基于RS的安达市土地盐碱化面积提取研究

冯志密，黄 彦，曹凯华，孙雪梅

(1.黑龙江省绥棱县水利农田总站，黑龙江 绥棱 152200；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

土壤盐渍化(盐碱化)是当今世界人类面临的比较突出的环境问题之一，也是造成土地退化、制约区域农业和经济发展的问题之一[1-3]。盐碱地指的是那些盐分含量高，pH大于9，难以生长植物尤其是农作物的土壤。目前对土壤盐碱化监测方法可分为3种，即直接方法、间接方法和综合方法[4]。近年来随着科技的发展，越来越多的卫星不断升空，遥感技术的应用逐渐获得越来越多学者的关注。由于其具有获取数据资料范围大、获取信息的速度受条件限制少、获取信息的手段多、信息量大等特点，目前，遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域。遥感技术的广泛应用也为土地盐碱化监测提供了新的思路和方法。有关学者对土地盐碱化监测已展开了大量工作并取得了较好的成果。如学者布和敖斯尔[5]基于遥感和GIS技术手段，提出了基于知识发现和决策规则的盐碱地提取方法，吴会胜等[6]基于遥感光谱分析技术对吉林省大安市盐碱地进行提取与制图研究，田贵全[7]等利用遥感技术对鲁北地区现状及其动态变化进行分析研究，秦朝[8]使用MODIS数据对黑龙江西部土地盐碱化进行动态遥感监测并使用马尔科夫模型对盐碱地发展进行预测，马驰[9]使用回归分析法建立土壤含盐量模型，结果表明该方法能较好的反演松辽平原盐碱土的含盐量；薛秀清[10]利用遥感技术对大同盆地盐碱地进行监测并运用模糊综合评价模型进行评价。

东北黑土区松嫩平原是世界上三大盐碱土集中分布区之一，也是我国次生盐碱化状况最为严重和对农业生产影响最大的地区之一[11-12]。然而，使用RS技术对盐碱地改良监测研究较为少见。因此，本文选择位于松嫩平原中部的安达市为研究区，利用RS与GIS相结合的方法，定量提取盐碱化土地面积，以期为当地盐碱化土地资源的综合利用与防治提供可靠依据，为区域经济发展和生态环境治理提供保障。

1 研究区概况

安达市位于黑龙江省西南部，松嫩平原中部，地理位置位于北纬41°01′～47°01′，东经124°53′ ～ 125°55′之间，属北温带大陆性半干旱季风气候，全年平均气温3.3 ℃，无霜期141 d，日照2849 h，年降水量428.7 mm，其中6—9月份降水350.7 mm，蒸发量1624.0 mm，最高达1990.0 mm，是全省西部典型干旱地区。东部与兰西县、青冈县接壤，南距哈尔滨市127 km，西距大庆市30 km。地域轮廓近似三角洲，北宽南窄，境内无山岭河流，只有漫岗和沼泡，地势较为平坦，海拔高度在134～212 m之间。全市面积约3586.27 km2，自然资源丰富，但面临着较为严重的土地盐碱化问题。地带性土壤类型主要有草甸黑钙土，低平地有石灰性草甸土、苏打草甸盐土、苏打草甸碱土等，植被种类主要以羊草为主，其次是碱茅、角碱蓬和盐蒿等。

2 研究方法

2.1 数据来源

研究采用的数据源分为遥感信息源和非遥感信息源两种。遥感信息源选取中国遥感卫星地面站接收的美国Landsat卫星的影像数据。根据研究的内容、地表景观的季相差异及卫星影像的质量，选取了两个时段的TM、ETM+影像数据，各景影像的云覆盖率均小于5%。非遥感信息源主要包括行政区划图、土地利用图、土壤类型图、地貌分区图、水文地质图、地形图、水系图等，以及部分野外考察采集的各种资料和数据等，详见表1。

表1 非遥感数据源一览表

2.2 遥感数据处理

本文主要采用遥感反演的方法提取盐碱土区域。首先对所获取的Landsat遥感数据进行辐射定标，大气校正、几何校正、镶嵌等处理，然后利用行政区划图裁剪出研究区范围。由于遥感影像是用无量纲的数字量化值(DN)记录信息的，进行遥感定量分析时，需要通过辐射定标把DN值转化为辐射亮度值(radiance)，辐射定标可以通过如式(1)线性关系式表示：

L-λ.=Gain×DN+DN+Offset

(1)

在ENVI5.3的支持下，完成辐射定标后，仍需对影像进行大气校正处理。大气校正的目的是减少或消除大气分子和气溶胶散射等因素对地物反射的影响，从而得到真实的地表反射等参数。本文借助基于MODTRAN5辐射传输模型的FLAASH大气校正模块工具进行大气校正。

2.3 盐碱土地分布信息提取

在进行遥感影像分类时，通常对遥感影像进行增强处理，其目的是改善影像的视觉效果或将影像转换为一种更利于人或机器进行分析的形式，从而增强信息提取的准确性和有效性。本研究主要通过基于波段组合的假彩色合成法来增强盐碱地信息。在目视判别、目标地物光谱分析的基础上，采用基于光谱特征的非监督分类方法和人机交互的目视解译法来提取盐碱土地信息。

图1 盐碱土地信息提取流程图

首先依据TM影像的成像规律、盐碱土的光谱特征和地理空间分布特征，结合土地利用图、地貌图、土壤图以及野外的GPS定位考察资料，建立研究区相应地物的影像判读标志；然后采用假彩色合成法进行影像的增强处理；最后，利用最大似然法对增强后遥感影像进行非监督分类，详细流程如图1所示。

将影像的非监督分类的结果图与原始影像相比较，由于“同谱异物”的影响，在所提取的盐碱土地信息中混杂有少量居民点信息。本文采用混淆矩阵法对分类结果精度进行评价，结果显示盐碱土地的识别总体分类精度为85.7%，提取的信息识别精度较高，可以满足研究工作的要求。

3 结果与分析

3.1 盐碱地分布提取分析

根据反映盐碱化严重程度的碱斑率与遥感影像亮度之间的关系，按碱斑率大小将盐碱土划分为三级：碱斑率<30%的为轻度盐碱土，碱斑率在30%～60%之间的为中度盐碱土，重度盐碱土的碱斑率>60%。

利用ENVI5.3软件提供的Clump和Sieve功能对从遥感影像中解译出的结果图像进行聚类、过滤等后处理，消除小于2×2的像元地块，再把各时段的影像分类结果镶嵌成完整的分布图，并以行政区界线的SHP文件裁剪出各县市解译的盐碱土影像图。利用ARCGIS10.3软件系统中的统计功能对所提取的目标信息进行面积统计，得到研究区前后两个时段的轻、中、重度盐碱土的面积信息(表2)。最终获得两个时段的安达地区TM卫星影像盐碱土分布图，如图2所示。

图2 安达市土地盐碱化分布图

3.2 盐碱地面积统计分析

由表2可以看出，改良前后两个时段安达的盐碱土总面积分别为128 017.35 hm2、87 830.46 hm2，盐碱土分别占研究区总面积的17.19%和12.20%，各类盐碱土面积都在不断缩小。其中，轻度盐碱土两个时段在总盐碱土面积中所占的比例分别为32.61%和32.97%，表明轻度盐碱土在总盐碱土面积构成中比例较稳定，但面积减少了12 777.21 hm2；中度盐碱土的比例分别为48.90%和38.69%，其比例下降较大，但面积仅减少8965.71 hm2；重度盐碱土的比例变化也处于下降状态，两个时段面积比例分别为33.84%和28.33%，面积减少了18 443.97 hm2，表明安达地区整个区域的盐碱化程度在向轻度方向发展。

表2 安达地区盐碱土面积统计表 hm2

3.3 盐碱地形成原因

安达地区盐碱化主要原因与气候、地表植被覆盖及森林面积减少等因素密切相关[12]。随着近年来的全球变暖趋势，降雨量少，蒸发量大，蒸降比不断加大，促进了干旱的发生，影响植被覆盖，同时地表植被和森林覆盖的人为破坏，更影响了区域气候，加速了水域减少和盐碱增长。土壤盐碱化的基本原因，土壤表面无覆盖，在于地下水位过高和蒸发过旺。从图2可以看出，水域面积不断减少，导致地下水不断向上，通过水的溶解把盐碱带出来。随着水分蒸发，盐碱化区域面积都不断增加，特别是重度盐碱化面积。

盐碱化产生的另一方面与人为因素有关，主要是人类不合理的利用行为，这些不合理的利用行为表现为不科学的技术措施以及不完善的管理体系、宏观政策的失误等。由于农村实行土地联产承包责任制以及缺乏相应的管理措施，再加上干旱引起的地下水位下降使人们对次生盐碱化发生的警惕性放松，导致排水设施破坏，整体上发生土地盐碱化的风险性增加。在发展生产力的同时，若不注意排灌工程的配套、用水的管理和调节，土地盐碱化面积将不断扩大。

4 结 论

本文以安达市为研究对象，使用遥感数据定量获研究区的盐碱化土地面积，主要得到以下结论：利用RS和GIS技术对研究区两期盐碱土地提取分析表明，改良后各类盐碱地面积均减少，表明研究区土地盐碱化呈减轻趋势；对安达市盐碱地形成和发展规律的分析表明，盐碱地形成主要与气候、地表植被覆盖及森林面积减少等因素及人类不合理的利用土地行为相关；对盐碱地发展与应对表明，盐碱地的发展变化受自然地理因素和人为因素的双重影响，通过禁牧及改良种稻等措施，安达市的土地盐碱化程度朝着轻度发展。