基于长时序光学遥感数据的鄱阳湖湿地景观格局时空动态研究

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鄱阳湖作为我国第一大淡水湖泊,国际重要湿地,亚洲最大的候鸟栖息地,其生态环境具有广泛的国际关注度和影响力。然而受到鄱阳湖周期性水淹没的限制,目前为止仍然缺乏详细的关于鄱阳湖湿地覆盖类型以及鄱阳湖湿地植被种群长时序时空分布数据,以及缺乏气候变化对鄱阳湖湿地生态系统影响的研究。虽然有研究表明,三峡大坝蓄水导致中国最大的淡水湖鄱阳湖的水面积逐渐萎缩和水位下降。然而关于三峡工程蓄水对鄱阳湖湿地景观格局的影响却没有相关研究。本文利用长时序的中等空间分辨率的Landsat系列数据以及高时间分辨率的MODIS遥感数据,结合气象、水文站点实测数据,分析了鄱阳湖近40年的湿地覆盖类型以及近15年的鄱阳湖湿地植被种群的时空动态以及驱动因素。研究成果包括湖泊湿地地表覆盖类型分类方法、基于高时相遥感数据以及植被物候变化的湿地植被种群分类方法,并且首次分析了三峡工程蓄水对鄱阳湖湿地植被种群空间分布的影响,具体内容如下:为了确保每年获取的卫星数据具有相似的水文和物候条件,研究使用同一季节获取的40年(1973-2013)Landsat卫星遥感影像以及从高分辨率Quickbird遥感影像选取的训练样本和验证样本,使用支撑向量机算法对鄱阳湖湿地地表覆盖类型进行分类。由于Landsat不同传感器(MSS,TM,ETM+,OLI)的光谱响应函数以及波段设置不一致,因此在研究区域选取若干个反射率相对稳定的不变点(水体、浓密森林植被、沙地、反射率为零点),使用了经验线校正的方法将MSS、TM、ETM+传感器获取的影像数据校正到OLI传感器的水平上,进而将OLI遥感影像上选取的训练样本应用到Landsat其它传感器获取的影像上。从长时序分类结果图可以看出,鄱阳湖不同地表覆盖类型在这近40年发生了显著的变化。鄱阳湖湿地植被面积在近些年以15.9 km2 year-1(<0.05)的速率显著增加,而且南矶山湿地国家自然保护区湿地植被向湖中心扩张。1984年之后泥滩的变化正好与湿地植被的变化相反,以-12.1 km2 year1(p<0.05)的速率减少。沙地面积从1973年(544.3 km2)降到1990年(62.9km2)之后迅速减少,1990年之后,面积保持在<100 km2的水平。而两个国家自然保护区湿地植被面积的变化趋势与整个鄱阳湖的变化趋势一致。使用四十年的Landsat卫星数据与HJ-1A/1B CCD卫星观测数据,定量的分析了鄱阳湖湿地植被的长期变化。在枯水期2001年到2013年植被面积增加了620.8km2。通过对丰水期湿地覆盖类型的分析,在1977年到2003年期间并没有发现显著的湿地覆盖类型的变化,而在对2003年到2014年丰水期湿地植被覆盖类型分析中,我们发现有30%南矶山湿地国家级自然保护区被植被覆盖,大面积的水体转变为植被。对枯水期的归一化植被指数NDVI进行时序分析,我们发现近些年来湖中心植被的长势变好,与此同时靠近岸边远离湖中心水体的区域(靠近鄱阳湖边界线区域)的植被的生长受到了限制。对丰水期植被的NDVI进行长时间序列分析表明南矶山区域的植被近些年长势变好。无论在丰水期还是枯水期,水位与湿地植被覆盖面积的关系在三峡工程蓄水前后都发生了变化。通过对长时序的水文与气象数据分析清楚地表明,近些年鄱阳湖区降雨一直保持稳定,而鄱阳湖水位在三峡工程蓄水之后显著降低,这可能是引起湿地植被近些年扩张的主要原因。三峡工程蓄水对下游的水生态环境特别是湿地的影响,从其计划建设阶段就一直是备受关注。然而还没有科学依据表明鄱阳湖湿地植被近些年的变化与2003年后三峡工程蓄水有关。通过使用2000年到2014年MODIS鄱阳湖观测数据,我们提出了基于植被物候的决策树分类方法,对鄱阳湖湿地植被种群的时空分布进行监测。其中鄱阳湖遥感影像被分为了:苔草群落、芦苇-南荻群落、虉草-寥子草群落、菰群落、浮叶植被群落、水体、泥滩和未知类型。由鄱阳湖近15年植被群落分类结果的分析表明,鄱阳湖湿地植被总面积与每种类型的湿地植被面积(除去浮叶植被)均有明显的增加趋势,而且鄱阳湖湿地植被有明显的向湖中心扩张的趋势。在上述研究的基础上,通过对2000年到2014年MODIS湿地植被种群分类图进行空间变化分析,发现湿地植被主要是从亲水植被类型转变为适应干旱环境的植被类型。同时我们使用1973年到2015年鄱阳湖实测水位数据,模拟了整个鄱阳湖的水深数据。通过对每种植被群落在三峡蓄水前后对应的生长季节的平均水深数据进行,发现每种植被在三峡工程蓄水前后的水深生态阈(最佳生长水深)并没有发生变化。三峡大坝蓄水前后,水位和植被覆盖类型在丰水期和枯水期的关系截然不同。对长时间序列的水文和气象数据进行分析,结果清楚地表明虽然鄱阳湖区域降雨量在三峡工程蓄水前后保持稳定,但是鄱阳湖水位在三峡工程蓄水之后显著下降,这可能是导致近些年来鄱阳湖湿地植被扩张的主要原因。
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