北方干旱区取水灌区水盐时空分布特征的遥感数据分析研究

韩丽娜

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

土壤盐渍地变化主要是区域人类活动影响产生的生态环境变化，已成为当前重要的生态问题，得到广泛关注和研究[1]。据相关数据统计，58%的盐渍地变化主要发生在干旱地区的主要灌区内，而土壤盐渍地变化最为直接的影响在于农业的产出量，我国旱区农业受到土壤盐渍地影响较大。对区域水盐时空变化的分析对于灌区土壤盐渍地变化评估十分有效[2]。传统对于灌区水盐分析主要通过实地调查，结合采样土壤盐分分析，对其水盐变化进行表征，这种方式存在一定的以点代面的局限，不能很好的表征整个区域水盐时空的变化[3]。近些年来，遥感数据逐步在水利领域得到应用[4-9]，通过波段反射率的分析提取相应指标，从而对其空间变化特征进行反演[10-15]。但遥感数据在灌区水盐空间变化特征中的分析应用还较少，为此本文结合遥感数据，以辽宁西部旱区某灌区为研究实例，通过遥感数据对其区地表盐分、土壤含盐量、地下水矿化度、地表灌水量、地下水埋深等5个指标进行空间反演，从而分析其对区域土壤盐渍地变化的影响。研究成果对于区域生态环境修复规划具有重要的参考价值。

1 遥感数据预处理

遥感影像预处理的目的是增强遥感影像信息表达能力，使遥感影像更为清晰，目标物体的标志更明显突出，提高信息提取精度。遥感影像预处理包括辐射校正、几何校正、图像增强处理。

1.1 光谱增强处理

选用Landsat5卫星影像数据进行地表盐分、土壤含盐量、地表灌水量3个指标的提取，首选需要对各波段数据进行光谱增强处理，结合光谱特征向量分析方法对7个成分进行光谱增强处理，处理分析结果见表1。

从分析结果可看出，7个成分中第一和第二成分的方差百分比最高，随后方差百分比逐步降低，可见通过光谱增强处理后，其光谱波段主要集中在前两个成分中，从其特征向量可看出，前两个成分下其方差特征向量总体变幅较小，而从第三个成分到第七个成分，其特征向量的变幅逐步加大，但通过光谱增强处理后，波段特征性得到加强。

1.2 遥感影像波段选择试验

波段选择是提取各指标要素的关键，通过光谱信息统计、不同波段方差分析以及相关分析对波段进行选择，选择试验结果见表2—4。

亮度差和标准差是评价各波段光谱信息的最佳指标，从表2中分析结果可看出，第一波段标准差和亮度差最大，在5个波段中属于最佳波段，而第4波段中亮度差和标准差最低，属于最低波段，因此主要选取第一波段进行指标的光谱特征的分析。从各波段的协方差分析结果可看出，第一波段和第二波段的总协方差值最大，其次为第二波段和第三波段的协方差值。从各波段的相关系数分析结果可看出，第一波段和第二波段由于协方差值较大，因此其相关系数也较大，随着波段的递增，其相关系数也逐步降低。综合以上分析结果，建议主要以第一波段和第二波段进行地表盐分、土壤含盐量、地表灌水量指标的特征分析。

表1 区域不同指标光谱增强处理结果

表2 各指标波段光谱信息统计结果

表3 不同波段协方差分析结果

表4 不同波段相关系数分析结果

1.3 光谱特征处理

在波段选择的基础上，对地表盐分、土壤含盐量、地表灌水量3种指标进行光谱特征的分析，处理分析结果见表5。

表5 各指标不同波段下的光谱特征采样点分析结果

从表5中可看出，地表盐分指标下其波段统计值在12～63之间变化，波段光谱特征变幅较大。而土壤含盐量主要表征为土壤10cm以下的含盐量，通过光谱增加处理后，可实现其波段的提取，从其不同波段下统计值可看出，总体在14～61之间变化，可满足指标光谱特征的有效提取。从地表灌水量处理分析结果可看出，不同波段下其光谱特征值总体在19～57之间变化，由于地表灌水量的光谱特性加强，因此其光谱特征值变幅相比于其他指标较小。

2 研究实例

2.1 灌区及数据概况

本文以辽宁西部某灌区为研究实例，灌区总灌溉面积为2435hm2，区域干旱且降雨偏少，降雨主要集中在夏季，多年平均降水量为500～650mm。受到人类活动影响，灌区的土壤盐渍较为明显，通过遥感数据分析，区域盐渍面积有逐年增长的变化趋势，土壤盐渍已经严重影响农业生产，对当地农业经济产生较为明显的制约。为了对灌区水盐空间变化进行有效表征，本文主要选取地表盐分、土壤含盐量、地下水矿化度、地表灌水量、地下水埋深等5个指标进行分析，选取灌区4个典型年份作为代表性进行分析，分别为1995年、2005年、2010年、2015年，分别选用Landsat5卫星影像数据，通过遥感数据处理方法，提取地表盐分、土壤含盐量、地表灌水量3个指标空间演变过程，地下水矿化度及地下水埋深通过采样点数据插值分析得到。

2.2 指标提取精度分析

结合采样点提取的指标数据，对遥感数据分析的指标精度进行评价，评价结果见表6。

从表6中可分析出，采用遥感数据对地表盐分、土壤含盐量、地表灌水量进行提取后，各代表年份的总体精度可在55%～67%之间，相关系数均可在0.55以上，总体精度较高，且随着年份的递增，卫星遥感数据质量也在逐步提高，使得其指标提取的精度在逐步提高。

表6 遥感提取指标的精度分析结果

2.3 灌区土壤含盐量空间分布特征

结合不同代表年份的遥感数据，对其代表年份的土壤含盐量空间分布特征进行分析，分析结果如图1所示，并对不同等级土壤含盐量进行统计，统计分析结果见表7。

表7 各代表年份不同等级土壤含盐量的面积百分比划分结果 单位：%

对4个代表年份的土壤含盐量进行了空间分析，从土壤含盐量空间变化特征可分析出，土壤含盐量总体呈现东高西低的变化趋势。随着代表年份的增加，土壤含盐量在0～1.0%之间的变幅较大，而在2.0%～2.5%之间的总体变幅较小。从表7中可分析出，土壤含盐量在1.5%～2.5%的从1995年开始，面积比例逐年减少，而含盐量在0.5%～1.0%区域面积比例从2005年开始逐年递增。

图1 不同代表年份土壤含盐量空间特征分析结果

图2 不同代表年份地下水矿化度空间特征分析结果

2.4 灌区土壤含盐量空间分布特征

结合地下水矿化度监测点数据，对其代表年份的地下水矿化度空间分布特征进行分析，分析结果如图2所示，并对不同等级地下水矿化度进行统计，统计分析结果见表8。

表8 各代表年份不同等级地下水矿化度的面积百分比划分结果 单位：%

对4个代表年份的地下水矿化度进行了空间分析，从地下水矿化度空间变化特征可分析出，其地下水矿化度总体呈现南高北低的变化趋势。随着代表年份的增加，地下水矿化度在1.0～3.0g/L之间的变幅较大，而在0～1.0g/L之间的总体变幅较小。从表8中可分析出，地下水矿化度在0～1.0g/L的从2005年开始，面积比例逐年减少，而地下水矿化度3.0～5.0g/L区域面积比例从1995年开始逐年递增。

2.5 灌区地表灌水量空间分布特征

结合地表灌水量遥感数据，对其代表年份的地表灌水量空间分布特征进行分析，分析结果如图3所示，并对不同等级地表灌水量进行统计，统计分析结果见表9。

表9 各代表年份不同等级地表灌水量的面积百分比划分结果 单位：%

对4个代表年份的地表灌水量进行了空间分析，从地表灌水量空间变化特征可分析出，其地表灌水量总体呈现东高西低的变化趋势。随着代表年份的增加，地表灌水量在(20～50)×104m3之间的变幅较大，而在(90～110)×104m3之间的总体变幅较小。从表9中可分析出，地表灌水量在(70～90)×104m3的从2005年开始，面积比例递减十分明显，而地表灌水量在(20～50)×104m3区域面积比例从2005年开始显著递增。

2.6 灌区地下水埋深空间分布特征

结合地下水埋深监测数据，对其代表年份的地下水埋深空间分布特征进行分析，分析结果见图4，并对不同等级地下水埋深进行统计，统计分析结果见表10。

表10 各代表年份不同等级地下水埋深的面积百分比划分结果 单位：%

对4个代表年份的地下水埋深进行了空间分析，从地下水埋深空间变化特征可分析出，其地下水埋深总体呈现北高南低的变化趋势，这主要和区域降水补给有关，区域降水量总体呈现北高南低空间分布，使得区域地下水埋深也相应变化。随着代表年份的增加，地下水埋深在6～8m之间的变幅较大，而在3～5m之间的总体变幅较小。从表9中可分析出，地下水埋深在8～10m的从2005年开始，面积比例递增显著，其他等级地下水埋深变化程度较弱。

2.7 灌区水盐总当量空间特征

结合水盐分析数据，对其代表年份的水盐总当量值空间分布特征进行分析，分析结果如图5所示，并对不同等级水盐总当量值进行统计，统计分析结果见表11。

表11 各代表年份不同等级水盐总当量值的面积百分比划分结果 单位：%

图4 不同代表年份地下水埋深空间特征分析结果

图5 不同代表年份水盐总当量值空间特征分析结果

对4个代表年份的水盐总当量值进行了空间分析，从水盐总当量值空间变化特征可分析出，其水盐总当量值总体呈现南高北低的变化趋势，这主要和区域农作物分布有关，区域农作物主要分布在北部区域，使得区域水盐总当量值也相应变化。随着代表年份的增加，水盐总当量值在5.0～7.5之间的变幅较大，而在1.5～2.5之间的总体变幅较小。从表11中可分析出，水盐总当量值在5.0～7.5的从2005年开始，面积比例逐步递增，水盐总当量值在7.5～9.0的从2005年开始，面积比例逐步递减。

图6 不同代表年份土壤盐渍化程度空间特征分析结果

2.8 灌区土壤盐渍化程度空间特征

在以上指标分析的基础上，对其代表年份的土壤盐渍空间分布特征进行分析，分析结果如图6所示，并对土壤盐渍程度进行统计，统计分析结果见表12。

表12 各代表年份不同土壤盐渍程度的面积百分比划分结果 单位：%

对4个代表年份的土壤盐渍程度进行了空间分析，从土壤盐渍程度空间变化特征可分析出，重度盐渍化区域主要分布在西南部区域，这区域土壤盐含量也较高，轻度盐渍化区域主要分布在东北部区域，这部分区域水盐含量较低，而中度盐渍化变化范围较为广泛。随着代表年份的增加，重度土壤盐渍程度区域有所增加，而轻度土壤盐渍区域面积有所减少。从表12中可分析出，轻度土壤盐渍区域面积比例从1995年开始，逐步递减，而重度盐渍面积比例在2010年出现高值，总体呈现递增变化。

3 研究结论

(1)地表盐分、土壤含盐量、地表灌水量指标遥感波段统计最大值应在57～63之间，且应以第一、二波段为主，含盐量主要表征为土壤10cm以下的含盐量。

(2)基于土壤盐渍化程度空间结果，可实现区域土壤盐渍化程度区划分析，为区域生态修复提高重要规划依据，在规划时应重点关注地表盐分和地下水矿化度对土壤盐渍化的影响。

(3)提出一种基于多因子空间叠加分析区域土壤盐渍化程度的新方法，解决传统方法以点代面且因子较为单一的局限。

(4)针对现状年的土壤盐渍化进行分析，在以后的研究中，还应结合因子趋势预测结果，对其未来土壤盐渍化变化趋势进行分析。