基于GF-2 遙感影像的引黃灌區(qū)土壤電導(dǎo)率與Ca2+含量估算

董 芳，趙振華，邢立亭，劉展宏

（1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022； 2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014）

鹽漬化已經(jīng)成為制約農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的因素之一，中國(guó)鹽漬化土壤的分布范圍廣、面積大［1］，黃河流域范圍內(nèi)的耕作土壤鹽漬化問(wèn)題尤為突出［2-5］。 為盡快實(shí)現(xiàn)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展，需對(duì)沿黃區(qū)域土壤進(jìn)行鹽漬化類型及程度的劃分和確定，快速獲取區(qū)域內(nèi)土壤鹽分總量和離子含量的分布數(shù)據(jù)，進(jìn)而為沿黃區(qū)域鹽漬土的改良提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于土壤鹽漬化的相關(guān)研究。 多光譜遙感影像是常用的數(shù)據(jù)源之一，目前多數(shù)研究采用美國(guó)陸地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)［6-12］，同時(shí)哨兵數(shù)據(jù)［13-14］、我國(guó)高分遙感數(shù)據(jù)［15-16］和無(wú)人機(jī)影像［17-18］的應(yīng)用也逐漸增多。 研究主要集中在土壤含鹽量的定量反演方面，多數(shù)研究者利用植被指數(shù)和敏感波段及其變形［8-9，19-20］與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以在一定程度上提高模型擬合度［10-18］；還有學(xué)者將實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)土壤含鹽量數(shù)據(jù)與多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，預(yù)測(cè)區(qū)域含鹽量［14，21-22］。 鹽漬化土壤可溶性鹽基離子含量的定量研究主要是利用實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)，探測(cè)光譜波段多位于可見(jiàn)光-近紅外譜段［23-26］， 但基于多光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的鹽基離子的反演并沒(méi)有太多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

高分二號(hào)（GF-2）衛(wèi)星具有分辨率高、穩(wěn)定、幅寬較寬的優(yōu)勢(shì)，利用GF-2 多光譜遙感影像，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)土壤含鹽量及鹽基離子含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，研究其適用程度，可為土壤鹽漬化的大規(guī)模監(jiān)測(cè)提供新的研究思路。 本文采用山東省濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)引黃灌區(qū)的GF-2影像，嘗試采用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型與多光譜遙感數(shù)據(jù)建立擬合函數(shù)，獲取區(qū)域土壤電導(dǎo)率及鈣離子含量，并對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)地處黃河下游北岸黃河沖積平原，為典型的咸水區(qū)，淺部地層主要由黃河多次泛濫淤積形成，地表巖性以粉土、粉質(zhì)黏土為主。 該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，集中降雨期為7—9 月；蒸發(fā)量年內(nèi)分配不均，春季蒸發(fā)量增大，6—7 月達(dá)到最大。 本研究土壤樣品數(shù)據(jù)采自濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)西鹽村和 王 興 家 村， 位 于 東 經(jīng)116° 52′—117° 27′、 北 緯36°41′—37°15′，總面積約為13.321 km2。 黃河位于研究區(qū)南部，附近河段為地上“懸河”，河床高于地面5 m以上。 研究區(qū)東部為引黃灌渠，春灌和冬灌是引黃河水灌溉。 經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)土壤次生鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.2 土壤樣品采集及室內(nèi)測(cè)定

土壤采樣時(shí)間為2019 年12 月26 日，采集土壤的地點(diǎn)多選在耕地和裸土。 土壤樣本采集深度設(shè)定為地表向下0 ～5 cm，除去動(dòng)植物殘留體、礫石、肥料團(tuán)塊等，裝入密封紙袋并標(biāo)號(hào)，用于檢測(cè)土壤電導(dǎo)率和Ca2+含量，共采集土壤樣品44 個(gè)。 將土壤樣品按1 ∶5（土∶水）制成水土混合溶液，充分?jǐn)嚢?0 min，使土壤全部溶解于水中，放入離心機(jī)中以7 000 r／min 運(yùn)行5 min，吸上層清液放置于塑料瓶并標(biāo)號(hào)。 使用電導(dǎo)率儀（雷磁DDSJ-308F 電導(dǎo)率儀）測(cè)定25 ℃時(shí)的土壤電導(dǎo)率（EC）；采用EDTA 配位滴定法測(cè)定土壤Ca2+含量。

1.3 遙感影像獲取與預(yù)處理

遙感影像采用我國(guó)研發(fā)的GF-2 衛(wèi)星影像，傳感器全色分辨率1 m，多光譜分辨率4 m，融合后圖像空間分辨率可達(dá)1 m。 成像時(shí)間為2019 年12 月27 日，下載自中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心山東高分中心數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)。 對(duì)GF-2 遙感影像進(jìn)行大氣校正、輻射定標(biāo)、幾何校正等處理，將多光譜數(shù)據(jù)和全色數(shù)據(jù)融合，為了避免非土壤區(qū)域影響反演結(jié)果，對(duì)遙感影像中的建筑用地、道路、引黃灌渠等進(jìn)行掩膜剔除。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1因子提取

土壤鹽漬化程度與鹽分含量、植被密度、土壤含水量等因素關(guān)系密切。 本研究選擇相關(guān)的15 個(gè)特征光譜指數(shù)（見(jiàn)表1）、8 個(gè)創(chuàng)建的新光譜指數(shù)（見(jiàn)表2），建立遙感圖像與土壤電導(dǎo)率及Ca2+含量的定量關(guān)系。 其中，創(chuàng)建的新光譜指數(shù)是依據(jù)現(xiàn)有的光譜指數(shù)以及鹽離子含量與波段的相關(guān)系數(shù)來(lái)確定的，間接表現(xiàn)土壤鹽分狀況。

表1 遙感光譜指數(shù)

表2 創(chuàng)建的新光譜指數(shù)

1.4.2擬合方法

采用一元及多元線性回歸模型分析土壤電導(dǎo)率、Ca2+含量與上述遙感光譜指數(shù)的擬合關(guān)系。 擬合結(jié)果中僅保留通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（Sig.＜0.01） 的回歸模型，并采用決定系數(shù)R2和均方根誤差（RMSE） 評(píng)價(jià)模型對(duì)土壤電導(dǎo)率和Ca2+含量的擬合效果。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 因子與土壤鹽分的相關(guān)性分析

將土壤電導(dǎo)率、Ca2+含量與表1、表2 中的光譜指數(shù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。 由圖1 可知，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（Sig.＜0.01）且相關(guān)性較強(qiáng)的因子有DSI、SI4、SI5和SI11（相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.4），在本研究中選擇這4 個(gè)因子作為回歸分析自變量。

圖1 土壤電導(dǎo)率、Ca2+含量與光譜指數(shù)之間的相關(guān)性

2.2 土壤電導(dǎo)率的估算

2.2.1擬合結(jié)果分析

在44 個(gè)樣本點(diǎn)中，隨機(jī)選擇36 個(gè)樣本點(diǎn)建立擬合方程，其他8 個(gè)樣本點(diǎn)用做精度驗(yàn)證。 將現(xiàn)有的實(shí)測(cè)土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)和擬合因子（DSI、SI4、SI5和SI11）進(jìn)行一元及多元線性回歸，得到表3。

由表3 可知，利用光譜指數(shù)擬合電導(dǎo)率的一元線性模型的R2均低于0.5，僅DSI指數(shù)略高為0.494；二元線性模型的R2有顯著提高，均大于0.55，其中DSI和SI5的組合R2最高，為0.594；三元線性模型的R2略有提高，但并不顯著。 由上述分析可知，二元線性模型中DSI和SI5的組合對(duì)電導(dǎo)率的擬合最為合理，且這2 個(gè)自變量能較好地解釋因變量（Sig.＜0.01），最終得到電導(dǎo)率二元線性擬合方程為

表3 電導(dǎo)率擬合的線性回歸模型匯總和參數(shù)估計(jì)

式中：Y為土壤表層電導(dǎo)率估算值；DSI為差值光譜指數(shù)數(shù)值；SI5為鹽分指數(shù)5 數(shù)值。

利用隨機(jī)選擇的8 個(gè)精度驗(yàn)證點(diǎn)土壤電導(dǎo)率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)二元線性回歸方程的精度進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算平均絕對(duì)誤差（MAE）為0.487 dS／m，均方根誤差（RMSE）為0.444 dS／m。 從精度評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，擬合方程可以滿足電導(dǎo)率反演的精度要求。

2.2.2土壤電導(dǎo)率分布特征

利用高分二號(hào)遙感影像估算表層土壤電導(dǎo)率，依據(jù)土壤鹽漬化等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)土壤鹽漬化劃分為4 級(jí)：EC＜2 dS／m 為非鹽漬土；2 dS／m≤EC＜4 dS／m為輕度鹽漬化；4 dS／m≤EC＜8 dS／m 為中度鹽漬化；8 dS／m≤EC＜16 dS／m為重度鹽漬化［27］。 除去非土壤區(qū)域，研究區(qū)土壤鹽漬化程度整體較低，非鹽漬土占區(qū)域土壤面積的73.212%，輕度鹽漬化土壤約占23.314%，中重度鹽漬化土壤面積不足3.5%。 輕度鹽漬化土壤主要分布在引黃灌渠兩岸及南部和西部居民點(diǎn)周邊，中度鹽漬化土壤與輕度鹽漬化土壤交錯(cuò)分布，零星分布有重度鹽漬化土壤，其分布特征與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為一致。

2.3 土壤Ca2+含量的估算

2.3.1擬合結(jié)果分析

利用與電導(dǎo)率擬合相同的36 個(gè)樣本點(diǎn)建立模型，8 個(gè)樣本點(diǎn)用做模型精度驗(yàn)證。 將現(xiàn)有的實(shí)測(cè)土壤Ca2+含量數(shù)據(jù)和擬合因子（DSI、SI4、SI5和SI11）進(jìn)行一元及多元線性回歸，得到表4。

由表4 可知，利用光譜指數(shù)擬合Ca2+含量線性模型的R2與擬合電導(dǎo)率的R2具有相似的規(guī)律，即二元線性模型中DSI和SI5的組合對(duì)Ca2+含量的擬合最為合理（R2為0.586，Sig.＜0.01），且2 個(gè)自變量能較好地解釋因變量（Sig.＜0.01），最終得到Ca2+含量二元線性擬合方程為

表4 Ca2+擬合的線性回歸模型匯總和參數(shù)估計(jì)

式中：Z為土壤表層Ca2+含量估算值；DSI為差值光譜指數(shù)數(shù)值；SI5為鹽分指數(shù)5 數(shù)值。

利用隨機(jī)選擇的8 個(gè)精度驗(yàn)證點(diǎn)土壤Ca2+含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)二元線性回歸方程的精度進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算平均絕對(duì)誤差（MAE）為1.174 cmol／kg，均方根誤差（RMSE）為1.209 cmol／kg。 從精度評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，Ca2+含量的擬合精度低于電導(dǎo)率，基本可以滿足擬合 要求。

2.3.2土壤Ca2+含量分布特征

利用GF-2 遙感影像估算表層土壤Ca2+含量，將Ca2+含量劃分為缺乏、中等、高量和極高4 級(jí)［28］。 除去非土壤區(qū)域，研究區(qū)土壤Ca2+含量以中等和高量為主，Ca2+中等含量土壤面積最大，占總面積的41.228%；其次是Ca2+高量土壤，占總面積的38.660%；Ca2+缺乏土壤占比為18.608%，而極高等級(jí)占比為1.504%。 從空間分布上來(lái)看，Ca2+含量等級(jí)為高量的土壤主要集中在引黃灌渠兩岸及南部和西部居民點(diǎn)周邊、作物長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)較差的耕地或荒地，其中交錯(cuò)分布有中等等級(jí)土壤，Ca2+含量缺乏土壤主要分布在東部耕地，其分布特征與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大致相符。

2.4 土壤電導(dǎo)率與Ca2+含量的關(guān)系

對(duì)44 個(gè)樣本點(diǎn)的實(shí)測(cè)電導(dǎo)率與Ca2+含量進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.941，為雙側(cè)顯著性相關(guān)（Sig.＜0.01）。 對(duì)比分析研究區(qū)土壤電導(dǎo)率與Ca2+含量分布（見(jiàn)表5）發(fā)現(xiàn)，隨著土壤鹽漬化程度的加劇，土壤中Ca2+含量也隨之增加。 非鹽漬化土壤中Ca2+含量以中等為主，土壤Ca2+缺乏區(qū)域和高量區(qū)域面積相近，均占18%左右；輕度鹽漬化區(qū)域土壤全部為Ca2+高量等級(jí)；中度鹽漬化區(qū)域Ca2+含量等級(jí)為高量與極高，面積比約為2 ∶1；重度鹽漬化區(qū)域全部為Ca2+含量極高等級(jí)。

表5 不同鹽漬化程度土壤中Ca2+含量分布 %

2.5 討 論

（1）遙感影像的光譜反射率和光譜指數(shù)與電導(dǎo)率有較好的相關(guān)性，而與單一的鹽離子的相關(guān)性相對(duì)較低。 雖然通過(guò)多個(gè)光譜指數(shù)的組合，可以在一定程度上提高鹽離子含量的估算精度，但統(tǒng)計(jì)模型的反演精度很難有更大的改進(jìn)，今后的研究中應(yīng)考慮土壤水鹽運(yùn)移原理，采用相應(yīng)的物理模型實(shí)現(xiàn)更高精度的遙感反演。

（2）通過(guò)電導(dǎo)率與Ca2+含量分布的對(duì)比分析，可以快速地獲取二者之間的定性關(guān)系，但Ca2+含量對(duì)區(qū)域含鹽量的具體影響還需要更進(jìn)一步的定量研究。

3 結(jié) 論

利用高分遙感影像和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)黃河下游沿岸引黃灌區(qū)表層土壤的電導(dǎo)率與鹽離子含量進(jìn)行估算，初步得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)相關(guān)性分析篩選的DSI和SI5指數(shù)，能夠較好地估算研究區(qū)表層土壤的電導(dǎo)率和Ca2+含量，整體精度屬于中等水平，電導(dǎo)率的估算精度高于Ca2+含量的，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤電導(dǎo)率與Ca2+含量的大面積快速監(jiān)測(cè)。

（2）研究區(qū)表層土壤的電導(dǎo)率整體較低，鹽漬化土壤以輕度鹽漬化為主，中度鹽漬化土壤呈點(diǎn)狀分布于輕度鹽漬化土壤區(qū)域內(nèi)部，說(shuō)明區(qū)域中土壤鹽漬化等級(jí)具有向更高等級(jí)轉(zhuǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)注意地下水位的變化并進(jìn)行合理灌溉，避免土壤鹽漬化程度的加重。

（3）研究區(qū)Ca2+含量以中等和高量為主，含量豐富區(qū)域主要分布在引黃灌渠兩岸及中西部區(qū)域，并在居民點(diǎn)周邊呈聚集狀。 與電導(dǎo)率分布進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)Ca2+中等含量面積最大，均分布于非鹽漬土區(qū)域；其次是高量等級(jí)，在非鹽漬土、輕度鹽漬土和中度鹽漬土中均有分布，且多數(shù)分布于非鹽漬土和輕度鹽漬土區(qū)域內(nèi)；Ca2+極高含量土壤集中在中度和重度鹽漬化地區(qū)，推測(cè)該區(qū)域Ca2+對(duì)土壤鹽漬化有一定的貢獻(xiàn)。 因此，今后的鹽漬化防治工作中可以著重考慮Ca2+含量的調(diào)整。