黃河三角洲鹽堿地信息遙感提取及動(dòng)態(tài)變化分析
——以山東墾利縣為例

焦元波田夏一胡寶清（1.廣西師范學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；3.廣西地表過(guò)程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083）

黃河三角洲鹽堿地信息遙感提取及動(dòng)態(tài)變化分析
——以山東墾利縣為例

焦元波1,2,3田夏一4胡寶清1,2,3
（1.廣西師范學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；3.廣西地表過(guò)程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083）

通過(guò)對(duì)山東省東營(yíng)市墾利縣2000年、2014年的Landsat TM遙感影像圖進(jìn)行監(jiān)督分類和處理，提取了墾利縣鹽堿地信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)墾利縣14年間的鹽堿地動(dòng)態(tài)變化以及影響其變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：2000～2014年期間鹽堿地總體面積減少，輕鹽堿地面積有了大幅度的增加，而重鹽堿地的比重在降低。輕鹽堿地與重鹽堿地、鹽堿地與非鹽堿地之間發(fā)生著類型轉(zhuǎn)化。輕鹽堿地的主要轉(zhuǎn)出類型為水體、林草地和建筑用地；輕鹽堿地的轉(zhuǎn)入主要來(lái)源于耕地和重鹽堿地。重鹽堿地的主要轉(zhuǎn)出類型為水體、輕鹽堿地和建筑用地；重鹽堿地的轉(zhuǎn)入主要來(lái)源于耕地和建筑用地。

墾利縣；鹽堿地；遙感；監(jiān)督分類

1 研究背景

鹽堿地是關(guān)于鹽類集積的土壤種類之一，鹽堿土是土壤在發(fā)生各種鹽化和堿化的過(guò)程形成的，包括鹽化土、堿化土和各種鹽土、堿土。土壤鹽堿化是致使土地發(fā)生退化的一個(gè)重要原因，它會(huì)導(dǎo)致土壤的肥力下降，板結(jié)以及土地撂荒等多種不良后果[1]。近些年來(lái), 隨著沿海人口的增長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鹽堿地與人類活動(dòng)之間的矛盾日益突出,對(duì)鹽堿地的動(dòng)態(tài)變化的研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者探求的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

黃河三角洲是我國(guó)三大河口三角洲之一，同時(shí)也是重要的后備土地資源區(qū)，它受到多種動(dòng)力系統(tǒng)的作用，如河流、陸地、海洋等；大面積、分布廣的鹽漬土，使得黃河三角洲的土地利用狀況頻繁發(fā)生變化，同時(shí)也使得生態(tài)環(huán)境異常脆弱；區(qū)域特征類型復(fù)雜，在其獨(dú)特的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下，整個(gè)地類插花分布，混雜著各種不同的光譜特征[2]。黃河三角洲高達(dá)70%以上的鹽堿地，制約著農(nóng)業(yè)以及經(jīng)濟(jì)在黃河流域的可持續(xù)發(fā)展[3]。

對(duì)黃河三角洲鹽堿地分布來(lái)說(shuō)，它目前的數(shù)量和分布狀況，是通過(guò)土壤調(diào)查的傳統(tǒng)方法于20世紀(jì)80年代得到的，不能夠滿足鹽堿地合理治理、地區(qū)持續(xù)發(fā)展和有效區(qū)域規(guī)劃的需要。遙感的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)、迅速、綜合、宏觀，它是一種監(jiān)測(cè)環(huán)境和資源的全球性研究的有效的新手段[4]。研究現(xiàn)代黃河三角洲鹽堿地動(dòng)態(tài)變化，利用遙感等手段對(duì)鹽堿地信息進(jìn)行提取，綜合運(yùn)用多種數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，有利于迅速查明土地鹽堿化的成因與現(xiàn)狀，準(zhǔn)確有效的進(jìn)行綜合區(qū)劃，能夠作為一種科學(xué)依據(jù)，使得黃河區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和鹽堿地土壤得到良好改善。

2 研究區(qū)域概況

黃河三角洲是黃河近百年來(lái)淤積形成的新陸地，處于山東半島和渤海灣，東經(jīng)117°31＇～119°18＇和北緯36°55＇～38°16＇之間，主要分布于山東省東營(yíng)市和濱洲市境內(nèi)，位于暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)，屬大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，四季分明，春季干旱多風(fēng)，常發(fā)生春旱，夏季炎熱多雨，有時(shí)受臺(tái)風(fēng)侵襲；多年平均氣溫12.5℃，無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)206天，大于或等于10℃的積溫約4300℃；年降水量550～600mm，多集中在夏季，7～8月降雨量約占全年降水量的一半，且降雨量年季變化大，易形成旱、澇災(zāi)害；年蒸發(fā)量為1900～2000mm，蒸降比大。

黃河三角洲是我國(guó)陸域土地面積自動(dòng)擴(kuò)展最快的地區(qū)，其造陸速度位居全世界河流三角洲之首，1974～1984年間平均每年黃河塑造6068 hm2的陸地，1984年至今黃河平均每年塑造 2300hm2的陸地。但由于是海陸相互作用形成的退海之地，并且形成的時(shí)間較晚，氣候干旱，土壤肥力低下，地下水礦化度很高，土壤鹽漬化很容易形成。黃河三角洲區(qū)域內(nèi)鹽漬土面積高達(dá) 4.43×105hm2，它們?nèi)课挥谠诮S河三角洲內(nèi)。泥沙是區(qū)內(nèi)土壤的主要成分，短時(shí)期內(nèi)形成，具有較淺的地下水位，土壤養(yǎng)分含量也不充足，土壤次生鹽漬化和沙化較易形成[5]。

黃河三角洲鹽堿地使用開發(fā)以及存在對(duì)黃河三角洲地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的重大影響。區(qū)域鹽堿地的利用包括下列的特點(diǎn)：

①一直未曾利用的鹽堿地的分布。從1956年以前到目前為止仍然是鹽堿地的面積有1900hm2，主要分布在北部和東部鹽場(chǎng)周圍以及馬家水庫(kù)附近。

②于20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行利用的鹽堿地。有85000 hm2的鹽堿地于這一時(shí)期開發(fā)利用，大部分沿著 1855年和1984年海岸線帶狀分布，其他部分分散在中西部的重鹽堿區(qū)。

③變成水域的鹽堿地。在1956～1984年間，由新生成鹽堿地變?yōu)樗虻拿娣e有15000 hm2，部分為濱海灘涂，河口區(qū)西南部、利津縣西部以及墾利縣沿海地帶是主要分布地帶。

④有著穩(wěn)定的利用方式的鹽堿地。在1956～1984年間，有19500 hm2面積的鹽堿地，它們雖然是新開發(fā)利用的，但退化始終沒(méi)有發(fā)生，近代三角洲堆積體和利津縣西部主要分布地帶。

⑤有著反復(fù)波動(dòng)的利用方式的鹽堿地。這種鹽堿地有41000 hm2，包括兩種主要模式。鹽堿地的波動(dòng)利用方式主要分布在墾利縣內(nèi)、廣饒縣的北部以及河口區(qū)。

⑥新生鹽堿地。這部分鹽堿地在時(shí)空演變模式中，是面積最大的一類，有127000hm2，近代黃河三角洲堆積體和濱海灘涂是主要分布區(qū)域[6]。

3 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究數(shù)據(jù)采用陸地衛(wèi)星TM遙感數(shù)據(jù)，分辨率為30× 30m。時(shí)相分別為2000年4月8日、2014年3月14日。影像質(zhì)量良好，研究區(qū)無(wú)云覆被，影像層次豐富，稍有物候差異。

3.2 圖像預(yù)處理

3.2.1 幾何精校正

幾何校正是利用地面控制點(diǎn)對(duì)遙感影像的幾何畸變過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，建立原始影像與大地平面之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后將原始影像中的像元轉(zhuǎn)換到校正影像空間。由于整景影像數(shù)據(jù)量較大，因此，先將包含案例區(qū)域的影像，用矩形切割下來(lái)進(jìn)行圖像處理工作。幾何校正分幾何粗校正和幾何精校正，一般地面站提供的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)了幾何粗校正的處理，因此，為了使遙感圖像的幾何精度符合制圖要求，還需要利用地面控制點(diǎn)作進(jìn)一步校正，稱為幾何精校正[7]。

選用墨卡托投影空間為校正空間，以已校正過(guò)的2011年黃河三角洲Landsat圖像為基準(zhǔn)圖像，對(duì)2000年4月8日遙感圖像進(jìn)行圖像到圖像的幾何精校正。

具體方法：在遙感影像中選擇道路交叉點(diǎn)或拐彎點(diǎn)、人工坑塘角點(diǎn)、渠道交叉點(diǎn)，海堤與其它地物的交叉點(diǎn)等36個(gè)明顯地物點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)，基本呈均勻分布，采用多項(xiàng)式校正模型和雙線性內(nèi)插重采樣模型對(duì)原始圖像進(jìn)行幾何精校正，校正后經(jīng)重新選點(diǎn)檢驗(yàn)，最終的定位精度控制在0.279個(gè)像元之內(nèi)，達(dá)到研究精度要求。

3.2.2 圖像配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)是指使用基準(zhǔn)圖像對(duì)另一幅圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，以使兩幅圖像中的同名像元配準(zhǔn)[8]。將校正好的2011年圖像作為基準(zhǔn)圖像，利用ENVI中的圖像到圖像校正功能，在兩幅圖像上選擇 43 個(gè)同名地物點(diǎn)作為控制點(diǎn)，應(yīng)用多項(xiàng)式校正和雙線性內(nèi)插重采樣對(duì) 2014年3月14日的圖像進(jìn)行校正，校正精度為0.235個(gè)像元，最終使兩幅圖像達(dá)到研究精度要求。

3.2.3 研究區(qū)圖像數(shù)據(jù)提取

遙感影像為黃河三角洲大范圍圖像，本文研究區(qū)域?yàn)閴ɡh，因此需對(duì)已校正圖像進(jìn)行裁剪，具體步驟如下：

（1）在ENVI 5.0中加載已經(jīng)做過(guò)幾何精校正的影像，再打開已有的墾利縣區(qū)劃邊界，通過(guò)Toolbox中的Subset Data via ROIs功能截取墾利縣行政區(qū)邊界矢量圖。獲得2000年、2014兩年墾利縣行政區(qū)邊界矢量圖。

（2）利用ROI文件對(duì)遙感圖像進(jìn)行裁剪，最終獲得研究區(qū)域遙感圖像。在ENVI中打開裁剪好的圖像。

4 黃河三角洲土地利用分類

4.1 黃河三角洲相關(guān)土地分類

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都研究過(guò)黃河三角洲分類體系。葉慶華[9]在進(jìn)行黃河三角洲土地利用時(shí)空復(fù)合變化圖譜分析時(shí)，將本區(qū)土地覆被類型分為9類:渤海海域、耕地、園地、有林地、鹽堿地、牧草地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地、水域(包括灘涂)、未利用地或難利用地。江小欽[10]等根基據(jù)影像所反映的景觀特點(diǎn)和黃河三角洲的實(shí)際情況，將黃河三角洲土地分為11種類型：海水、內(nèi)陸水體、旱地、水田、林地、灌草地、葦?shù)亍┩?、居民地、鹽田和未利用地。

4.2 黃河三角洲土地分類體系

基于國(guó)內(nèi)分類體系以及現(xiàn)代黃河三角洲分類體系，結(jié)合本文研究?jī)?nèi)容和圖像特點(diǎn)，最終確定將研究區(qū)域土地利用/土地覆被分為 7類：灘涂、耕地、水體、林草地、輕鹽堿地、重鹽堿地、建筑用地。

表1 土地利用分類方案（TM 影像標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成）

5 黃河三角洲鹽堿地信息的遙感提取

5.1 遙感影像分類與分類精度評(píng)價(jià)

采用監(jiān)督分類的方法進(jìn)行分類。通過(guò)對(duì)幾種方法的分析，最終決定使用分類效果較好的最大似然法對(duì)兩期影像進(jìn)行分類。

因?yàn)閳D像分類的正確性直接受遙感影像數(shù)據(jù)分類精度影響，所以分類結(jié)果精度的評(píng)價(jià)對(duì)于遙感數(shù)據(jù)的使用極為重要。本文采用混淆矩陣、總體分類精度和Kappa系數(shù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

混淆矩陣（Confusion Matrix）又叫做誤差矩陣（Error Matrix），主要用于比較分類結(jié)果和地表真實(shí)信息的差異，可以把分類結(jié)果的精度顯示在一個(gè)混淆矩陣?yán)??；煜仃噷⒌乇砻總€(gè)真實(shí)像元的類別與分類圖像中的類別相比較，矩陣中的每一列代表地表真實(shí)類別數(shù)，每一行代表每一列中的數(shù)值等于地表真實(shí)像元在分類圖像上對(duì)應(yīng)的類別數(shù)，有像元數(shù)和百分比兩種表示方法?；煜仃嚳梢杂?jì)算：總體精度（overall accuracy），使用者精度（user accuracy）生產(chǎn)者精度（producer accuracy）。

Kappa系數(shù)是把所有真實(shí)參考的像元總數(shù)乘以混淆矩陣對(duì)角線的和，減去某一類中真實(shí)參考像元數(shù)與該類中被分類像元總數(shù)之積后，再除以像元總數(shù)的平方減去某一類中真實(shí)參考像元總數(shù)與該類中被分類像元總數(shù)之積對(duì)所有類別求和的結(jié)果。它也是一種計(jì)算分類精度的方法，能夠客觀地評(píng)價(jià)分類結(jié)果的質(zhì)量，能夠避免生產(chǎn)者精度、用戶精度和總體精度因小變動(dòng)的像元類別而導(dǎo)致的百分比變化。

利用混淆矩陣和Kappa系數(shù)精度評(píng)價(jià)的方法分別對(duì)2000年、2014年墾利縣遙感影像分類圖進(jìn)行精度評(píng)定，最終得到分類精度為：2000年整體精度99.7638%，Kappa系數(shù)0.9963；2014年整體精度99.5545%，Kappa系數(shù)0.9938。

5.2 分類后處理

初步分類后還需要通過(guò) ENVI中的中聚類處理(Clump Classes)、過(guò)濾處理(Sieve Classes)和Majority Analysis后處理功能，對(duì)分類結(jié)果圖進(jìn)行類別合并和小圖斑處理，并對(duì)有明顯錯(cuò)誤的地方進(jìn)行糾正。最終制成2000年4月8日和2014年3月14日墾利縣遙感影像分類圖。

圖1 2000年遙感影像分類圖

圖2 2014年遙感影像分類圖

6 黃河三角洲鹽堿地時(shí)空變化分析

6.1 鹽堿地及其他各類土地面積變化分析

利用ENVI4.7軟件中的Class Statistics工具分別統(tǒng)計(jì)出了2000和2014年?yáng)|營(yíng)市墾利縣鹽堿地及其他各類土地面積，制作表格如下：

表2 墾利縣鹽堿地及其他各類土地面積及面積比

表3 墾利縣鹽堿地及其他地類面積變化及面積比率

由表3可以看出2000年～2014年，研究區(qū)域面積增加了0.123km2，變化率為0.0048%。各種地物面積均發(fā)生了變化，其中水體、林草地、輕鹽堿地和建筑用地的面積以增長(zhǎng)為主；灘涂、耕地、重鹽堿地的面積則呈減少的趨勢(shì)。2000年～2014年灘涂面積減少了126.137km2。從遙感影像可以看出，增加面積主要為水體，水位增長(zhǎng)，導(dǎo)致灘涂面積退縮。其變化率較小，相對(duì)穩(wěn)定。2000年～2014年研究區(qū)域的耕地面積減少了508.751km2，其面積變化率達(dá)到了87.1%，變化較大，說(shuō)明耕地減少過(guò)快，需要加強(qiáng)耕地保護(hù)。2000年～2014年，14年中水體面積增加了295.125km2。從遙感影像可以看出，水域大范圍增加，增加面積主要為坑塘。水草地面積增加了234.641km2，其面積變化率達(dá)到了162.8%，成為土地類型中面積變化最大的一類，增加速度最快，說(shuō)明植被發(fā)展較好，林草地得到了很好的保護(hù)和發(fā)展。建設(shè)用地面積在14年內(nèi)增加了224.305km2，其面積變化率達(dá)到了40.8%，該地區(qū)城鎮(zhèn)面積在逐步穩(wěn)定增加。

2000年～2014年，14年里輕鹽堿地面積增加了254.184km2。變化率為85.3%，雖然面積大范圍增加，但輕鹽堿地的增加是在重鹽堿地演變的基礎(chǔ)上的，土地的鹽堿化得到了改良。2000年～2014年重鹽堿地面積大大減少，減少面積為373.244km2，變化率為94.2%。大范圍的重鹽堿地得到治理，鹽堿化大為減輕，轉(zhuǎn)變?yōu)檩p鹽堿地。

表4 2000年～2014年墾利縣鹽堿地及各類土地轉(zhuǎn)移矩陣

6.2 轉(zhuǎn)移矩陣分析

通過(guò)轉(zhuǎn)移矩陣分析及表3可知，2000年～2014年期間墾利縣各鹽堿地類型之間、鹽堿地與非鹽堿地類型間的動(dòng)態(tài)變化較為強(qiáng)烈。其中鹽堿地類型之間的變化主要表現(xiàn)為重鹽堿地向輕鹽堿地的轉(zhuǎn)變，從2000年到2014年期間鹽堿地總體面積減少。

輕鹽堿地的主要轉(zhuǎn)出類型為水體、林草地和建筑用地；其中有31.631km2輕鹽堿地轉(zhuǎn)變?yōu)樗w，有99.842km2輕鹽堿地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫兀惠p鹽堿地的轉(zhuǎn)入主要來(lái)源于耕地和重鹽堿地，其中耕地有266.229km2轉(zhuǎn)變?yōu)檩p鹽堿地，重鹽堿地轉(zhuǎn)變?yōu)檩p鹽堿地45.592km2。

重鹽堿地的主要轉(zhuǎn)出類型為水體、輕鹽堿地和建筑用地；其中有95.211km2重鹽堿地轉(zhuǎn)變?yōu)樗w，有45.592km2重鹽堿地轉(zhuǎn)變?yōu)檩p鹽堿地；重鹽堿地的轉(zhuǎn)入主要來(lái)源于耕地和建筑用地，其中耕地有3.778km2轉(zhuǎn)變?yōu)橹佧}堿地，建筑用地轉(zhuǎn)變重鹽堿地為4.535km2。

由轉(zhuǎn)移矩陣分析可知研究期內(nèi)黃河三角洲鹽堿地變化的主要特點(diǎn)有：大量耕地轉(zhuǎn)出，最主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)變?yōu)檩p鹽堿地；2000～2014年期間鹽堿地總體面積減少，但輕鹽堿地面積增長(zhǎng)了254.184km2，重鹽堿地面積減少了373.244km2。

7 結(jié)論

基于遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)黃河三角洲地區(qū)墾利縣2000年和2014年遙感圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了墾利縣鹽堿地的面積和分布狀況，分析可以得出，從2000年～2014年，十四年來(lái)，研究區(qū)域總面積有所增加，墾利縣鹽堿地的分布現(xiàn)狀，研究期內(nèi)輕重鹽堿地之間、鹽堿地和非鹽堿地之間相互轉(zhuǎn)化和逆轉(zhuǎn)并存。黃河三角洲地區(qū)土地鹽堿化這種情況仍在持續(xù)，但是由于政府的大力支持及各種鹽堿化措施的實(shí)施，土地的鹽堿化治理還是具有一定效果，重鹽堿地的面積大大減少，重鹽堿地鹽堿化得到減輕，變?yōu)檩p鹽堿地。

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Dynamic change and remote sensing information extraction of saline land in the yellow river delta——A case study in Shandong Kenli County

Through the supervision and classification of remote sensing image drawing of 2000, 2014 years in Kenli County in Dongying City, Shandong Province, and the Kenli County saline information were extracted. On the basis of the dynamic changes of saline 14 years of Kenli County, the driving force of the dynamic changes was analyzed. The results showed: 2000 - 2014 periods to reduce the overall area of saline, light saline area has significantly increased, while reducing the proportion of heavy saline. Light saline and alkaline lands, between the saline and non-saline with type conversions. Light Saline major roll-out type of water, forest and grassland and building land; Severe Saline major roll-out type of water, light saline land and building land; Severe Saline transferred mainly from farmland and building land.

Kenli county; saline; remote sensing; supervised classificati

TP7

A

1008-1151(2016)12-0031-04

2016-11-12

焦元波（1990－），男，河南安陽(yáng)人，廣西師范學(xué)院國(guó)土資源與測(cè)繪學(xué)院 2015級(jí)碩士研究生，從事土地利用與區(qū)域發(fā)展研究；田夏一（1992－），女，山東高密人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院 2015級(jí)碩士研究生，從事資源與環(huán)境遙感方向研究。

胡寶清（1966－），男，江西臨川人，廣西師范學(xué)院教授，博士，從事脆弱環(huán)境演變與政治研究。