论文标题： Wetland Hydroperiod Change Along the Upper Columbia River Floodplain, Canada, 1984 to 2019 （1984年至2019年间加拿大哥伦比亚河上游沿线洪泛区湿地水文周期变化）

期刊：Remote Sensing

作者：Chris Hopkinson, Brendon Fuoco, Travis Grant, Suzanne E. Bayley, Brian Brisco and Ryan MacDonald

发表时间：14 December 2020

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研究背景

近年来，随着全球多数地区温度和降水趋势发生了显著变化，洪泛区湿地的淹没程度随之发生了变化。为了进一步了解洪泛区湿地的制图、调查和监测情况，提高对洪泛区湿地长期变化和脆弱性的认识，来自莱斯布里奇大学的Chris Hopkinson博士及其研究团队对加拿大哥伦比亚河上游沿线洪泛区湿地的水文周期进行了研究。

他们利用陆地卫星专题测图仪/陆地成像仪 (Landsat Thematic Mapper or Operational Land Imager, Landsat TM/OLI) 传感器获取的61个晴空场景的中像素分辨率光学卫星图像，绘制了1984年-2019年间4月-10月内的水文活跃季节洪泛区开阔水域湿地范围的时间变化图。将水周期T1 (1984年-2002年) 的31个场景和水周期T2 (2003年-2019年) 的30个场景进行比较，以确定永久和季节性开放水体的变化，推断出未来气候变化对湿地和水体持久性的潜在影响。

研究过程

本文以哥伦比亚河上流沿线17公里内, Brisco至Spillimacheen洪泛区湿地为观测对象 (图1)。哥伦比亚河上游河谷被森林、农业、冰川和公园绿地所环绕，拥有许多湿地复合体，这些复合体在水文上常常与主河道断开，被认为很容易受气候变暖的影响。分析过程包含两个关键步骤，即基于图像的水掩膜层提取和水文周期频率分析，图2为光学和SAR水掩膜以及水文周期构建工作流程图。对于Landsat图像，使用归一化植被指数 (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) 和改进的归一化水体指数 (Modified Normalized Water Index, MNDWI) 生成基于指数的阈值水掩膜层。通过添加所有二元水掩膜层，并将像素值除以图像总数，得到0-100%之间的相对频率值，构建活动期水文周期。因此，任何像素位置上的频率百分比代表在该位置显示开放水域的图像的相对比例，其中100%代表永久开放水域，0%代表很少被淹没的洪泛区。

图1. 本文研究区域图

图2. 光学和SAR水掩膜以及水文周期构建工作流程图

研究结果

通过前后两个时期的数据对比，两个水文周期在可识别的主河道和开放水域特征上是相似的，但总体而言，T2的开放水域频率略有降低。将1984-2019年各Landsat TM/OLI水掩膜的观测面积与当日下游河流平均流量进行回归。回归结果表明它们存在明显的线性关系，这表明在划定的观测范围内，淹没面积与流量呈线性比例关系，同时，开放水域面积与流量的关系在整个水文活动性季节都保持不变。图3显示了Landsat 多光谱扫描仪 (Multi-Spectral Scanner, MSS) 和Radarsat 2雷达卫星的水文周期图像以及与长期Landsat TM/OLI水文周期类别的差异，以便进行直观比较。这三种水文周期分析方法在主要的大型永久开放水域方面趋于一致，在洪泛区内多数未被淹没的地区也存在一些对应关系。

图3. 水文周期图像比较图

总结

本文通过对Landsat TM/OLI卫星图像数据的时间序列应用NDVI-MNDWI指数减法，构建了1984-2019年间的连续水文周期图，描述了哥伦比亚河上游洪泛区域一段河段的季节性和永久开放水域特征。数据分析表明，Brisco和Spillimacheen之间的洪泛区湿地综合体的淹没模式与下游河流流量有决定性的关系，如果未来可以进行径流模拟，这种关系对于湿地脆弱性评估具有明显的潜力。

在TM/OLI的早期和晚期，以及MSS和Radarsat 2的水文周期样本中，不同的永久水体和大面积季节性洪水两侧很少被淹没的洪泛区的水文周期特征基本一致。早期 (1984年至2002年) 和后期 (2003年至2019年) 水文期特征之间最明显的差异是永久性开放水域损失约16％ (洪泛区总面积变化3.5％)。历史记录中的这些观察结果与区域气候变化的预期一致，表明永久和季节性开放水域可能会继续减少，从而增加湿地的脆弱性。本文研究建议将易受气候变化影响的洪泛区湿地作为高时间分辨率监测的对象，以跟踪开放水域水文周期的变化，从而为湿地生态系统服务受损问题提供早期预警。

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