內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)凍結(jié)期土壤鹽分的多極化雷達(dá)響應(yīng)分析

李生勇+霍軼珍+王海霞

摘要： 土壤鹽漬化嚴(yán)重影響河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，了解土壤鹽漬化現(xiàn)狀已成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)測(cè)量方法已無法滿足人們對(duì)大面積土壤鹽漬化分布的需求，相比之下，遙感能夠快速獲取鹽漬地的宏觀分布及變化情況。遙感作為一種新的技術(shù)手段應(yīng)運(yùn)而生，由于可見光、紅外遙感存在一定局限性，具有全天候、穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的雷達(dá)遙感成為研究熱點(diǎn)。以內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)磴口縣為研究區(qū)，結(jié)合Radarsat-2四極化雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，對(duì)凍結(jié)期土壤的鹽漬化進(jìn)行響應(yīng)分析。結(jié)果表明，極化組合（HV2+HH2）/（HV2-HH2）對(duì)不同鹽漬土有較強(qiáng)的響應(yīng)性與分離性，利用該極化組合建立回歸模型，進(jìn)而對(duì)研究區(qū)進(jìn)行反演分析。經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，該方法可在一定程度上滿足鹽漬化監(jiān)測(cè)的需要，優(yōu)于傳統(tǒng)鹽漬土分類方法。

關(guān)鍵詞： 雷達(dá)遙感；土壤鹽分；極化組合；河套灌區(qū)；精度分析

中圖分類號(hào)： S156.4；P628+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0348-04

土壤鹽漬化是指土壤底層或地下水的鹽分隨水分上升到表層，經(jīng)水分蒸發(fā)后使鹽分在表層土壤積累的過程[1]。土壤鹽漬化問題對(duì)河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞性影響，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來直接經(jīng)濟(jì)損失，河套灌區(qū)的鹽漬化土地面積約占內(nèi)蒙古自治區(qū)鹽漬化土地面積的70%[2]。對(duì)河套平原的鹽漬化程度進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)和反演，是該地區(qū)制定灌溉制度、編寫鹽漬化土壤治理方案的基礎(chǔ)資料。遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、觀測(cè)范圍廣等特點(diǎn)，適用于研究土壤鹽漬化問題。自20世紀(jì)70年代以來，國外學(xué)者和專家從不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)}漬化進(jìn)行了研究和預(yù)測(cè)[3-4]。Dwivedi等利用TM數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，1、3、5波段為最佳組合波段，遙感所含信息量最大，但鹽漬土信息提取精度并不高[5]。Kirkby通過高光譜影像制作土壤鹽漬化專題圖，并在野外監(jiān)測(cè)與影像同時(shí)相的圣彼得草光譜特性；研究發(fā)現(xiàn)，圣彼得草在可見光和近紅外波段呈不同的光譜特性[6]。Saysel等通過研究地下水鹽運(yùn)移的規(guī)律，成功建立了土壤鹽漬化的動(dòng)力學(xué)模型，達(dá)到預(yù)報(bào)土壤鹽漬化的水鹽動(dòng)態(tài)目的[7]。Metternicht等結(jié)合遙感、地理信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)對(duì)鹽漬化進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)，并在鹽漬化時(shí)空動(dòng)態(tài)變化方面取得一定成果[8]。Eenyamini等利用遙感手段發(fā)現(xiàn)，地下水位的高低直接影響土壤次生鹽漬化，地下水位1.5 m為臨界值，低于該值可抑制鹽漬化產(chǎn)生[9]。Jeffrey等利用電磁感應(yīng)手段結(jié)合水質(zhì)化學(xué)分析，對(duì)土壤鹽漬化進(jìn)行定量研究[10]。國內(nèi)對(duì)土壤鹽漬化的研究比國外晚10余年。劉慶生等將資源一號(hào)衛(wèi)星與高分辨率全色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，結(jié)合HIS和PCA變換的相關(guān)知識(shí)，對(duì)不同級(jí)別鹽漬土進(jìn)行了清晰的分類[11]?；魱|民等利用CBERS-1遙感數(shù)據(jù)對(duì)黃河三角洲的鹽堿地光譜信息進(jìn)行了深入研究，結(jié)合GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽堿地專題信息的提取，為鹽堿地監(jiān)測(cè)提供良好基礎(chǔ)[12]。牛博等利用干旱區(qū)鹽漬土的光譜及空間特征，對(duì)鹽漬土進(jìn)行了專題信息提取研究，得出鹽漬化土壤的演變趨勢(shì)[13]。李曉燕等利用TM影像、地形圖數(shù)據(jù)并結(jié)合地理信息系統(tǒng)，對(duì)吉林省大安市鹽堿地動(dòng)態(tài)變化及成因進(jìn)行了研究[14]。何祺勝通過TM影像與雷達(dá)影像的結(jié)合，對(duì)鹽漬地信息進(jìn)行提取，提取精度得到很大提高[15]。綜上所述，利用光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)鹽漬地信息已取得一定成果；而在微波遙感方面，學(xué)者大多基于被動(dòng)雷達(dá)遙感或單極化雷達(dá)遙感，關(guān)于精細(xì)四極化主動(dòng)微波遙感的研究相對(duì)較少。以鹽漬地較為明顯的河套灌區(qū)為研究區(qū)域，本研究成果對(duì)該區(qū)域鹽漬化的治理具有一定指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

磴口縣地處內(nèi)蒙古自治區(qū)河套地區(qū)西南部，是巴彥淖爾市的旗縣之一。該地區(qū)的地理坐標(biāo)為106°9′～107°10′E、40°9′～40°57′N，屬于中溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫為8.5 ℃，氣候較干燥[16]。研究區(qū)以荒漠植被小灌木為主，地域遼闊、地勢(shì)平坦、土質(zhì)條件較好，是典型的河套灌區(qū)之一。引黃灌溉制度對(duì)發(fā)展當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境起著非常重要的作用，但其負(fù)面影響也較為顯著。渠系水滲漏、大水漫灌是導(dǎo)致地下水居高不下的直接原因，潛水蒸發(fā)嚴(yán)重，誘發(fā)地下鹽分向表層聚集，礦化度嚴(yán)重，產(chǎn)生土壤次生鹽漬化。

1.2 數(shù)據(jù)源

Radarsat-2是由MAD（MacDonald Dettwiler and Associates Ltd）和CAS（Canadian Space Agency）于2007年共同出資開發(fā)的星載合成孔徑多極化雷達(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)頻率為C波段，該波段可提取地表0～5 cm的土壤信息[17]。雷達(dá)影像接收時(shí)間為2015年1月10日，河套灌區(qū)正值凍結(jié)期，影像為四極化精細(xì)模式（HH+HV+VH+VV極化），標(biāo)稱分辨率為8 m，處理級(jí)別為SLC，一景影像的覆蓋面積為25 km×25 km，微波入射角范圍為35.310 939 8°～36.881 595 6°，影像覆蓋區(qū)為裸露地表，加之季節(jié)原因處理影像時(shí)不考慮植被覆蓋的影響。

在磴口縣試驗(yàn)區(qū)采集與RADARSAT-2影像時(shí)相一致的50個(gè)土壤樣本，每個(gè)土壤樣本取4個(gè)重復(fù)，樣本以邊長(zhǎng)小于 8 m 的正方形組成，并用手持GPS記錄土壤樣本中心點(diǎn)的地理坐標(biāo)信息。室內(nèi)試驗(yàn)通過EDTA滴定法計(jì)算土壤樣本的含鹽量信息，土壤樣點(diǎn)含鹽量最終以4個(gè)樣本的平均值代表。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范將土壤樣本的含鹽量劃分為非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土4個(gè)大類，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1，土壤樣本采樣點(diǎn)分布見圖1。

2 影像數(shù)據(jù)處理

2.1 雷達(dá)影像處理

雷達(dá)影像不同于可見光遙感，其采用相干微波源照射，各散射中心回波的相干疊加，造成合成矢量的振幅和相位均有一定起伏，最終得到的雷達(dá)影像出現(xiàn)相干噪聲[18]。為抑制雷達(dá)影像的斑點(diǎn)噪聲，對(duì)影像采取多視、濾波處理；雷達(dá)影像的SLC格式屬于斜距坐標(biāo)，通過地理編碼處理對(duì)影像進(jìn)行相應(yīng)的地距轉(zhuǎn)換，處理后的影像可設(shè)置為WGS-84坐標(biāo)系。結(jié)合研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)輻射定標(biāo)處理后，雷達(dá)影像上的每個(gè)像元值均由亮度值轉(zhuǎn)換為后向散射系數(shù)值。利用定標(biāo)公式[19]可完成亮度值與后向散射系數(shù)值的轉(zhuǎn)換，公式為：

式中：i，j為遙感影像像元的行列號(hào)，DN為雷達(dá)影像像元的亮度值，K為絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)，G為天線的增益，θi，j為雷達(dá)影像每個(gè)像元的天線高度角，Ri，j為雷達(dá)影像的斜距距離，Rref為雷達(dá)影像的參考基準(zhǔn)斜距，αi，j為衛(wèi)星入射角。以上部分可通過影像軟件處理獲得，部分為購買雷達(dá)影像時(shí)自帶的頭文件。

2.2 雷達(dá)影像配準(zhǔn)

利用谷歌衛(wèi)星地圖下載器，下載與雷達(dá)影像區(qū)域相同的Google Earth影像，該下載器可完好保留影像的地理坐標(biāo)信息。影像配準(zhǔn)是將圖像糾正在某種地理編碼的坐標(biāo)系統(tǒng)中，使其與某個(gè)參考影像具有相同幾何屬性。此次影像配準(zhǔn)以Google Earth影像作為參考影像，在配準(zhǔn)過程中盡量選擇易于分辨的特征點(diǎn)（路的交叉點(diǎn)、房子的拐角等），特征點(diǎn)盡可能均勻分布于整幅影像中，糾正結(jié)果最終小于0.5個(gè)像元，滿足精度要求。將采集的土壤樣本位置信息與雷達(dá)影像相結(jié)合，提取采樣點(diǎn)的后向散射系數(shù)值，并對(duì)采樣點(diǎn)覆蓋區(qū)域進(jìn)行裁剪。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 凍結(jié)期鹽漬土的后向散射系數(shù)

內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)屬于寒冷地區(qū)，季節(jié)間溫差較大，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，且土壤的凍融變化是引起土壤鹽漬化的主要原因。河套灌區(qū)秋澆具有壓鹽保墑的作用，秋澆前后土壤鹽分含量將產(chǎn)生較大變化，凍結(jié)期土壤的水分、鹽分會(huì)向凍結(jié)層移動(dòng)，此次主要進(jìn)行河套灌區(qū)凍結(jié)期雷達(dá)影像對(duì)土壤鹽漬土的響應(yīng)分析。雷達(dá)影像的均一性較差，最大值與最小值相差很大，提取雷達(dá)后向散射系數(shù)值時(shí)，可圍繞采樣點(diǎn)中心提取多個(gè)值并取平均值。均值并非最優(yōu)方法，卻是最常用、最簡(jiǎn)單的方法，均值可代替采樣點(diǎn)的后向散射系數(shù)值[20]。部分采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)見表2。

均值可反映土壤的散射特征，將不同土壤類別的四極化后向散射系數(shù)均值分離出來，繪制不同程度鹽漬土后向散射系數(shù)特征圖（圖2）。

由河套灌區(qū)凍結(jié)期不同鹽漬化程度的土壤對(duì)四極化后向散射系數(shù)響應(yīng)分析可知，雷達(dá)影像同極化方式（VV、HH）對(duì)鹽漬土的響應(yīng)明顯高于不同極化方式（HV、VH）；HH極化方式的后向散射系數(shù)高于其他極化組合方式；HV、VH極化組合之間的后向散射系數(shù)較相近。VV極化方式影像的后向散射系數(shù)對(duì)重度鹽漬化土壤的響應(yīng)較強(qiáng)烈，HH極化方式影像的后向散射系數(shù)對(duì)不同鹽漬化程度土壤的響應(yīng)均較強(qiáng)烈。

為準(zhǔn)確分離不同程度的鹽漬土，須分析不同土壤對(duì)應(yīng)的后向散射系數(shù)值情況。由表3可知，在凍結(jié)期同極化上，不同鹽漬化程度土壤的后向散射系數(shù)均值相差較小，VV極化影像的均值最大值與均值最小值相差為12.64，HH極化影像的均值最大值與均值最小值相差為11.86；在交叉極化上，HV極化影像的均值最大值與均值最小值相差為24.41，VH極化影像的均值最大值與均值最小值相差為21.48。可見，不同鹽漬化程度的土壤在交叉極化上的分離性比同極化上的分離性好。分析可知，同種極化方式HH對(duì)土壤的響應(yīng)較強(qiáng)烈，交叉極化HV對(duì)土壤的分離性較好；因此，利用Radarsat-2雷達(dá)影像的C波段提取鹽漬地信息時(shí)，須考慮這2種極化方式。

3.2 凍結(jié)期鹽漬土不同極化組合的后向散射系數(shù)

單極化雷達(dá)影像數(shù)據(jù)提取的土壤信息量相對(duì)較少，研究結(jié)果將受到影響。本試驗(yàn)獲取了雷達(dá)精細(xì)四極化數(shù)據(jù)，可對(duì)極化方式進(jìn)行組合，進(jìn)一步分析不同極化組合對(duì)地物后向散射特性的響應(yīng)。在凍結(jié)期，HH極化雷達(dá)后向散射系數(shù)對(duì)鹽漬土的響應(yīng)最強(qiáng)烈，HV極化雷達(dá)后向散射系數(shù)對(duì)鹽漬土的分離性較好。選取2個(gè)極化的組合進(jìn)行分析，極化組合為HV+HH、HV/HH、（HV-HH）/（HV+HH）、（HV2+HH2）/（HV2-HH2），計(jì)算出這些極化組合的后向散射系數(shù)，分析其與鹽漬土的響應(yīng)關(guān)系（圖3）。

由圖3可知，HV+HH極化組合呈先上升、后下降的趨勢(shì)，對(duì)輕度、中度、重度鹽漬土的分離性較好，但難以區(qū)分出非鹽漬土。對(duì)于HV/HH極化組合，后向散射系數(shù)在非鹽漬化土壤至中度鹽漬化土壤呈上升趨勢(shì)，而在重度鹽漬化土壤則呈下降趨勢(shì)，無法區(qū)分重度鹽漬土。對(duì)于（HV-HH）/（HV+HH）極化組合，后向散射系數(shù)在輕度鹽漬土壤為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土易于混淆。對(duì)于（HV2+HH2）/（HV2-HH2）極化組合，后向散射系數(shù)隨鹽漬化程度的增強(qiáng)而減小，且各種鹽漬化程度的分離性較好，不易產(chǎn)生混淆，因此該極化組合方式可作為研究區(qū)凍結(jié)期鹽漬化土壤信息提取的指數(shù)。

3.3 回歸分析

在土壤凍結(jié)期選擇（HV2+HH2）/（HV2-HH2）極化組合建立模型，研究雷達(dá)圖像的后向散射系數(shù)與含鹽量的關(guān)系。將該極化組合設(shè)為變量X，即X=（HV2+HH2）/（HV2-HH2），將其中35個(gè)土壤樣點(diǎn)的含鹽量數(shù)據(jù)與X進(jìn)行線性回歸分析模擬。建立的回歸方程為S=-0.227 2X+0.770 2，式中S為全鹽量，X為極化組合（HV2+HH2）/（HV2-HH2）。S與X達(dá)到了良好的相關(guān)性，r2=0.753 4（圖4）。

4 精度分析

4.1 對(duì)RADARSAT-2影像進(jìn)行決策樹分類

根據(jù)建立的鹽分回歸方程，通過ENVI決策樹方法對(duì)影像進(jìn)行分類，分類結(jié)果見圖5，分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。其中，非鹽漬地所占比重最大，高達(dá)57.824%；其次為重度鹽漬地，達(dá)到27.972%。可見，研究區(qū)內(nèi)鹽漬化程度比較嚴(yán)重，且分類結(jié)果與研究區(qū)地表的鹽漬化現(xiàn)象較為一致。

4.2 精度檢驗(yàn)

利用線性回歸方程對(duì)研究區(qū)進(jìn)行不同程度鹽漬化分類，為驗(yàn)證模型及分類結(jié)果的可靠性，采用剩余的15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。根據(jù)土壤采樣點(diǎn)的地理位置信息與鹽漬化分類圖相匹配，提取15個(gè)土壤采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反演值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。由表5可知，多數(shù)土壤樣本點(diǎn)的相對(duì)誤差小于10%，反演精度比較可觀。

5 結(jié)論

土壤鹽漬化問題是影響河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。雷達(dá)數(shù)據(jù)具有全天候、全天時(shí)、受天氣及氣候影響較小等優(yōu)點(diǎn)，常作為土壤鹽分信息提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這對(duì)于干旱、半干旱、季節(jié)氣溫變化較大地區(qū)的土地鹽漬化監(jiān)測(cè)極其有利。采用四極化精細(xì)模式C波段的Radarsat-2數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了可見光遙感提取鹽漬地信息的受限性，經(jīng)過對(duì)雷達(dá)影像的處理準(zhǔn)確獲取了土壤凍結(jié)期的后向散射系數(shù)值。分析不同程度鹽漬土與后向散射系數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，同極化HH對(duì)鹽漬土的響應(yīng)較強(qiáng)烈，交叉極化HV對(duì)鹽漬地的分離性較好；通過HH和HV不同極化組合后向散射系數(shù)對(duì)土壤鹽漬化響應(yīng)分析得出，（HV2+HH2）/（HV2-HH2）極化組合可將非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地、重度鹽漬地區(qū)分開。以極化組合作為變量建立線性模型S=-0.227 2X+0.772，通過決策樹利用模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行鹽漬化分類，并驗(yàn)證分類結(jié)果及模型精度。結(jié)果表明，多數(shù)樣本點(diǎn)的相對(duì)誤差小于10%，反演精度較高，研究結(jié)果可作為巴彥淖爾市磴口縣土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)的理論基礎(chǔ)。

雷達(dá)影像對(duì)土壤水分較為敏感，本研究未能有效分析土壤水分對(duì)極化方式的影響，建立的回歸模型未除去土壤水分干擾。本研究結(jié)論針對(duì)河套灌區(qū)，是否具有普適性仍須進(jìn)一步驗(yàn)證。

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