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,河南 鄭州 450046; 2.福建省交通規(guī)劃設計院有限公司，福建 福州 350004)

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的一個基本要素，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎。土壤鹽漬化問題直接關系到農(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[4]，當土壤中某種鹽分的含量超過作物生長所能承受的極限時，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、電導率原位測試、遙感信息技術和聯(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區(qū)進行連續(xù)數(shù)年的監(jiān)測和預報，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)的基礎上，通過數(shù)值模擬計算出土壤含鹽量的分布狀況，提取土壤鹽漬化信息[7]。現(xiàn)場觀測方法是通過建立長期試驗觀測站，并借助數(shù)值模擬技術，進行小尺度區(qū)域的觀測，可以非常精確地提取土壤鹽漬化信息[8-9]，但是該方法耗時費力，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取樣、分層隨機取樣、整體取樣和網(wǎng)格取樣等[11]。野外樣品采集的布點是整個土壤信息提取過程的重要環(huán)節(jié)，樣點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]、電導率[15]等指標，經(jīng)觀測和試驗分析，可以精確提取土壤鹽漬化信息，但該方法耗時費力、效率較低。如果測點少，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 電導率原位測試

土壤電導率指土壤溶液傳導電流的能力[16]，即土壤溶液的導電能力[17]，是反映土壤溶液中含鹽量的間接指標[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，在土壤電導率快速測試方面有了較大的進展[19-22]。根據(jù)傳感器類型，土壤電導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，會發(fā)生電極極化[24]，電流隨著加壓時間而變化，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率來估測土壤含鹽量，進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)點是測量速度快，移動方便，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率測量方法取得較大進展[31-32]，該方法簡便、快速，可進行較大規(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，還需進一步探索研究[33]。

2.2 非接觸式原位測試

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

20世紀70年代末，在土壤鹽分監(jiān)測研究中首次利用了電磁感應技術，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，許多學者將電磁感應儀EM38與野外采樣相結(jié)合，建立了適合當?shù)氐耐寥篮}量的預測模型，獲得的研究區(qū)土壤鹽分數(shù)據(jù)具有較高的可信度[37]。

EM38方法預測精度高且可快速獲取大量的土壤鹽分預測數(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重要方法，具有良好的應用前景。

3 遙感信息技術

遙感信息技術主要包括航天、航空、多光譜和高光譜等多種技術手段，因其具有高效、快速、覆蓋范圍廣等特點而得到廣泛應用，有效彌補了傳統(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)督分類又稱訓練分類，是指在人為干預下選取訓練樣本，依據(jù)訓練樣本的亮度特征建立“判別函數(shù)”進行分類[40]。該方法主要通過相關預處理、訓練樣本的提取、參數(shù)設置等步驟，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(SVM)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡[42-43]，其中應用較廣的是支持向量機分類算法。

支持向量機算法提出于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)計學習理論為基礎，把非線性可分樣本數(shù)據(jù)映射到高維線性空間中，創(chuàng)建一個最優(yōu)分類超平面，引入了核函數(shù)，綜合經(jīng)驗風險和置信范圍，找出判決函數(shù)，使其期望風險上界達到最小[45]。在土壤鹽漬化信息提取中，支持向量機分類因其易用、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)，從而進行樣本集訓練，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，支持向量機方法在針對不同地物分類時難以調(diào)適至最佳分類效果，提取精度有待進一步提高[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]。已有許多學者建立了多光譜指數(shù)與土壤鹽漬化的直接或間接關系，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，提取精度有待進一步提高。

3.3 決策樹分類

決策樹分類是以實例為基礎的歸納學習算法[61]，是一種對遙感圖像分層次處理的方法。根據(jù)地面實際數(shù)據(jù)及目標物有關知識[62-63]，通過確定各類屬性(包括相關的環(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，逐一提取每一個地物，可提高鹽漬化信息提取的準確性。因此，合理選取特征量和確定相應閾值是利用決策樹分類法提取鹽漬化信息的關鍵[65]。

目前，已有學者通過分析區(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)果與實際統(tǒng)計結(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。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[68]，它融合了光譜技術和成像技術，可實時地獲取研究對象的影像和每個單元的光譜分布[69]。高光譜遙感技術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，已取得一些進展[72-74]，高光譜方法已成為鹽漬化信息提取研究中的熱點，具有很好的發(fā)展前景。

3.5 微波雷達

土壤鹽分的變化會對土壤介電常數(shù)產(chǎn)生影響，進而影響土壤表面后向散射系數(shù)，這是微波雷達進行土壤鹽漬化信息提取的物理基礎[75-76]。微波雷達一般指合成孔徑雷達(SAR)遙感，能夠主動發(fā)射電磁波，在不依賴太陽光照及氣候條件下實現(xiàn)全天時、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90年代以來，隨著一系列星載合成孔徑雷達的發(fā)射升空，雷達遙感迎來了應用的高潮[77]。目前，利用多光譜遙感和高光譜遙感進行土壤鹽漬化信息提取多以定性提取為主，而微波雷達可以實現(xiàn)定量提取鹽漬化信息[78]。相關研究表明，以土壤鹽分雷達監(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，利用雷達影像進行鹽漬化提取的研究成果較少，微波雷達可以實現(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，具有良好的應用前景。

4 聯(lián)合提取

聯(lián)合提取方法是將多個單一方法結(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)點和特點，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，這個目標僅依靠單一的方法是很難達到的[81]。

目前，已有一些學者嘗試聯(lián)合多種技術進行鹽漬化信息提取，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]；基于光學與微波融合遙感數(shù)據(jù)，采用支持向量機(SVM)分類方法進行鹽漬化信息提取，并運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用前景。探索更為高效、經(jīng)濟、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)歷了一段漫長的時期，取得了長足的進展。

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，對土壤鹽漬化的識別及程度判別越來越準確。

進入21世紀以后，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)今日益嚴重的土壤鹽漬化狀況，尋求更為高效、可靠、精確、經(jīng)濟的土壤鹽漬化信息聯(lián)合提取技術具有重要意義。