黄河三角洲盐碱地信息遥感提取及动态变化分析——以山东垦利县为例

焦元波田夏一胡宝清（1.广西师范学院，广西 南宁 530001；2.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；3.广西地表过程与智能模拟重点实验室，广西 南宁 530001；.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）

黄河三角洲盐碱地信息遥感提取及动态变化分析
——以山东垦利县为例

焦元波1,2,3田夏一4胡宝清1,2,3
（1.广西师范学院，广西 南宁 530001；2.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；3.广西地表过程与智能模拟重点实验室，广西 南宁 530001；4.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）

通过对山东省东营市垦利县2000年、2014年的Landsat TM遥感影像图进行监督分类和处理，提取了垦利县盐碱地信息，在此基础上对垦利县14年间的盐碱地动态变化以及影响其变化的驱动力进行了分析。结果表明：2000～2014年期间盐碱地总体面积减少，轻盐碱地面积有了大幅度的增加，而重盐碱地的比重在降低。轻盐碱地与重盐碱地、盐碱地与非盐碱地之间发生着类型转化。轻盐碱地的主要转出类型为水体、林草地和建筑用地；轻盐碱地的转入主要来源于耕地和重盐碱地。重盐碱地的主要转出类型为水体、轻盐碱地和建筑用地；重盐碱地的转入主要来源于耕地和建筑用地。

垦利县；盐碱地；遥感；监督分类

1 研究背景

盐碱地是关于盐类集积的土壤种类之一，盐碱土是土壤在发生各种盐化和碱化的过程形成的，包括盐化土、碱化土和各种盐土、碱土。土壤盐碱化是致使土地发生退化的一个重要原因，它会导致土壤的肥力下降，板结以及土地撂荒等多种不良后果[1]。近些年来, 随着沿海人口的增长与经济的发展,盐碱地与人类活动之间的矛盾日益突出,对盐碱地的动态变化的研究已成为国内外学者探求的热点问题之一。

黄河三角洲是我国三大河口三角洲之一，同时也是重要的后备土地资源区，它受到多种动力系统的作用，如河流、陆地、海洋等；大面积、分布广的盐渍土，使得黄河三角洲的土地利用状况频繁发生变化，同时也使得生态环境异常脆弱；区域特征类型复杂，在其独特的自然和社会经济条件下，整个地类插花分布，混杂着各种不同的光谱特征[2]。黄河三角洲高达70%以上的盐碱地，制约着农业以及经济在黄河流域的可持续发展[3]。

对黄河三角洲盐碱地分布来说，它目前的数量和分布状况，是通过土壤调查的传统方法于20世纪80年代得到的，不能够满足盐碱地合理治理、地区持续发展和有效区域规划的需要。遥感的特点是实时、迅速、综合、宏观，它是一种监测环境和资源的全球性研究的有效的新手段[4]。研究现代黄河三角洲盐碱地动态变化，利用遥感等手段对盐碱地信息进行提取，综合运用多种数据进行总体分析，有利于迅速查明土地盐碱化的成因与现状，准确有效的进行综合区划，能够作为一种科学依据，使得黄河区域农业可持续发展和盐碱地土壤得到良好改善。

2 研究区域概况

黄河三角洲是黄河近百年来淤积形成的新陆地，处于山东半岛和渤海湾，东经117°31＇～119°18＇和北纬36°55＇～38°16＇之间，主要分布于山东省东营市和滨洲市境内，位于暖温带半湿润地区，属大陆性季风气候，雨热同季，四季分明，春季干旱多风，常发生春旱，夏季炎热多雨，有时受台风侵袭；多年平均气温12.5℃，无霜期长达206天，大于或等于10℃的积温约4300℃；年降水量550～600mm，多集中在夏季，7～8月降雨量约占全年降水量的一半，且降雨量年季变化大，易形成旱、涝灾害；年蒸发量为1900～2000mm，蒸降比大。

黄河三角洲是我国陆域土地面积自动扩展最快的地区，其造陆速度位居全世界河流三角洲之首，1974～1984年间平均每年黄河塑造6068 hm2的陆地，1984年至今黄河平均每年塑造 2300hm2的陆地。但由于是海陆相互作用形成的退海之地，并且形成的时间较晚，气候干旱，土壤肥力低下，地下水矿化度很高，土壤盐渍化很容易形成。黄河三角洲区域内盐渍土面积高达 4.43×105hm2，它们全部位于在近代黄河三角洲内。泥沙是区内土壤的主要成分，短时期内形成，具有较浅的地下水位，土壤养分含量也不充足，土壤次生盐渍化和沙化较易形成[5]。

黄河三角洲盐碱地使用开发以及存在对黄河三角洲地区的可持续发展产生深远的重大影响。区域盐碱地的利用包括下列的特点：

①一直未曾利用的盐碱地的分布。从1956年以前到目前为止仍然是盐碱地的面积有1900hm2，主要分布在北部和东部盐场周围以及马家水库附近。

②于20世纪90年代开始进行利用的盐碱地。有85000 hm2的盐碱地于这一时期开发利用，大部分沿着 1855年和1984年海岸线带状分布，其他部分分散在中西部的重盐碱区。

③变成水域的盐碱地。在1956～1984年间，由新生成盐碱地变为水域的面积有15000 hm2，部分为滨海滩涂，河口区西南部、利津县西部以及垦利县沿海地带是主要分布地带。

④有着稳定的利用方式的盐碱地。在1956～1984年间，有19500 hm2面积的盐碱地，它们虽然是新开发利用的，但退化始终没有发生，近代三角洲堆积体和利津县西部主要分布地带。

⑤有着反复波动的利用方式的盐碱地。这种盐碱地有41000 hm2，包括两种主要模式。盐碱地的波动利用方式主要分布在垦利县内、广饶县的北部以及河口区。

⑥新生盐碱地。这部分盐碱地在时空演变模式中，是面积最大的一类，有127000hm2，近代黄河三角洲堆积体和滨海滩涂是主要分布区域[6]。

3 遥感数据预处理

3.1 数据来源

本研究数据采用陆地卫星TM遥感数据，分辨率为30× 30m。时相分别为2000年4月8日、2014年3月14日。影像质量良好，研究区无云覆被，影像层次丰富，稍有物候差异。

3.2 图像预处理

3.2.1 几何精校正

几何校正是利用地面控制点对遥感影像的几何畸变过程进行数学模拟，建立原始影像与大地平面之间的对应关系，然后将原始影像中的像元转换到校正影像空间。由于整景影像数据量较大，因此，先将包含案例区域的影像，用矩形切割下来进行图像处理工作。几何校正分几何粗校正和几何精校正，一般地面站提供的卫星遥感数据都经过了几何粗校正的处理，因此，为了使遥感图像的几何精度符合制图要求，还需要利用地面控制点作进一步校正，称为几何精校正[7]。

选用墨卡托投影空间为校正空间，以已校正过的2011年黄河三角洲Landsat图像为基准图像，对2000年4月8日遥感图像进行图像到图像的几何精校正。

具体方法：在遥感影像中选择道路交叉点或拐弯点、人工坑塘角点、渠道交叉点，海堤与其它地物的交叉点等36个明显地物点作为地面控制点，基本呈均匀分布，采用多项式校正模型和双线性内插重采样模型对原始图像进行几何精校正，校正后经重新选点检验，最终的定位精度控制在0.279个像元之内，达到研究精度要求。

3.2.2 图像配准

图像配准是指使用基准图像对另一幅图像进行校准，以使两幅图像中的同名像元配准[8]。将校正好的2011年图像作为基准图像，利用ENVI中的图像到图像校正功能，在两幅图像上选择 43 个同名地物点作为控制点，应用多项式校正和双线性内插重采样对 2014年3月14日的图像进行校正，校正精度为0.235个像元，最终使两幅图像达到研究精度要求。

3.2.3 研究区图像数据提取

遥感影像为黄河三角洲大范围图像，本文研究区域为垦利县，因此需对已校正图像进行裁剪，具体步骤如下：

（1）在ENVI 5.0中加载已经做过几何精校正的影像，再打开已有的垦利县区划边界，通过Toolbox中的Subset Data via ROIs功能截取垦利县行政区边界矢量图。获得2000年、2014两年垦利县行政区边界矢量图。

（2）利用ROI文件对遥感图像进行裁剪，最终获得研究区域遥感图像。在ENVI中打开裁剪好的图像。

4 黄河三角洲土地利用分类

4.1 黄河三角洲相关土地分类

国内许多学者都研究过黄河三角洲分类体系。叶庆华[9]在进行黄河三角洲土地利用时空复合变化图谱分析时，将本区土地覆被类型分为9类:渤海海域、耕地、园地、有林地、盐碱地、牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域(包括滩涂)、未利用地或难利用地。江小钦[10]等根基据影像所反映的景观特点和黄河三角洲的实际情况，将黄河三角洲土地分为11种类型：海水、内陆水体、旱地、水田、林地、灌草地、苇地、滩涂、居民地、盐田和未利用地。

4.2 黄河三角洲土地分类体系

基于国内分类体系以及现代黄河三角洲分类体系，结合本文研究内容和图像特点，最终确定将研究区域土地利用/土地覆被分为 7类：滩涂、耕地、水体、林草地、轻盐碱地、重盐碱地、建筑用地。

表1 土地利用分类方案（TM 影像标准假彩色合成）

5 黄河三角洲盐碱地信息的遥感提取

5.1 遥感影像分类与分类精度评价

采用监督分类的方法进行分类。通过对几种方法的分析，最终决定使用分类效果较好的最大似然法对两期影像进行分类。

因为图像分类的正确性直接受遥感影像数据分类精度影响，所以分类结果精度的评价对于遥感数据的使用极为重要。本文采用混淆矩阵、总体分类精度和Kappa系数进行精度评价。

混淆矩阵（Confusion Matrix）又叫做误差矩阵（Error Matrix），主要用于比较分类结果和地表真实信息的差异，可以把分类结果的精度显示在一个混淆矩阵里。混淆矩阵将地表每个真实像元的类别与分类图像中的类别相比较，矩阵中的每一列代表地表真实类别数，每一行代表每一列中的数值等于地表真实像元在分类图像上对应的类别数，有像元数和百分比两种表示方法。混淆矩阵可以计算：总体精度（overall accuracy），使用者精度（user accuracy）生产者精度（producer accuracy）。

Kappa系数是把所有真实参考的像元总数乘以混淆矩阵对角线的和，减去某一类中真实参考像元数与该类中被分类像元总数之积后，再除以像元总数的平方减去某一类中真实参考像元总数与该类中被分类像元总数之积对所有类别求和的结果。它也是一种计算分类精度的方法，能够客观地评价分类结果的质量，能够避免生产者精度、用户精度和总体精度因小变动的像元类别而导致的百分比变化。

利用混淆矩阵和Kappa系数精度评价的方法分别对2000年、2014年垦利县遥感影像分类图进行精度评定，最终得到分类精度为：2000年整体精度99.7638%，Kappa系数0.9963；2014年整体精度99.5545%，Kappa系数0.9938。

5.2 分类后处理

初步分类后还需要通过 ENVI中的中聚类处理(Clump Classes)、过滤处理(Sieve Classes)和Majority Analysis后处理功能，对分类结果图进行类别合并和小图斑处理，并对有明显错误的地方进行纠正。最终制成2000年4月8日和2014年3月14日垦利县遥感影像分类图。

图1 2000年遥感影像分类图

图2 2014年遥感影像分类图

6 黄河三角洲盐碱地时空变化分析

6.1 盐碱地及其他各类土地面积变化分析

利用ENVI4.7软件中的Class Statistics工具分别统计出了2000和2014年东营市垦利县盐碱地及其他各类土地面积，制作表格如下：

表2 垦利县盐碱地及其他各类土地面积及面积比

表3 垦利县盐碱地及其他地类面积变化及面积比率

由表3可以看出2000年～2014年，研究区域面积增加了0.123km²，变化率为0.0048%。各种地物面积均发生了变化，其中水体、林草地、轻盐碱地和建筑用地的面积以增长为主；滩涂、耕地、重盐碱地的面积则呈减少的趋势。2000年～2014年滩涂面积减少了126.137km²。从遥感影像可以看出，增加面积主要为水体，水位增长，导致滩涂面积退缩。其变化率较小，相对稳定。2000年～2014年研究区域的耕地面积减少了508.751km²，其面积变化率达到了87.1%，变化较大，说明耕地减少过快，需要加强耕地保护。2000年～2014年，14年中水体面积增加了295.125km²。从遥感影像可以看出，水域大范围增加，增加面积主要为坑塘。水草地面积增加了234.641km²，其面积变化率达到了162.8%，成为土地类型中面积变化最大的一类，增加速度最快，说明植被发展较好，林草地得到了很好的保护和发展。建设用地面积在14年内增加了224.305km²，其面积变化率达到了40.8%，该地区城镇面积在逐步稳定增加。

2000年～2014年，14年里轻盐碱地面积增加了254.184km²。变化率为85.3%，虽然面积大范围增加，但轻盐碱地的增加是在重盐碱地演变的基础上的，土地的盐碱化得到了改良。2000年～2014年重盐碱地面积大大减少，减少面积为373.244km²，变化率为94.2%。大范围的重盐碱地得到治理，盐碱化大为减轻，转变为轻盐碱地。

表4 2000年～2014年垦利县盐碱地及各类土地转移矩阵

6.2 转移矩阵分析

通过转移矩阵分析及表3可知，2000年～2014年期间垦利县各盐碱地类型之间、盐碱地与非盐碱地类型间的动态变化较为强烈。其中盐碱地类型之间的变化主要表现为重盐碱地向轻盐碱地的转变，从2000年到2014年期间盐碱地总体面积减少。

轻盐碱地的主要转出类型为水体、林草地和建筑用地；其中有31.631km²轻盐碱地转变为水体，有99.842km²轻盐碱地转变为建筑用地；轻盐碱地的转入主要来源于耕地和重盐碱地，其中耕地有266.229km²转变为轻盐碱地，重盐碱地转变为轻盐碱地45.592km²。

重盐碱地的主要转出类型为水体、轻盐碱地和建筑用地；其中有95.211km²重盐碱地转变为水体，有45.592km²重盐碱地转变为轻盐碱地；重盐碱地的转入主要来源于耕地和建筑用地，其中耕地有3.778km²转变为重盐碱地，建筑用地转变重盐碱地为4.535km²。

由转移矩阵分析可知研究期内黄河三角洲盐碱地变化的主要特点有：大量耕地转出，最主要表现为耕地转变为轻盐碱地；2000～2014年期间盐碱地总体面积减少，但轻盐碱地面积增长了254.184km²，重盐碱地面积减少了373.244km2。

7 结论

基于遥感影像数据，对黄河三角洲地区垦利县2000年和2014年遥感图像进行实验分析，重点监测了垦利县盐碱地的面积和分布状况，分析可以得出，从2000年～2014年，十四年来，研究区域总面积有所增加，垦利县盐碱地的分布现状，研究期内轻重盐碱地之间、盐碱地和非盐碱地之间相互转化和逆转并存。黄河三角洲地区土地盐碱化这种情况仍在持续，但是由于政府的大力支持及各种盐碱化措施的实施，土地的盐碱化治理还是具有一定效果，重盐碱地的面积大大减少，重盐碱地盐碱化得到减轻，变为轻盐碱地。

[1] 亢庆,于嵘,张增祥,等.土壤盐碱化遥感应用研究进展[J].遥感技术与应用,2005,20 (4): 447-454.

[2] 李百红,赵庚星,秦元伟,等.黄河三角洲滨海盐碱退化——土地变化遥感监测研究[J].江西农业大学学报,2009,31(6): 1166-1171.

[3] 许学工.黄河三角洲地域结构、综合开发与可持续发展[M].北京:海洋出版社,1998.

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Dynamic change and remote sensing information extraction of saline land in the yellow river delta——A case study in Shandong Kenli County

Through the supervision and classification of remote sensing image drawing of 2000, 2014 years in Kenli County in Dongying City, Shandong Province, and the Kenli County saline information were extracted. On the basis of the dynamic changes of saline 14 years of Kenli County, the driving force of the dynamic changes was analyzed. The results showed: 2000 - 2014 periods to reduce the overall area of saline, light saline area has significantly increased, while reducing the proportion of heavy saline. Light saline and alkaline lands, between the saline and non-saline with type conversions. Light Saline major roll-out type of water, forest and grassland and building land; Severe Saline major roll-out type of water, light saline land and building land; Severe Saline transferred mainly from farmland and building land.

Kenli county; saline; remote sensing; supervised classificati

TP7

A

1008-1151(2016)12-0031-04

2016-11-12

焦元波（1990－），男，河南安阳人，广西师范学院国土资源与测绘学院 2015级硕士研究生，从事土地利用与区域发展研究；田夏一（1992－），女，山东高密人，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院 2015级硕士研究生，从事资源与环境遥感方向研究。

胡宝清（1966－），男，江西临川人，广西师范学院教授，博士，从事脆弱环境演变与政治研究。