基于ALOS影像的內(nèi)蒙古杭錦后旗土地鹽漬化程度分級

張利華

(中國地質(zhì)大學地球科學學院地理系，武漢 430074)

基于ALOS影像的內(nèi)蒙古杭錦后旗土地鹽漬化程度分級

張利華

(中國地質(zhì)大學地球科學學院地理系，武漢 430074)

土地鹽漬化是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要因素，掌握其區(qū)域分布規(guī)律對鹽漬化的預防和治理具有重要意義。基于ALOS影像和實地調(diào)查、土壤樣品分析數(shù)據(jù)建立內(nèi)蒙古杭錦后旗農(nóng)用地鹽漬化等級劃分標準和遙感解譯標志，分析了不同地物在不同波段的光譜特征，獲得杭錦后旗土地鹽漬化等級分類圖。結果表明，杭錦后旗農(nóng)用地鹽漬化嚴重，中度以上鹽漬化農(nóng)用地占土地總面積的15.76%，占農(nóng)用地總面積的25.68%；重度以上鹽漬化農(nóng)用地占土地總面積的3.28%，占農(nóng)用地總面積的5.33%。研究區(qū)微度和輕度鹽漬化農(nóng)用地分布最廣，中度鹽漬化農(nóng)用地分布比較分散，重度鹽漬化農(nóng)用地和鹽土則主要沿灌渠和海子邊緣分布，由西北向東南重度以上鹽漬化土地比例有增加的趨勢。

ALOS影像；杭錦后旗；光譜特征；土地鹽漬化程度分級

0 引言

土地鹽漬化是在特定氣候、水文、地質(zhì)、地形及土壤等自然因素以及灌溉不當?shù)热藶橐蛩鼐C合作用下發(fā)生的土壤鹽化與堿化的土地質(zhì)量退化過程，是造成土地資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因之一。據(jù)國家統(tǒng)計局資料顯示，我國鹽漬化土地總面積約為3 466.7×104hm2，主要分布在東北、華北、西北內(nèi)陸地區(qū)及長江以北沿海地帶[1]。因此,監(jiān)測不同等級鹽漬化土地的時空分布，對掌握土地鹽漬化的演變規(guī)律及其預防具有重要意義?；谛l(wèi)星影像和遙感分析技術對區(qū)域土地鹽漬化進行監(jiān)測具有實時性、動態(tài)性、省時、省力等特點，是監(jiān)測大尺度區(qū)域土地鹽漬化及其變化的重要途徑[2-7]，但在分析精度上仍存在諸多困難，需要結合地面調(diào)查和土壤樣品分析等手段來提高分析結果的準確度。

土地鹽漬化是內(nèi)蒙古杭錦后旗的主要環(huán)境問題之一。干旱的氣候條件、高含鹽量的成土母質(zhì)、高礦化地下水、灌排失調(diào)引起的地下水位過高等條件造成杭錦后旗土地鹽漬化嚴重[8-10]。本文基于2010年8月的ALOS影像和實地調(diào)查、土壤樣品分析數(shù)據(jù)建立杭錦后旗土地鹽漬化分級標準和遙感解譯標志，提取研究區(qū)不同等級的土地鹽漬化空間分布信息，并對提取精度進行評價，以期為干旱半干旱地區(qū)土地鹽漬化狀況快速監(jiān)測提供一個可行的方法。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

杭錦后旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市西部，地處河套平原，地理位置在E106°34′～107°24′，N40°26′～41°13′之間，南北長約87 km，東西寬約52 km，總面積約1 767 km2，轄8個鎮(zhèn)、109個行政村和一個農(nóng)場，總?cè)丝诩s31.2 萬。該旗屬中溫帶大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季短促溫熱，風多雨少，蒸發(fā)強烈，年日照時數(shù)平均4 449.6 h，年均氣溫8.7 ℃，年均無霜期126 d，年均降水量135.9 mm，年均蒸發(fā)量1 984.3 mm。旗內(nèi)地貌為沖擊平原、洪積平原和河漫灘，地勢西南高，東北低，由西南向東北微度傾斜。境內(nèi)由12條分干渠、68道支渠、267道斗渠、4 100道農(nóng)渠、12 900道毛渠組成了縱橫交錯的灌水渠系網(wǎng)絡，年均徑流總量為7.895 8 億m3。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究所采用數(shù)據(jù)源包括主信息源和輔信息源。主信息源為衛(wèi)星遙感影像，采用日本陸地衛(wèi)星ALOS影像，包括分辨率為2.5 m的PRISM全色影像和10 m的AVNIR-2多光譜影像(B1： 0.42～0.50 μm，B2： 0.52～0.60 μm，B3： 0.61～0.69 μm，B4： 0.76～0.89 μm)，成像時間為2010年8月，投影系為高斯-克呂格投影。根據(jù)土地覆蓋光譜特征和各波段的應用范圍，選擇4，3，2波段進行分析，經(jīng)過地面控制點配準后合成假彩色圖像(R(4)G(3)R(2))，然后將掩模后的多光譜圖像和全色圖像基于主分量法[11-12]進行融合，獲得全旗融合影像(圖1)，進行影像判讀和地物的監(jiān)督分類。輔信息源包括杭錦后旗相關年鑒、地下水埋深和水位數(shù)據(jù)以及地圖集、行政區(qū)劃圖等圖件。

圖1 杭錦后旗ALOS融合影像Fig.1 Fused image of ALOS in Hanggin Rear Banner

2 研究方法

2.1 樣品采集與分析

圖2 杭錦后旗表層土壤樣品采集點位Fig.2 Distribution of soil sampling point in Hanggin Rear Banner

2.2 杭錦后旗農(nóng)用地鹽漬化程度分級

表1 杭錦后旗農(nóng)用地鹽漬化程度分級標準Tab.1 Classification standard of agricultural land salinization in Hanggin Rear Banner

2.3 鹽漬化土地的光譜特征和解譯標志

2.3.1 基本地物光譜特征

依據(jù)土壤樣品分析數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，在ERDAS9.2軟件平臺上建立各實測點感興趣區(qū)(regions of interest,ROI)，提取ALOS影像上各ROI的灰度值(DN)，繪制不同地物樣本的光譜特征折線圖(圖3)。

圖3 杭錦后旗不同地類的像元DN均值分布Fig.3 Mean DN value distribution of different landscape in Hanggin Rear Banner

由圖3可見，在ALOS融合影像中除近紅外波段(B4)外，建設用地、沙地及河流的像元DN值均高于鹽漬化土地，而湖泊的DN值最低。對于鹽漬化農(nóng)用地來說，像元DN值在綠波段(B2)和紅波段(B3)均隨土地鹽漬化程度的加劇而升高，原因是隨著鹽漬化程度的加劇，地表出現(xiàn)結晶鹽殼，提高了反射率；而在B4波段微度和輕度鹽漬化土地的DN值高于其他程度鹽漬化，原因是ALOS影像的成像時間是8月份，微度鹽漬化土地和輕度鹽漬化土地上長有植被，而植被在B4波段的反射率很高。鹽土、重度鹽漬化和中度鹽漬化土地的DN平均值的折線趨勢相似，微度鹽漬化和輕度鹽漬化土地DN平均值的折線趨勢相似。

從地物的各波段光譜特征分析可知，像元DN值在B2和B3波段的變化趨勢為建設用地>沙地>河流>鹽土>重度鹽漬化>中度鹽漬化>輕度鹽漬化>微度鹽漬化>湖泊；像元DN值在B4波段的變化趨勢為微度鹽漬化>建設用地>沙地>輕度鹽漬化>河流>鹽土>重度鹽漬化>中度鹽漬化>湖泊，其中建設用地、沙地、河流、鹽土、重度鹽漬化、中度鹽漬化、微度鹽漬化土地像元DN值差別明顯，易于區(qū)分；而中度鹽漬化和輕度鹽漬化土地雖然在B2和B3波段的DN值接近，但可以借助于B4波段的植被光譜效應進行區(qū)分。

2.3.2 鹽漬化土地的解譯標志

研究區(qū)不同程度的鹽漬化土地地表覆蓋特征如圖4所示。

(a) 鹽土(b) 重度鹽漬化土地 (c) 中度鹽漬化土地

(d) 輕度鹽漬化土地 (e) 微度鹽漬化土地 (e) 沙化土地

圖4 杭錦后旗不同程度鹽漬化土地地表覆蓋特征

Fig.4 Land cover characteristics of different land salinization degree in Hanggin Rear Banner

結合實地調(diào)查、土壤樣品分析、地物DN平均值分析、ALOS融合影像的色調(diào)、亮度、紋理等特征，建立了研究區(qū)不同地物類型的解譯標志(表2)。

表2 基于 ALOS影像的杭錦后旗不同地類的解譯標志Tab.2 Interpreting marks of different land types in Hanggin Rear Banner based on ALOS image

3 結果與分析

依據(jù)解譯標志和22個樣品采集點的光譜特征建立了9種地物類型的訓練區(qū)，基于 ERDAS9.2平臺和最大似然監(jiān)督分類方法獲得杭錦后旗土地鹽漬化分類圖。選用未參與訓練的24個樣品采集點和實地拍照數(shù)據(jù)為檢驗樣本，選取200個離散點計算總分類精度和Kappa系數(shù)，總分類精度為86.00 %，整體Kappa系數(shù)為0.832 1,具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 杭錦后旗不同地類的分類精度評價Tab.3 Accuracy evaluation of different land types classification in Hanggin Rear Banner

表3顯示,重度鹽漬化的分類精度比其他地類的分類精度低，分析認為是因為有部分建設用地被劃分到了重度鹽漬化類型里，結合目視解譯對最大似然監(jiān)督分類結果進行了修正，得到杭錦后旗地類分類圖(圖5)。由圖5可知，杭錦后旗中度以上鹽漬化土地和微度/輕度鹽漬化土地交錯分布，不同程度的鹽漬化土地呈現(xiàn)大小不同的斑塊狀；中度鹽漬化土地分布比較分散，多與微度鹽漬化和輕度鹽漬化農(nóng)用地呈鑲嵌分布；重度鹽漬化土地和鹽土主要沿灌渠和海子邊緣分布，且兩者多呈相鄰分布；由西北向東南重度以上鹽漬化土地比例有增加的趨勢；靠近北部狼山山前洪積扇、西部烏蘭布和沙漠等地區(qū)分布有少量的重度鹽漬化土地和鹽土。

對不同地類面積及其占杭錦后旗總面積的比重進行統(tǒng)計，結果見表4。

表4 杭錦后旗不同地類面積及比重Tab.4 Area and proportion of land types in Hanggin Rear Banner

杭錦后旗土地鹽漬化程度很高，中度以上鹽漬化土地占總土地面積的比例達16.59%，重度以上鹽漬化土地占總土地面積的4.1%。另外，對杭錦后旗農(nóng)用地鹽漬化程度的統(tǒng)計(表5)也發(fā)現(xiàn)，中度以上鹽漬化農(nóng)用地占農(nóng)用地總面積的25.68%，重度以上鹽漬化農(nóng)用地占農(nóng)用地總面積的5.33%。表明農(nóng)用地的鹽漬化程度相當嚴重。

表5 杭錦后旗不同程度鹽漬化農(nóng)用地面積及比重Tab.5 Area and proportion of salinized agricultural land in Hanggin Rear Banner

4 結論

1)本文基于主分量法對ALOS全色影像和多光譜影像進行融合，與土壤樣品分析和實地調(diào)查結果相結合，建立了研究區(qū)農(nóng)用地鹽漬化程度分級標準和遙感解譯標志，將研究區(qū)農(nóng)用地分為微度鹽漬化、輕度鹽漬化、中度鹽漬化、重度鹽漬化和鹽土5個等級。

2)研究區(qū)鹽漬化農(nóng)用地的DN值在B2和B3波段隨鹽漬化程度的加劇而升高；在B4波段則由于植被光譜效應使得微度鹽漬化和輕度鹽漬化土地的DN值高于其他等級鹽漬化土地。

3)研究區(qū)農(nóng)用地鹽漬化嚴重，中度以上鹽漬化農(nóng)用地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響顯著，其面積占農(nóng)用地總面積的比例高達25.68%，分布比較分散；重度以上鹽漬化農(nóng)用地占農(nóng)用地總面積的5.33%，主要沿灌渠和海子邊緣分布。為了改善研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境和保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，需要采取措施防止鹽漬化面積和程度進一步擴大。

4)本研究為干旱半干旱地區(qū)土地鹽漬化程度分級及其空間分布特征分析提供了可行的辦法，對河套平原土地鹽漬化時空變化規(guī)律分析也具有借鑒意義。不足之處是由于訓練區(qū)選擇、圖像質(zhì)量和分類方法等原因獲得的杭錦后旗地類分類圖的總分類精度為86.00 %，在研究區(qū)域擴大時分類精度可能會有所下降，需要結合其他分類方法和輔助數(shù)據(jù)進一步提高遙感鹽漬化分級的分類精度。

[1] 俞仁培.對鹽漬土資源開發(fā)利用的思考[J].土壤通報,2001,32:138-140. Yu R P.Ideas about exploitation and utilization of saline soil resources[J].Chinese Journal of Soil Science,2001,32:138-140.

[2] 姚遠,丁建麗,阿爾達克·克里木,等.基于實測高光譜和電磁感應數(shù)據(jù)的區(qū)域土壤鹽漬化遙感監(jiān)測研究[J].光譜學與光譜分析,2013,33(7):1917-1921. Yao Y,Ding J L,Ardak K,et al.Research on remote sensing monitoring of soil salinization based on measured hyperspectral and EM38 data[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2013,33(7):1917-1921.

[3] 王宏,范英霞,高珊,等.基于3S技術的干旱區(qū)綠洲土壤鹽漬化動態(tài)監(jiān)測[J].地理空間信息,2013,11(1):131-134. Wang H,Fan Y X,Gao S,et al.Dynamic monitoring of soil salinization in the arid region oasis based on the 3S technology[J].Geospatial Information,2013,11(1):131-134.

[4] 亢慶,張增祥,趙曉麗,等.基于遙感技術的干旱區(qū)土地鹽堿化分級[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2006,20(3):144-148. Kang Q,Zhang Z X,Zhao X L,et al.Remote sensing application to rapid survey of land salinization based on multisource images[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2006,20(3):144-148.

[5] Yu R H,Liu T X,Xu Y P,et al.Analysis of salinization dynamics by remote sensing in Hetao irrigation district of north China[J].Agricultural Water Management,2010,97(12):1952-1960.

[6] 吳建生,張玉清,劉珍環(huán),等.新疆焉耆縣土地鹽漬化遙感監(jiān)測[J].干旱區(qū)地理,2010,33(2):251-257. Wu J S,Zhang Y Q,Liu Z H,et al.Land salinization monitoring with remote sensing on Yanqi County,Xinjiang[J].Arid Land Geography,2010,33(2):251-257.

[7] Rukhovich D I,Pankova E I,Chernousenko G I,et al.Long-term salinization dynamics in irrigated soils of the Golodnaya Steppe and methods of their assessment on the basis of remote sensing data[J].Eurasian Soil Science,2010,43(6):682-692.

[8] 王學全,高前兆,盧琦,等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水鹽平衡與干排水脫鹽分析[J].地理科學,2006,26(4):455-460. Wang X Q,Gao Q Z,Lu Q,et al.Salt-water balance and dry drainage desalting in Hetao irrigating area,Inner Mongolia[J].Scientia Geographica Sinica,2006,26(4):455-460.

[9] 管孝艷,王少麗,高占義,等.鹽漬化灌區(qū)土壤鹽分的時空變異特征及其與地下水埋深的關系[J].生態(tài)學報,2012,32(4):1202-1210. Guan X Y,Wang S L,Gao Z Y,et al.Spatio-temporal variability of soil salinity and its relationship with the depth to groundwater in salinization irrigation district[J].Acta Ecologica Sinica,2012,32(4):1202-1210.

[10]安永清,屈永華,高鴻永,等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤鹽堿化遙感監(jiān)測方法研究[J].遙感技術與應用,2008,23(3):316-322. An Y Q,Qu Y H,Gao H Y,et al.Supervising the salted land distribution of Hetao irrigation area in Inner Mongolia by using remote sensing[J].Remote Sensing Technology and Application,2008,23(3):316-322.

[11]Lu S L,Zou L J,Shen X H,et al.Multi-spectral remote sensing image enhancement method based on PCA and IHS transformations[J].Journal of Zhejiang University Science,2011,12(6):453-460.

[12]王廣亮,李英成,曾鈺,等.ALOS數(shù)據(jù)像素級融合方法比較[J].測繪科學,2008,33(6):121-124. Wang G L,Li Y C,Zeng Y,et al.Comparison and analysis of pixel-level image fusion algorithms applicable to ALOS data[J].Science of Surveying and Mapping,2008,33(6):121-124.

[13]中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999土工試驗方法標準[S].北京:中國計劃出版社,1999:31-41. Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. GB/T50123-1999 Standard for Soil Test Method[S].Beijing:China Planning Publishing House,1999:31-41.

(責任編輯： 李瑜)

Study of land salinization of Hanggin Rear Banner in Inner Mongolia based on ALOS image

ZHANG Lihua

(FacultyofEarthSciences,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Land salinization can lead to the degradation and disappearance of soil resources, so it is an important factor affecting the eco-environmental quality and agricultural production security, especially in arid and semi-arid environments. Land salinization is a main environmental problem in Hetao irrigation area of Inner Mongolia including Hanggin Rear Banner, because of arid climate, high salinity soil material, highly mineralized groundwater, and high groundwater level caused by improper irrigation and drainage. In this study, the intensity of land salinization was divided into five grades according to lab data of surface soil samples. Interpreting marks and spectral characteristics of different landscapes in Hanggin Rear Banner were built and analyzed by using ERDAS, fused ALOS image, field investigation and lab data of surface soil samples. The map for classification of land salinization in Hanggin Rear Banner was compiled based on interpreting marks, spectral characteristics and supervised classification method. The results indicate that the area of slightly salinized land (total content of water-soluble salt is 0～0.3%), weakly salinized land (total content of water-soluble salt is 0.3%～0.5%) , moderately salinized land (total content of water-soluble salt is 0.5%～1.0%) , strongly salinized land (total content of water-soluble salt is 1.0%～1.6%) and saline soil (total content of water-soluble salt is more than 1.6%) are 181.38 km2, 658.45 km2, 213.96 km2, 41.86 km2and 28.38 km2respectively. The land whose content of water-soluble salt is lower than 0.5% has little influence on agricultural production. The salinized land possesses as high as 55.02% of the total area in Hanggin Rear Banner. The salinized agricultural land with water-soluble salt content more than 0.5% accounts for 15.76% of the total area and 25.68% of the total agricultural land respectively, and the salinized places are distributed dispersedly among agricultural lands. The salinized agricultural land with water-soluble salt content more than 1.0% accounts for 3.28% of the total area and 5.33% of the total agricultural land respectively, and the salinized places are mainly distributed around irrigation channels and lakes, with their proportion tending to increase from northwest to southeast. The results have an important significance for land salinization control and eco-environment improvement in the Hetao irrigation area of Inner Mongolia.

ALOS image; Hanggin Rear Banner; spectral characteristics；classification standard of land salinization

2013-12-11；

2014-01-25

國家杰出青年科學基金項目(編號： 40425001)及中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(編號： 2011019017)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.19

張利華.基于ALOS影像的內(nèi)蒙古杭錦后旗土地鹽漬化程度分級[J].國土資源遙感,2015,27(1):121-126.(Zhang L H.Study of land salinization of Hanggin Rear Banner in Inner Mongolia based on ALOS image[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1):121-126.)

X 87

A

1001-070X(2015)01-0121-06

張利華(1974-)，女，副教授，博士,主要從事環(huán)境遙感及土地退化等方面的研究。Email: huaz83@gmail.com。