然后将各像元EVI值进行加和平均来作为整个地区当年的EVI值，反映整年植被生长状况[18］.研究通过对MODIS13全年影像的EVI指数数据进行年最大值合成及年平均值计算，能有效的对不同植被或不同地域的年最大生物量与年平均生物量进行对比分析.研究利用ENVI4.7软件对2010年全年 MODIS13数据进行EVI指数年最大值合成（图3）与EVI指数年平均值计算（图4），EVI值处于－1～1之间，本文均将其放大10 000倍来表示.

图3 EVI年最大值合成图Fig.3 Synthesis figure of maximum EVI value

图4 EVI年平均值合成图Fig.4 Synthesis figure of average EVI value

2.4 东洞庭湖高程图处理

获取东洞庭湖高程使用的数据为SRTM提供的DEM数据，空间分辨率90m.为方便研究，在ArcGIS中重采样到与MODIS影像分辨率一致，得到东洞庭湖高程图（图5）.

3 结果与讨论

3.1 东洞庭湖植被分布分析与讨论

由植被分布图（图2）与东洞庭湖高程图（图5）对比分析可知：1）高程23m以下基本为非植被区，苔草等湖草生长在23～27m间，芦苇大部分生长在27m高程以上且靠近水域，26～27m间为芦苇与湖草都有生长的过渡带，防护林生长在30m高程以上.2）在芦苇生长区域，越靠近水域高程越大，这与东洞庭湖多年来的泥沙淤积与芦苇的促淤作用有一定关系.

图5 东洞庭湖高程Fig.5 Elevation map of East Dongting Lake

由于东洞庭湖在一定范围内气候因素相差不大，因此，植被分布与高程之间的关系，主要是由于水文的影响.经实地调查，芦苇只有水深在10cm以下时，才生长发育良好；而且芦苇是广布种，必须在水分条件适宜时，才能形成纯群落.因此在高程低于27m时，水淹时间过长或淹没深度太大而不适合芦苇的生长，而在高程较高且水分较充足的区域芦苇群落生长茂盛；在高程30m以上的部分区域，由于水分的缺乏，芦苇生长减少，经过自然演化及人工改造形成了防护林.而大部分湖草耐湿能力较芦苇强，甚至能在一定时间内完全水淹的条件下存活或生长，因此在27m高程以下更适合湖草生长，而在23 m高程以下时，由于长期水淹的条件，湖草生长也减少，在短时间退水后形成泥炭滩地.

3.2 东洞庭湖植被生物量分析与讨论

依据EVI指数年最大值合成图（图3）、EVI指数年平均值计算图（图4）与植被分布图（图2）及高程图（图5）对比分析，通过GIS软件计算得出不同滩地类型的EVI年最大值与平均值分布范围（表1）及不同高程处相同植被滩地的EVI年最大值与平均值分布范围（表2）.

表1 不同滩地类型的EVI年最大值与平均值分布Tab.1 Maximum and average EVI value of different types of beaches

表2 不同高程处相同植被滩地的EVI年最大值与平均值分布范围Tab.2 Maximum and average EVI value of the same vegetations in different beaches

综上所述：1）对不同滩地的EVI指数年最大值及平均值比较结果排序为：芦苇滩地，防护林滩地，湖草滩地，非植被滩地.2）在相同植被滩地中，芦苇滩地在靠近水域时高程增大，达29m以上，且EVI年平均值与年最大值都随高程的增加而增大，在高地势且靠近水域的区域EVI值达最大，这与芦苇对水分的需求及其促淤效应有一定关系.湖草滩地在远离水域的区域高程越大，且EVI年最大值与年平均值也都随高程的增加而增大，特别是年平均值，变化趋势明显，这说明低高程的湖草水淹时间过长，不利于湖草的生长，而在27m以上高程，水淹时间大幅减少，湖草滩地容易被更适合在高地势区域生长的芦苇代替.

另外，本文利用EVI最大值及平均值研究植被生物量时，由于水淹的影响，使部分生长在低高程处的植被EVI指数偏低，这也是EVI指数随高程增加而增大的另外一个重要原因，在如何去除水位对EVI值的影响需进一步研究.

3.3 植被适应性分析

由东洞庭湖植被及其生物量分析说明，东洞庭湖植被及其生物量分布与高程及水环境有很大的相关性，在高程30m以上及远离水域区域，主要是对水分要求不高的防护林滩地；芦苇适合生长在27m高程以上且靠近水域的区域，水淹时间很短却水分充足；湖草适合生长在27m以下区域，但在23m高程以下，水淹时间过长，不利于湖草的生长.

4 结 论

本文通过对东洞庭湖植被分布图、高程图、EVI植被指数年最大值合成图与年平均值计算图的对比分析，得出结论：

1）芦苇滩地的EVI值随高程增加而增大，且在靠近水域区域（芦苇滩地在靠近水域处高程较其它区域大）EVI指数值达最大；低高程区域的湖草滩地的EVI年最大值与年平均值较其它区域的小，特别是年平均值，变化趋势明显，这与低高程区域的湖草水淹时间较长有一定关系.

2）洞庭湖植被及其生物量分布与高程及水环境有很大的相关性，芦苇适合生长在27m高程以上且靠近水域的区域，湖草适合生长在27m以下区域，但若高程太低，水淹时间过长，不利于湖草的生长.

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