基于特征空間的土壤含鹽量的遙感反演

劉亞男 白欣 侯君英

摘要土壤表層含鹽量的聚集是造成土壤鹽漬化的主要原因，因此借助遙感手段及時、準(zhǔn)確地對土壤含鹽量進行研究有著重要的現(xiàn)實意義。以渭干河-庫車河流域三角洲綠洲為研究區(qū)，采用2011年4月的Landsat衛(wèi)星資料，利用改進型植被MSAVI和鹽分指數(shù)（SI）構(gòu)建土壤含鹽量特征空間的遙感模型，并且通過2011年9月野外同步實測的地表0～10 cm土壤含鹽量進行相關(guān)性分析，R2=0.859 6，精度較好。這對干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞土壤含鹽量；特征空間；MSAVI；SI

中圖分類號S127文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00110-02

基金項目國家自然科學(xué)基金項目（41161063，41261090）；霍英東教育基金項目（121018）；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃。

作者簡介劉亞男（1985- ），女，甘肅高臺人，碩士研究生，研究方向：地理信息系統(tǒng)，Email：1215989402@qq.com。

收稿日期20131202土壤鹽漬化是當(dāng)今世界上土地荒漠化和土地退化的主要類型之一，也是世界性資源問題和生態(tài)問題[1]。土壤的鹽漬化影響農(nóng)作物的生長，直接導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，是農(nóng)業(yè)開發(fā)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大限制條件和障礙因素。在我國，鹽漬土分布范圍廣，覆蓋熱帶和寒溫帶、濱海和內(nèi)陸、低地和高原地區(qū)。土壤的鹽漬化問題和灌溉引起的土壤次生鹽漬化問題是新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙，也是影響新疆綠洲生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要因素[2]。土壤含鹽量是鹽漬化狀況最表觀的反映，也是造成土壤鹽漬化的主要原因。目前，已有多位學(xué)者在不同地區(qū)對土壤含鹽量進行研究[3-4]。地表含水量-植被指數(shù)可綜合反映土壤含鹽量的二維空間特征，是近年來廣泛應(yīng)用的土壤含鹽量的遙感反演方法。筆者采用MSAVI改進型植被指數(shù)法和鹽分指數(shù)SI構(gòu)建土壤含鹽量的遙感反演模型。土壤含鹽量的反演對鹽漬化預(yù)警以及環(huán)境生態(tài)評價具有一定的現(xiàn)實意義。

1研究區(qū)概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲（以下簡稱渭-庫綠洲）位于天山南麓。研究區(qū)位于塔里木盆地中北部，地勢北高南低，平均海拔920～1 100 m。地理坐標(biāo)為40°31′～41°53′N，82°18′～83°35′E。該地區(qū)是一個典型且完整的山前沖積扇平原，屬大陸性暖溫帶極端干早氣候，熱資源豐富，多年年均降水量51.62 mm，屬于典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)地區(qū)。該研究區(qū)的農(nóng)作物以棉花、小麥、玉米為主。

2數(shù)據(jù)與研究方法

2.1研究資料及數(shù)據(jù)處理遙感影像采用2011年4月和2011年9月的Landsat ETM+數(shù)據(jù)。野外勘查和土壤樣品采集于2011年4月和2011年9月。采集的土樣在實驗室自然風(fēng)干后，剔出土壤以外的侵入體（如植物殘茬、石粒、磚塊等雜質(zhì)），適當(dāng)磨細，過1 mm孔徑篩，充分混勻，裝入容器待用。按土壤農(nóng)化分析要求，用高精度儀器（METTLER TOLEDO AL204）稱取50 g用于化學(xué)分析的樣土，與250 ml蒸餾水混合，經(jīng)過充分溶解后利用儀器測定土壤鹽分含量、組分含量、pH。采樣點的選取以點位在空間分布的均勻性和各鹽漬度等級的代表性為原則。采樣時，每個樣點用GPS精確定位，獲取點位經(jīng)緯度，并實地記錄樣點土壤表面狀況地貌類型等景觀描述，同時用數(shù)碼相機對樣點區(qū)域進行景觀拍照。

2.2研究方法

2.2.1遙感影像預(yù)處理。遙感影像預(yù)處理主要包括大氣校正、地形校正、裁剪和矯正。在ENVI圖像處理軟件的支持下，參照研究區(qū)1∶10萬地形圖對遙感圖像進行幾何精校正、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。采用COST大氣校正模型[5]，對遙感影像進行大氣校正，以消除大氣對地表反射率的影響。遙感影像預(yù)處理后，利用ENVI 軟件和相關(guān)資料對MSAVI、SI相關(guān)參數(shù)進行計算。

2.2.2基本參量反演。經(jīng)過幾何較正和輻射定標(biāo)后的Landsat-ETM+反射率數(shù)據(jù)反演鹽分指數(shù)（SI）[6]和改進型歸一化差值植被指數(shù)（MSAVI）[7]為：

2.2.3數(shù)據(jù)正規(guī)化處理。統(tǒng)計研究區(qū)MSAVI和SI最大值和最小值，并且利用統(tǒng)計值進行數(shù)據(jù)正規(guī)化處理。

2.2.4MSAVISI特征空間的鹽漬化過程分析。由圖1～3可知，不同鹽漬化地表在 MSAVISI 特征空間的分布具有顯著的分異規(guī)律，植被覆蓋度不斷下降時鹽分不斷上升。在這一過程中，研究區(qū)內(nèi)鹽漬地空間分布在宏觀上表現(xiàn)為沿綠洲外圍呈環(huán)形分布，從綠洲向外伸展，依次分布為非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地和重度鹽漬地。以上過程在 MSAVISI特征空間中能很好地加以區(qū)分，且與實地調(diào)查結(jié)果一致。這為進一步的模型建立打下基礎(chǔ)。

在 MSAVISI 特征空間中，MSAVI 與 SI之間存在明顯的非線性變化關(guān)系（圖4），而且與土壤鹽漬化過程在特征空間的軌跡較接近。根據(jù) Verstraete 和 Pinty 的研究結(jié)論，垂直于 A-E 線的直線能將不同鹽漬化土壤區(qū)分開來。同時，任何一點到點 E（1，0）的距離可以說明土壤含鹽量狀況，即離點 E 越遠土壤含鹽量越多。因此，根據(jù)土壤含鹽量隨著點E的變化特征，在空間任取一點C，根據(jù)兩點之間的距離公式，可以得到從C到點E的距離（L）。