2001-2010年东洞庭湖湿地NDVI指数的水位响应

曾光明，赖 旭，梁 婕，黄 璐，李晓东，龙 勇，武海鹏，袁玉洁

(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)

湖泊的水陆交错带[1]是湖泊湿地生物多样性的重要组成区域，同时也是湖泊湿地的生态功能最敏感的区域.作为湖泊水域与周围陆地环境间物质和能量交换的重要通道，水陆交错带在湖泊生物生产繁殖和营养平衡中发挥着极重要的作用.

卫星遥感技术的发展，使得获取大范围内植被覆盖变化更加方便快速.其中归一化植被指数(NDVI)广泛应用于分析植被及其它因素之间的土地覆盖变化，得到众多的关注[2-3].其中中等分辨成像光谱仪(MODIS)获取的NDVI是一种广泛应用于植被覆盖研究的指数[4].Feng等利用MODIS数据分析了鄱阳湖2000-2010年洪水变化情况[5]，Hu等利用遥感技术选取1993年、2002年、2006年和2010年的影像分析1993-2010年的洞庭湖植被变化情况[6]，而湿地植被生长状况和湿地功能受水文状况驱动[7]，其相关变化是连续过程.三峡的建立对东洞庭湖的水文状态有一定的改变，东洞庭湖的植被群落与高程密切相关，植被生长区域高程越高及越靠近水面，群落数越少[8]，24 m至26 m的水位涨落时序变化大，低高程的泥滩湿地裸露时间延长，将向草滩湿地演替，对植被生长和生物量累积有利[9-10]，植被覆盖对水位响应存在连续变化.对东洞庭湖湿地的植被随时间的生长状况及植被覆盖范围相对水位的变化的研究成为江湖关系改变过程中的重要研究内容.但利用卫星遥感技术手段对东洞庭湖湿地植被的高时频、长时序的生长状况的监测及其对水位的变化关系研究不足.

本研究利用MODIS的NDVI指数对东洞庭湖湿地植被生长状态和湖泊水位状态的时间序列进行分析，重点研究2001年至2010年东洞庭湖湿地植被生长的年度季节性变化和年际周期性变化及植被覆盖与湖泊水位之间的相关性.通过连续变化分析量化相同周期内及随时间发展过程东洞庭湖湖泊水陆交错带植被覆盖对水位的变化状况，探讨东洞庭湖湿地植被覆盖变化的重要水位响应点，并分析三峡时期东洞庭湖植被对湖泊水位的响应情况.研究将为东洞庭湖湿地植被在三峡工程建立后水文状态发生改变下的保护及对洞庭湖的生态蓄水位和建闸建坝等生态修复工程提供参考依据.

1 研究区域与数据来源

1．1 研究区概况及划分说明

东洞庭湖地理坐标为28°59′-29°38′N，112°43′-113°15′E，是洞庭湖水系的主要组成部分.其最大湖水面积为1 328 km2，约为洞庭湖面积的50%，年平均过湖水量达3 126亿m3，是长江中游重要的调蓄过水型湖泊，丰水期为每年6月至8月，枯水期为12月至次年3月，水深4～22 m，最大水位高差为17.17 m．依据高程面积曲线，东洞庭湖湿地最低高程约为21 m，多年平均显露时间约123 d[11].东洞庭湖植被类型随区域高程差异有变化，而不同的植被类型其NDVI值会不同[12-13]，东洞庭湖水位的变化对不同高程和其不同的植被类型区域的作用也相应产生不同影响.本文依据高程和植被分布与水位变化范围划分三个研究区进行分析：A区以东洞庭湖整体为研究区，包含整个湖面及B区和C区．B区位于东洞庭湖湿地西侧，该区域植被以芦苇(Phragmits australis)和杨树(Populusspp.)为主，最大高程约32 m，丰水年的丰水期可将该区域全部淹没，水位变化表现为快涨快退的态势．C区位于东洞庭湖南侧，植被以芦苇和苔草(Carex)为主，地势比较平坦，高程由北向南缓慢增高，最大高程约30 m，水面覆盖范围表现为每年随着水位逐步上升向南逐渐增大，丰水期该区域将全部被湖水淹没.通过对三个划分区域的整体与部分及部分之间的对比分析，可全面了解东洞庭湿地植被覆盖的变化与水位的响应情况.

图1 研究区域及其地理位置Fig.1 Location map of the study area

1．2 数据来源

MOD13Q1数据是EOS/Terra卫星的MODIS产品之一.本研究采用基于最大合成法(maximum value composite , MVC)每16 d合成(每年23期)，分辨率为250 m的NDVI数据，该产品经过几何校正和大气校正.MODIS数据可以从美国航天航空局的Goddard Space Flight Center卫星网站上免费获取(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/index.html).本研究从卫星网站下载时间覆盖从2001年至2010年共10年的230期影像为研究对象，并利用Envi4.7对原始影像进行预处理.东洞庭湖的水位数据采用岳阳城陵矶监测站的监测数据.本研究结合NDVI值选取2001年至2010年这十年的水位数据进行，选取的水位数据(日平均水位)对应卫星采集MODIS数据的时间.研究中用到的东洞庭湖高程DEM数据来源于国家科学数据服务平台(http://datamirror.csdb.cn/index.jsp)，所使用的数据为SRTM提供的DEM数据，空间分辨率为90 m.

2 NDVI时间序列的重构与分析方法

TIMESAT软件[14]由Jönsson和Eklundh共同开发，可进行植被指数时间序列数据集的重建及植被生长物候信息的提取，以便获取季节性植被生长规律信息.该软件包含Savitzky-Golay滤波法、Asymmetric Gaussians拟合法和Logistic函数拟合法三种核心算法.本文利用其中可较好描述NDVI时序数据的总体变化趋势和全局特征的AG拟合法滤波法[15-16]，对经过预处理的MODIS13Q1数据产品进行拟合，去除时间序列中的异常值，重构A，B，C三个区域的NDVI时间序列.将研究区内拟合后所有像元的NDVI值进行平均，获得NDVI平均值的时间序列，用以代表该区域该时段的植被覆盖变化状况，并与东洞庭湖水位序列进行相关性分析.利用样本自相关函数(Sample ACF)对NDVI时间序列进行自相关性分析[17]，并结合水位变化状况，分析NDVI时间序列受东洞庭湖水位作用的大小.对于给定的一个时间序列数据y1,y2,…,yn样本自相关系数在滞后期k时的值是：

计算Spearman秩相关系数(ρs)，度量2001年至2010年每年的植被覆盖与水位之间的相关性，分析三峡时期重要蓄水年植被覆盖的水位响应状况.基于时间序列的季节性和年际变化，对各区域的NDVI时间序列与水位之间的Spearman秩相关系数分为2个不同时间段进行：对每年23期的时间序列进行计算；对每年4月中旬至10月底的植被生长期(第7期至第19期)序列进行计算.综合考虑NDVI值与水位的关系，参照Zoffoli等对湿地NDVI的时空变化分析结果[17]和相关性概率意义[18]，取下列数值表示相关性系数与相关性关系(表1).

表1 相关性系数与相关性关系Tab.1 Correlation coefficient and correlation relationship

3 结果与分析

3．1 NDVI时间序列去噪结果与分析

图2中虚线为A区原始的NDVI时间序列，其中的几个明显异常低值是由于2001年12月初、2002年2月中旬及4月中旬、2005年2月初、2006年2月初及2008年1月中旬这几个时间段内研究区域上方的云层影响.本研究区域是东洞庭湖湿地，鉴于湿地特殊的水文特性对遥感获取的NDVI值的影响，原始NDVI时间序列有一定的锯齿状波动[19].利用TIMESAT软件设置适当参数通过AG拟合使NDVI时间序列平滑化，减小噪声值对时间序列的影响.从图2中可以看出拟合后的曲线平滑，去噪效果良好.

日期图2 原始NDVI时间序列与经过AG拟合的NDVI时间序列Fig.2 Raw NDVI time-series and AG-fitting NDVI time-series

3．2 NDVI时间序列与水位整体变化分析

图3所示，NDVI时间序列相对水位的整体变化趋势是：每年的开始阶段随水位的上升NDVI值增大，当水位值达24 m左右时，NDVI值达第一个波峰；随后NDVI曲线呈下降趋势，直至水位达最高时，曲线形成一个波谷；在水位开始下降后NDVI值呈现上升状态，直到水位下降至25m左右后，NDVI值达到第二个波峰；之后11月份后植被进入衰退期，NDVI值随水位的下降也开始减小.由曲线变化幅度可见，A区NDVI变化幅度没有B和C这两区明显；B区的NDVI值相对C区更大，但C区的NDVI变化程度较B区更加剧烈.洞庭湖的汛期是每年6月至9月，非汛期则是10月至次年5月.C区由于植被覆盖类型为芦苇及苔草，生长区的高程较低，受汛期水位上涨影响大；而B区的高程较C区高，主要覆盖的植被为杨树和芦苇，汛期的影响相对较小.2003年后，汛期累积水量逐渐减少，2006年汛期累积水量出现低于全年累积水量的50%[20].水量的减少使泥滩湿地裸露范围增大、时间延长，NDVI值在2003年后(除C区2010年)的6月至9月期间相对2003年前同期较高.东洞庭湖湿地植被质心呈现从林地-芦苇-苔草逐层靠近湖心的分布特点，1993-2006年三种植被类型的质心均不断向湖心迁移，林地与芦苇的变迁更为显著[21].区域内一部分低矮的植被类型分布区被高直的植被类型取代，林地和芦苇的迁移也导致汛期NDVI值偏高.

对2001至2010年这10年的NDVI与东洞庭湖水位进行多元线性回归二次多项式关系拟合，A，B和C三个研究区拟合的相关系数R分别为：0.56，0.74，0.66.东洞庭湖湿地的NDVI在低水位和高水位状态下，NDVI值较小；在一定的水位水平下NDVI有最大值.其中，A区NDVI的最大值出现在24 m左右，且大值范围较小；B区最大值同样出现在24 m左右，但水位在21 m～31 m的范围均有较大NDVI值；而C区NDVI的大值集中出现在22 m～25 m之间.二次多项式分析表明，东洞庭湖区的植被覆盖有一个水位的临界点或临界范围，且受区域高程的影响.

3．3 NDVI时间序列样本自相关性分析

由图4三个不同研究区内的NDVI时间序列的样本自相关曲线分析，A区和B区的样本自相关曲线在第23期、46期等每隔23个滞后期处有个较高的自相关系数，在这两个区域内NDVI时间序列是以每23期(1a)为一个周期的变化.同时，在A区和B区的每个周期内在自相关系数为负值区形成一个凸起的小波峰，波峰的起点在第7期左右(4月中旬)，结束点在第19期左右(10月底).C区的自相关曲线与A区和B区有很大的差别，从直观上看，C区的自相关曲线是每隔约11.5期就形成一个周期.

A区和B区的样本自相关曲线中凸起波峰以及C区每隔11.5期便形成的凸起“伪周期”，与东洞庭湖水位形成波峰的时期正好相吻合.水位上升引起NDVI值降低从而使该处数值自相关性发生改变，每一周期内凸起的波峰的起止时间表示水位在植被生长季中作用时间长度，而波峰的大小表明该时间段内植被覆盖范围受到水位上升的影响大小，表2为2001至2010年东洞庭湖水位的相关信息.东洞庭湖泥滩湿地分布在24 m以下高程，草滩湿地分布在24～26m高程，芦苇湿地分布在26m以上高程[10].显然，水位对NDVI影响程度是A区

表2 2001年至2010年东洞庭湖水位情况Tab.2 Water level information of East Dongting Lake from 2001 to 2010

图3 NDVI时间序列与东洞庭湖水位关系Fig.3 Relationship of NDVI and East Dongting Lake water-level

3．4 三峡时期植被覆盖与湖泊水位相关性变化

东洞庭湖水位的变化与三口、四水的入湖水量有关.三峡建成后，三口、四水的入湖水量均呈现不同程度的减少[22].三峡时期(2003年至今)，先后经过五次蓄水过程，其中在2003年、2006年、2009年分别蓄水至135 m，156 m和175 m.表3为2001年至2010年NDVI序列与水位之间的Spearman秩相关系数矩阵，图5中a，b，c分别是2003，2006，2009年与前后两年对比的相关性变化情况(其中，A_23表示对A区全年23期数据进行计算，B_23，C_23类推；A_7-19表示对A区当年第7至第19期的数据进行计算，B_7-19，C_7-19类推).相关系数变化幅度最大的是C区，B区次之，A区变化则相对最小；且2003年与2009年C区植被生长期和2006年B区植被生长期的ρs值与前后两年对比变化最大，且ρs绝对值在植被生长期均低于前后两年的ρs值，其中最大变化幅度达0.505.图5(d)表示三个重要蓄水年的蓄水高度与研究区域的ρs值变化情况，三峡这三个重要蓄水年的水位从135 m升高至175 m，而A，B，C三个研究区全年的ρs分别从0.337，0.451，0.244增大至0.641，0.687，0.518，植被覆盖与水位之间呈显著相关性(表3).

图4 NDVI时间序列样本自相关曲线Fig.4 NDVI time-series’ sample autocorrelation curve

前后两年对比分析表明，三峡的蓄水对东洞庭湖植被覆盖与水位的相关性影响主要集中在东洞庭湖湿地植被生长期的水陆交错带.研究表明，三峡蓄水期使城陵矶水位平均降幅2003年为0.59 m，2006年为2.03 m，2009年为2.11 m[23].三峡的蓄水期在植被生长中后期，该时期内水陆交错带植被覆盖与水位之间的相关性减弱，水位对植被覆盖的影响在这三个蓄水年有减小趋势.而蓄水水位至135 m，156 m，175 m的这三年植被覆盖对水位的年相关性逐渐增强，表明三峡蓄水量增大引起东洞庭湖水位下降，植被覆盖对湖泊水位的响应增强.

表3 NDVI时间序列与水位间Spearman秩相关系数矩阵(p<0.05)Tab.3 Spearman rank correlation matrix between NDVI time-series and water-level (p<0.05)

图5 三蓄水年的Spearman秩相关系数大小变化(ρs为绝对值)Fig.5 Spearman rank correlation variation in water storage years(Using absolute value)

4 结 论

利用TIMESAT软件对NDVI时间序列拟合重建消除噪声值的效果较好，对研究东洞庭湖湿地的NDVI对水位响应提供了基础.样本自相关与Spearman秩相关等反映了东洞庭湖湿地的NDVI时间序列的年度与年际变化情况，通过NDVI的连续变化分析量化相同周期内及随时间发展过程东洞庭湖湿地植被覆盖对水位的响应状况．

1)东洞庭湖湿地的NDVI主要受汛期水位上涨影响，水位上升或下降至24 m左右NDVI出现一个峰值，使每个周期内其曲线呈“M”型.

2)通过对比分析，对于地势较平坦且以苔草为主的湿地南侧区域其NDVI对水位响应情况均大于高程为32 m且主要分布为芦苇和杨树的湿地西侧区域.即在东洞庭湖湿地高程越高、植被越趋于旱生或乔灌木，水位对该区域的NDVI的作用越小.

3)三峡时期的2003年、2006年及2009年这三个重要蓄水年，东洞庭湖汛期时NDVI对水位响应减弱，而全年的NDVI变化情况对水位响应增强．三峡蓄水水位从135 m上升至175 m，NDVI与东洞庭湖水位的年相关性由中低相关逐渐增至显著相关.至2003年三峡大坝蓄水后，东洞庭湿地的NDVI对湖泊水位的响应更加明显.

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