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2018年8月第4期
林业资源管理
FORESTRESOURCESMANAGEMENTAugust2018No4
2003—2016年东洞庭湖自然保护区湿地动态变化特征
黄一凡1,王金生1,王 凯2,杨 眉3
(1北京师范大学 水科学研究院 地下水污染控制与修复教育部工程研究中心,北京100875;2长江勘测规划设计研究有限责
任公司,武汉430010;3国华卫星应用产业基金管理有限公司,北京100044)
摘要:基于中分辨率成像光谱仪 (MODIS)遥感数据的MOD13Q1系列产品,利用决策树分类法,对东洞庭湖自
然保护区2003—2016年共322个时相的16d合成数据进行分类解译,得到2003—2016年时间序列的东洞庭湖水
体湿地、泥滩湿地、草滩湿地、芦苇湿地分类结果,分析了分类精度,以及水体湿地和草滩湿地的年际间及年
内变化趋势及其主导因子。结论:1)决策树分类法应用于时间序列的东洞庭湖 MODIS遥感影像分类,其分类
精度处于可接受范围;2)2003—2016年 (三峡工程蓄水运行期)东洞庭湖水体和草滩湿地面积最大最小值未
发生年际间的明显变化;3)东洞庭湖水体和草滩湿地面积随着水文节律发生年内周期性波动,二者具有较好的
线性回归关系。研究认为:将东洞庭湖水位控制在合理区间是维护生态系统健康的关键。
关键词:长江中下游;东洞庭湖;决策树分类法;湿地;MODIS;三峡工程
中图分类号:S7599 文献标识码:A 文章编号:1002-6622(2018)04-0041-06
收稿日期:2018-05-03;修回日期:2018-05-29基金项目:国家自然科学基金(41672228);国家重大水专项(2014ZX07201-010)作者简介:黄一凡(1984-),男,辽宁人,在读博士,主要研究方向为长江流域生态环境建设与保护、三峡工程泥沙问题。
Email:huangyifan2005@hotmailcom
DOI:10.13466/j.cnki.lyzygl.2018.04.008
DynamicCharacteristicsoftheWetlandofEastDongtingLakeNatureReservefrom2003to2016
HUANGYifan1,WANGJinsheng1,WANGKai2,YANGMei3
(1CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,EngineeringResearchCenterofGroundwaterPollutionControlandRemediation,Min
istryofEducation,Beijing100875,China;2ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan430010,China;
3GuohuaSatelliteFundManagementCo,Ltd,Beijing100044,China)
Abstract:BasedontheproductofMOD13Q1ofMODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer),thispaperdealtwith322availableimagesfrom2003to2016byusingdecisiontreeclassificationmethod,andthengotatimebasedseriesofclassifieddataaboutwater,mudflats,grassland,andreedofwetlandinEastDongtingLakeItanalyzedthedegreeofaccuracyoftheclassificationresults,andtheannualandinterannualvariationtrendsofwaterandgrasslandofwetland,aswellasthekeydrivingfactors,summarizedthat:(1)itisacceptableofthedegreeofaccuracywhichwascalculatedfromtheclassificationresultsbyusingthedecisiontreemethodontheseriesdataofMODISimagesfromEastDongtingLake(2)Thereisnosignificantinterannualvarietyoftheareaofwaterandgrasslandofwetlandfrom
林业资源管理 第4期
2003to2016,whentheconstructionandoperationoftheThreeGorgesDamwasunderway(3)Areaofwaterandgrasslandofwetlandvarieswiththehydrologicalrhythm,andthereisanextremelysignificantnegativecorrelationbetweenthemThispaperproposedthat,waterlevelisthekeyfactoroftheecosystemofEastDongtingLake,itiscrucialtokeepitinareasonablerangetomaintainthehealthofecosystemKeywords:thelowerandmiddlereachesoftheYangtzeRiver,EastDongtingLake,decisiontreeclassificationmethod,wetland,MODIS,theThreeGorgesDam
湿地是指天然或人工、长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带,带有静止或流动的淡水、半咸
水或咸水水体,包括低潮时水深不超过 6m的水域[1]。洞庭湖作为长江流域重要的湿地生态系统,
发挥着涵养水源、保持水土、调节气候、产品供给、
栖息地维护、污染物消纳等多种生态服务功能[2-8]。
三峡工程2003年蓄水运行后,长江中下游的水文情势和泥沙冲淤规律发生变化[9],一方面减轻了中下
游地区的防洪压力,缓解了洞庭湖的淤积进程,另
一方面清水下泄[10-11]造成的江湖关系变化一定程
度上导致了洞庭湖枯水期提前并延长[4,12-17]。维
持良好的江湖关系,保障洞庭湖生态系统健康是落
实长江经济带“共抓大保护、不搞大开发”战略的客
观要求。
东洞庭湖是国际重要湿地和国家级自然保
护区,是洞庭湖泊群落中最大、保存最完好的天
然季节性湖泊,不仅是洞庭湖最为重要的水文单
元,同时在维持越冬候鸟种群数量、水生生物适
宜生境[18-20]、珍稀濒危陆生野生动物种群数
量[21]方面发挥着巨大的作用。本研究以东洞庭
湖自然保护区为研究区,对 2003—2016年时间序列MODIS影像16d合成数据进行分类解译,获取不同时相各类湿地面积年内及年际间的变化
情况,分析湿地的变化趋势及其主要驱动因子,
研究提出东洞庭湖自然保护区湿地保护的关键
因子。
1 材料与方法11 研究区概况
湖南东洞庭湖国家级自然保护区位于长江中下
游荆江江段南侧,地处湖南省东北部岳阳市境内,地
理坐标介于东经 112°43′~113°14′,北纬 29°00′~
29°38′之间,面积约1563km2,其中核心区307km2、缓冲区350km2、实验区906km2,保护区区划见图1。洞庭湖北部三口分泄的长江流量,以及湘、资、沅、澧四水灌注的流量都经东洞庭湖调蓄,由城陵
矶汇入长江。城陵矶水位34m时,东洞庭湖水面面积达到1332km2约占洞庭湖水面面积的50%,湖容119亿m3占洞庭湖湖容的71%。
图1 东洞庭湖自然保护区区划图Fig1DivisionofEastDongtingLakenaturereserve
12 数据来源本研究采用 MODIS数据植被指数 16d合成
MOD13Q1系列产品,时间范围为2003—2016年,空
24
第4期 黄一凡等:2003—2016年东洞庭湖自然保护区湿地动态变化特征
间分辨率250m,有效影像322幅。遥感影像处理软件采用ENVI+IDL47。13 湿地类型
结合《湿地公约》和《中国湿地调查大纲》的分
类[22],将东洞庭湖湿地分为水体湿地、泥滩湿地、
草滩湿地、芦苇湿地。其中:水体湿地指由水面覆
盖的湿地类型;泥滩湿地指由于季节性淹水及泥
沙冲淤而形成的裸露于水体外的未覆盖地表植被
的湿地类型;草滩湿地指由于季节性淹水,在枯水
季节出露的覆盖有地表植被的湿地类型;芦苇湿
地指分布在池沼、河岸、河溪边多水地区的芦
苇丛。
14 湿地分类方法利用归一化植被指数(NDVI)、中红外波段
(MIR)、红波段(RED)、近红外波段(NIR)等波段的波普特征,结合东洞庭湖不同类型湿地的光谱特
征,设定不同波段的反射率阈值,建立决策树分类
体系[23-25](图2)。其中,NDVI对植被覆盖敏感,适用于地表植被与非植被的划分,用以区分草滩、芦
苇和水体、泥滩湿地;MIR波段处于水的强吸收带,适用于区分水体与非水体,用以区分水体湿地和泥
滩湿地;RED为叶绿素吸收波段,NIR可探测水分含量,两个波段配合使用可增强不同植被类型之间
的反差,用以区分芦苇湿地和草滩湿地。对2003—2016年共322个时相的MOD13Q1遥感影像数据进行批量分类处理,得到时间序列的东洞庭湖水体、
草滩、泥滩、芦苇湿地面积。
图2 东洞庭湖湿地分类决策树分析图Fig2DecisiontreeofwetlandclassificationinEastDongtingLake
2 结果与分析经ENVI+IDL处理,解译得到 2003—2016年
322个时相的湿地分类信息,得到水体、草滩、泥滩、芦苇湿地的分布图,2015年提取结果见图3,进行栅格统计,得到2003—2016年时间序列的东洞庭湖不同类型湿地面积统计数据。
21 分类结果精度检验选取2006年11月1日和2011年7月26日研
究区陆地资源卫星(Landsat5TM)影像进行目视监督分类,将研究区分为水体、草滩、泥滩、芦苇4种湿地类型。随机选取100个样本点,分别提取两种方法的分类结果进行对比,建立精度误差矩阵表,如
表1所示。由表1可知,2006年11月和2011年7月2个
时相的MODIS影像决策树分类结果总体精度分别为82%和85%,总体Kappa系数分别为07975和07558。决策树分类法的总体精度与类似湿地分类结果相当[23,26],该方法可以较准确地对东洞庭湖
湿地进行分类。从分类结果来看,主要误差存在于
水体湿地和泥滩湿地以及草滩湿地和芦苇湿地之
间,主要是由于东洞庭湖水文条件复杂、变化较大,
泥滩湿地主要为刚退水后出露的水底,水分含量较
高,水体湿地和泥滩湿地存在混合像元的情况较
多,通过中红外波段设定阈值后对混合像元的判断
误差偏大,导致了水体湿地和泥滩湿地的混分。草
滩湿地和芦苇湿地主要为出露时间较长、草本植物
较多、受动植物活动影响较大的区域,地物状况复
杂,混合像元普遍存在,因此草滩湿地和芦苇湿地
产生部分错分。
22 水体与草滩湿地面积最大(最小)值年际间变化趋势
2003—2016年,东洞庭湖自然保护区水体湿地和草滩湿地面积的年内最大值和最小值无显著
变化(图4),但水体和草滩湿地面积的变幅较大。东洞庭湖水体湿地面积的多年变幅极大,多年最
大值 1109km2(2003年 7月),占湖区面积的83%,对应城陵矶水位3182m;多年最小值21km2
(2011年4月),占湖区面积的 157%,对应城陵矶水位 2218m,最大值与最小值之间相差约 53
34
林业资源管理 第4期
倍。草滩湿地面积多年变幅为145km2(2003年7月)~1292km2(2011年 4月),占湖区面积的11% ~97%,最大值与最小值之间相差约 9倍。2003—2016年,水体面积的年内最大值和草滩面
积的年内最小值出现在6—9月,此阶段为洞庭湖主汛期。水体面积的年内最小值和草滩面积的年
内最大值出现在12月至翌年5月,此阶段为洞庭湖的枯水期。
图3 2015年湿地提取结果(月/日)Fig3Resultsofwetlandclassificationin2015(m/d)
44
第4期 黄一凡等:2003—2016年东洞庭湖自然保护区湿地动态变化特征
表1 2006年11月及2011年7月东洞庭湖分类精度误差矩阵表Tab1AccuracymatrixofclassificationinEastDongtingLakeinNov2006andJul2011
湿地类型
2006年11月
水体
湿地
/个
泥滩
湿地
/个
草滩
湿地
/个
芦苇
湿地
/个合计
用户
精度
/%
生产者
精度
/%
2011年7月
水体
湿地
/个
泥滩
湿地
/个
草滩
湿地
/个
芦苇
湿地
/个合计
用户
精度
/%
生产者
精度
/%水体湿地 23 6 29 7931 9200 16 6 22 7273 8889
泥滩湿地 2 20 22 9091 7692 22 4 26 8462 7875
草滩湿地 28 5 33 8485 9333 2 28 1 31 9032 7568
芦苇湿地 2 14 16 8750 7368 5 16 21 7619 9412
合计 25 26 30 19 100 18 28 37 17 100
总体精度 8500% 8200%
Kappa系数 07975 07558
图4 水体和草滩湿地面积最大值及最小值逐年
变化趋势(2003—2016年)Fig4Variationtrendofannualmaxandminarea
ofwaterandgrasslandfrom2003to2016
23 水体与草滩湿地面积年内变化趋势水体湿地和草滩湿地面积占据东洞庭湖湿地
面积的绝大部分,是东洞庭湖的主要湿地类型。对
2003—2016年各类湿地面积进行逐卫星日平均处理(图5),水体湿地和草滩湿地合计最大面积1327km2,占东洞庭湖 总 面 积 的 9961%,最 小 值921km2,占东洞庭湖湿地面积的6915%。
由图5所示,东洞庭湖水体湿地面积由5月开始逐步上升,6—9月维持在较高水平(最大值出现在8月),9—10月水体面积逐步减小,11月至翌年4月保持在较低水平(最小值出现在3月)。草滩湿地面积由5月开始迅速下降,6—9月处于较低水平(面积最小值出现在8月),10月迅速上升,11月至翌年4月处于较高水平(面积最大值出现在3月)。
洞庭湖的汛期每年5月开始,此时上游来水量
剧增,水位迅速上涨,导致大面积的草滩湿地淹没
于水面以下,5—9月高水位时期,草滩湿地面积较小而水体面积较大。每年10月汛后,上游来水量减小,长江顶托作用减小,湖区水位快速下降,水体湿
地面积减小,出露的大面积滩涂很快发展成草滩湿
地,11月至翌年 4月水体面积较小而草滩面积较大。水体湿地面积和草滩湿地面积变化的主要驱
动因子为水位,其变化规律与洞庭湖汛期—非汛期
的水文节律基本保持一致。
图5 水体湿地与草滩湿地面积年内
(2003—2016年逐卫星日平均值)变化趋势Fig5Variationtrendoftheareaofwaterandgrassland
wetland(averagefrom2003to2016)
24 水体湿地与草滩湿地面积的回归分析对4种类型湿地面积卫星日平均值进行 Pear
son相关性分析,结果显示:4种类型湿地面积卫星日均值均存在相关关系,其中,草滩湿地与芦苇湿
54
林业资源管理 第4期
地、水体湿地,芦苇湿地与水体湿地之间存在极显
著性强相关关系,相关系数分别为-0881,-0967和0844;泥滩湿地与芦苇湿地、草滩湿地存在极显著性中相关关系,相关系数为0564和 -0690,泥滩湿地与水体湿地存在显著性中相关关系,相关系
数为0524。在相关性分析的基础上,开展水体湿地面积与
草滩湿地面积的线性回归分析,分析结果显示,回
归系数为 -07525、常数为 99865,结果显著性0000小于 001,具有极显著性,拟合系数 R2为0953。基于分析结果,建立东洞庭湖草滩湿地与水体湿地的线性回归方程:
S水 =-07525S草 +99865 (R2=0953)
3 结论与讨论决策树分类法应用于时间序列的东洞庭湖MO
DIS遥感影像分类,其分类精度处于可接受范围。采用决策树分类法对时间序列的东洞庭湖 MODIS遥感影像进行分类处理的结果,对照2006年11月和2011年 7月 Landsat5卫星影像的监督分类结果,其总体分类精度大于82%,总体 Kappa系数大于075,与类似湿地分类结果相当[23,26],处于可接
受范围。产生分类误差的主要原因为研究区水位
变化大,红外波段设定阈值后对水体与泥滩混合像
元的判断误差偏大,导致水体湿地和泥滩湿地的混
分现象[23]。由于决策树分类法具有便捷、快速、批
处理等不可或缺的优势[27],适用于大批量遥感数据
的处理,可有效应用于时间序列的遥感影像的分
类[28],从而开展湿地变化的动态监测[29],满足实际
工作需要。
2003—2016年东洞庭湖水体和草滩湿地面积未发生年际间的明显变化。自2003年三峡工程蓄水运行以来,长江中下游水文情势改变,形成了新
的江湖关系,改善了洞庭湖区的防洪形势[30],缓解
了湖泊淤积萎缩[15,31-32]。同时,清水下泄[10-11]改
变了长江中下游干流的泥沙冲淤情势和水文特征,
加剧了天然河道冲深,导致长江干流对洞庭湖的补
给不足以及洞庭湖外泄流量增加,枯水期提前并延
长,可能带来一系列的生态环境问题[14,33]。本研究
结果表明,2003—2016年洞庭湖水体湿地面积和草滩湿地面积最大值及最小值保持稳定,并未发生显
著变化。
东洞庭湖水体和草滩湿地面积随着水文节律
发生年内周期性波动,二者具有较好的线性回归关
系。随着水位的节律性波动,高水位时大量草滩被
淹没形成水体湿地,此时水体湿地面积大而草滩湿
地面积小;低水位时大面积州滩裸露,发展成为草
滩湿地,此时水体面积小而草滩面积大;水体湿地
面积与草滩湿地面积存在极显著性负相关关系,且
存在较好的线性回归关系。
综上所述,水位是驱动东洞庭湖湿地生态系统
变化的关键因子。为贯彻落实长江经济带“共抓大
保护、不搞大开发”战略,有必要采取有效措施将东
洞庭湖水位控制在合理区间内,以维护东洞庭湖湿
地生态系统健康。
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