2001―东洞庭湖湿地NDVI指数的水位响应

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摘要：利用TIMESAT拟合2001年至2010年东洞庭湖的MODIS-NDVI数据，获得整个东洞庭湖湿地A及湿地西侧

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2NDVI时间序列的重构与分析方法

TIMESAT软件[14]由Jnsson和Eklundh共同开发，可进行植被指数时间序列数据集的重建及植被生长物候信息的提取，以便获取季节性植被生长规律信息.该软件包含SavitzkyGolay滤波法、Asymmetric Gaussians拟合法和Logistic函数拟合法三种核心算法.本文利用其中可较好描述NDVI时序数据的总体变化趋势和全局特征的AG拟合法滤波法[15-16]，对经过预处理的MODIS13Q1数据产品进行拟合，去除时间序列中的异常值，重构A，B，C三个区域的NDVI时间序列.将研究区内拟合后所有像元的NDVI值进行平均，获得NDVI平均值的时间序列，用以代表该区域该时段的植被覆盖变化状况，并与东洞庭湖水位序列进行相关性分析.

3结果与分析

3.1NDVI时间序列去噪结果与分析

图2中虚线为A区原始的NDVI时间序列，其中的几个明显异常低值是由于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月中旬这几个时间段内研究区域上方的云层影响.本研究区域是东洞庭湖湿地，鉴于湿地特殊的水文特性对遥感获取的NDVI值的影响，原始NDVI时间序列有一定的锯齿状波动[19].利用TIMESAT软件设置适当参数通过AG拟合使NDVI时间序列平滑化，减小噪声值对时间序列的影响.从图2中可以看出拟合后的曲线平滑，去噪效果良好.

3.2NDVI时间序列与水位整体变化分析

图3所示，NDVI时间序列相对水位的整体变化趋势是：每年的开始阶段随水位的上升NDVI值增大，当水位值达24 m左右时，NDVI值达第一个波峰；随后NDVI曲线呈下降趋势，直至水位达最高时，曲线形成一个波谷；在水位开始下降后NDVI值呈现上升状态，直到水位下降至25m左右后，NDVI值达到第二个波峰；之后11月份后植被进入衰退期，NDVI值随水位的下降也开始减小.由曲线变化幅度可见，A区NDVI变化幅度没有B和C这两区明显；B区的NDVI值相对C区更大，但C区的NDVI变化程度较B区更加剧烈.洞庭湖的汛期是每年6月至9月，非汛期则是10月至次年5月.C区由于植被覆盖类型为芦苇及苔草，生长区的高程较低，受汛期水位上涨影响大；而B区的高程较C区高，主要覆盖的植被为杨树和芦苇，汛期的影响相对较小.2003年后，汛期累积水量逐渐减少，2006年汛期累积水量出现低于全年累积水量的50%[20].水量的减少使泥滩湿地范围增大、时间延长，NDVI值在2003年后（除C区2010年）的6月至9月期间相对2003年前同期较高.东洞庭湖湿地植被质心呈现从林地芦苇苔草逐层靠近湖心的分布特点，1993-2006年三种植被类型的质心均不断向湖心迁移，林地与芦苇的变迁更为显著[21].区域内一部分低矮的植被类型分布区被高直的植被类型取代，林地和芦苇的迁移也导致汛期NDVI值偏高.

对2001至2010年这10年的NDVI与东洞庭湖水位进行多元线性回归二次多项式关系拟合，A，B和C三个研究区拟合的相关系数R分别为：0.56，0.74，0.66.东洞庭湖湿地的NDVI在低水位和高水位状态下，NDVI值较小；在一定的水位水平下NDVI有最大值.其中，A区NDVI的最大值出现在24 m左右，且大值范围较小；B区最大值同样出现在24 m左右，但水位在21 m～31 m的范围均有较大NDVI值；而C区NDVI的大值集中出现在22 m～25 m之间.二次多项式分析表明，东洞庭湖区的植被覆盖有一个水位的临界点或临界范围，且受区域高程的影响.

3.3NDVI时间序列样本自相关性分析

由图4三个不同研究区内的NDVI时间序列的样本自相关曲线分析，A区和B区的样本自相关曲线在第23期、46期等每隔23个滞后期处有个较高的自相关系数，在这两个区域内NDVI时间序列是以每23期（1a）为一个周期的变化.同时，在A区和B区的每个周期内在自相关系数为负值区形成一个凸起的小波峰，波峰的起点在第7期左右（4月中旬），结束点在第19期左右（10月底）.C区的自相关曲线与A区和B区有很大的差别，从直观上看，C区的自相关曲线是每隔约11.5期就形成一个周期.

A区和B区的样本自相关曲线中凸起波峰以及C区每隔11.5期便形成的凸起“伪周期”，与东洞庭湖水位形成波峰的时期正好相吻合.水位上升引起NDVI值降低从而使该处数值自相关性发生改变，每一周期内凸起的波峰的起止时间表示水位在植被生长季中作用时间长度，而波峰的大小表明该时间段内植被覆盖范围受到水位上升的影响大小，表2为2001至2010年东洞庭湖水位的相关信息.东洞庭湖泥滩湿地分布在24 m以下高程，草滩湿地分布在24～26m高程，芦苇湿地分布在26m以上高程[10].显然，水位对NDVI影响程度是A区

3.4三峡时期植被覆盖与湖泊水位相关性变化

东洞庭湖水位的变化与三口、四水的入湖水量有关.三峡建成后，三口、四水的入湖水量均呈现不同程度的减少[22].三峡时期（2003年至今），先后经过五次蓄水过程，其中在2003年、2006年、2009年分别蓄水至135 m，156 m和175 m.表3为2001年至2010年NDVI序列与水位之间的Spearman秩相关系数矩阵，图5中a，b，c分别是2003，2006，2009年与前后两年对比的相关性变化情况（其中，A_23表示对A区全年23期数据进行计算，B_23，C_23类推；A_719表示对A区当年第7至第19期的数据进行计算，B_719，C_719类推）.相关系数变化幅度最大的是C区，B区次之，A区变化则相对最小；且2003年与2009年C区植被生长期和2006年B区植被生长期的ρs值与前后两年对比变化最大，且ρs绝对值在植被生长期均低于前后两年的ρs值，其中最大变化幅度达0.505.图5（d）表示三个重要蓄水年的蓄水高度与研究区域的ρs值变化情况，三峡这三个重要蓄水年的水位从135 m升高至175 m，而A，B，C三个研究区全年的ρs分别从0.337，0.451，0.244增大至0.641，0.687，0.518，植被覆盖与水位之间呈显著相关性（表3）.

前后两年对比分析表明，三峡的蓄水对东洞庭湖植被覆盖与水位的相关性影响主要集中在东洞庭湖湿地植被生长期的水陆交错带.研究表明，三峡蓄水期使城陵矶水位平均降幅2003年为0.59 m，2006年为2.03 m，2009年为2.11 m[23].三峡的蓄水期在植被生长中后期，该时期内水陆交错带植被覆盖与水位之间的相关性减弱，水位对植被覆盖的影响在这三个蓄水年有减小趋势.而蓄水水位至135 m，156 m，175 m的这三年植被覆盖对水位的年相关性逐渐增强，表明三峡蓄水量增大引起东洞庭湖水位下降，植被覆盖对湖泊水位的响应增强.

4结论

利用TIMESAT软件对NDVI时间序列拟合重建消除噪声值的效果较好，对研究东洞庭湖湿地的NDVI对水位响应提供了基础.样本自相关与Spearman秩相关等反映了东洞庭湖湿地的NDVI时间序列的年度与年际变化情况，通过NDVI的连续变化分析量化相同周期内及随时间发展过程东洞庭湖湿地植被覆盖对水位的响应状况.

1）东洞庭湖湿地的NDVI主要受汛期水位上涨影响，水位上升或下降至24 m左右NDVI出现一个峰值，使每个周期内其曲线呈“M”型.

2）通过对比分析，对于地势较平坦且以苔草为主的湿地南侧区域其NDVI对水位响应情况均大于高程为32 m且主要分布为芦苇和杨树的湿地西侧区域.即在东洞庭湖湿地高程越高、植被越趋于旱生或乔灌木，水位对该区域的NDVI的作用越小.

3）三峡时期的2003年、2006年及2009年这三个重要蓄水年，东洞庭湖汛期时NDVI对水位响应减弱，而全年的NDVI变化情况对水位响应增强.三峡蓄水水位从135 m上升至175 m，NDVI与东洞庭湖水位的年相关性由中低相关逐渐增至显著相关.至2003年三峡大坝蓄水后，东洞庭湿地的NDVI对湖泊水位的响应更加明显.

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