摘要：基于Radarsat-2雷達(dá)影像數(shù)據(jù)對裸露地表土壤鹽分含量進(jìn)行反演研究，利用數(shù)據(jù)模擬分析方法建立土壤鹽分含量的反演模型，并對土壤鹽分含量的反演值與實測值進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明：模擬值與實測值有很好的相關(guān)性（r2=0.904 6） ，可以利用Radarsat-2雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行大面積地表土壤鹽分的監(jiān)測與提取，能取得較好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：Radarsat-2；后向散射系數(shù)；反演；土壤鹽分

中圖分類號： S151.9+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0442-03

收稿日期：2014-12-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：51169016）。

作者簡介：弓永利（1976—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副教授，高級工程師，主要從事工程測量、遙感、地理信息應(yīng)用方面的科研和教學(xué)工作。E-mail：fllyzz@126.com。 土壤鹽漬化（soil salinization）是指隨著水分上升到地表并蒸發(fā)后，使土壤底層的鹽分或者是地下水的鹽分在表層土壤積累的過程，是土地退化和土壤荒漠化的主要表現(xiàn)形式。在干旱、半干旱地區(qū)，土地逐漸退化主要是由人類不合理的活動和脆弱的生態(tài)環(huán)境共同導(dǎo)致的，土壤鹽漬化已經(jīng)成為現(xiàn)在世界上土地荒漠化和土地退化的主要類型之一[1-4]。鹽堿土不僅會引起土壤板結(jié)、肥力下降，加重土壤侵蝕，還會造成資源破壞，引發(fā)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，從而嚴(yán)重威脅生物圈和生態(tài)環(huán)境安全[5]。

遙感及其相關(guān)技術(shù)在獲取地表信息方面具有宏觀性、實時性、動態(tài)性等特點，這使得土壤鹽漬化的監(jiān)測更加宏觀、快速、準(zhǔn)確、有效，有利于對土地鹽堿化發(fā)展和演變機理的認(rèn)識[4，6-7]。因此，對河套平原鹽漬化程度進(jìn)行遙感監(jiān)測、反演可以作為該地區(qū)灌溉制度制定、鹽漬化土壤治理方案制定的基礎(chǔ)資料。

由于微波遙感技術(shù)具有全天時、全天候的工作能力，而且對云霧、雨雪和地物都有一定的穿透能力，可以更好地識別、分析地物，提取所需的信息。土壤鹽分含量變化趨勢與土壤水分含量有著密不可分的關(guān)系，再加上微波遙感對土壤水分十分敏感[8-10]，因此微波遙感技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前監(jiān)測土壤鹽分的主要方法。

本研究基于Radarsat-2雷達(dá)影像數(shù)據(jù)的處理，對裸露地表土壤鹽分含量進(jìn)行反演研究，以期利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析，建立地表土壤鹽分含量后向散射模型，從而為大面積獲得地表土壤鹽分時空分布信息提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市杭錦旗境內(nèi)，地理坐標(biāo)范圍為40°44′～41°01′ N、106°52′～107°13′ E，海拔1 032～1 050 m ，面積約為625 km2。該地區(qū)地貌主要由沖擊平原、洪積平原、河漫灘3種地形構(gòu)成，地勢從西南到東北逐漸降低，屬于河套平原。氣候特點為溫帶大陸性氣候，干燥、晝夜溫差大，年均氣溫8.5 ℃，年均降水量138.2 mm左右，無霜期130 d 左右，日照時間較長，年均日照時間3 181 h。地面特征以耕地與鹽堿化裸地為主，“種植類型”主要有玉米、葵花、小麥等。

1.2雷達(dá)影像數(shù)據(jù)

采用的雷達(dá)數(shù)據(jù)為2013年3月13日的一景Radarsat-2標(biāo)準(zhǔn)四極化模式雷達(dá)數(shù)據(jù)，此時研究區(qū)地表狀態(tài)為春耕前期時的裸露地表。雷達(dá)影像的工作波段為C，中心波長5.7 cm，頻率5.3 GHz，極化方式為HH、HV、VH、VV，數(shù)據(jù)類型為 Single Look Comple（SLC）。

1.3樣品數(shù)據(jù)分析

本試驗在視野開闊并無遮擋物的裸露地表取樣，所采集土壤樣品深度限定在0～10 cm，且采樣時間與衛(wèi)星飛過試驗區(qū)時間同步。本試驗在試驗區(qū)內(nèi)共均勻采集60個土壤樣品，同時使用GPS獲取樣點坐標(biāo)位置信息。然后將所采集樣品分別放置鋁盒和塑封袋內(nèi)，對鋁盒現(xiàn)場稱重，待到實驗室用EDTA滴定法獲取土壤含鹽量，烘干法獲得土壤含水量。

1.4雷達(dá)影像處理

與可見光、紅外等光學(xué)遙感相比，Radarsat-2雷達(dá)影像數(shù)據(jù)處理起來比較復(fù)雜。對于SLC類型的雷達(dá)影像，先對其進(jìn)行斜距到地距的轉(zhuǎn)換后才能獲得真正的地距影像，然后利用ENVI 4.8軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、濾波去噪等處理后得到的影像，才能更好地進(jìn)行后向散射系數(shù)的提取。

利用ARCGIS 9.3軟件把GPS 獲取采樣點的坐標(biāo)位置制作成矢量文件，再通過ENVI 4.8軟件在雷達(dá)影像上顯示采樣點的位置信息，從而獲得樣點的后向散射系數(shù)。由于雷達(dá)影像數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的斑點和噪聲，既便是進(jìn)行濾波處理后，影像還是有很多斑點，這樣就給樣點后向散射系數(shù)的提取造成很大的干擾。為了獲取更加準(zhǔn)確的樣點后向散射系數(shù)，本研究將取樣點象元周圍的象元后向散射系數(shù)的平均值作為該中心樣點最后的后向散射系數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1模型的建立

SPSS是一種非常經(jīng)典、強大的統(tǒng)計分析軟件，它有比較成熟的理論基礎(chǔ)，可以確定變量之間的定量關(guān)系，并可以進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測，且能反映出統(tǒng)計變量之間的統(tǒng)計變化規(guī)律。在獲取四極化地表后向散射系數(shù)和實驗室數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，通過SPSS軟件“控制變量”的思想，逐步加入和剔除變量，觀察變量加入前后模型的變化，確定該變量對本研究結(jié)果是否有積極影響，來探究各變量之間的關(guān)系。最后利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬回歸分析，建立回歸模型，并根據(jù)已有實測數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)來估計模型的各個參數(shù)。

選取HH、HV、VH、VV、HH2、HV2、VH2、VV2以及含水量為自變量，采用向前和向后的建模方法，對變量進(jìn)行加入和剔除，從而建立線性回歸模型。選取45個樣點數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件模型模擬，通過向前和向后方法的模型分析，最終建立以HH、VV、HH2、HV2、VH2、VV2以及含水量為自變量的土壤含鹽量反演公式。具體模型如下：

Y=1.362+1.128×a-0.48×b×10.557×c-0.981×d+ 0.747 ×e-2.906×f+1.925×g。 （1）

式中：Y為土壤含鹽量；a為考慮入射角影響的HH極化的后向散射系數(shù)；b為考慮入射角影響的VV極化的后向散射系數(shù)；c為考慮入射角影響的HH極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；d為考慮入射角影響的HV極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；e為考慮入射角影響的VH極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；f為考慮入射角影響的VV極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；g為土壤含水量。

2.2模型驗證

為了進(jìn)一步驗證模型的正確性，使用公式（1）對其余的15個樣點進(jìn)行驗證，通過軟件Envi4.8中Band Math 波段運算功能進(jìn)行土壤鹽分含量的計算，結(jié)果如表1所示。同時，對反演值與實測值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖1所示。

在表1中，26號、44號樣本的反演結(jié)果為負(fù)值，則表明反演出錯，其余反演結(jié)果誤差的絕對值最大為9號樣本，值為0.296 g/kg，最小的為5號樣本，值為0.012 g/kg。誤差的絕對值<0.1 g/kg的有8個，≥0.1 g/kg的有7個，≥0.2 g/kg的僅有3個。表明模型計算的土壤鹽分含量與實測值的誤差較小。利用該模型對所有野外觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，樣本實測值與反演值的統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

從表2可以看出，土壤鹽分含量的實測值與反演值之間最大值、最小值之差分別約為0.25、0.33 g/kg。為了研究不同鹽漬化程度的地表后向散射響應(yīng)特征，根據(jù)采樣點表層的不同土壤鹽分含量分成4組，即非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地和重度鹽漬地[11]，具體情況如表3所示。

利用ENVI4.8軟件和模型公式反演整個研究區(qū)域地表的土壤鹽分，最終獲得該研究區(qū)域土壤鹽分的空間分布圖，然后利用表4的分類方法進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

3結(jié)論

本研究基于Radarsat-2雷達(dá)影像數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析，建立地表土壤鹽分含量的反演模型，反演獲得的土壤鹽分含量與實測值之間最大值、最小值、之差均為0.25、0.33g/kg，且相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.9046。

這表明此模型在不考慮其他更多地表因素情況下，可以獲得較好的反演結(jié)果。因此，Radarsat-2雷達(dá)微波遙感可以利用該模型進(jìn)行大面積的裸露地表土壤鹽分含量監(jiān)測，并且有較好的應(yīng)用前景。

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