【微课堂】基于MODIS时间序列数据的洞庭湖湿地动态监测
洞庭湖湿地是我国最大的淡水湖泊湿地之一，是野生鸟类和鱼类等多种珍贵野生动物重要的栖息地和繁殖地。湿地生态系统中水文要素是影响湿地植被和湿地演化的关键，是湿地生态系统具备动态性特征的根本原因。三峡工程的修建和运行，改变了长江和洞庭湖之间的水文交换关系，从而对洞庭湖湿地生态系统及其功能产生了不同程度的影响。
目前，围绕三峡水库蓄水前后（2003年）洞庭湖湿地某些单独要素的变化进行的研究中，未涉及季节性湿地这一重要类型，且时间周期较短（3～5 年或者 1 年为研究周期）。由于湿地水文变化引起的湿地生态系统的变化是一个相对缓慢的过程，短时间周期的研究未能反映长时间序列湿地与非湿地、季节性湿地与非季节性湿地等连续的变化情况。通过增加观测的时间频率，可以在一年内不同的季节里进行重复观测，从而可以实现对湿地季节性变化特征的反演，为在理论上解决湿地的动态监测提供了可能的途径。
洞庭湖位于湖南省北部、长江荆江河段南岸，是我国第二大淡水湖。东洞庭湖湿地、南洞庭湖湿地与西洞庭湖湿地分别于1992年和2002年被列入《湿地公约》目录，成为中国 46个国际重要湿地中的3处，总面积近4000 km2，成为世界最重要的湿地保护地之一。研究区由以上3个国际重要湿地合并而成（图 1）。
图1. 洞庭湖位置与水系图
使用的数据为 MODIS 数据的植被指数产品（MODIS13Q1），该数据集包括 NDVI、EVI、反射率、像元可信度和质量控制数据集等数据。时间覆盖 2001年1 月至2014 年 12 月，1 年中有 23 景影像，14 年共 322 景影像。
监测方法
研究中首先采用S-G滤波方法对受影响的数据进行处理，结果表明林地像元的处理结果能满足要求，但对于水体等像元仍然存在异常，如图2（A）所示。进一步采用增强型S-G滤波对MODIS数据进行预处理，处理的效果如图2（B）所示。
图2. EVI时间序列滤波处理对比（A：林地；B：水体）
基于洞庭湖区不同土地覆盖类型的EVI物候特征（图3），参照《湿地公约》分类体系并依据湿地生态系统的功能特征，将洞庭湖湿地保护区划分为永久性水域、永久性沼泽、季节性沼泽、泥滩、林地、农用地和建成区7种覆盖类型。在此基础上建立不同类型的EVI特征曲线，如图4所示。
图3. 不同土地覆盖类型的EVI特征
图4. EVI参考曲线图
采用波谱匹配的最小距离分类法（SMMD）对研究区14年的时间序列MODIS影像进行分类，SMMD的分类原理及过程如图5所示，待分像元时间序列曲线与图中两条标准曲线进行匹配测量距离之后，与季节性沼泽参考曲线的距离小于永久性沼泽参考曲线，因为最终该待分像元被确认为季节性沼泽。
图5. SMMD分类原理及过程
洞庭湖14年的结果如图6所示。在此基础上对洞庭湖不同的土地覆盖类型进行变化统计，如图7所示。统计结果表明2001—2014年洞庭湖天然湿地（包括永久性水域、永久性沼泽和季节性沼泽、泥滩）呈现了波动减少的趋势，其中永久性水域减少约 11 %，永久性沼泽减少约 22 %，而季节性湿地减少约 13 %；同时，林地则呈现了持续增长的特征，到 2014年成为保护区内面积最大的覆盖类型，增长了 29 %。
图6. 洞庭湖湿地保护区2001-2014年的分类结果图
图7. 2001-2014年洞庭湖不同土地覆盖类型变化
洞庭湖不同类型的土地覆盖类型从湖心向外分布如图8所示。14年来，东洞庭湖、西洞庭湖和南洞庭湖的湖心区，沼泽不断地向永久性水域和泥滩方向扩张。在离湖心较远的区域沼泽转变为农用地及林地，14年间洞庭湖的沼泽在空间位置上发生了大范围的空间位置的迁移，如图9所示。同时，西洞庭湖及南洞庭湖区受人为因素影响，出现大面积滩地造林，如图10所示。沼泽空间位置的迁移及大面积沼泽转化为林地改变了原有的生态系统格局。
图8. 洞庭湖不同土地覆盖类型的空间位置分布
图9. 洞庭湖沼泽空间迁移图
图10. 洞庭湖区沼泽转化为林地
洞庭湖湿地作为中国 3个国际重要湿地的分布区域，在生物多样性保护和生态环境维系方面都具有重要作用。气候变化、三峡水库的运行和滩地造林等因素十多年来对湖区生态系统产生了广泛的影响，包括不同土地覆盖类型面积数量的变化及空间位置的变化。这些变化对洞庭湖湿地生态系统在防洪蓄水、降解污染、生物多样性保护、碳存储和调节气候等方面的功能产生了影响。2001年以来洞庭湖区湿地生态系统格局发生了显著变化，并逐渐过渡到新的平衡状态。在这种新的江湖水文关系影响下，湿地分布及其对生态系统的影响需做进一步分析，包括对珍惜鸟类、鱼类生活习性的改变及裸露洲滩碳存储的影响等。
以上内容由遥感地球所陈燕芬、牛振国、胡胜杰、张海英提供。