基于modis-ndvi的東洞庭湖ndvi時(shí)間序列對水位變化的響應(yīng)

基于modis-ndvi的東洞庭湖ndvi時(shí)間序列對水位變化的響應(yīng)

湖泊水陸交錯(cuò)帶是湖泊濕地生物多樣性的重要組成部分，也是湖泊濕地生態(tài)功能最敏感的區(qū)域。它是湖泊水域和周圍陸地環(huán)境之間物質(zhì)和能量交換的重要通道。水陸交錯(cuò)帶在湖泊生物生產(chǎn)、繁殖和養(yǎng)分平衡中發(fā)揮著非常重要的作用。衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,使得獲取大范圍內(nèi)植被覆蓋變化更加方便快速.其中歸一化植被指數(shù)(ND-VI)廣泛應(yīng)用于分析植被及其它因素之間的土地覆蓋變化,得到眾多的關(guān)注［２－３］.其中中等分辨成像光譜儀(MODIS)獲取的NDVI是一種廣泛應(yīng)用于植被覆蓋研究的指數(shù)［４］.Feng等利用MODIS數(shù)據(jù)分析了鄱陽湖2000-2010年洪水變化情況［５］,Hu等利用遙感技術(shù)選取1993年、2002年、2006年和2010年的影像分析1993-2010年的洞庭湖植被變化情況［６］,而濕地植被生長狀況和濕地功能受水文狀況驅(qū)動(dòng)［７］,其相關(guān)變化是連續(xù)過程.三峽的建立對東洞庭湖的水文狀態(tài)有一定的改變,東洞庭湖的植被群落與高程密切相關(guān),植被生長區(qū)域高程越高及越靠近水面,群落數(shù)越少［８］,24m至26m的水位漲落時(shí)序變化大,低高程的泥灘濕地裸露時(shí)間延長,將向草灘濕地演替,對植被生長和生物量累積有利［９－１０］,植被覆蓋對水位響應(yīng)存在連續(xù)變化.對東洞庭湖濕地的植被隨時(shí)間的生長狀況及植被覆蓋范圍相對水位的變化的研究成為江湖關(guān)系改變過程中的重要研究內(nèi)容.但利用衛(wèi)星遙感技術(shù)手段對東洞庭湖濕地植被的高時(shí)頻、長時(shí)序的生長狀況的監(jiān)測及其對水位的變化關(guān)系研究不足.本研究利用MODIS的NDVI指數(shù)對東洞庭湖濕地植被生長狀態(tài)和湖泊水位狀態(tài)的時(shí)間序列進(jìn)行分析,重點(diǎn)研究2001年至2010年東洞庭湖濕地植被生長的年度季節(jié)性變化和年際周期性變化及植被覆蓋與湖泊水位之間的相關(guān)性.通過連續(xù)變化分析量化相同周期內(nèi)及隨時(shí)間發(fā)展過程?hào)|洞庭湖湖泊水陸交錯(cuò)帶植被覆蓋對水位的變化狀況,探討東洞庭湖濕地植被覆蓋變化的重要水位響應(yīng)點(diǎn),并分析三峽時(shí)期東洞庭湖植被對湖泊水位的響應(yīng)情況.研究將為東洞庭湖濕地植被在三峽工程建立后水文狀態(tài)發(fā)生改變下的保護(hù)及對洞庭湖的生態(tài)蓄水位和建閘建壩等生態(tài)修復(fù)工程提供參考依據(jù).1研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源1.1研究區(qū)與區(qū)域高程的變化東洞庭湖地理坐標(biāo)為28°59′-29°38′N,112°43′-113°15′E,是洞庭湖水系的主要組成部分.其最大湖水面積為1328km２,約為洞庭湖面積的50%,年平均過湖水量達(dá)3126億m３,是長江中游重要的調(diào)蓄過水型湖泊,豐水期為每年6月至8月,枯水期為12月至次年3月,水深4~22m,最大水位高差為17.17m.依據(jù)高程面積曲線,東洞庭湖濕地最低高程約為21m,多年平均顯露時(shí)間約123d［１u3000１］.東洞庭湖植被類型隨區(qū)域高程差異有變化,而不同的植被類型其NDVI值會(huì)不同［１２－１３］,東洞庭湖水位的變化對不同高程和其不同的植被類型區(qū)域的作用也相應(yīng)產(chǎn)生不同影響.本文依據(jù)高程和植被分布與水位變化范圍劃分三個(gè)研究區(qū)進(jìn)行分析:A區(qū)以東洞庭湖整體為研究區(qū),包含整個(gè)湖面及B區(qū)和C區(qū).B區(qū)位于東洞庭湖濕地西側(cè),該區(qū)域植被以蘆葦(Phragmitsaustralis)和楊樹(Populusspp.)為主,最大高程約32m,豐水年的豐水期可將該區(qū)域全部淹沒,水位變化表現(xiàn)為快漲快退的態(tài)勢.C區(qū)位于東洞庭湖南側(cè),植被以蘆葦和苔草(Carex)為主,地勢比較平坦,高程由北向南緩慢增高,最大高程約30m,水面覆蓋范圍表現(xiàn)為每年隨著水位逐步上升向南逐漸增大,豐水期該區(qū)域?qū)⑷勘缓蜎].通過對三個(gè)劃分區(qū)域的整體與部分及部分之間的對比分析,可全面了解東洞庭濕地植被覆蓋的變化與水位的響應(yīng)情況.1.2dem數(shù)據(jù)的獲取MOD13Q1數(shù)據(jù)是EOS/Terra衛(wèi)星的MODIS產(chǎn)品之一.本研究采用基于最大合成法(maximumvaluecomposite,MVC)每16d合成(每年23期),分辨率為250m的NDVI數(shù)據(jù),該產(chǎn)品經(jīng)過幾何校正和大氣校正.MODIS數(shù)據(jù)可以從美國航天航空局的GoddardSpaceFlightCenter衛(wèi)星網(wǎng)站上免費(fèi)獲取(/index.ht-ml).本研究從衛(wèi)星網(wǎng)站下載時(shí)間覆蓋從2001年至2010年共10年的230期影像為研究對象,并利用Envi4.7對原始影像進(jìn)行預(yù)處理.東洞庭湖的水位數(shù)據(jù)采用岳陽城陵磯監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù).本研究結(jié)合NDVI值選取2001年至2010年這十年的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行,選取的水位數(shù)據(jù)(日平均水位)對應(yīng)衛(wèi)星采集MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間.研究中用到的東洞庭湖高程DEM數(shù)據(jù)來源于國家科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(ht-tp:///index.jsp),所使用的數(shù)據(jù)為SRTM提供的DEM數(shù)據(jù),空間分辨率為90m.2u3000計(jì)算方法TIMESAT軟件［１u3000４］由Jue56ensson和Eklundh共同開發(fā),可進(jìn)行植被指數(shù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集的重建及植被生長物候信息的提取,以便獲取季節(jié)性植被生長規(guī)律信息.該軟件包含Savitzky-Golay濾波法、AsymmetricGaussians擬合法和Logistic函數(shù)擬合法三種核心算法.本文利用其中可較好描述NDVI時(shí)序數(shù)據(jù)的總體變化趨勢和全局特征的AG擬合法濾波法［１５－１６］,對經(jīng)過預(yù)處理的MODIS13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行擬合,去除時(shí)間序列中的異常值,重構(gòu)A,B,C三個(gè)區(qū)域的NDVI時(shí)間序列.將研究區(qū)內(nèi)擬合后所有像元的NDVI值進(jìn)行平均,獲得NDVI平均值的時(shí)間序列,用以代表該區(qū)域該時(shí)段的植被覆蓋變化狀況,并與東洞庭湖水位序列進(jìn)行相關(guān)性分析.利用樣本自相關(guān)函數(shù)(SampleACF)對NDVI時(shí)間序列進(jìn)行自相關(guān)性分析［１u3000７］,并結(jié)合水位變化狀況,分析NDVI時(shí)間序列受東洞庭湖水位作用的大小.對于給定的一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)y１,y２,…,yｎ樣本自相關(guān)系數(shù)在滯后期k時(shí)的值是:其中,計(jì)算Spearman秩相關(guān)系數(shù)(ρｓ),度量2001年至2010年每年的植被覆蓋與水位之間的相關(guān)性,分析三峽時(shí)期重要蓄水年植被覆蓋的水位響應(yīng)狀況.基于時(shí)間序列的季節(jié)性和年際變化,對各區(qū)域的NDVI時(shí)間序列與水位之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)分為2個(gè)不同時(shí)間段進(jìn)行:對每年23期的時(shí)間序列進(jìn)行計(jì)算;對每年4月中旬至10月底的植被生長期(第7期至第19期)序列進(jìn)行計(jì)算.綜合考慮ND-VI值與水位的關(guān)系,參照Zoffoli等對濕地NDVI的時(shí)空變化分析結(jié)果［１u3000７］和相關(guān)性概率意義［１u3000８］,取下列數(shù)值表示相關(guān)性系數(shù)與相關(guān)性關(guān)系(表1).3結(jié)果與分析3.1u3000原始ndvi時(shí)間序列的擬合圖2中虛線為A區(qū)原始的NDVI時(shí)間序列,其中的幾個(gè)明顯異常低值是由于2001年12月初、2002年2月中旬及4月中旬、2005年2月初、2006年2月初及2008年1月中旬這幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)域上方的云層影響.本研究區(qū)域是東洞庭湖濕地,鑒于濕地特殊的水文特性對遙感獲取的NDVI值的影響,原始NDVI時(shí)間序列有一定的鋸齒狀波動(dòng)［１u3000９］.利用TIMESAT軟件設(shè)置適當(dāng)參數(shù)通過AG擬合使NDVI時(shí)間序列平滑化,減小噪聲值對時(shí)間序列的影響.從圖2中可以看出擬合后的曲線平滑,去噪效果良好.3.2泥灘濕地ndvi圖3所示,NDVI時(shí)間序列相對水位的整體變化趨勢是:每年的開始階段隨水位的上升NDVI值增大,當(dāng)水位值達(dá)24m左右時(shí),NDVI值達(dá)第一個(gè)波峰;隨后NDVI曲線呈下降趨勢,直至水位達(dá)最高時(shí),曲線形成一個(gè)波谷;在水位開始下降后NDVI值呈現(xiàn)上升狀態(tài),直到水位下降至25m左右后,NDVI值達(dá)到第二個(gè)波峰;之后11月份后植被進(jìn)入衰退期,NDVI值隨水位的下降也開始減小.由曲線變化幅度可見,A區(qū)NDVI變化幅度沒有B和C這兩區(qū)明顯;B區(qū)的NDVI值相對C區(qū)更大,但C區(qū)的NDVI變化程度較B區(qū)更加劇烈.洞庭湖的汛期是每年6月至9月,非汛期則是10月至次年5月.C區(qū)由于植被覆蓋類型為蘆葦及苔草,生長區(qū)的高程較低,受汛期水位上漲影響大;而B區(qū)的高程較C區(qū)高,主要覆蓋的植被為楊樹和蘆葦,汛期的影響相對較小.2003年后,汛期累積水量逐漸減少,2006年汛期累積水量出現(xiàn)低于全年累積水量的50%［２０］.水量的減少使泥灘濕地裸露范圍增大、時(shí)間延長,NDVI值在2003年后(除C區(qū)2010年)的6月至9月期間相對2003年前同期較高.東洞庭湖濕地植被質(zhì)心呈現(xiàn)從林地-蘆葦-苔草逐層靠近湖心的分布特點(diǎn),1993-2006年三種植被類型的質(zhì)心均不斷向湖心遷移,林地與蘆葦?shù)淖冞w更為顯著［２１］.區(qū)域內(nèi)一部分低矮的植被類型分布區(qū)被高直的植被類型取代,林地和蘆葦?shù)倪w移也導(dǎo)致汛期NDVI值偏高.對2001至2010年這10年的NDVI與東洞庭湖水位進(jìn)行多元線性回歸二次多項(xiàng)式關(guān)系擬合,A,B和C三個(gè)研究區(qū)擬合的相關(guān)系數(shù)R分別為:0.56,0.74,0.66.東洞庭湖濕地的NDVI在低水位和高水位狀態(tài)下,NDVI值較小;在一定的水位水平下NDVI有最大值.其中,A區(qū)NDVI的最大值出現(xiàn)在24m左右,且大值范圍較小;B區(qū)最大值同樣出現(xiàn)在24m左右,但水位在21m~31m的范圍均有較大NDVI值;而C區(qū)NDVI的大值集中出現(xiàn)在22m~25m之間.二次多項(xiàng)式分析表明,東洞庭湖區(qū)的植被覆蓋有一個(gè)水位的臨界點(diǎn)或臨界范圍,且受區(qū)域高程的影響.3.3東合湖濕地ndvi值的時(shí)間變化由圖4三個(gè)不同研究區(qū)內(nèi)的NDVI時(shí)間序列的樣本自相關(guān)曲線分析,A區(qū)和B區(qū)的樣本自相關(guān)曲線在第23期、46期等每隔23個(gè)滯后期處有個(gè)較高的自相關(guān)系數(shù),在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)NDVI時(shí)間序列是以每23期(1a)為一個(gè)周期的變化.同時(shí),在A區(qū)和B區(qū)的每個(gè)周期內(nèi)在自相關(guān)系數(shù)為負(fù)值區(qū)形成一個(gè)凸起的小波峰,波峰的起點(diǎn)在第7期左右(4月中旬),結(jié)束點(diǎn)在第19期左右(10月底).C區(qū)的自相關(guān)曲線與A區(qū)和B區(qū)有很大的差別,從直觀上看,C區(qū)的自相關(guān)曲線是每隔約11.5期就形成一個(gè)周期.A區(qū)和B區(qū)的樣本自相關(guān)曲線中凸起波峰以及C區(qū)每隔11.5期便形成的凸起“偽周期”,與東洞庭湖水位形成波峰的時(shí)期正好相吻合.水位上升引起NDVI值降低從而使該處數(shù)值自相關(guān)性發(fā)生改變,每一周期內(nèi)凸起的波峰的起止時(shí)間表示水位在植被生長季中作用時(shí)間長度,而波峰的大小表明該時(shí)間段內(nèi)植被覆蓋范圍受到水位上升的影響大小,表2為2001至2010年東洞庭湖水位的相關(guān)信息.東洞庭湖泥灘濕地分布在24m以下高程,草灘濕地分布在24~26m高程,蘆葦濕地分布在26m以上高程［１０］.顯然,水位對NDVI影響程度是A區(qū)<B區(qū)<C區(qū).樣本自相關(guān)曲線差異明顯,水位對三個(gè)研究區(qū)域植被覆蓋的影響的主要原因是不同高程下NDVI值受湖泊水位作用的時(shí)間與范圍不同:A區(qū)涵蓋范圍廣,周邊高NDVI值的植被覆蓋區(qū)受東洞庭湖水位的影響小,因此在總體上受影響不大;位于東洞庭湖濕地西側(cè)的B區(qū),高程值最大為32m左右,加之生長的楊樹和挺水植物蘆葦,在4月中旬至10月底的植被生長期,NDVI值對水位變化響應(yīng)相對小;而位于東洞庭湖濕地南側(cè)的C區(qū),高程值最大為30m左右,地勢較平坦,主要植被苔草和蘆葦在較高水位時(shí)易于被淹沒,因而對水位變化的響應(yīng)大.3.4a區(qū)各年度數(shù)據(jù)東洞庭湖水位的變化與三口、四水的入湖水量有關(guān).三峽建成后,三口、四水的入湖水量均呈現(xiàn)不同程度的減少［２２］.三峽時(shí)期(2003年至今),先后經(jīng)過五次蓄水過程,其中在2003年、2006年、2009年分別蓄水至135m,156m和175m.表3為2001年至2010年NDVI序列與水位之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣,圖5中a,b,c分別是2003,2006,2009年與前后兩年對比的相關(guān)性變化情況(其中,A_23表示對A區(qū)全年23期數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,B_23,C_23類推;A_7-19表示對A區(qū)當(dāng)年第7至第19期的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,B_7-19,C_7-19類推).相關(guān)系數(shù)變化幅度最大的是C區(qū),B區(qū)次之,A區(qū)變化則相對最小;且2003年與2009年C區(qū)植被生長期和2006年B區(qū)植被生長期的ρｓ值與前后兩年對比變化最大,且ρｓ絕對值在植被生長期均低于前后兩年的ρｓ值,其中最大變化幅度達(dá)0.505.圖5(d)表示三個(gè)重要蓄水年的蓄水高度與研究區(qū)域的ρｓ值變化情況,三峽這三個(gè)重要蓄水年的水位從135m升高至175m,而A,B,C三個(gè)研究區(qū)全年的ρｓ分別從0.337,0.451,0.244增大至0.641,0.687,0.518,植被覆蓋與水位之間呈顯著相關(guān)性(表3).前后兩年對比分析表明,三峽的蓄水對東洞庭湖植被覆蓋與水位的相關(guān)性影響主要集中在東洞庭湖濕地植被生長期的水陸交錯(cuò)帶.研究表明,三峽蓄水期使城陵磯水位平均降幅2003年為0.59m,2006年為2.03m,2009年為2.11m［２３］.三峽的蓄水期在植被生長中后期,該時(shí)期內(nèi)水陸交錯(cuò)帶植被覆蓋與水位之間的相關(guān)性減弱,水位對植被覆蓋的影響在這三個(gè)蓄水年有減小趨勢.而蓄水水位至135m,156m,175m的這三年植被覆蓋對水位的年相關(guān)性逐漸增強(qiáng),表明三峽蓄水量增大引起東洞庭湖水位下降,植被覆蓋對湖泊水位的響應(yīng)增強(qiáng).4東瞳濕地ndvi對湖泊水位的響應(yīng)利用TIMESAT軟件對NDVI時(shí)間序列擬合重建消除噪聲值的效果較好,對研究東洞庭湖濕地的NDVI對水位響應(yīng)提供了基礎(chǔ).樣本自相關(guān)與Spearman秩相關(guān)等反映了東洞庭湖濕地的NDVI時(shí)間序列的年度與年際變化情況,通過NDVI的連續(xù)變化分析量化相同周期內(nèi)及隨時(shí)間發(fā)展過程?hào)|洞庭湖濕地植被覆蓋對水位的響應(yīng)狀況.1)東洞庭湖濕地的NDVI主要受汛期水位上漲影響,水位上升或下降至24m左右