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(shí)、準(zhǔn)確地對土壤含鹽量進(jìn)行研究有著重要的現(xiàn)實(shí)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(jìn)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(shí)測的地表0～10 cm土壤含鹽量進(jìn)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(shí)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(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00110-02

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41161063，41261090）；霍英東教育基金項(xiàng)目（121018）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jià)具有一定的現(xiàn)實(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(xì)，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(diǎn)的選取以點(diǎn)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(shí)，每個(gè)樣點(diǎn)用GPS精確定位，獲取點(diǎn)位經(jīng)緯度，并實(shí)地記錄樣點(diǎn)土壤表面狀況地貌類型等景觀描述，同時(shí)用數(shù)碼相機(jī)對樣點(diǎn)區(qū)域進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行計(jì)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(jìn)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(jì)研究區(qū)MSAVI和SI最大值和最小值，并且利用統(tǒng)計(jì)值進(jìn)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(shí)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(shí)地調(diào)查結(jié)果一致。這為進(jìn)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(shí)，任何一點(diǎn)到點(diǎn) E（1，0）的距離可以說明土壤含鹽量狀況，即離點(diǎn) E 越遠(yuǎn)土壤含鹽量越多。因此，根據(jù)土壤含鹽量隨著點(diǎn)E的變化特征，在空間任取一點(diǎn)C，根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離公式，可以得到從C到點(diǎn)E的距離（L）。