基于特征空间的土壤含盐量的遥感反演

刘亚男 白欣 侯君英

摘要土壤表层含盐量的聚集是造成土壤盐渍化的主要原因，因此借助遥感手段及时、准确地对土壤含盐量进行研究有着重要的现实意义。以渭干河-库车河流域三角洲绿洲为研究区，采用2011年4月的Landsat卫星资料，利用改进型植被MSAVI和盐分指数（SI）构建土壤含盐量特征空间的遥感模型，并且通过2011年9月野外同步实测的地表0～10 cm土壤含盐量进行相关性分析，R2=0.859 6，精度较好。这对干旱区绿洲农业的发展有着重要的现实意义。

关键词土壤含盐量；特征空间；MSAVI；SI

中图分类号S127文献标识码A文章编号0517-6611（2014）01-00110-02

基金项目国家自然科学基金项目（41161063，41261090）；霍英东教育基金项目（121018）；教育部新世纪优秀人才支持计划。

作者简介刘亚男（1985- ），女，甘肃高台人，硕士研究生，研究方向：地理信息系统，Email：1215989402@qq.com。

收稿日期20131202土壤盐渍化是当今世界上土地荒漠化和土地退化的主要类型之一，也是世界性资源问题和生态问题[1]。土壤的盐渍化影响农作物的生长，直接导致粮食减产，是农业开发和农业可持续发展的重大限制条件和障碍因素。在我国，盐渍土分布范围广，覆盖热带和寒温带、滨海和内陆、低地和高原地区。土壤的盐渍化问题和灌溉引起的土壤次生盐渍化问题是新疆农业发展的主要障碍，也是影响新疆绿洲生态环境稳定的重要因素[2]。土壤含盐量是盐渍化状况最表观的反映，也是造成土壤盐渍化的主要原因。目前，已有多位学者在不同地区对土壤含盐量进行研究[3-4]。地表含水量-植被指数可综合反映土壤含盐量的二维空间特征，是近年来广泛应用的土壤含盐量的遥感反演方法。笔者采用MSAVI改进型植被指数法和盐分指数SI构建土壤含盐量的遥感反演模型。土壤含盐量的反演对盐渍化预警以及环境生态评价具有一定的现实意义。

1研究区概况

渭干河-库车河三角洲绿洲（以下简称渭-库绿洲）位于天山南麓。研究区位于塔里木盆地中北部，地势北高南低，平均海拔920～1 100 m。地理坐标为40°31′～41°53′N，82°18′～83°35′E。该地区是一个典型且完整的山前冲积扇平原，属大陆性暖温带极端干早气候，热资源丰富，多年年均降水量51.62 mm，属于典型的绿洲灌溉农业地区。该研究区的农作物以棉花、小麦、玉米为主。

2数据与研究方法

2.1研究资料及数据处理遥感影像采用2011年4月和2011年9月的Landsat ETM+数据。野外勘查和土壤样品采集于2011年4月和2011年9月。采集的土样在实验室自然风干后，剔出土壤以外的侵入体（如植物残茬、石粒、砖块等杂质），适当磨细，过1 mm孔径筛，充分混匀，装入容器待用。按土壤农化分析要求，用高精度仪器（METTLER TOLEDO AL204）称取50 g用于化学分析的样土，与250 ml蒸馏水混合，经过充分溶解后利用仪器测定土壤盐分含量、组分含量、pH。采样点的选取以点位在空间分布的均匀性和各盐渍度等级的代表性为原则。采样时，每个样点用GPS精确定位，获取点位经纬度，并实地记录样点土壤表面状况地貌类型等景观描述，同时用数码相机对样点区域进行景观拍照。

2.2研究方法

2.2.1遥感影像预处理。遥感影像预处理主要包括大气校正、地形校正、裁剪和矫正。在ENVI图像处理软件的支持下，参照研究区1∶10万地形图对遥感图像进行几何精校正、坐标转换。采用COST大气校正模型[5]，对遥感影像进行大气校正，以消除大气对地表反射率的影响。遥感影像预处理后，利用ENVI 软件和相关资料对MSAVI、SI相关参数进行计算。

2.2.2基本参量反演。经过几何较正和辐射定标后的Landsat-ETM+反射率数据反演盐分指数（SI）[6]和改进型归一化差值植被指数（MSAVI）[7]为：

2.2.3数据正规化处理。统计研究区MSAVI和SI最大值和最小值，并且利用统计值进行数据正规化处理。

2.2.4MSAVISI特征空间的盐渍化过程分析。由图1～3可知，不同盐渍化地表在 MSAVISI 特征空间的分布具有显著的分异规律，植被覆盖度不断下降时盐分不断上升。在这一过程中，研究区内盐渍地空间分布在宏观上表现为沿绿洲外围呈环形分布，从绿洲向外伸展，依次分布为非盐渍地、轻度盐渍地、中度盐渍地和重度盐渍地。以上过程在 MSAVISI特征空间中能很好地加以区分，且与实地调查结果一致。这为进一步的模型建立打下基础。

在 MSAVISI 特征空间中，MSAVI 与 SI之间存在明显的非线性变化关系（图4），而且与土壤盐渍化过程在特征空间的轨迹较接近。根据 Verstraete 和 Pinty 的研究结论，垂直于 A-E 线的直线能将不同盐渍化土壤区分开来。同时，任何一点到点 E（1，0）的距离可以说明土壤含盐量状况，即离点 E 越远土壤含盐量越多。因此，根据土壤含盐量随着点E的变化特征，在空间任取一点C，根据两点之间的距离公式，可以得到从C到点E的距离（L）。