基于OLI影像的烏裕爾河—雙陽河流域土壤堿化反演研究

郝倩楠（黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱150025）

基于OLI影像的烏裕爾河—雙陽河流域土壤堿化反演研究

郝倩楠
（黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱150025）

近年來受環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響，土壤鹽堿化是土地退化的表現(xiàn)之一。研究土壤鹽堿化有利于改善現(xiàn)狀，并且預(yù)防其加劇具有重要意義。土壤堿化的快速反演和及時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)烏—雙河流域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。以Landsat-8 OLI遙感影像與野外采樣測(cè)定的170個(gè)樣點(diǎn)土壤pH值和EC為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采集光譜，建立光譜反射率及其變換形式與土壤pH值和EC的相關(guān)分析，選擇最佳敏感波段，利用線性回歸分析建立基于OLI影像的烏裕爾河—雙陽河流域土壤鹽堿化反演模型，該模型的建立可為區(qū)域土壤堿化信息的提取及監(jiān)測(cè)提供參考。

土壤；pH值；EC值；鹽堿化；線性回歸分析

1　引言

土壤鹽堿化通常出現(xiàn)在干旱、半干旱地區(qū)，因其pH值偏高、物理性狀不良、結(jié)構(gòu)性和通透性差，造成土壤板結(jié)，植物難以生長，是土地退化的主要原因之一［1，2］。為了防治土壤鹽堿化，更加合理地開發(fā)和利用堿化土地，需要對(duì)其理化性質(zhì)及其變化進(jìn)行研究。遙感作為土壤鹽分監(jiān)測(cè)有效的技術(shù)手段，已被廣泛應(yīng)用于土壤含鹽量的反演和制圖［3，4］，土壤含鹽量信息是科學(xué)研究鹽堿土的關(guān)鍵，深入挖掘遙感影像中鹽堿土的含鹽量信息，對(duì)有效治理鹽堿土防止其進(jìn)一步退化、合理開發(fā)利用鹽堿土資源和維持生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［5］。

遙感定量反演是通過遙感影像中像元的某個(gè)指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)所要反演的信息之間建立的關(guān)系模型，利用這個(gè)關(guān)系模型可對(duì)地表某一信息進(jìn)行精確和實(shí)用的地學(xué)描述。國內(nèi)外對(duì)遙感反演土壤鹽分含量已有大量研究［6，7］，但是單純的對(duì)堿化進(jìn)行研究尚少，本文以野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，建立關(guān)于鹽堿的反演模型，在通過精度驗(yàn)證的前提下，反演烏—雙流域的堿化程度，揭示空間分布的規(guī)律，為防治土壤鹽堿花提供科學(xué)的參考。

2　材料與方法

2.1研究區(qū)概況

烏裕爾河—雙陽河流域松嫩平原西北部，烏裕爾河位于黑龍江省西部，東經(jīng)123°47′20″-127°27′40″，北緯46°23′05″-48°25′55″，面積約23000km2，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫3.2℃，年均降水415 mm，地勢(shì)低平，是典型的鹽堿化土壤發(fā)育區(qū)。流域范圍涉及黑龍江省的北安市、克東縣、克山縣、拜泉縣、訥河市、依安縣、富?？h、林甸縣、訥河市、齊齊哈爾市、泰來縣、等12個(gè)縣市（圖1）。

土壤樣本采集時(shí)間分別為2013年10、11月，2014年4月，基本和OLI遙感影像獲取時(shí)間同步，以便更合理提取鹽堿化土壤信息。鹽堿土采樣點(diǎn)的設(shè)置按照主要的土壤類型劃分為采樣區(qū)域，每個(gè)采樣區(qū)域選擇鹽堿特征典型的非植被覆蓋區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)采樣中心點(diǎn)，距中心點(diǎn)30米，間隔120度角，分布3個(gè)樣點(diǎn)，以保證100×100米范圍內(nèi)的均勻布點(diǎn)；中心點(diǎn)外的三個(gè)樣點(diǎn)以該樣點(diǎn)為十字形中心，相距2米取重復(fù)樣點(diǎn)4個(gè)。農(nóng)田采樣點(diǎn)在每個(gè)采樣區(qū)域選擇特征典型的農(nóng)田設(shè)置5個(gè)主采樣點(diǎn)，呈正方形，中心點(diǎn)位于對(duì)角線交點(diǎn)處，其它四點(diǎn)位于四個(gè)角點(diǎn)上，中心點(diǎn)與角點(diǎn)相距20米。取土范圍為表層0-2 cm，土樣于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干、研磨、過篩，用于實(shí)驗(yàn)光譜測(cè)量和室理化分析。

2.3土壤光譜測(cè)量及預(yù)處理

將過2mm孔篩的風(fēng)干土樣平鋪于7.5cm直徑，2cm高的圓盤中，表面用刀刮平，置于鋪有50cm× 50cm黑色背景布的平臺(tái)上，采用太陽光為光源，光譜儀鏡頭垂直于土壤表面，高度約10cm。測(cè)量時(shí)選擇晴朗無風(fēng)的天氣，于10：00-12：00進(jìn)行，光譜儀使用SVC HR 1024i型光譜儀（350-2500nm）。光譜曲線經(jīng)平均、平滑處理后，重采樣至OLI影像波段1-7的光譜間隔（ENVI 5.0）。自然對(duì)數(shù)變換等數(shù)學(xué)處理方法可以減少光譜數(shù)據(jù)中背景和噪聲影響。

圖1　研究區(qū)及采樣點(diǎn)示意圖

2.4pH、EC的測(cè)定

由于研究區(qū)土壤屬于鹽堿土，故將過2mm孔篩的風(fēng)干土樣以2.5：1水土比配置土壤浸提液，用（雷磁pHSJ-3F）pH計(jì)測(cè)定。以5：1水土比配置土壤浸提液，用（雷磁DDS-307）電導(dǎo)率儀測(cè)定。

2.5OLI影像的數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理

選取空間分辨率為30m的Landsat-8 OLI系列遙感數(shù)據(jù)，軌道號(hào)為：118/26、118/27、119/26、119/27、119/28、120/27，成像時(shí)間為2014年5月左右，該時(shí)期冰雪消融，植被生長稀疏，天氣晴朗，有利于地面土壤鹽堿含量的反演。

采用ENVI5.0軟件提供的輻射定標(biāo)、大氣校正模塊，進(jìn)行輻射校正和大氣校正，經(jīng)過處理的光譜反射率已無明顯的大氣、水汽等特征，能較好的體現(xiàn)出地物真實(shí)光譜特征。對(duì)于大氣校正后OLI上的綠色植被、未融化的冰雪及水體信息，運(yùn)用ENVI5.0軟件中NDVI模塊進(jìn)行提取，并將其從影像中剔除，留下相對(duì)裸露的土壤區(qū)域，提高反演精度。

[18] HELCOM, Declaration on the Protection of the Marine Environment of the Baltic Sea Area, http://www.helcom.fi/Documents/About%20us/Convention%20and%20commitments/Ministerial%20declarations/MinDecl1988.pdf.

3　模型的原理與評(píng)價(jià)方法

3.1相關(guān)分析

相關(guān)系數(shù)是廣泛用于度量兩個(gè)變量之間關(guān)聯(lián)程度的一個(gè)指標(biāo)，范圍由1到-1，正數(shù)值表示正相關(guān)，負(fù)數(shù)值表示負(fù)相關(guān)，1和-1表示兩個(gè)變量完全相關(guān)，通常相關(guān)系數(shù)大于0.75表示比較好的相關(guān)關(guān)系。相關(guān)系數(shù)表示的是變量間線形相關(guān)的程度，對(duì)于存在非線性關(guān)系的變量間關(guān)系度量可以通過數(shù)學(xué)變換將變量轉(zhuǎn)化為擬線性的形式，簡化后再進(jìn)行計(jì)算。很多研究表明通過土壤鹽堿指標(biāo)與光譜或影像波段相關(guān)系數(shù)的分析，能夠識(shí)別鹽堿土壤遙感反演的敏感波段。本文回歸方程則是利用線性回歸分析中的多項(xiàng)式方程，多項(xiàng)式方程在線性回歸分析中占重要的地位。

3.2回歸模型評(píng)價(jià)參數(shù)

回歸模型是對(duì)具有相關(guān)關(guān)系的變量，選擇一種適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)關(guān)系式，用以說明一個(gè)或一組變量變動(dòng)時(shí)，另一變量或一組變量平均變動(dòng)的情況。這種數(shù)學(xué)關(guān)系可以是簡單的線性方程，也可以是復(fù)雜的非線性形式。通常用均方根誤差（RMSE）進(jìn)行評(píng)價(jià)；其中，均方根誤差（RMSE）越小，表明模型越穩(wěn)定，預(yù)測(cè)精度越高。

4　結(jié)果與分析

4.1影像波段與土壤pH值、EC值相關(guān)性分析

183個(gè)樣本參與相關(guān)分析，樣本pH、EC值符合正態(tài)分布，四種檢驗(yàn)（Shapiro-Wilk，Kolmogorov-Smirov，Cramer-von Miss，Anderson-Darling）的P值均小于0.05，說明二者均為正態(tài)分布，因此可以采用Pearson相關(guān)系數(shù)來表示pH、EC值與七個(gè)波段原始反射率的相關(guān)程度，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出pH值與波段1、2、3的相關(guān)程度很高，均大于0.75，分別為0.7939、0.7972、0.7837，說明這三個(gè)波段對(duì)土壤的PH值敏感；而EC的相關(guān)系數(shù)較pH稍低（0.7373、0.7311、0.7161），敏感程度相對(duì)pH值略低。

表1　pH、EC值與OLI影像1-7波段原始反射率的Pearson相關(guān)系數(shù)

圖2　2波段反射率與pH值的回歸分析模型

表1的結(jié)果說明，pH、EC可作為表征土壤鹽堿化程度的指標(biāo)，該指標(biāo)與OLI影像的1-3波段的關(guān)系密切。表中還可以明顯看出，pH與影像2波段的相關(guān)系數(shù)最優(yōu)，EC與影像1波段的相關(guān)系數(shù)最優(yōu)，故都可進(jìn)行單波段建模。

4.2土壤反演模型的構(gòu)建與精度驗(yàn)證

從170個(gè)樣本中隨機(jī)選取112個(gè)樣本用于pH值與敏感波段的回歸建模，其余58個(gè)樣本用于模型驗(yàn)證。取2波段原始反射率值參與建模，建模結(jié)果圖2所示。

從170個(gè)樣本中隨機(jī)選取114個(gè)樣本用于EC值與敏感波段的回歸建模，其余56個(gè)樣本用于模型驗(yàn)證。取1波段原始反射率值參與建模，建模結(jié)果如圖3所示。

將OLI影像的光譜反射率與建模土樣的pH值、EC值進(jìn)行回歸分析，建立預(yù)測(cè)方程（圖2、圖3），反演模型精度驗(yàn)證指標(biāo)RMSE分別為1.03和2.04，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的R2分別為0.76和0.61，本研究模型可用于pH值和EC值的反演。

4.3反演結(jié)果分析

根據(jù)本文模型反演烏裕爾河雙陽河流域pH值和EC值分布圖，分別如圖4和圖5，從土壤pH值分布來看，堿度相對(duì)較輕的主要分布在烏裕爾河—雙陽河的下游區(qū)域，而鹽分相對(duì)不明顯，高鹽分區(qū)域較小，主要集中在流域中下游地區(qū)。

圖4　研究區(qū)土壤pH值空間分布圖

反演得到的土壤鹽堿化空間分布與烏雙流域鹽堿化分布實(shí)際情況比較吻合，多分布在流域的中下游地區(qū)。中下游地區(qū)地下水排水不暢，地表徑流緩慢，而地下與地表徑流是形成鹽堿土的主要原因，土壤水分向上蒸發(fā)，使得地下的鹽分隨著蒸發(fā)作用向上集于地表，從而形成鹽堿化的土壤。久而久之，地表變成裸露而貧瘠的鹽堿土。

圖5　研究區(qū)土壤EC值空間分布圖

5　結(jié)論與討論

5.1本文以松嫩平原中西部的烏裕爾河—雙陽河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，在研究區(qū)內(nèi)均勻采集土壤樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室理化分析和測(cè)得170個(gè)土壤光譜樣本，在此基礎(chǔ)上建立土壤pH、EC與實(shí)測(cè)光譜之間的回歸模型，基于OLI影像的反演模型能夠很好的預(yù)測(cè)土壤pH值和EC值，精度達(dá)到70％和60％以上，說明模型的適用于研究區(qū)內(nèi)鹽堿化的反演。

5.2基于以Landsat-8 OLI為遙感數(shù)據(jù)源，結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建土壤鹽堿反演模型，得到研究區(qū)鹽堿化空間分布圖，可以為未來鹽堿化防治提供一定的科學(xué)參考，烏裕爾河雙陽河流域中下游地區(qū)鹽堿化治理迫在眉睫。

本文通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，構(gòu)建反演模型，通過精度評(píng)價(jià)，證明該模型可用于研究區(qū)內(nèi)鹽堿化的反演，但任然存在一些問題，例如不同區(qū)域，此模型反演效果會(huì)有不同，有待進(jìn)一步研究。

［1］王凱龍，熊黑鋼，等.基于PLSR-BP復(fù)合模型的綠洲土壤pH高光譜反演［J］.干旱區(qū)研究，2014，31（6）：1005-1009.

［2］李寶富，熊黑鋼，龍?zhí)遥?新疆奇臺(tái)綠洲農(nóng)田灌溉前后農(nóng)田土壤水鹽時(shí)空變異性研究［J］.中國沙漠，2012，32（5）：1369-1378.

［3］吳健生，張玉清，等.新疆焉耆縣土地鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)［J］.干旱區(qū)地理，2010，33（2）：251-257.

［4］陳實(shí)，高超，徐斌，等.新疆石河子農(nóng)區(qū)土壤含鹽量定量反演及其空間格局分析［J］.地理研究，2014，33（11）：2135-2144.

［5］劉興土.松嫩平原土地退化整治與農(nóng)業(yè)發(fā)展［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［6］馬馳.基于HJ-1A高光譜影像的土壤鹽堿化遙感研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（2）：180-184.

［7］亢慶，于嶸，等.基于ASTER圖像的干旱區(qū)土壤鹽堿化遙感應(yīng)用研究［J］.干旱區(qū)地理，2005，28（5）：75-79.

（2015-12-27收稿M編輯）

Based on the OLI image Wuyuer river-Shuangyang river soil alkalization inversion in a river basin

HAO Qian-nan et al
（Key Laboratory of remote sensing monitoring of geographic environment，College of Heilongjiang Province，Harbin Normal University，Harbin，P.R.China 150025，China）

Soil salinization has been one of the soil degradation performances under the impact of climate change and human disturbance.Rapid inversion and timely monitoring for soil salinization will make agreat contribution to ecological and sustainable development in WuYuer basin and ShuangYang basin，especially for changing the soil condition and preventing the soil salinization. Based on landsat-8 OLI image with PH and EC 170 measured soil samples，we made a correlation analysis between PH and EC of soil sample and spectral reflectance by choosing the best band from collecting spectra in the laboratory.At the same we made a soil salinity inversion model for WuYuer basin and ShuangYang basin by linear regression.we also provided a reference for information extraction and monitoring of regional soil salinization.

Soil；pH Value；EC Value；Soil salinization；linear-regression analysis

S157.2

A

1003-7853（2016）01-0086-04

郝倩楠（1990-），女，碩士研究生，主要研究地物光譜定量研究。