土壤鹽漬化信息提取方法綜述

袁廣祥, 陳德文， 徐洋洋， 孟德政， 張翼宇， 王小東

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350004)

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)基本要素，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤鹽漬化問題直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類健康和生態(tài)安全[1]。鹽漬土廣泛分布在世界上100多個(gè)國家和地區(qū)，其面積接近10億hm2，約占全球陸地總面積的25%[2]。我國鹽漬土主要分布在北方干旱、半干旱地區(qū)，鹽漬土總面積達(dá)到3 630萬hm2，接近我國可利用土地面積的4.88%，明顯高于世界平均水平[3]。

土壤鹽漬化程度與作物種子的萌發(fā)和幼苗能否正常生長發(fā)育密切相關(guān)[4]，當(dāng)土壤中某種鹽分的含量超過作物生長所能承受的極限時(shí)，將出現(xiàn)農(nóng)作物大量死亡，土地大面積荒廢的現(xiàn)象，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響[5]。因此，精確提取土壤鹽漬化信息、掌握農(nóng)田鹽漬化程度，對于治理鹽漬土、防止土壤次生鹽漬化具有重要意義。

隨著土壤鹽漬化研究的不斷深入，土壤鹽漬化信息提取方法越來越多，主要可以分為：現(xiàn)場觀測與樣品分析、電導(dǎo)率原位測試、遙感信息技術(shù)和聯(lián)合提取，詳見表1。

表1 土壤鹽漬化信息提取方法

1 現(xiàn)場觀測與樣品分析

1.1 現(xiàn)場觀測

現(xiàn)場觀測是通過選取具有鹽漬化表征的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行連續(xù)數(shù)年的監(jiān)測和預(yù)報(bào)，從而提取土壤鹽漬化信息的方法[6]。

監(jiān)測數(shù)據(jù)包括地下水動(dòng)態(tài)、土壤含鹽量和土壤含水量以及土壤蒸散量等參數(shù)。在確定土壤鹽分遷移彌散系數(shù)、田間蒸散量和根吸水率等參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬計(jì)算出土壤含鹽量的分布狀況，提取土壤鹽漬化信息[7]?，F(xiàn)場觀測方法是通過建立長期試驗(yàn)觀測站，并借助數(shù)值模擬技術(shù)，進(jìn)行小尺度區(qū)域的觀測，可以非常精確地提取土壤鹽漬化信息[8-9]，但是該方法耗時(shí)費(fèi)力，效率較低。

1.2 樣品分析

土壤鹽漬化研究開始之初主要是通過野外小范圍的采集土壤樣本[10]，獲取土壤鹽漬化的直觀信息。

樣品取樣的方法有純隨機(jī)取樣、分層隨機(jī)取樣、整體取樣和網(wǎng)格取樣等[11]。野外樣品采集的布點(diǎn)是整個(gè)土壤信息提取過程的重要環(huán)節(jié)，樣點(diǎn)必須比較均勻地分布在全工作區(qū)域內(nèi)，劃分出若干較為典型的采樣區(qū)域須包含各類景觀，且具有代表性[12]。通過野外采集土壤樣本，然后將樣品帶回室內(nèi)測定土壤鹽分含量[13]、含水量[14]、電導(dǎo)率[15]等指標(biāo)，經(jīng)觀測和試驗(yàn)分析，可以精確提取土壤鹽漬化信息，但該方法耗時(shí)費(fèi)力、效率較低。如果測點(diǎn)少，難以反映區(qū)域尺度的鹽漬化土壤分布，適用于小尺度的鹽漬化信息提取工作。

2 電導(dǎo)率原位測試

土壤電導(dǎo)率指土壤溶液傳導(dǎo)電流的能力[16]，即土壤溶液的導(dǎo)電能力[17]，是反映土壤溶液中含鹽量的間接指標(biāo)[18]。近二、三十年來，隨著室外便攜式快速測試儀器的開發(fā)和使用，在土壤電導(dǎo)率快速測試方面有了較大的進(jìn)展[19-22]。根據(jù)傳感器類型，土壤電導(dǎo)率原位測試可分為接觸式和非接觸式兩種。

2.1 接觸式原位測試

接觸式土壤電導(dǎo)率原位測定曾廣泛使用二極法[23]，在交流電條件下，這種方法可以避免電極極化，得到穩(wěn)定可靠的結(jié)果。但在直流電條件下，會(huì)發(fā)生電極極化[24]，電流隨著加壓時(shí)間而變化，不能取得穩(wěn)定結(jié)果。為了克服直流電電極化問題，發(fā)展起來了四電極法[25]。

四電極法通過測量土壤表觀電導(dǎo)率來估測土壤含鹽量，進(jìn)而提取土壤鹽漬化信息[26-27]。四電極分為探針式和水平式兩種，探針式適用于定位監(jiān)測，水平式適用于土壤鹽分的大面積調(diào)查[28]。四電極法其優(yōu)點(diǎn)是測量速度快，移動(dòng)方便，可根據(jù)測量目的不同選擇不同形式的電極[29-30]。

近幾年來，室外便攜式土壤電導(dǎo)率測量方法取得較大進(jìn)展[31-32]，該方法簡便、快速，可進(jìn)行較大規(guī)模的鹽漬化信息提取工作。然而，與室內(nèi)樣品分析測量的數(shù)據(jù)相比，差別有多大及數(shù)據(jù)質(zhì)量如何尚未得到系統(tǒng)的評價(jià)，還需進(jìn)一步探索研究[33]。

2.2 非接觸式原位測試

非接觸式土壤電導(dǎo)率原位測試是利用電磁感應(yīng)原理[34]快速測定土壤表征電導(dǎo)率的方法，可通過建立預(yù)測模型間接獲取土壤含鹽量，可在田間尺度上快速進(jìn)行土壤鹽漬化信息提取，且提取精度較高[35]。

20世紀(jì)70年代末，在土壤鹽分監(jiān)測研究中首次利用了電磁感應(yīng)技術(shù)，獲得了高精度、大區(qū)域的土壤鹽分含量數(shù)據(jù)以及鹽分的空間變化規(guī)律[36]。隨著研究的不斷深入，許多學(xué)者將電磁感應(yīng)儀EM38與野外采樣相結(jié)合，建立了適合當(dāng)?shù)氐耐寥篮}量的預(yù)測模型，獲得的研究區(qū)土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)具有較高的可信度[37]。

EM38方法預(yù)測精度高且可快速獲取大量的土壤鹽分預(yù)測數(shù)據(jù)，適用于大規(guī)模的鹽漬化信息提取工作，更重要的是可以在不破壞土壤的情況下獲取土壤剖面1.5 m深度的土壤鹽分含量[38-39]?，F(xiàn)在采用EM38測定土壤鹽分含量已成為國內(nèi)外土壤鹽漬化信息提取研究中的一項(xiàng)重要方法，具有良好的應(yīng)用前景。

3 遙感信息技術(shù)

遙感信息技術(shù)主要包括航天、航空、多光譜和高光譜等多種技術(shù)手段，因其具有高效、快速、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)提取方法的不足，已成為土壤鹽漬化信息提取的重要手段，主要有以下幾種方法。

3.1 監(jiān)督分類

監(jiān)督分類又稱訓(xùn)練分類，是指在人為干預(yù)下選取訓(xùn)練樣本，依據(jù)訓(xùn)練樣本的亮度特征建立“判別函數(shù)”進(jìn)行分類[40]。該方法主要通過相關(guān)預(yù)處理、訓(xùn)練樣本的提取、參數(shù)設(shè)置等步驟，提取遙感圖像的光譜信息和不同窗口的紋理信息進(jìn)行圖像分類[41]。常用的監(jiān)督分類算法有：最大似然法、支持向量機(jī)(SVM)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[42-43]，其中應(yīng)用較廣的是支持向量機(jī)分類算法。

支持向量機(jī)算法提出于1995年[44]，其本質(zhì)是將分類問題轉(zhuǎn)化為凸二次規(guī)劃問題。該方法以統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，把非線性可分樣本數(shù)據(jù)映射到高維線性空間中，創(chuàng)建一個(gè)最優(yōu)分類超平面，引入了核函數(shù)，綜合經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和置信范圍，找出判決函數(shù)，使其期望風(fēng)險(xiǎn)上界達(dá)到最小[45]。在土壤鹽漬化信息提取中，支持向量機(jī)分類因其易用、穩(wěn)定和具有相對較高的精度而得到廣泛應(yīng)用[46]。如依力亞斯江·努爾麥麥提[47]基于鹽漬化分類系統(tǒng)，通過SVM工具確定最佳參數(shù)，從而進(jìn)行樣本集訓(xùn)練，得到分類器模型，獲得了土壤鹽漬化分類信息。

由于僅依賴于單一參數(shù)的選擇，支持向量機(jī)方法在針對不同地物分類時(shí)難以調(diào)適至最佳分類效果，提取精度有待進(jìn)一步提高[48-49]。

3.2 多光譜指數(shù)

遙感光譜與土壤表層屬性關(guān)系極為密切，利用多光譜指數(shù)能夠有效表征土壤鹽漬化[50]。已有許多學(xué)者建立了多光譜指數(shù)與土壤鹽漬化的直接或間接關(guān)系，主要分為鹽分指數(shù)和植被指數(shù)，如歸一化鹽分指數(shù)NDSI[51]、鹽分指數(shù)S2[52]、鹽分指數(shù)SI-T[53]、歸一化植被指數(shù)NDVI[54-55]、增強(qiáng)性植被指數(shù)EVI[56]等。上述指數(shù)在不同的地貌特征、植被類型、氣候、人文因素等方面表現(xiàn)出一定的差異性，不同區(qū)域的光譜指數(shù)與土壤鹽漬化信息之間的關(guān)系并不完全一致[57-58]。

隨著多光譜指數(shù)研究的不斷發(fā)展，已有學(xué)者借助多種已有的或者構(gòu)建新的鹽分或植被指數(shù)提取土壤鹽漬化信息[59-60]。但是，由于多光譜遙感的光譜分辨率較低，該方法難以區(qū)分輕度鹽漬化與非鹽漬化的土壤，提取精度有待進(jìn)一步提高。

3.3 決策樹分類

決策樹分類是以實(shí)例為基礎(chǔ)的歸納學(xué)習(xí)算法[61]，是一種對遙感圖像分層次處理的方法。根據(jù)地面實(shí)際數(shù)據(jù)及目標(biāo)物有關(guān)知識(shí)[62-63]，通過確定各類屬性(包括相關(guān)的環(huán)境特性，如幾何、紋理以及數(shù)字地形模型等背景信息)的重要程度，提取必要的屬性，以獲取鹽漬化信息。

決策樹分類的主要思路是從影像中逐步分離每一種地物作為一個(gè)圖層，從而避免影響其他地物提取[64]。通過整合各種有效的特征量，逐一提取每一個(gè)地物，可提高鹽漬化信息提取的準(zhǔn)確性。因此，合理選取特征量和確定相應(yīng)閾值是利用決策樹分類法提取鹽漬化信息的關(guān)鍵[65]。

目前，已有學(xué)者通過分析區(qū)域主要地物的光譜特征，建立了提取鹽漬化信息的決策樹模型，分類結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近，具有較高精度[66]。決策樹分類法具有分類結(jié)構(gòu)簡單、分類精度高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于不同研究區(qū)的灌溉方式、植被類型及氣候條件等不同，決策樹模型是否具有通用性，還有待進(jìn)一步研究[67]。

3.4 高光譜

高光譜遙感是利用電磁波波段獲取光譜圖像的技術(shù)[68]，它融合了光譜技術(shù)和成像技術(shù)，可實(shí)時(shí)地獲取研究對象的影像和每個(gè)單元的光譜分布[69]。高光譜遙感技術(shù)能夠利用非常高的光譜分辨率來探測土壤成分的光譜特征，土壤鹽分情況可以直接反映在光譜曲線上[70]。通過高光譜影像，分析不同類型鹽漬化土壤的光譜特征，結(jié)合室內(nèi)樣品數(shù)據(jù)，可以建立土壤鹽漬化信息提取模型[71]。

由于高光譜數(shù)據(jù)具有較高的光譜分辨率，可以準(zhǔn)確反映土壤的光譜特征。因此，近年來國內(nèi)外利用高光譜方法在土壤鹽漬化信息提取方面做了許多探索，已取得一些進(jìn)展[72-74]，高光譜方法已成為鹽漬化信息提取研究中的熱點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。

3.5 微波雷達(dá)

土壤鹽分的變化會(huì)對土壤介電常數(shù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤表面后向散射系數(shù)，這是微波雷達(dá)進(jìn)行土壤鹽漬化信息提取的物理基礎(chǔ)[75-76]。微波雷達(dá)一般指合成孔徑雷達(dá)(SAR)遙感，能夠主動(dòng)發(fā)射電磁波，在不依賴太陽光照及氣候條件下實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測，在某些情況下，能起到其他遙感手段起不到的作用。

20世紀(jì)90年代以來，隨著一系列星載合成孔徑雷達(dá)的發(fā)射升空，雷達(dá)遙感迎來了應(yīng)用的高潮[77]。目前，利用多光譜遙感和高光譜遙感進(jìn)行土壤鹽漬化信息提取多以定性提取為主，而微波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)定量提取鹽漬化信息[78]。相關(guān)研究表明，以土壤鹽分雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立含水、含鹽土壤的混合介電模型進(jìn)行土壤鹽漬化信息提取，具有良好的精度和適用性[79-80]。

目前，利用雷達(dá)影像進(jìn)行鹽漬化提取的研究成果較少，微波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)定量提取鹽漬化信息，使其成為土壤鹽漬化信息提取的新興而有潛力的方法，具有良好的應(yīng)用前景。

4 聯(lián)合提取

聯(lián)合提取方法是將多個(gè)單一方法結(jié)合起來提取鹽漬化信息。單一的鹽漬化信息提取方法有各自突出的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，但任何一種方法都存在著不足和局限性。對于鹽漬化信息提取研究來說，不僅需要了解鹽漬化的空間分布，更重要的是要了解鹽漬化的程度，這個(gè)目標(biāo)僅依靠單一的方法是很難達(dá)到的[81]。

目前，已有一些學(xué)者嘗試聯(lián)合多種技術(shù)進(jìn)行鹽漬化信息提取，并取得了較好的研究成果[82]。聯(lián)合提取方法主要分為以下幾種：現(xiàn)場觀測和樣品分析結(jié)合遙感影像提取土壤鹽漬化信息[83]；樣品分析與土壤高光譜指數(shù)、EM38數(shù)據(jù)相結(jié)合共同提取土壤鹽漬化信息[84]；基于光學(xué)與微波融合遙感數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)(SVM)分類方法進(jìn)行鹽漬化信息提取，并運(yùn)用決策樹提高土壤鹽漬化信息提取的精度[85]。

綜上所述，單一的鹽漬化信息提取方法有其適用范圍和局限性，而聯(lián)合提取方法則可以克服單一方法的不足，提取較為準(zhǔn)確的土壤鹽漬化信息。因此，相對于單一提取方法，聯(lián)合提取方法具有更好的應(yīng)用前景。探索更為高效、經(jīng)濟(jì)、精確的聯(lián)合提取方法是未來鹽漬化信息提取研究的重要發(fā)展方向。

5 結(jié)論

土壤鹽漬化信息提取方法的研究經(jīng)歷了一段漫長的時(shí)期，取得了長足的進(jìn)展。

提取方法從單一方法發(fā)展到多種方法聯(lián)合使用，提取范圍從點(diǎn)尺度到田間尺度再到區(qū)域尺度，土壤鹽漬化提取方法的研究范圍越來越大，獲取的數(shù)據(jù)越來越多，對土壤鹽漬化的識(shí)別及程度判別越來越準(zhǔn)確。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，人們對于土壤和水資源的開發(fā)利用程度加大，土壤鹽漬化程度不斷加深，土壤鹽漬化問題已經(jīng)成為全球性生態(tài)問題。因此，面對現(xiàn)今日益嚴(yán)重的土壤鹽漬化狀況，尋求更為高效、可靠、精確、經(jīng)濟(jì)的土壤鹽漬化信息聯(lián)合提取技術(shù)具有重要意義。