曹建榮，劉文全，黃 翀，劉 朋

（1.聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城252059；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋地質(zhì)室，山東 青島266061；3.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；4.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京100012）

隨著土壤鹽分監(jiān)測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是GIS和RS技術(shù)應(yīng)用，區(qū)域上土壤鹽漬化的研究方法和技術(shù)手段不斷提高，土壤鹽分的計(jì)算機(jī)制圖技術(shù)、土壤鹽漬化遙感反演近年來(lái)已經(jīng)得到較為廣泛應(yīng)用［1－9］。對(duì)于土壤鹽漬化土地的遙感信息提取，多數(shù)研究者運(yùn)用K—L變換，K—T變換、鹽分指數(shù)模型構(gòu)建等方法突出鹽漬化土地光譜信息特征，而對(duì)鹽化土地的時(shí)空變化，多以GIS技術(shù)為支撐，結(jié)合自然與社會(huì)背景等非遙感數(shù)據(jù)，分析鹽化地的分布、時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因素［10－19］。關(guān)元秀等［1］運(yùn)用多期 Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，結(jié)合采樣和野外調(diào)查，對(duì)黃河三角洲鹽化土地的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和等級(jí)劃分，最后建立了改良分區(qū)模型。李百紅等［20］通過(guò)構(gòu)建土地鹽化指數(shù)、土地鹽化綜合指數(shù)、土地變化驅(qū)動(dòng)力重心與向量模型研究東營(yíng)墾利縣的土壤鹽漬化狀況和退化過(guò)程。李靜，孟巖等［21－22］通過(guò)分析主要地類(lèi)光譜特征，構(gòu)建鹽堿地土壤鹽漬化退化指數(shù)，提取該區(qū)鹽堿退化土地信息。通過(guò)波段間的組合構(gòu)建了突出反映鹽漬化信息的土地退化指數(shù)，進(jìn)行土地退化等級(jí)分布，進(jìn)而分析墾利縣的土地退化的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。而通過(guò)遙感方法提取黃河三角洲鹽堿地信息時(shí)，單獨(dú)基于光譜特征的常規(guī)分類(lèi)方法往往不能達(dá)到好的效果，需融入土壤全鹽、地下水埋深和歸一化植被指數(shù)以及水庫(kù)灌區(qū)等輔助數(shù)據(jù)加以校正，可得到較好的應(yīng)用效果。從而能快速準(zhǔn)確地提取黃河三角洲土壤鹽漬化信息和土地退化數(shù)據(jù)，為整個(gè)三角洲區(qū)域的鹽堿地的動(dòng)態(tài)及其驅(qū)動(dòng)力的研究提供進(jìn)一步探索方法。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于現(xiàn)代黃河三角洲范疇，主要以現(xiàn)狀海岸線和1855年改道來(lái)的古海岸線為界，總面積約2 877.7km2，包括東營(yíng)市河口區(qū)和墾利縣絕大部分行政區(qū)域，包含勝利油田及黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。該區(qū)屬典型的溫帶半濕潤(rùn)氣候，并具明顯的大陸性氣候特點(diǎn)，四季分明，干濕明顯，溫差大，夏季炎熱，冬季干冷；多年平均降水量537.4mm，多年平均蒸發(fā)量1 470～2 246mm，多年平均氣溫為11.7℃，無(wú)霜期歷年平均217.8d。該區(qū)地勢(shì)平坦，南高北低，西高東低，海拔高度低于11m，自然比降在1／8 000～1／12 000之間。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

黃河三角洲土壤鹽漬化具有較強(qiáng)的季節(jié)性特點(diǎn)，春季為干旱少雨，蒸發(fā)量大，蒸降比可達(dá)3.6∶1，致使?jié)撍簧撸且荒曛型寥婪e鹽最強(qiáng)烈的時(shí)期?；诖?，這里選擇2003，2007和2011年4月份Landsat5TM數(shù)據(jù)和Landsat7ETM數(shù)據(jù)。根據(jù)對(duì)各波段數(shù)據(jù)合成效果的初步目視分析結(jié)果，選擇4，3，2波段進(jìn)行RGB假彩色合成，植被為紅色，水域?yàn)樯钏{(lán)色或黑色，鹽漬化土為亮白色，作為目視解譯對(duì)信息提取的一個(gè)重要輔助。

2.1 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)源 自1972年7月23日發(fā)射地球資源技術(shù)衛(wèi)星（earth resources technology satellite，ERTS，后更名為L(zhǎng)andsat-1）以來(lái)，陸地衛(wèi)星序列在軌多年，并于2008年擴(kuò)大了Landsat1-5MSS和TM影像免費(fèi)下載數(shù)據(jù)量（USGS，2008，http：／／glovis.usgs.gov／），為資源調(diào)查提供了寶貴的數(shù)據(jù)源，本研究中選擇的2003，2007和2011年圖像時(shí)間為4月底的TM和ETM圖像，三景圖像詳細(xì)信息詳見(jiàn)表1。

表1 Landsat-7TM傳感器波段參數(shù)

2.1.2 同步區(qū)域土壤鹽漬化采樣數(shù)據(jù)源 野外土壤采樣按6km×6km進(jìn)行網(wǎng)格化，共計(jì)101個(gè)點(diǎn)位，采樣深度為0—20cm，采樣時(shí)間分別為2003年和2011年4月底。主要對(duì)采樣點(diǎn)的地理位置、全鹽量、有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和室內(nèi)試驗(yàn)分析，并對(duì)區(qū)域土壤鹽漬化進(jìn)行了分級(jí)，分為無(wú)鹽漬化、輕度鹽漬化、中度鹽漬化和重度鹽漬化4級(jí)。該數(shù)據(jù)可為區(qū)域鹽漬土信息模型提供驗(yàn)證。

2.1.3 數(shù)據(jù)校正 利用ENVI 4.61軟件基于 Modt-ran4代碼的envi模塊的FLASSH模型，進(jìn)行TM／ETM影像輻射校正。幾何校正通過(guò)地面控制點(diǎn)（ground cont rol points，GCP）方法，這里選擇1∶10 000地形圖，依據(jù)應(yīng)用二次多項(xiàng)式和實(shí)測(cè)地面控制點(diǎn)方法進(jìn)行幾何校正，校正在ENVI 4.61軟件完成。

Scaramuzza等［23］通過(guò)研究表明，Landsat-7SLC-off影像中已經(jīng)丟失的數(shù)據(jù)可以通過(guò)直方圖插值進(jìn)行修復(fù)，也可以用其無(wú)重疊SLC-off區(qū)SLC-off影像或SLC-on影像來(lái)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)信息完整的衛(wèi)星遙感影像。這里選擇SLC-off／SLC-off方案，用于修復(fù)Landsat－7 ETM衛(wèi)星遙感影像。修復(fù)區(qū)域（條帶）占總區(qū)域的21.5%，利用該方法的修復(fù)精度可達(dá)到95%［24］。

3 土地退化遙感信息模型

3.1 鹽化土地光譜信息特征提取

采用遙感影像參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，分析研究區(qū)主要地類(lèi)的光譜特征。根據(jù)黃河三角洲實(shí)際情況，選擇建設(shè)用地、耕地、林草地、養(yǎng)殖池塘、沙地和鹽荒地作為6類(lèi)地物類(lèi)型，分別代表人類(lèi)活動(dòng)、景觀特征和鹽荒地，選擇典型地類(lèi)樣點(diǎn)，每個(gè)地類(lèi)選擇15～80個(gè)樣點(diǎn)，分析其光譜特性。以2007年陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)（Landsat7 ETM）為例，各地類(lèi)不同波段的樣本灰度均值及特征曲線如圖1所示，其中，B1—B7分別表示影像的6個(gè)波段的DN值（灰度值）。由圖1可以看出，鹽荒地在第1，3，5波段的DN值比較高，可以考慮這3個(gè)波段進(jìn)行土地退化指數(shù)模型的建立。由于黃河徑流攜帶大量泥沙淤積而成的沙地為非鹽化或鹽漬化程度很輕，這里不屬于退化土地范圍。因此，根據(jù)沙地光譜特征，建立了B1＋B3＋B5＞360的掩膜模型，首先將沙地掩膜剔出，將作為未退化類(lèi)型。

圖1 各主要地物光譜曲線（灰度值）

3.2 鹽漬化土地信息模型構(gòu)建

剔除沙地后的地物光譜特征后，鹽荒地在5，3，1波段的DN值都高于其它地類(lèi)。鹽漬土對(duì)可見(jiàn)光的藍(lán)綠、紅色及短波紅外波段呈較強(qiáng)反射。其它波段鹽漬化土也有強(qiáng)烈反射，但由于農(nóng)用地在3波段的光譜值也很高，故不將3波段用于退化土地指數(shù)的構(gòu)建。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，采用比值指標(biāo)的形式構(gòu)建土地退化指數(shù)：

式中：α——土地鹽化指數(shù)；B1，B5——TM1（ETM1），TM5（ETM5）波段的光譜值。土地鹽化程度越高，TM1（ETM1）和 TM5（ETM5）波段的灰度值越高，則鹽化指數(shù)值α值越小。為進(jìn)一步劃分土地鹽化等級(jí)，在指數(shù)模型的基礎(chǔ)上，采用標(biāo)準(zhǔn)化后的公式加以表達(dá)：

標(biāo)準(zhǔn)化后可將鹽化指數(shù)定義到［0～1］的區(qū)間范圍內(nèi)，根據(jù)指數(shù)大小將3期鹽化指數(shù)進(jìn)行排序，為保證各等級(jí)之間的差異最大，并采用自然拐點(diǎn)法確定其等級(jí)范圍，最終確立了指數(shù)區(qū)間［0，0.1］，［0.1，0.2］，［0.3，0.4］，［0.4，1］分別對(duì)應(yīng)研究區(qū)對(duì)應(yīng)重度退化、中度退化、輕度退化和無(wú)退化的土地退化等級(jí)。

4 結(jié)果與分析

利用ENVI 4.61波段運(yùn)算和計(jì)算工具，對(duì)構(gòu)建的土地退化模型進(jìn)行運(yùn)算，得到2003，2007和2011年的黃河三角洲土地退化指數(shù)，根據(jù)該指數(shù)進(jìn)行分級(jí)可得到土地退化等級(jí)圖（附圖2）。為了進(jìn)行模型的精度分析和評(píng)價(jià)，在黃河三角洲101個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為2011年4月底，這與2011年4月28日Landsat ETM數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，為模型驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)101個(gè)點(diǎn)位的土壤鹽漬化分級(jí)結(jié)果，結(jié)合鹽漬土信息模型對(duì)黃河三角洲土地退化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在整個(gè)三角洲區(qū)域上，101個(gè)點(diǎn)位2003和2011年分別由83和86個(gè)點(diǎn)位，鹽漬化程度和土地退化結(jié)果一致，精度分別達(dá)到82.18%和85.15%，說(shuō)明基于光譜數(shù)據(jù)的鹽漬土信息模型具有較好可行性。

從黃河三角洲3期土地退化等級(jí)圖（附圖2）來(lái)看，總體上土地退化有持續(xù)加重趨勢(shì)，2007年較2003年加重趨勢(shì)要比2011年較2007年加重趨勢(shì)大，即2007—2011年趨勢(shì)減緩。但土壤鹽漬化總體上持續(xù)加重，土地退化明顯；從空間來(lái)看，北部、東北部和東南部濱海區(qū)域土地退化嚴(yán)重，靠近黃河大堤兩側(cè)，由于地下水埋深淺，毛管水作用強(qiáng)烈，土壤積鹽明顯，土地退化也比較嚴(yán)重，輕度退化區(qū)域主要集中于黃河大堤兩側(cè)河成高地和灌溉附近及海拔較高的崗階地和西部?jī)?nèi)陸的絕大部分區(qū)域，其他地區(qū)為中度退化區(qū)域。對(duì)圖2運(yùn)用ArcGIS 9.3Spatial Analysis工具的Reclassify分類(lèi)后，計(jì)算得到不同等級(jí)退化土地的面積和比例（表2）。

綜合分析研究區(qū)3期土地退化等級(jí)分布圖和退化土地面積表（表2）可看出，黃河三角洲重度退化土地主要分布在沿海灘涂地區(qū)和區(qū)內(nèi)北部地區(qū)（刁口河流路兩側(cè)），前者受海水直接影響，結(jié)合野外采樣結(jié)果分析，以氯化物型鹽漬化土壤為主，土地退化嚴(yán)重；后者為孤東油田，有較大面積的鹽荒地分布，與石油開(kāi)發(fā)和部分曬鹽場(chǎng)有關(guān)。中度退化土地主要依海岸線分布在東部沿海以及區(qū)內(nèi)的中部鹽荒地，與重度退化土地相比，位置上離海岸線稍遠(yuǎn)，土壤全鹽量稍低；中部因地勢(shì)低平，地下水埋深較淺，礦化度較高，毛管水作用比較強(qiáng)烈，因此，形成中度退化的鹽荒土地。輕度退化土地主要分布在三角洲的中西部和北部的部分農(nóng)用地，中西部主要是水澆地分布區(qū)，北部主要是旱地分布區(qū)，這部分土地雖為農(nóng)用地，但受到干旱和毛管水的雙重作用，有輕度退化趨勢(shì)。無(wú)退化土地主要是東部林草地和西部的農(nóng)田作物區(qū)，中部和黃河沿岸的沙地以及沿黃農(nóng)用地也有分布，該部分的農(nóng)用地或地勢(shì)較高，或受到黃河徑流作用，地下水礦化度較低，再加上引黃灌溉和土壤耕作的影響，土壤質(zhì)量總體良好，適宜農(nóng)作。

表2 黃河三角洲2007年3期不同程度土地退化面積統(tǒng)計(jì)

從各時(shí)相退化土地的動(dòng)態(tài)變化看，2003年三角洲輕、中度退化土地較多，二者占總土地面積的近60%，無(wú)退化也占到了19.40%，而重度退化占21.35%，土地退化程度在4種退化類(lèi)型分布相對(duì)均勻；到2007年，輕度和中度退化面積較2003年變化不大，主要是重度退化面積和輕度退化面積的增加，總體增加5%。2011年無(wú)退化面積較2007年有所增加，但僅增加了3%左右，而重度退化面積又有所增加，幅度達(dá)2%左右。總體來(lái)看，土地退化面積重度呈不斷增加趨勢(shì)，而無(wú)退化面積呈逐漸增加趨勢(shì)，輕度和中度退化面積略微減少，但總體變化不大。從上面分析可看出，黃河三角洲鹽漬化土地近10a來(lái)重度退化趨勢(shì)明顯。

結(jié)合最新黃河三角洲土地利用類(lèi)型圖，從空間上來(lái)看，2003—2007年黃河三角洲退化土地變化最大的是西南部、中部以及北部地區(qū)，西南部中度和輕度退化土地主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗疂驳?，輕度退化面積稍增加，中部鹽荒地主要轉(zhuǎn)變?yōu)樗咎?、水?kù)，這與引黃灌溉力度加大有關(guān)。2007—2011年總體上變化不大，主要是重度退化面積略微增加，增加的地方主要體現(xiàn)在東南部區(qū)域，這與東南部不合理的土地利用有關(guān)，鹵水曬鹽增加和養(yǎng)殖池增加導(dǎo)致東南濱海區(qū)域土地退化加重。沿海養(yǎng)殖池的修建及其大量海水的引入、鹵水曬鹽面積的增加，極大加劇了周?chē)恋氐柠}漬化程度，形成很多鹽荒地，對(duì)耕作農(nóng)業(yè)帶來(lái)不利影響。而無(wú)退化土地，即鹽漬化程度減小的類(lèi)型，這些主要是由于引黃灌區(qū)的不斷開(kāi)挖，灌溉面積的不斷增大和棉花、苜蓿等經(jīng)濟(jì)作物和草業(yè)發(fā)展有關(guān)，也與農(nóng)田耕作方式，比如“高田深壟”和“暗管排堿”的工程措施有關(guān)。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)選擇SLC-off／SLC-off方案，用于修復(fù)Landsat-7ETM衛(wèi)星遙感影像，并實(shí)現(xiàn)了在ENVI軟件操作，對(duì)Landsat-7ETM的修復(fù)對(duì)土壤鹽漬化區(qū)域進(jìn)行信息提取工作奠定技術(shù)基礎(chǔ)

（2）通過(guò)Landsat系列衛(wèi)星的TM和ETM數(shù)據(jù)的光譜特性研究和鹽堿地信息模型的構(gòu)建，在黃河三角洲地區(qū)，通過(guò)遙感手段可實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽漬化土地退化信息提取。

（3）黃河三角洲土地退化總體上有加重趨勢(shì)，2003—2011年，重度退化的土地面積在持續(xù)加大，土地退化明顯。研究發(fā)現(xiàn)，黃河三角洲近10a來(lái)鹽堿地呈現(xiàn)重度鹽漬化加重的趨勢(shì)與人類(lèi)活動(dòng)緊密相關(guān)，主要表現(xiàn)在孤東油田的不斷建設(shè)而忽略對(duì)土地的保護(hù)和合理利用，濱海區(qū)域鹵水曬鹽和養(yǎng)殖池塘的建設(shè)上；輕度鹽漬化區(qū)域面積也不斷增加與人工灌區(qū)的開(kāi)挖，引入黃河徑流及“暗管排堿”水利工程和“高田深壟”措施有關(guān)。

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