基于Landsat 8遙感數(shù)據(jù)的東洞庭湖濕地變化監(jiān)測(cè)與分析

張曉斌，石 佳，歐明武，李 穎

（1. 湖南省洞庭湖水利事務(wù)中心，湖南·長(zhǎng)沙 410007；2. 浙江水利水電學(xué)院，浙江·杭州 310018）

東洞庭湖位于長(zhǎng)江中游，湖區(qū)承納湘、資、沅、澧四水，吞吐長(zhǎng)江，作為長(zhǎng)江中游的通江湖泊，東洞庭湖攔截長(zhǎng)江上游來水，分蓄長(zhǎng)江中游洪水，緩解長(zhǎng)江下游洪澇災(zāi)害，在保障長(zhǎng)江流域和東洞庭湖周圍地區(qū)水安全方面起著關(guān)鍵作用［1-3］。東洞庭湖亦是國(guó)際重要的濕地保護(hù)區(qū)，東洞庭湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)成立于1982年，是湖南省唯一的國(guó)家級(jí)濕地類型保護(hù)區(qū)和中國(guó)51個(gè)國(guó)家示范保護(hù)區(qū)之一，1992年成為我國(guó)加入《國(guó)際重要濕地公約》時(shí)首批列入《國(guó)際重要濕地名錄》的自然保護(hù)區(qū)之一。東洞庭湖濕地變化監(jiān)測(cè)一直是湖區(qū)管理的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)型工作。由于湖泊的高度動(dòng)態(tài)性，常規(guī)的野外調(diào)查工作量大，費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，而遙感的優(yōu)勢(shì)在于頻繁和持久的提供地表特征的面狀信息，這對(duì)于傳統(tǒng)的以稀疏離散點(diǎn)為基礎(chǔ)的對(duì)地觀測(cè)手段是一場(chǎng)革命性的變化［4］。同時(shí)，近年來，長(zhǎng)江中游地區(qū)洪旱災(zāi)害頻繁，2003年三峽工程開始蓄水運(yùn)行，在多種壓力驅(qū)動(dòng)下，長(zhǎng)江與東洞庭湖之間的關(guān)系進(jìn)入了新一輪的變化與調(diào)整過程［5-8］。基于此，本文采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，反演近期2013～2018年?yáng)|洞庭湖濕地景觀變化過程，成果對(duì)動(dòng)態(tài)跟蹤和掌握新形勢(shì)下東洞庭湖的濕地變化演變具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

東洞庭湖位于長(zhǎng)江中游荊江江段南測(cè)，地處湖南省東北部，主要分布在湖南省岳陽(yáng)市境內(nèi)。東洞庭湖區(qū)承納湘、資、沅、澧四水，吞吐長(zhǎng)江，在保障長(zhǎng)江流域和東洞庭湖周圍地區(qū)水安全方面起著關(guān)鍵作用。湖區(qū)范圍自南洞庭湖與湘江匯合后的磊石山起，北至城陵磯匯入長(zhǎng)江，南北長(zhǎng)約70 km，東西寬約30 km。湖泊西側(cè)以環(huán)湖防汛大堤為界，東側(cè)主要為洞庭湖東部低山丘陵地（圖1）。

歷史上，東洞庭湖曾是君山附近一小塊水體，由于江湖關(guān)系的不斷演化，在長(zhǎng)江洪水南侵的作用下洞庭湖向南擴(kuò)張，加上泥沙堆積，形成了水域廣大、洲灘發(fā)育的湖泊濕地景觀。據(jù)2011年地形［9］，東洞庭沿湘江21m高程以下為深水河槽，而湖區(qū)西、南部區(qū)域洲灘發(fā)育廣泛，洲灘上植被發(fā)育繁茂。湖區(qū)年內(nèi)水位變化過程導(dǎo)致東洞庭湖呈現(xiàn)“漲水為湖，退水為洲”的動(dòng)態(tài)景觀。

1.2 遙感數(shù)據(jù)與處理

選取美國(guó)Landsat8-OLI影像作為分析數(shù)據(jù)源，共計(jì)9個(gè)時(shí)相（見表1），開展東洞庭湖濕地的研究工作。Landsat8-OLI遙感數(shù)據(jù)空間分辨率15m，重訪周期16天，9個(gè)波段，1景可完全覆蓋東洞庭湖區(qū)，2013年發(fā)射至今，數(shù)據(jù)可免費(fèi)獲取。選擇影像時(shí)一方面選擇數(shù)據(jù)質(zhì)量好、無云或少云的影像，二是兼顧年內(nèi)季節(jié)變化和近期年際變化。所有的Landsat影像波段數(shù)據(jù)均從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov）獲取。成像時(shí)間不同，產(chǎn)品級(jí)別略有差別，大部分?jǐn)?shù)據(jù)是經(jīng)過精確幾何校正和地形校正的L1T級(jí)（Level 1T）產(chǎn)品，產(chǎn)品的幾何處理精度可以從元數(shù)據(jù)中獲取。大氣校正是Landsat-8用于遙感反演中極為重要的圖像預(yù)處理過程，其結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)后期的反演精度有較大的影響。大氣校正在ENVI5.6軟件平臺(tái)上進(jìn)行，校正模型采用FLAASH大氣校正模塊［10］。

圖1 研究區(qū)現(xiàn)狀Fig.1 Location of the study area

表1 選用的Landsat影像數(shù)據(jù)Table 1 The selected Landsat image data

1.3 水位數(shù)據(jù)

諸多文獻(xiàn)中通常采用城陵磯水文站代表東洞庭湖的水位變化情況，城陵磯位于東洞庭湖北端、長(zhǎng)江與洞庭湖的交匯處，是洞庭湖水沙進(jìn)入長(zhǎng)江的唯一出口，地理位置見圖1。本文選用城陵磯水文站2013～2018年的日均水位數(shù)據(jù)代表東洞庭湖的水文變化。

1.4 濕地系統(tǒng)與分類方法

以《國(guó)際重要濕地公約》與《全國(guó)濕地資源調(diào)查與檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》為基礎(chǔ)，并結(jié)合相關(guān)資料中有關(guān)東洞庭湖濕地外業(yè)調(diào)查情況。本項(xiàng)目地物分類采用三類分級(jí)系統(tǒng)，即將東洞庭湖地物分為水體、湖泊濕地（草洲）和泥灘地三類。

遙感圖像通過亮度值或像元值的高低差異（反映地物的光譜信息）及空間變化（反映地物的空間信息）來表示不同地物的差異，這是區(qū)分不同圖像地物的物理基礎(chǔ)。目前，遙感圖像分類方法狹義上可以歸納為三大類：基于光譜的計(jì)算機(jī)分類（監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類），基于專家知識(shí)的決策樹分類，面向?qū)ο髨D像分類。決策樹是一個(gè)類似于流程圖的樹形結(jié)構(gòu)，從共有信息量最大的節(jié)點(diǎn)開始分支，利用每種特定類型的屬性特征建立節(jié)點(diǎn)，逐步分類。決策樹分類法具有靈活、直觀、清晰、強(qiáng)健、運(yùn)算效率高等特點(diǎn)。本文采用決策樹分類法提取不同時(shí)間的濕地了類型，通過對(duì)東洞庭湖已知蘆葦場(chǎng)及湖草區(qū)域訓(xùn)練樣本的多次提取，確定植被歸一化指數(shù)NDVI≥0.3且band5≥57的區(qū)域?yàn)椴葜蓿?xùn)練樣本提取過程中，水體和泥灘地（濕潤(rùn)土壤）在波段5最為明顯，顏色由黑至淺灰，可分離為水體，剩余部分除波段5呈黑色的水域外還可能包括植被新近零星生長(zhǎng)過植被的裸地，其顯示為濕潤(rùn)土壤，利用NDVI值和波段5區(qū)分水體和濕潤(rùn)土壤，最后根據(jù)目視解譯判定未分類類型［11］。

2 結(jié)果與討論

通過決策樹分類法反演2013～2018年代表年份/月份共計(jì)9景的濕地地物分布狀況如圖2和表2所示。數(shù)據(jù)顯示，2013～2018年隨著城陵磯水位變化，湖泊草洲、泥灘地和水域面積呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，其中草洲面積介于292～962km2，平均714km2；泥灘地面積介于8.0～170km2，平均81km2；水域面積介于228～996km2，平均502 km2；總體上，草洲和水體面積占比大、且此消彼長(zhǎng)，泥灘地面積最少。圖3為2013～2018年不同時(shí)期東洞庭湖地物占比，從圖可見，草洲面積占比介于22.5%～74.2%之間，平均55.1%；泥灘地面積占比介于1%～13.1%之間，平均6.2%；水域面積占比介于17.6%～77.0%之間，平均38.7%。

對(duì)不同時(shí)間草洲出露面積與對(duì)應(yīng)城陵磯水位進(jìn)行回歸分析表明（圖4），東洞庭湖草洲出露面積與城陵日水位呈顯著相關(guān)關(guān)系（R2=0.92），隨水位升高，草洲出露面積逐漸減小。在22m低水位下，植被的生物學(xué)特性、植被生長(zhǎng)季節(jié)的變化也對(duì)草洲出露面積產(chǎn)生一定的影響。圖5為東洞庭湖典型洪季（2017年7月26日）城陵磯水位29.9m和枯季（2016年3月1日）城陵磯水位19m條件下草洲空間分布的時(shí)空差異，從圖可見，洪枯季典型高低水位下草洲分布差異明顯。湖區(qū)大部分區(qū)域草洲隨水情變化劇烈，其中南部柴下洲和北湖部藕池河一帶地形較高，草洲常態(tài)化出露，低水位條件下除沿湘江深水河槽以及湖區(qū)西北部較深的兩支分叉區(qū)域外，湖區(qū)大部分草洲面積分布廣泛，其面積占湖區(qū)總面積的74%。湖區(qū)濕地遙感監(jiān)測(cè)的成果與相關(guān)學(xué)者通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的水位—濕地面積的相關(guān)關(guān)系是一致的［12-15］。成果進(jìn)一步驗(yàn)證了洞庭湖不同水情下的濕地景觀格局。

圖2 2013～2018年不同時(shí)期東洞庭湖地物分類圖Fig.2 The classification of surface features of East Dong-ting Lake in different periods from 2013 to 2018

表2 不同時(shí)期各濕地類型面積Table 2 Area of different wetland types in different periods

就城陵磯水位年際變化趨勢(shì)而言，三峽水庫(kù)運(yùn)行之前的1951～2003年年平均水位有逐漸升高的趨勢(shì)，52年相對(duì)升高了2.01m，年平均升高約4cm。2003年三峽水庫(kù)運(yùn)行后，在干流水位持續(xù)降低的影響下，東洞庭湖年平均水位回落了0.24m，不再呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。圖6為近期2013～2018年城陵磯水位年內(nèi)水位變化過程。從圖可見，年內(nèi)水位過程呈單峰型，其中4月份水位開始上升，6～8月水位達(dá)到最高峰，9月水位下降，12月至次年3月為水位最低值，近期2013～2018年年均水位介于24.5～25.7m之間，平均25.1m。湖區(qū)年內(nèi)水位變化過程導(dǎo)致東洞庭湖呈現(xiàn)“漲水為湖，退水為洲”的動(dòng)態(tài)景觀。

圖3 2013～2018年不同時(shí)期東洞庭湖地物占比Fig.3 Proportion of ground features in East Dongting Lake in different periods from 2013 to 2018

圖4 草洲面積與水位的關(guān)系Fig.4 Relationship between vegetation area and water level

圖5 東洞庭湖典型洪枯高低水位下草洲空間差異Fig.5 The spatial difference of vegetation under typical flood and dry water level in East Dong-ting Lake

圖6 2013～2018年年內(nèi)水位變化過程（單位：m）Fig.6 Annual water level change process from 2013 to 2018

3 結(jié)論

基于2013～2018年Landsat8-OLI 9個(gè)時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，采用濕地三類分級(jí)系統(tǒng)，基于決策樹分類法提取不同時(shí)間的濕地了類型，主要認(rèn)識(shí)如下：

（1）2013～2018年?yáng)|洞庭湖湖泊草洲、泥灘地和水域面積呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，其中草洲面積介于292～962km2，平均714km2；泥灘地面積介于8.0～170km2，平均81km2；水域面積介于228～996km2，平均502 km2；總體上，草洲和水體面積占比大、且此消彼長(zhǎng)，泥灘地面積最少。草洲面積平均占比55.1%；泥灘地面積平均占比6.2%；水域面積平均占比38.7%。

（2）水位變化是湖區(qū)草洲出露面積的主控因素，東洞庭湖草洲出露面積與城陵日水位呈顯著相關(guān)關(guān)系，隨水位升高，草洲出露面積逐漸減小。

（3）空間上南部柴下洲和北部藕池河一帶地形較高，草洲常態(tài)化出露，而低水位條件下湖區(qū)大部分草洲面積分布廣泛，其面積占湖區(qū)總面積的74%。成果進(jìn)一步驗(yàn)證了洞庭湖不同水情下的濕地景觀格局。