基于Landsat 8遙感數據的東洞庭湖濕地變化監(jiān)測與分析

張曉斌，石 佳，歐明武，李 穎

（1. 湖南省洞庭湖水利事務中心，湖南·長沙 410007；2. 浙江水利水電學院，浙江·杭州 310018）

東洞庭湖位于長江中游，湖區(qū)承納湘、資、沅、澧四水，吞吐長江，作為長江中游的通江湖泊，東洞庭湖攔截長江上游來水，分蓄長江中游洪水，緩解長江下游洪澇災害，在保障長江流域和東洞庭湖周圍地區(qū)水安全方面起著關鍵作用［1-3］。東洞庭湖亦是國際重要的濕地保護區(qū)，東洞庭湖國家級自然保護區(qū)成立于1982年，是湖南省唯一的國家級濕地類型保護區(qū)和中國51個國家示范保護區(qū)之一，1992年成為我國加入《國際重要濕地公約》時首批列入《國際重要濕地名錄》的自然保護區(qū)之一。東洞庭湖濕地變化監(jiān)測一直是湖區(qū)管理的一項重要基礎型工作。由于湖泊的高度動態(tài)性，常規(guī)的野外調查工作量大，費用高、周期長，而遙感的優(yōu)勢在于頻繁和持久的提供地表特征的面狀信息，這對于傳統(tǒng)的以稀疏離散點為基礎的對地觀測手段是一場革命性的變化［4］。同時，近年來，長江中游地區(qū)洪旱災害頻繁，2003年三峽工程開始蓄水運行，在多種壓力驅動下，長江與東洞庭湖之間的關系進入了新一輪的變化與調整過程［5-8］?；诖?，本文采用衛(wèi)星遙感數據，反演近期2013～2018年東洞庭湖濕地景觀變化過程，成果對動態(tài)跟蹤和掌握新形勢下東洞庭湖的濕地變化演變具有現實意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

東洞庭湖位于長江中游荊江江段南測，地處湖南省東北部，主要分布在湖南省岳陽市境內。東洞庭湖區(qū)承納湘、資、沅、澧四水，吞吐長江，在保障長江流域和東洞庭湖周圍地區(qū)水安全方面起著關鍵作用。湖區(qū)范圍自南洞庭湖與湘江匯合后的磊石山起，北至城陵磯匯入長江，南北長約70 km，東西寬約30 km。湖泊西側以環(huán)湖防汛大堤為界，東側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，由于江湖關系的不斷演化，在長江洪水南侵的作用下洞庭湖向南擴張，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)年內水位變化過程導致東洞庭湖呈現“漲水為湖，退水為洲”的動態(tài)景觀。

1.2 遙感數據與處理

選取美國Landsat8-OLI影像作為分析數據源，共計9個時相（見表1），開展東洞庭湖濕地的研究工作。Landsat8-OLI遙感數據空間分辨率15m，重訪周期16天，9個波段，1景可完全覆蓋東洞庭湖區(qū)，2013年發(fā)射至今，數據可免費獲取。選擇影像時一方面選擇數據質量好、無云或少云的影像，二是兼顧年內季節(jié)變化和近期年際變化。所有的Landsat影像波段數據均從美國地質調查局網站（http://glovis.usgs.gov）獲取。成像時間不同，產品級別略有差別，大部分數據是經過精確幾何校正和地形校正的L1T級（Level 1T）產品，產品的幾何處理精度可以從元數據中獲取。大氣校正是Landsat-8用于遙感反演中極為重要的圖像預處理過程，其結果的準確性對后期的反演精度有較大的影響。大氣校正在ENVI5.6軟件平臺上進行，校正模型采用FLAASH大氣校正模塊［10］。

圖1 研究區(qū)現狀Fig.1 Location of the study area

表1 選用的Landsat影像數據Table 1 The selected Landsat image data

1.3 水位數據

諸多文獻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、長江與洞庭湖的交匯處，是洞庭湖水沙進入長江的唯一出口，地理位置見圖1。本文選用城陵磯水文站2013～2018年的日均水位數據代表東洞庭湖的水文變化。

1.4 濕地系統(tǒng)與分類方法

以《國際重要濕地公約》與《全國濕地資源調查與檢測技術規(guī)程》為基礎，并結合相關資料中有關東洞庭湖濕地外業(yè)調查情況。本項目地物分類采用三類分級系統(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。目前，遙感圖像分類方法狹義上可以歸納為三大類：基于光譜的計算機分類（監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類），基于專家知識的決策樹分類，面向對象圖像分類。決策樹是一個類似于流程圖的樹形結構，從共有信息量最大的節(jié)點開始分支，利用每種特定類型的屬性特征建立節(jié)點，逐步分類。決策樹分類法具有靈活、直觀、清晰、強健、運算效率高等特點。本文采用決策樹分類法提取不同時間的濕地了類型，通過對東洞庭湖已知蘆葦場及湖草區(qū)域訓練樣本的多次提取，確定植被歸一化指數NDVI≥0.3且band5≥57的區(qū)域為草洲，訓練樣本提取過程中，水體和泥灘地（濕潤土壤）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過植被的裸地，其顯示為濕潤土壤，利用NDVI值和波段5區(qū)分水體和濕潤土壤，最后根據目視解譯判定未分類類型［11］。

2 結果與討論

通過決策樹分類法反演2013～2018年代表年份/月份共計9景的濕地地物分布狀況如圖2和表2所示。數據顯示，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動態(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，泥灘地面積最少。圖3為2013～2018年不同時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%。

對不同時間草洲出露面積與對應城陵磯水位進行回歸分析表明（圖4），東洞庭湖草洲出露面積與城陵日水位呈顯著相關關系（R2=0.92），隨水位升高，草洲出露面積逐漸減小。在22m低水位下，植被的生物學特性、植被生長季節(jié)的變化也對草洲出露面積產生一定的影響。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)測的成果與相關學者通過大量實測數據構建的水位—濕地面積的相關關系是一致的［12-15］。成果進一步驗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而言，三峽水庫運行之前的1951～2003年年平均水位有逐漸升高的趨勢，52年相對升高了2.01m，年平均升高約4cm。2003年三峽水庫運行后，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，不再呈現上升趨勢。圖6為近期2013～2018年城陵磯水位年內水位變化過程。從圖可見，年內水位過程呈單峰型，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)年內水位變化過程導致東洞庭湖呈現“漲水為湖，退水為洲”的動態(tài)景觀。

圖3 2013～2018年不同時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年年內水位變化過程（單位：m）Fig.6 Annual water level change process from 2013 to 2018

3 結論

基于2013～2018年Landsat8-OLI 9個時相的遙感數據，采用濕地三類分級系統(tǒng)，基于決策樹分類法提取不同時間的濕地了類型，主要認識如下：

（1）2013～2018年東洞庭湖湖泊草洲、泥灘地和水域面積呈現動態(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，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關系，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%。成果進一步驗證了洞庭湖不同水情下的濕地景觀格局。