基于3S技術(shù)的東洞庭湖濕地植被的分布與適應(yīng)性分析＊

曾光明，龍 勇，梁 婕?，蔡 青，黃 璐，李曉東，袁玉潔，武海鵬，彭也如，賴 旭

（1.湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

濕地植被的空間分布及其生物量與高程、水位、水質(zhì)及植被種類等因素有關(guān)，這些因素相輔相成、相互影響.高程決定了其受水文影響的程度，決定其水分是否充足，因而對(duì)植被的分布具有重大影響.衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)是開展大范圍環(huán)境變化研究的有效工具，許多學(xué)者基于3S技術(shù)對(duì)衛(wèi)星影像的應(yīng)用，對(duì)區(qū)域景觀格局變化、空間相關(guān)性及驅(qū)動(dòng)力分析做了相關(guān)研究[1－2］.但亦存在兩個(gè)問題：1）通常僅使用某一天的數(shù)據(jù)來代表該年度植被狀況[3－4］，這在不同月份內(nèi)水文條件時(shí)空差異較大的現(xiàn)狀下，顯然是不合理的.2）以區(qū)域作為整體進(jìn)行研究[5］，這就忽略了區(qū)域內(nèi)部的空間差異.本研究結(jié)合以往的研究成果，基于RS與GIS技術(shù)對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行EVI植被指數(shù)年最大值合成與年平均值合成，并與東洞庭湖植被分布圖（環(huán)境衛(wèi)星影像解譯所得）及高程圖相結(jié)合討論，既結(jié)合了全年的數(shù)據(jù)，也考慮了高程等空間差異，避免了上面研究中所存在的問題.對(duì)東洞庭湖濕地植被及其生物量的空間分布進(jìn)行分析，研究東洞庭湖濕地植被的空間分布及生物量與高程之間的關(guān)系，并從水文因素及植被生長(zhǎng)特性等方面分析其原因，推論出蘆葦與湖草等植被的適宜生長(zhǎng)區(qū)域及條件，為該區(qū)濕地植被資源的保護(hù)及開發(fā)利用提供依據(jù)；這也將為研究三峽工程建成后引起洞庭湖水質(zhì)水量變化對(duì)洞庭湖生態(tài)的影響及洞庭湖濕地修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考價(jià)值.

1 研究區(qū)概況

洞庭湖位于長(zhǎng)江中游地區(qū)，是我國第二大淡水湖泊，其西面和南面接納湘、資、沅、澧四水；東面有汨羅江和新墻河等水系入湖；北面有松滋、太平、藕池等“三口”分泄長(zhǎng)江水流，并經(jīng)岳陽城陵磯再次流入長(zhǎng)江，具有重要的區(qū)域生態(tài)保障意義[6］.東洞庭湖是洞庭湖湖系中最大的湖泊，主要植被類型有蘆葦（Phragmits australis）及苔草（Carex）、苦草（Vallisneria）、蓮（Nelumbo nucifera）、菰（Zizania）等10余種湖草.研究區(qū)域各植被分布較為集中，且各主要灘地的主要植被種類比較單一，解譯比較方便，對(duì)于MODIS數(shù)據(jù)250m的空間分辨率而言，主要植被種類單一的像元所占比例大，是運(yùn)用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行各植被生物量研究的理想?yún)^(qū)域.

2 研究方法與研究?jī)?nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)來源及其特點(diǎn)

本利用了2010年的環(huán)境衛(wèi)星CCD影像與2010年全年MODIS數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù).環(huán)境衛(wèi)星CCD影像是由“環(huán)境一號(hào)”衛(wèi)星寬覆蓋多光譜可見光相機(jī)拍攝，空間分辨率為30m，時(shí)間分辨率為2d.MODIS數(shù)據(jù)采用NASA免費(fèi)提供的覆蓋東洞庭湖地區(qū)的MODIS13Q1級(jí)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)空間分辨率為250m，時(shí)間分辨率為16d，數(shù)據(jù)集在一定程度上去除了云層等的影響和干擾.大量研究表明，NDVI與EVI等植被指數(shù)值與植被生物量成顯著正相關(guān)關(guān)系，MODIS數(shù)據(jù)可以根據(jù)NDVI值或EVI值的大小來對(duì)比植被生物量大小[7－8］.DEM高程數(shù)據(jù)來源于國家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)（http：//datamirror.csdb.cn/index.jsp），包括兩個(gè)部分：ASTER GDEM 30m分辨率高程數(shù)據(jù)和SRTM 90m分辨率高程數(shù)據(jù)，本文主要利用SRTM數(shù)據(jù).

由于MODIS數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率高但空間分辨率低，因此其植被指數(shù)適合用來監(jiān)測(cè)全年植被生長(zhǎng)狀況或生物量的變化[9］，難以解譯出東洞庭湖植被分布格局.而環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率高，彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，影像中不同植被光譜特征區(qū)別明顯，其較高的空間分辨率使其能夠更加準(zhǔn)確地反演地面參數(shù)并體現(xiàn)其空間變化規(guī)律[10－11］，但由于時(shí)間分辨率低及技術(shù)上的不成熟，用來監(jiān)測(cè)全年生物量很難達(dá)到要求.因此將MODIS數(shù)據(jù)與CCD影像相結(jié)合來研究東洞庭湖植被是一個(gè)相互彌補(bǔ)的方法.

2.2 東洞庭湖植被提取

東洞庭湖在豐水期（6－8月）水位較高，大部分湖草與泥沙灘地被水淹沒，不利于對(duì)東洞庭湖苔草等湖草灘地與泥炭灘地提取，而枯水期水位較低（其中1月份水位最低），苔草等湖草及泥灘基本露出水面，且各植被灘地光譜特征區(qū)別較大，有利于全面且準(zhǔn)確地對(duì)東洞庭湖灘地進(jìn)行解譯.東洞庭湖1月與8月份遙感影像特征（波段組合為R：band 4G：band 3B：band 2）對(duì)比如圖1所示.

從圖1可知，在豐水期大部分植被洲灘被水淹沒，而枯水期（1月份）洲灘基本露出水面，且光譜特征條理分布清晰.根據(jù)實(shí)地資料與遙感影像對(duì)比，防護(hù)林（包括人工造林）、蘆荻、湖草、純水域與泥灘地光譜特征區(qū)別明顯，說明“環(huán)境一號(hào)”衛(wèi)星影像可以用來解譯東洞庭湖植被分布情況，且能達(dá)到很好的效果.研究區(qū)域各植被分布較為集中，且各植被灘地主要種群比較單一，遙感解譯比較合適.由于洞庭湖“過水為洲，蓄水為湖”的特征，泥炭濕地豐水期被淹沒，枯水期部分露出水面，其與水呈季節(jié)性相互轉(zhuǎn)化，研究將東洞庭湖區(qū)劃分為蘆葦灘地、湖草灘地、防護(hù)林灘地、泥炭灘地和水域，并將泥炭濕地及水域合稱為非植被灘地.

圖1 東洞庭湖濕地范圍Fig.1 Wetlands boundary of east Dongting Lake

根據(jù)影像特征及實(shí)地資料，利用ENVI4.7遙感軟件和ArcGis10軟件，應(yīng)用2010年1月2日HJ1A－CCD2遙感影像對(duì)東洞庭湖濕地進(jìn)行解譯如圖2所示.

研究組于2010年11月－2011年10月進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，通過野外觀測(cè)和對(duì)當(dāng)?shù)卣c居民的采訪，對(duì)東洞庭湖湖區(qū)植被及其生物量分布情況進(jìn)行了了解，對(duì)遙感分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，證明解譯結(jié)果較精確，符合東洞庭湖植被分析的要求.依據(jù)東洞庭湖濕地植被分布圖（圖2）通過GIS軟件計(jì)算得出：東洞庭湖總面積1 340.7km2，蘆葦灘地323.4 km2，占全湖面積的24.1%，且大部分生長(zhǎng)在靠近水域的洲灘，湖草灘地479.4km2，占全湖面積的35.8%，防護(hù)林灘地3.6km2，占全湖面積的0.3%，泥炭灘地393.7km2，占全湖面積的29.3%，水域140.6km2，占全湖面積的10.5%.

圖2 東洞庭湖濕地植被分布Fig.2 Distribution of wetland Vegetation in East Dongting Lake

2.3 EVI指數(shù)年最大值合成與年平均值計(jì)算

相關(guān)研究表明：歸一化植被指數(shù)（NDVI）與植被郁閉度及生物量成正相關(guān)關(guān)系，是對(duì)植被生長(zhǎng)狀況和覆蓋度的綜合度量，NDVI最大值能反映植被一年中的最大郁閉度及生物量情況，植被覆蓋類型不同，其NDVI值也會(huì)存在差異[7－8，12］.而在NDVI的基礎(chǔ)上，EVI綜合了近紅外波段B1、紅波段B2和藍(lán)波段B3 3個(gè)波段的信息，它克服了NDVI的植被高覆蓋區(qū)易飽和、植被低覆蓋區(qū)受土壤背景影響較大、對(duì)大氣衰減的去除不徹底等缺陷[13－17］.東洞庭湖植被豐富，生物量大，NDVI值容易飽和，EVI指數(shù)更能有效地反映洞庭湖生物量分布情況.由于不同植被的生物量時(shí)間序列不同，各植被的最大生物量也可能出現(xiàn)在不同時(shí)期，由同一時(shí)間的單張圖片很難對(duì)各植被的生物量進(jìn)行比較.但利用MVC法獲取東洞庭湖地區(qū)全年最大EVI值能在一張圖上反映當(dāng)年各植被生物量達(dá)最大時(shí)的狀況，然后將各像元EVI值進(jìn)行加和平均來作為整個(gè)地區(qū)當(dāng)年的EVI值，反映整年植被生長(zhǎng)狀況[18］.研究通過對(duì)MODIS13全年影像的EVI指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行年最大值合成及年平均值計(jì)算，能有效的對(duì)不同植被或不同地域的年最大生物量與年平均生物量進(jìn)行對(duì)比分析.研究利用ENVI4.7軟件對(duì)2010年全年 MODIS13數(shù)據(jù)進(jìn)行EVI指數(shù)年最大值合成（圖3）與EVI指數(shù)年平均值計(jì)算（圖4），EVI值處于－1～1之間，本文均將其放大10 000倍來表示.

圖3 EVI年最大值合成圖Fig.3 Synthesis figure of maximum EVI value

圖4 EVI年平均值合成圖Fig.4 Synthesis figure of average EVI value

2.4 東洞庭湖高程圖處理

獲取東洞庭湖高程使用的數(shù)據(jù)為SRTM提供的DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率90m.為方便研究，在ArcGIS中重采樣到與MODIS影像分辨率一致，得到東洞庭湖高程圖（圖5）.

3 結(jié)果與討論

3.1 東洞庭湖植被分布分析與討論

由植被分布圖（圖2）與東洞庭湖高程圖（圖5）對(duì)比分析可知：1）高程23m以下基本為非植被區(qū)，苔草等湖草生長(zhǎng)在23～27m間，蘆葦大部分生長(zhǎng)在27m高程以上且靠近水域，26～27m間為蘆葦與湖草都有生長(zhǎng)的過渡帶，防護(hù)林生長(zhǎng)在30m高程以上.2）在蘆葦生長(zhǎng)區(qū)域，越靠近水域高程越大，這與東洞庭湖多年來的泥沙淤積與蘆葦?shù)拇儆僮饔糜幸欢P(guān)系.

圖5 東洞庭湖高程Fig.5 Elevation map of East Dongting Lake

由于東洞庭湖在一定范圍內(nèi)氣候因素相差不大，因此，植被分布與高程之間的關(guān)系，主要是由于水文的影響.經(jīng)實(shí)地調(diào)查，蘆葦只有水深在10cm以下時(shí)，才生長(zhǎng)發(fā)育良好；而且蘆葦是廣布種，必須在水分條件適宜時(shí)，才能形成純?nèi)郝?因此在高程低于27m時(shí)，水淹時(shí)間過長(zhǎng)或淹沒深度太大而不適合蘆葦?shù)纳L(zhǎng)，而在高程較高且水分較充足的區(qū)域蘆葦群落生長(zhǎng)茂盛；在高程30m以上的部分區(qū)域，由于水分的缺乏，蘆葦生長(zhǎng)減少，經(jīng)過自然演化及人工改造形成了防護(hù)林.而大部分湖草耐濕能力較蘆葦強(qiáng)，甚至能在一定時(shí)間內(nèi)完全水淹的條件下存活或生長(zhǎng)，因此在27m高程以下更適合湖草生長(zhǎng)，而在23 m高程以下時(shí)，由于長(zhǎng)期水淹的條件，湖草生長(zhǎng)也減少，在短時(shí)間退水后形成泥炭灘地.

3.2 東洞庭湖植被生物量分析與討論

依據(jù)EVI指數(shù)年最大值合成圖（圖3）、EVI指數(shù)年平均值計(jì)算圖（圖4）與植被分布圖（圖2）及高程圖（圖5）對(duì)比分析，通過GIS軟件計(jì)算得出不同灘地類型的EVI年最大值與平均值分布范圍（表1）及不同高程處相同植被灘地的EVI年最大值與平均值分布范圍（表2）.

表1 不同灘地類型的EVI年最大值與平均值分布Tab.1 Maximum and average EVI value of different types of beaches

表2 不同高程處相同植被灘地的EVI年最大值與平均值分布范圍Tab.2 Maximum and average EVI value of the same vegetations in different beaches

綜上所述：1）對(duì)不同灘地的EVI指數(shù)年最大值及平均值比較結(jié)果排序?yàn)椋禾J葦灘地，防護(hù)林灘地，湖草灘地，非植被灘地.2）在相同植被灘地中，蘆葦灘地在靠近水域時(shí)高程增大，達(dá)29m以上，且EVI年平均值與年最大值都隨高程的增加而增大，在高地勢(shì)且靠近水域的區(qū)域EVI值達(dá)最大，這與蘆葦對(duì)水分的需求及其促淤效應(yīng)有一定關(guān)系.湖草灘地在遠(yuǎn)離水域的區(qū)域高程越大，且EVI年最大值與年平均值也都隨高程的增加而增大，特別是年平均值，變化趨勢(shì)明顯，這說明低高程的湖草水淹時(shí)間過長(zhǎng)，不利于湖草的生長(zhǎng)，而在27m以上高程，水淹時(shí)間大幅減少，湖草灘地容易被更適合在高地勢(shì)區(qū)域生長(zhǎng)的蘆葦代替.

另外，本文利用EVI最大值及平均值研究植被生物量時(shí)，由于水淹的影響，使部分生長(zhǎng)在低高程處的植被EVI指數(shù)偏低，這也是EVI指數(shù)隨高程增加而增大的另外一個(gè)重要原因，在如何去除水位對(duì)EVI值的影響需進(jìn)一步研究.

3.3 植被適應(yīng)性分析

由東洞庭湖植被及其生物量分析說明，東洞庭湖植被及其生物量分布與高程及水環(huán)境有很大的相關(guān)性，在高程30m以上及遠(yuǎn)離水域區(qū)域，主要是對(duì)水分要求不高的防護(hù)林灘地；蘆葦適合生長(zhǎng)在27m高程以上且靠近水域的區(qū)域，水淹時(shí)間很短卻水分充足；湖草適合生長(zhǎng)在27m以下區(qū)域，但在23m高程以下，水淹時(shí)間過長(zhǎng)，不利于湖草的生長(zhǎng).

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)東洞庭湖植被分布圖、高程圖、EVI植被指數(shù)年最大值合成圖與年平均值計(jì)算圖的對(duì)比分析，得出結(jié)論：

1）蘆葦灘地的EVI值隨高程增加而增大，且在靠近水域區(qū)域（蘆葦灘地在靠近水域處高程較其它區(qū)域大）EVI指數(shù)值達(dá)最大；低高程區(qū)域的湖草灘地的EVI年最大值與年平均值較其它區(qū)域的小，特別是年平均值，變化趨勢(shì)明顯，這與低高程區(qū)域的湖草水淹時(shí)間較長(zhǎng)有一定關(guān)系.

2）洞庭湖植被及其生物量分布與高程及水環(huán)境有很大的相關(guān)性，蘆葦適合生長(zhǎng)在27m高程以上且靠近水域的區(qū)域，湖草適合生長(zhǎng)在27m以下區(qū)域，但若高程太低，水淹時(shí)間過長(zhǎng)，不利于湖草的生長(zhǎng).

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