基于Landsat 8遥感数据的东洞庭湖湿地变化监测与分析

张晓斌，石 佳，欧明武，李 颖

（1. 湖南省洞庭湖水利事务中心，湖南·长沙 410007；2. 浙江水利水电学院，浙江·杭州 310018）

东洞庭湖位于长江中游，湖区承纳湘、资、沅、澧四水，吞吐长江，作为长江中游的通江湖泊，东洞庭湖拦截长江上游来水，分蓄长江中游洪水，缓解长江下游洪涝灾害，在保障长江流域和东洞庭湖周围地区水安全方面起着关键作用［1-3］。东洞庭湖亦是国际重要的湿地保护区，东洞庭湖国家级自然保护区成立于1982年，是湖南省唯一的国家级湿地类型保护区和中国51个国家示范保护区之一，1992年成为我国加入《国际重要湿地公约》时首批列入《国际重要湿地名录》的自然保护区之一。东洞庭湖湿地变化监测一直是湖区管理的一项重要基础型工作。由于湖泊的高度动态性，常规的野外调查工作量大，费用高、周期长，而遥感的优势在于频繁和持久的提供地表特征的面状信息，这对于传统的以稀疏离散点为基础的对地观测手段是一场革命性的变化［4］。同时，近年来，长江中游地区洪旱灾害频繁，2003年三峡工程开始蓄水运行，在多种压力驱动下，长江与东洞庭湖之间的关系进入了新一轮的变化与调整过程［5-8］。基于此，本文采用卫星遥感数据，反演近期2013～2018年东洞庭湖湿地景观变化过程，成果对动态跟踪和掌握新形势下东洞庭湖的湿地变化演变具有现实意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

东洞庭湖位于长江中游荆江江段南测，地处湖南省东北部，主要分布在湖南省岳阳市境内。东洞庭湖区承纳湘、资、沅、澧四水，吞吐长江，在保障长江流域和东洞庭湖周围地区水安全方面起着关键作用。湖区范围自南洞庭湖与湘江汇合后的磊石山起，北至城陵矶汇入长江，南北长约70 km，东西宽约30 km。湖泊西侧以环湖防汛大堤为界，东侧主要为洞庭湖东部低山丘陵地（图1）。

历史上，东洞庭湖曾是君山附近一小块水体，由于江湖关系的不断演化，在长江洪水南侵的作用下洞庭湖向南扩张，加上泥沙堆积，形成了水域广大、洲滩发育的湖泊湿地景观。据2011年地形［9］，东洞庭沿湘江21m高程以下为深水河槽，而湖区西、南部区域洲滩发育广泛，洲滩上植被发育繁茂。湖区年内水位变化过程导致东洞庭湖呈现“涨水为湖，退水为洲”的动态景观。

1.2 遥感数据与处理

选取美国Landsat8-OLI影像作为分析数据源，共计9个时相（见表1），开展东洞庭湖湿地的研究工作。Landsat8-OLI遥感数据空间分辨率15m，重访周期16天，9个波段，1景可完全覆盖东洞庭湖区，2013年发射至今，数据可免费获取。选择影像时一方面选择数据质量好、无云或少云的影像，二是兼顾年内季节变化和近期年际变化。所有的Landsat影像波段数据均从美国地质调查局网站（http://glovis.usgs.gov）获取。成像时间不同，产品级别略有差别，大部分数据是经过精确几何校正和地形校正的L1T级（Level 1T）产品，产品的几何处理精度可以从元数据中获取。大气校正是Landsat-8用于遥感反演中极为重要的图像预处理过程，其结果的准确性对后期的反演精度有较大的影响。大气校正在ENVI5.6软件平台上进行，校正模型采用FLAASH大气校正模块［10］。

图1 研究区现状Fig.1 Location of the study area

表1 选用的Landsat影像数据Table 1 The selected Landsat image data

1.3 水位数据

诸多文献中通常采用城陵矶水文站代表东洞庭湖的水位变化情况，城陵矶位于东洞庭湖北端、长江与洞庭湖的交汇处，是洞庭湖水沙进入长江的唯一出口，地理位置见图1。本文选用城陵矶水文站2013～2018年的日均水位数据代表东洞庭湖的水文变化。

1.4 湿地系统与分类方法

以《国际重要湿地公约》与《全国湿地资源调查与检测技术规程》为基础，并结合相关资料中有关东洞庭湖湿地外业调查情况。本项目地物分类采用三类分级系统，即将东洞庭湖地物分为水体、湖泊湿地（草洲）和泥滩地三类。

遥感图像通过亮度值或像元值的高低差异（反映地物的光谱信息）及空间变化（反映地物的空间信息）来表示不同地物的差异，这是区分不同图像地物的物理基础。目前，遥感图像分类方法狭义上可以归纳为三大类：基于光谱的计算机分类（监督分类与非监督分类），基于专家知识的决策树分类，面向对象图像分类。决策树是一个类似于流程图的树形结构，从共有信息量最大的节点开始分支，利用每种特定类型的属性特征建立节点，逐步分类。决策树分类法具有灵活、直观、清晰、强健、运算效率高等特点。本文采用决策树分类法提取不同时间的湿地了类型，通过对东洞庭湖已知芦苇场及湖草区域训练样本的多次提取，确定植被归一化指数NDVI≥0.3且band5≥57的区域为草洲，训练样本提取过程中，水体和泥滩地（湿润土壤）在波段5最为明显，颜色由黑至浅灰，可分离为水体，剩余部分除波段5呈黑色的水域外还可能包括植被新近零星生长过植被的裸地，其显示为湿润土壤，利用NDVI值和波段5区分水体和湿润土壤，最后根据目视解译判定未分类类型［11］。

2 结果与讨论

通过决策树分类法反演2013～2018年代表年份/月份共计9景的湿地地物分布状况如图2和表2所示。数据显示，2013～2018年随着城陵矶水位变化，湖泊草洲、泥滩地和水域面积呈现动态变化，其中草洲面积介于292～962km2，平均714km2；泥滩地面积介于8.0～170km2，平均81km2；水域面积介于228～996km2，平均502 km2；总体上，草洲和水体面积占比大、且此消彼长，泥滩地面积最少。图3为2013～2018年不同时期东洞庭湖地物占比，从图可见，草洲面积占比介于22.5%～74.2%之间，平均55.1%；泥滩地面积占比介于1%～13.1%之间，平均6.2%；水域面积占比介于17.6%～77.0%之间，平均38.7%。

对不同时间草洲出露面积与对应城陵矶水位进行回归分析表明（图4），东洞庭湖草洲出露面积与城陵日水位呈显著相关关系（R2=0.92），随水位升高，草洲出露面积逐渐减小。在22m低水位下，植被的生物学特性、植被生长季节的变化也对草洲出露面积产生一定的影响。图5为东洞庭湖典型洪季（2017年7月26日）城陵矶水位29.9m和枯季（2016年3月1日）城陵矶水位19m条件下草洲空间分布的时空差异，从图可见，洪枯季典型高低水位下草洲分布差异明显。湖区大部分区域草洲随水情变化剧烈，其中南部柴下洲和北湖部藕池河一带地形较高，草洲常态化出露，低水位条件下除沿湘江深水河槽以及湖区西北部较深的两支分叉区域外，湖区大部分草洲面积分布广泛，其面积占湖区总面积的74%。湖区湿地遥感监测的成果与相关学者通过大量实测数据构建的水位—湿地面积的相关关系是一致的［12-15］。成果进一步验证了洞庭湖不同水情下的湿地景观格局。

图2 2013～2018年不同时期东洞庭湖地物分类图Fig.2 The classification of surface features of East Dong-ting Lake in different periods from 2013 to 2018

表2 不同时期各湿地类型面积Table 2 Area of different wetland types in different periods

就城陵矶水位年际变化趋势而言，三峡水库运行之前的1951～2003年年平均水位有逐渐升高的趋势，52年相对升高了2.01m，年平均升高约4cm。2003年三峡水库运行后，在干流水位持续降低的影响下，东洞庭湖年平均水位回落了0.24m，不再呈现上升趋势。图6为近期2013～2018年城陵矶水位年内水位变化过程。从图可见，年内水位过程呈单峰型，其中4月份水位开始上升，6～8月水位达到最高峰，9月水位下降，12月至次年3月为水位最低值，近期2013～2018年年均水位介于24.5～25.7m之间，平均25.1m。湖区年内水位变化过程导致东洞庭湖呈现“涨水为湖，退水为洲”的动态景观。

图3 2013～2018年不同时期东洞庭湖地物占比Fig.3 Proportion of ground features in East Dongting Lake in different periods from 2013 to 2018

图4 草洲面积与水位的关系Fig.4 Relationship between vegetation area and water level

图5 东洞庭湖典型洪枯高低水位下草洲空间差异Fig.5 The spatial difference of vegetation under typical flood and dry water level in East Dong-ting Lake

图6 2013～2018年年内水位变化过程（单位：m）Fig.6 Annual water level change process from 2013 to 2018

3 结论

基于2013～2018年Landsat8-OLI 9个时相的遥感数据，采用湿地三类分级系统，基于决策树分类法提取不同时间的湿地了类型，主要认识如下：

（1）2013～2018年东洞庭湖湖泊草洲、泥滩地和水域面积呈现动态变化，其中草洲面积介于292～962km2，平均714km2；泥滩地面积介于8.0～170km2，平均81km2；水域面积介于228～996km2，平均502 km2；总体上，草洲和水体面积占比大、且此消彼长，泥滩地面积最少。草洲面积平均占比55.1%；泥滩地面积平均占比6.2%；水域面积平均占比38.7%。

（2）水位变化是湖区草洲出露面积的主控因素，东洞庭湖草洲出露面积与城陵日水位呈显著相关关系，随水位升高，草洲出露面积逐渐减小。

（3）空间上南部柴下洲和北部藕池河一带地形较高，草洲常态化出露，而低水位条件下湖区大部分草洲面积分布广泛，其面积占湖区总面积的74%。成果进一步验证了洞庭湖不同水情下的湿地景观格局。