李生勇+霍軼珍+王海霞

摘要： 土壤鹽漬化嚴(yán)重影響河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，了解土壤鹽漬化現(xiàn)狀已成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)測量方法已無法滿足人們對大面積土壤鹽漬化分布的需求，相比之下，遙感能夠快速獲取鹽漬地的宏觀分布及變化情況。遙感作為一種新的技術(shù)手段應(yīng)運(yùn)而生，由于可見光、紅外遙感存在一定局限性，具有全天候、穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的雷達(dá)遙感成為研究熱點(diǎn)。以內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)磴口縣為研究區(qū)，結(jié)合Radarsat-2四極化雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)，對凍結(jié)期土壤的鹽漬化進(jìn)行響應(yīng)分析。結(jié)果表明，極化組合（HV2+HH2）/（HV2-HH2）對不同鹽漬土有較強(qiáng)的響應(yīng)性與分離性，利用該極化組合建立回歸模型，進(jìn)而對研究區(qū)進(jìn)行反演分析。經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，該方法可在一定程度上滿足鹽漬化監(jiān)測的需要，優(yōu)于傳統(tǒng)鹽漬土分類方法。

關(guān)鍵詞： 雷達(dá)遙感；土壤鹽分；極化組合；河套灌區(qū)；精度分析

中圖分類號： S156.4；P628+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0348-04

土壤鹽漬化是指土壤底層或地下水的鹽分隨水分上升到表層，經(jīng)水分蒸發(fā)后使鹽分在表層土壤積累的過程[1]。土壤鹽漬化問題對河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞性影響，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來直接經(jīng)濟(jì)損失，河套灌區(qū)的鹽漬化土地面積約占內(nèi)蒙古自治區(qū)鹽漬化土地面積的70%[2]。對河套平原的鹽漬化程度進(jìn)行遙感監(jiān)測和反演，是該地區(qū)制定灌溉制度、編寫鹽漬化土壤治理方案的基礎(chǔ)資料。遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、觀測范圍廣等特點(diǎn)，適用于研究土壤鹽漬化問題。自20世紀(jì)70年代以來，國外學(xué)者和專家從不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)}漬化進(jìn)行了研究和預(yù)測[3-4]。Dwivedi等利用TM數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，1、3、5波段為最佳組合波段，遙感所含信息量最大，但鹽漬土信息提取精度并不高[5]。Kirkby通過高光譜影像制作土壤鹽漬化專題圖，并在野外監(jiān)測與影像同時(shí)相的圣彼得草光譜特性；研究發(fā)現(xiàn)，圣彼得草在可見光和近紅外波段呈不同的光譜特性[6]。Saysel等通過研究地下水鹽運(yùn)移的規(guī)律，成功建立了土壤鹽漬化的動力學(xué)模型，達(dá)到預(yù)報(bào)土壤鹽漬化的水鹽動態(tài)目的[7]。Metternicht等結(jié)合遙感、地理信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)對鹽漬化進(jìn)行模擬與預(yù)測，并在鹽漬化時(shí)空動態(tài)變化方面取得一定成果[8]。Eenyamini等利用遙感手段發(fā)現(xiàn)，地下水位的高低直接影響土壤次生鹽漬化，地下水位1.5 m為臨界值，低于該值可抑制鹽漬化產(chǎn)生[9]。Jeffrey等利用電磁感應(yīng)手段結(jié)合水質(zhì)化學(xué)分析，對土壤鹽漬化進(jìn)行定量研究[10]。國內(nèi)對土壤鹽漬化的研究比國外晚10余年。劉慶生等將資源一號衛(wèi)星與高分辨率全色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，結(jié)合HIS和PCA變換的相關(guān)知識，對不同級別鹽漬土進(jìn)行了清晰的分類[11]。霍東民等利用CBERS-1遙感數(shù)據(jù)對黃河三角洲的鹽堿地光譜信息進(jìn)行了深入研究，結(jié)合GIS實(shí)現(xiàn)對鹽堿地專題信息的提取，為鹽堿地監(jiān)測提供良好基礎(chǔ)[12]。牛博等利用干旱區(qū)鹽漬土的光譜及空間特征，對鹽漬土進(jìn)行了專題信息提取研究，得出鹽漬化土壤的演變趨勢[13]。李曉燕等利用TM影像、地形圖數(shù)據(jù)并結(jié)合地理信息系統(tǒng)，對吉林省大安市鹽堿地動態(tài)變化及成因進(jìn)行了研究[14]。何祺勝通過TM影像與雷達(dá)影像的結(jié)合，對鹽漬地信息進(jìn)行提取，提取精度得到很大提高[15]。綜上所述，利用光學(xué)遙感監(jiān)測鹽漬地信息已取得一定成果；而在微波遙感方面，學(xué)者大多基于被動雷達(dá)遙感或單極化雷達(dá)遙感，關(guān)于精細(xì)四極化主動微波遙感的研究相對較少。以鹽漬地較為明顯的河套灌區(qū)為研究區(qū)域，本研究成果對該區(qū)域鹽漬化的治理具有一定指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

磴口縣地處內(nèi)蒙古自治區(qū)河套地區(qū)西南部，是巴彥淖爾市的旗縣之一。該地區(qū)的地理坐標(biāo)為106°9′～107°10′E、40°9′～40°57′N，屬于中溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫為8.5 ℃，氣候較干燥[16]。研究區(qū)以荒漠植被小灌木為主，地域遼闊、地勢平坦、土質(zhì)條件較好，是典型的河套灌區(qū)之一。引黃灌溉制度對發(fā)展當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境起著非常重要的作用，但其負(fù)面影響也較為顯著。渠系水滲漏、大水漫灌是導(dǎo)致地下水居高不下的直接原因，潛水蒸發(fā)嚴(yán)重，誘發(fā)地下鹽分向表層聚集，礦化度嚴(yán)重，產(chǎn)生土壤次生鹽漬化。

1.2 數(shù)據(jù)源

Radarsat-2是由MAD（MacDonald Dettwiler and Associates Ltd）和CAS（Canadian Space Agency）于2007年共同出資開發(fā)的星載合成孔徑多極化雷達(dá)系統(tǒng)，雷達(dá)頻率為C波段，該波段可提取地表0～5 cm的土壤信息[17]。雷達(dá)影像接收時(shí)間為2015年1月10日，河套灌區(qū)正值凍結(jié)期，影像為四極化精細(xì)模式（HH+HV+VH+VV極化），標(biāo)稱分辨率為8 m，處理級別為SLC，一景影像的覆蓋面積為25 km×25 km，微波入射角范圍為35.310 939 8°～36.881 595 6°，影像覆蓋區(qū)為裸露地表，加之季節(jié)原因處理影像時(shí)不考慮植被覆蓋的影響。

在磴口縣試驗(yàn)區(qū)采集與RADARSAT-2影像時(shí)相一致的50個(gè)土壤樣本，每個(gè)土壤樣本取4個(gè)重復(fù)，樣本以邊長小于 8 m 的正方形組成，并用手持GPS記錄土壤樣本中心點(diǎn)的地理坐標(biāo)信息。室內(nèi)試驗(yàn)通過EDTA滴定法計(jì)算土壤樣本的含鹽量信息，土壤樣點(diǎn)含鹽量最終以4個(gè)樣本的平均值代表。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范將土壤樣本的含鹽量劃分為非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土4個(gè)大類，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1，土壤樣本采樣點(diǎn)分布見圖1。

2 影像數(shù)據(jù)處理

2.1 雷達(dá)影像處理

雷達(dá)影像不同于可見光遙感，其采用相干微波源照射，各散射中心回波的相干疊加，造成合成矢量的振幅和相位均有一定起伏，最終得到的雷達(dá)影像出現(xiàn)相干噪聲[18]。為抑制雷達(dá)影像的斑點(diǎn)噪聲，對影像采取多視、濾波處理；雷達(dá)影像的SLC格式屬于斜距坐標(biāo)，通過地理編碼處理對影像進(jìn)行相應(yīng)的地距轉(zhuǎn)換，處理后的影像可設(shè)置為WGS-84坐標(biāo)系。結(jié)合研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)輻射定標(biāo)處理后，雷達(dá)影像上的每個(gè)像元值均由亮度值轉(zhuǎn)換為后向散射系數(shù)值。利用定標(biāo)公式[19]可完成亮度值與后向散射系數(shù)值的轉(zhuǎn)換，公式為：

式中：i，j為遙感影像像元的行列號，DN為雷達(dá)影像像元的亮度值，K為絕對定標(biāo)系數(shù)，G為天線的增益，θi，j為雷達(dá)影像每個(gè)像元的天線高度角，Ri，j為雷達(dá)影像的斜距距離，Rref為雷達(dá)影像的參考基準(zhǔn)斜距，αi，j為衛(wèi)星入射角。以上部分可通過影像軟件處理獲得，部分為購買雷達(dá)影像時(shí)自帶的頭文件。

2.2 雷達(dá)影像配準(zhǔn)

利用谷歌衛(wèi)星地圖下載器，下載與雷達(dá)影像區(qū)域相同的Google Earth影像，該下載器可完好保留影像的地理坐標(biāo)信息。影像配準(zhǔn)是將圖像糾正在某種地理編碼的坐標(biāo)系統(tǒng)中，使其與某個(gè)參考影像具有相同幾何屬性。此次影像配準(zhǔn)以Google Earth影像作為參考影像，在配準(zhǔn)過程中盡量選擇易于分辨的特征點(diǎn)（路的交叉點(diǎn)、房子的拐角等），特征點(diǎn)盡可能均勻分布于整幅影像中，糾正結(jié)果最終小于0.5個(gè)像元，滿足精度要求。將采集的土壤樣本位置信息與雷達(dá)影像相結(jié)合，提取采樣點(diǎn)的后向散射系數(shù)值，并對采樣點(diǎn)覆蓋區(qū)域進(jìn)行裁剪。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 凍結(jié)期鹽漬土的后向散射系數(shù)

內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)屬于寒冷地區(qū)，季節(jié)間溫差較大，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，且土壤的凍融變化是引起土壤鹽漬化的主要原因。河套灌區(qū)秋澆具有壓鹽保墑的作用，秋澆前后土壤鹽分含量將產(chǎn)生較大變化，凍結(jié)期土壤的水分、鹽分會向凍結(jié)層移動，此次主要進(jìn)行河套灌區(qū)凍結(jié)期雷達(dá)影像對土壤鹽漬土的響應(yīng)分析。雷達(dá)影像的均一性較差，最大值與最小值相差很大，提取雷達(dá)后向散射系數(shù)值時(shí)，可圍繞采樣點(diǎn)中心提取多個(gè)值并取平均值。均值并非最優(yōu)方法，卻是最常用、最簡單的方法，均值可代替采樣點(diǎn)的后向散射系數(shù)值[20]。部分采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)見表2。

均值可反映土壤的散射特征，將不同土壤類別的四極化后向散射系數(shù)均值分離出來，繪制不同程度鹽漬土后向散射系數(shù)特征圖（圖2）。

由河套灌區(qū)凍結(jié)期不同鹽漬化程度的土壤對四極化后向散射系數(shù)響應(yīng)分析可知，雷達(dá)影像同極化方式（VV、HH）對鹽漬土的響應(yīng)明顯高于不同極化方式（HV、VH）；HH極化方式的后向散射系數(shù)高于其他極化組合方式；HV、VH極化組合之間的后向散射系數(shù)較相近。VV極化方式影像的后向散射系數(shù)對重度鹽漬化土壤的響應(yīng)較強(qiáng)烈，HH極化方式影像的后向散射系數(shù)對不同鹽漬化程度土壤的響應(yīng)均較強(qiáng)烈。

為準(zhǔn)確分離不同程度的鹽漬土，須分析不同土壤對應(yīng)的后向散射系數(shù)值情況。由表3可知，在凍結(jié)期同極化上，不同鹽漬化程度土壤的后向散射系數(shù)均值相差較小，VV極化影像的均值最大值與均值最小值相差為12.64，HH極化影像的均值最大值與均值最小值相差為11.86；在交叉極化上，HV極化影像的均值最大值與均值最小值相差為24.41，VH極化影像的均值最大值與均值最小值相差為21.48?？梢姡煌}漬化程度的土壤在交叉極化上的分離性比同極化上的分離性好。分析可知，同種極化方式HH對土壤的響應(yīng)較強(qiáng)烈，交叉極化HV對土壤的分離性較好；因此，利用Radarsat-2雷達(dá)影像的C波段提取鹽漬地信息時(shí)，須考慮這2種極化方式。

3.2 凍結(jié)期鹽漬土不同極化組合的后向散射系數(shù)

單極化雷達(dá)影像數(shù)據(jù)提取的土壤信息量相對較少，研究結(jié)果將受到影響。本試驗(yàn)獲取了雷達(dá)精細(xì)四極化數(shù)據(jù)，可對極化方式進(jìn)行組合，進(jìn)一步分析不同極化組合對地物后向散射特性的響應(yīng)。在凍結(jié)期，HH極化雷達(dá)后向散射系數(shù)對鹽漬土的響應(yīng)最強(qiáng)烈，HV極化雷達(dá)后向散射系數(shù)對鹽漬土的分離性較好。選取2個(gè)極化的組合進(jìn)行分析，極化組合為HV+HH、HV/HH、（HV-HH）/（HV+HH）、（HV2+HH2）/（HV2-HH2），計(jì)算出這些極化組合的后向散射系數(shù)，分析其與鹽漬土的響應(yīng)關(guān)系（圖3）。

由圖3可知，HV+HH極化組合呈先上升、后下降的趨勢，對輕度、中度、重度鹽漬土的分離性較好，但難以區(qū)分出非鹽漬土。對于HV/HH極化組合，后向散射系數(shù)在非鹽漬化土壤至中度鹽漬化土壤呈上升趨勢，而在重度鹽漬化土壤則呈下降趨勢，無法區(qū)分重度鹽漬土。對于（HV-HH）/（HV+HH）極化組合，后向散射系數(shù)在輕度鹽漬土壤為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土易于混淆。對于（HV2+HH2）/（HV2-HH2）極化組合，后向散射系數(shù)隨鹽漬化程度的增強(qiáng)而減小，且各種鹽漬化程度的分離性較好，不易產(chǎn)生混淆，因此該極化組合方式可作為研究區(qū)凍結(jié)期鹽漬化土壤信息提取的指數(shù)。

3.3 回歸分析

在土壤凍結(jié)期選擇（HV2+HH2）/（HV2-HH2）極化組合建立模型，研究雷達(dá)圖像的后向散射系數(shù)與含鹽量的關(guān)系。將該極化組合設(shè)為變量X，即X=（HV2+HH2）/（HV2-HH2），將其中35個(gè)土壤樣點(diǎn)的含鹽量數(shù)據(jù)與X進(jìn)行線性回歸分析模擬。建立的回歸方程為S=-0.227 2X+0.770 2，式中S為全鹽量，X為極化組合（HV2+HH2）/（HV2-HH2）。S與X達(dá)到了良好的相關(guān)性，r2=0.753 4（圖4）。

4 精度分析

4.1 對RADARSAT-2影像進(jìn)行決策樹分類

根據(jù)建立的鹽分回歸方程，通過ENVI決策樹方法對影像進(jìn)行分類，分類結(jié)果見圖5，分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。其中，非鹽漬地所占比重最大，高達(dá)57.824%；其次為重度鹽漬地，達(dá)到27.972%?？梢?，研究區(qū)內(nèi)鹽漬化程度比較嚴(yán)重，且分類結(jié)果與研究區(qū)地表的鹽漬化現(xiàn)象較為一致。

4.2 精度檢驗(yàn)

利用線性回歸方程對研究區(qū)進(jìn)行不同程度鹽漬化分類，為驗(yàn)證模型及分類結(jié)果的可靠性，采用剩余的15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)。根據(jù)土壤采樣點(diǎn)的地理位置信息與鹽漬化分類圖相匹配，提取15個(gè)土壤采樣點(diǎn)對應(yīng)的反演值，并與實(shí)測值進(jìn)行比較分析。由表5可知，多數(shù)土壤樣本點(diǎn)的相對誤差小于10%，反演精度比較可觀。

5 結(jié)論

土壤鹽漬化問題是影響河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。雷達(dá)數(shù)據(jù)具有全天候、全天時(shí)、受天氣及氣候影響較小等優(yōu)點(diǎn)，常作為土壤鹽分信息提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這對于干旱、半干旱、季節(jié)氣溫變化較大地區(qū)的土地鹽漬化監(jiān)測極其有利。采用四極化精細(xì)模式C波段的Radarsat-2數(shù)據(jù)對研究區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，彌補(bǔ)了可見光遙感提取鹽漬地信息的受限性，經(jīng)過對雷達(dá)影像的處理準(zhǔn)確獲取了土壤凍結(jié)期的后向散射系數(shù)值。分析不同程度鹽漬土與后向散射系數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，同極化HH對鹽漬土的響應(yīng)較強(qiáng)烈，交叉極化HV對鹽漬地的分離性較好；通過HH和HV不同極化組合后向散射系數(shù)對土壤鹽漬化響應(yīng)分析得出，（HV2+HH2）/（HV2-HH2）極化組合可將非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地、重度鹽漬地區(qū)分開。以極化組合作為變量建立線性模型S=-0.227 2X+0.772，通過決策樹利用模型對研究區(qū)進(jìn)行鹽漬化分類，并驗(yàn)證分類結(jié)果及模型精度。結(jié)果表明，多數(shù)樣本點(diǎn)的相對誤差小于10%，反演精度較高，研究結(jié)果可作為巴彥淖爾市磴口縣土壤鹽漬化監(jiān)測的理論基礎(chǔ)。

雷達(dá)影像對土壤水分較為敏感，本研究未能有效分析土壤水分對極化方式的影響，建立的回歸模型未除去土壤水分干擾。本研究結(jié)論針對河套灌區(qū)，是否具有普適性仍須進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱庭蕓. 灌區(qū)土壤鹽漬化防治[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1992：32-38.

[2]劉俊廷，潘洪捷，彭志帆，等. 河套灌區(qū)土壤鹽漬化現(xiàn)狀及危害研究[J]. 內(nèi)蒙古水利，2011（2）：138-139.

[3]Smedema L K，Shiati K. Irrigation and salinity：a perspective review of the salinity hazards of irrigation development in the arid zone[J]. Irrigation and Drainage Systems，2002，16：161-174.

[4]Clarke C J，Bell R W，Hobbs R J，et al. Incorporating geological effects in modeling of revegetation strategies for salt-affected landscapes[J]. Environmental Management，1999，24（1）：99-109.

[5]Dwivedi R S，Rao B R M. The selection of the best possible Landsat TM band combination for delineating salt-affected soil[J]. Journal of Remote Sensing，1992，13（11）：2051-2058.

[6]Kirkby S D. Integrating a GIS with an expert system to identify and manage dryland salinization[J]. Applied Geography，1996，16（4）：289-303.

[7]Saysel A K，Barlas Y. A dynamic model of salinization on irrigated lands[J]. Ecological Modelling，2001，139（2/3）：177-199.

[8]Metternicht G I，Zinck J A. Remote sensing of soil salinity：potentials and constraints[J]. Remote Sensing of Environment，2003，85（1）：1-20.

[9]Eenyamini Y，Mirlas V，Marish S，et al. A survey of soil salinity and groundwater level control systems in irrigated fields in the Jezreel Valley，Israel[J]. Agricultural Water Management，2005，76：181-194.

[10]Amezketa E. An integrated methodology for assessing soil salinization，a pre-condition for land desertification[J]. Journal of Arid Environments，2006，67（4）：594-606.

[11]劉慶生，駱劍承，劉高煥. 資源一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在黃河三角洲地區(qū)的應(yīng)用潛力初探[J]. 地球信息科學(xué)，2000，2（2）：56-57.

[12]霍東民，張景雄，孫 家. 利用CBERS-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行鹽堿地專題信息提取研究[J]. 國土資源遙感，2001（2）：48-52.

[13]牛 博，倪 萍，塔西甫拉提，特依拜. 遙感技術(shù)在干旱區(qū)鹽漬化動態(tài)變化分析中的應(yīng)用——以新疆玉田縣為例[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2004，15（4）：78-82.

[14]李曉燕，張樹文. 吉林省大安市近50年土地鹽堿化時(shí)空動態(tài)及成因分析[J]. 資源科學(xué)，2005，27（3）：92-97.

[15]何祺勝. 星載雷達(dá)圖像在干旱區(qū)鹽漬地信息提取中的應(yīng)用研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué)，2007：17-19.

[16]劉 芳，郝玉光，張景波，等. 磴口縣土地景觀變化遙感監(jiān)測研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，30（3）：112-116.

[17]Zhou P，Ding J L，Wang F，et al. Retrieval method of soil water content in vegetation covering areas based on multi-source remote sensing data[J]. Journal of Remote Sensing，2010，14（5）：959-965.

[18]王 超，張 紅，陳 曦，等. 全極化合成孔徑雷達(dá)圖像處理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008：55-56.

[19]喻忠偉. 基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Radarsat-2遙感影像的土壤墑情監(jiān)測研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2013：39-41.

[20]韋建波. RADARSAT-2數(shù)據(jù)在干旱區(qū)鹽漬地信息提取中的應(yīng)用[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué)，2009：32-35.