基于Landsat TM/OLI影像的寿光市盐田信息提取与动态变化分析

陈思萌, 于新洋, 姜广辉, 陈为峰

(1.北京师范大学地理科学学部, 北京 100875; 2.山东农业大学资源与环境学院, 山东 泰安 271018)

土地资源的可持续利用是人类社会可持续发展的重要依托和核心内容[1-2]。新中国成立初期的围海晒盐与20世纪80年代中期的滩涂围垦养殖热潮为早期沿海地区的经济发展提供了动力[3]。然而，长期大量抽取卤水晒盐导致地下卤水水位持续下降、卤度不断降低；盐田设备老化、制盐工艺落后等都使得盐田产量减少、制盐成本不断提高，导致大面积盐田废弃闲置，造成土地资源浪费及生态环境问题，亟需进行盐田复垦与湿地修复。快速准确提取滨海盐田分布格局并进行动态变化监测成为盐田复垦与沿海湿地恢复的前提。

遥感影像以监测范围广、信息获取及时、更新周期短和投入小等特点，逐渐成为陆表格局变化监测的主要数据源，广泛应用于农村居民点分布模式研究[4-6]、湿地数据库构建[7]、灾害影响预测[8]等领域。在盐田信息监测方面，姚云长等[9]采用目视判读对中国1985年和2010年沿海盐田和养殖池时空动态变化进行了遥感监测，发现研究期间山东省盐田增长量最多；倪绍起[10]研究发现，2000—2012年间环渤海陆地面积平均增速为177.24 km2·a-1，主要表现为自然岸线向人工岸线的转化；魏帆等[11]研究表明，1985—2015年以盐田为主要去向的围填海建设使得近30年环渤海滨海区域自然湿地面积减少了45.37%，沿海地区的生态矛盾日益凸显。在盐田复垦与湿地恢复方面，已有研究对我国沿海湿地生态补偿法律机制进行了初步探讨[12-14]。美国采用“湿地缓解银行”模式，以市场交易手段抑制沿海湿地面积的减少[15-16]；英国湖区国家公园[17]、日本冈山县自然保护中心湿生植物园[18]相关研究从立法与建设方面对自然湿地恢复进行了探讨，可为我国盐田复垦与湿地保护提供参考。

山东省是我国最大的产盐省份，寿光市年产盐1.60亿t，占全国总量1/4以上[11]，是我国最重要的海盐生产基地之一。寿光市盐田呈块状集中分布，由于开发较早、废弃盐田面积较多，开展盐田复垦利用也相对较早，是探索盐田信息精准提取监测与驱动因素分析的理想研究区，而目前少有相关研究深入涉及。本研究基于Landsat TM/OLI多时相影像，采用计算机分类及专家解译方法，利用转移矩阵分析对寿光市盐田的面积、变化速度及其驱动因素进行研究，分析盐田与其他土地利用类型的转换特征，以期为区域乃至国内其他地区滨海盐田的科学复垦与湿地修复提供科学依据。

1 数据来源及方法

1.1 研究区概况

寿光市(118°32′—119°10′E，36°41′—37°19′N)位于山东省中北部，渤海莱州湾西南岸。海岸线长达56 km，面积2 072 km2。研究区处于自南向北缓慢降低的平原区，河流和地表径流自西南向东北流动，形成大平小平的微地貌差异。研究区气候属暖温带季风区大陆性气候，受冷暖气流的交替影响，形成了“春季干旱少雨、夏季炎热多雨、秋季爽凉有旱、冬季干冷少雪”的特点。

1.2 研究方法

1.2.1研究数据 本研究以Landsat TM/OLI影像作为基础数据源，自地理空间数据云获取寿光市1985、1995、2005、2015年4景卫星遥感图像。根据寿光市大陆性气候特征，结合多次野外考察发现，研究区秋季云雨天气较少，卫星遥感图像质量高。因此，本研究选取10—11月份获取的遥感影像，主要图像数据具体情况见表1。

表1 1985—2015年遥感图像数据Table 1 Remote sensing image data from 1985 to 2015

在遥感影像处理软件ENVI 5.3中对4期遥感影像分别进行投影转换及预处理。根据国内土地分类体系及寿光市的土地利用情况，结合本文研究内容和影像特征，将寿光市土地利用类型分为盐田、耕地、滩涂、水域、植被和建设用地6类。通过对Landsat不同波段组合的效果分析与对比，结合已有研究的实验结果，发现在标准假彩色图像中地物鲜明、层次好，有利于植被、水体识别，能够突出盐田面积变化的特征，便于动态信息的识别与提取。最终确定采用Landsat 5 TM影像的4(R)、3(G)、2(B)及Landsat 8 OLI 5(R)、4(G)、3(B)标准假彩色合成图像，同时辅以真彩色图像作为对比参照。

1.2.2盐田信息提取 首先对研究区盐田分布特征进行分析，确定研究范围和研究方法。寿光市盐田集中分布在北纬 37°以北的东北部沿海区域，寿光市南部为平原地区，多分布大棚种植地、水浇地和旱地。为避免分类误差对整体精度的影响，对寿光市遥感影像进行裁剪，保留北纬 37°以北寿光市行政区域内的图像作为研究区域，既保证了精度,也提高了工作效率。

在标准假彩色图像中，寿光市盐田共呈现3种遥感影像特征(图1)，因盐田功能不同呈现不同的颜色与几何形状。其余根据地物在标准假彩色图像中的特征，对卫星遥感图像进行目视判读与解译，经过野外实地考察及分类后处理，得到四期研究区土地利用分类图并计算得出1985—1995、1995—2005、2005—2015年土地利用转移矩阵，总结1985—2015年盐田面积转移矩阵及变化折线图。针对标准假彩色图像，采用目视解译和最大似然法对盐田、耕地、建设用地等进行信息提取，获得1985—2015年寿光市土地利用分类图。监督分类生成的图像无法达到最终应用目的，需对图像进行分类后处理。对1985—2015年土地利用分类图像进行 Clump classes(聚类处理)和 Sieve classes(过滤处理)，将临近的类似分类区域聚类并进行合并，且解决分类图像中出现的孤岛问题，生成最终分类结果。

1.2.3精度验证 本研究自寿光市自然资源局获取1990、1995、2010及2015年土地利用现状数据作为精度验证参考数据。由于现状图成图年份与研究期年份不尽相同，通过数据归一化分别与研究区影像进行地理链接，结合野外调查数据提取无变动的地物类型为地面真实感兴趣区域(regions of interest，ROI)，保存为各研究期的精度验证ROI文件。在遥感图像解译采用ENVI 5.3进行监督分类，并采用计算混淆矩阵和 Kappa 系数精度评价的方法分别对影像分类结果进行精度验证。

2 结果与分析

2.1 1985—2015年盐田面积变化

从表2可以看出，研究区30年来盐田面积变化较大，总面积增加19 503.72 hm2，整体呈现先急剧增加，后趋于平缓，最终逐渐减少的趋势。其中，1985—1995年，盐田面积增加最多，共计21 449.97 hm2，盐田占比增加5%，增长率为12.13%；1995—2005年，盐田面积增加5 300.91 hm2，占比增加1.76%，相较于前10年增长速度明显减缓，增长率仅为1.35%；2005—2015年，受政策及环境影响，盐田面积呈下降趋势，占比减少1.51%，共减少7 247.16 hm2，增长率由正转负，降低为-1.63%。综上，研究区盐田面积总体增加，但2005年后呈下降趋势，2015年盐田面积已略低于1995年。

表2 研究区盐田面积统计Table 2 Area statistics of salt pan in the study area

2.2 盐田空间分布

基于土地利用分类及精度验证后的土地利用如图2所示。基于1985年Landsat 5 TM影像监测到盐田(灰紫色)分布主要集中在东北方向中部靠近沿海滩涂的区域，较为集中，西北部及东南部也有零散分布，盐田边缘与海岸线相距较远。由于年份较早，开发利用技术有限，盐田周围多为盐碱较重的耕地，产出利益较低。1995年Landsat 5 TM影像监测到盐田分布面积急剧扩大，盐田分布几乎遍布陆地与滩涂沿线，东南部盐田面积增长最多，原重度盐碱地被开发成盐田，盐田边缘向海岸线进一步扩展。经济的发展推动了交通网络的建设，1995年交通网络初现雏形。利用2005年Landsat 5 TM影像监测到盐田面积较1995年持续增长，沿海滩涂区域大都被开垦为盐田，东北部滩涂开发力度最大，盐田边缘与海岸线基本平行，但仍保持一定距离。随着时间的推移，人们对于盐碱地的改良与利用技术逐渐发展，盐田周围原有未利用滩涂等土地部分被开发利用，成为耕地。2015年Landsat 8 OLI影像发现，10年间盐田面积明显减少，西北部盐田近一半面积进行了复垦，北部盐田规模增加，原滩涂及沿海林草地被开发进行盐田建设，盐田东南部主要被复垦为建设用地，盐田面积缩小强度低于西北部。

2.3 盐田变化分析

从表3可以看出，1985—1995年，盐田面积呈增加趋势。其中，滩涂转变为盐田的面积最多，为1 661.40 hm2的；植被转为盐田面积最少，仅为62.55 hm2；少部分盐碱较重的耕地也转化为盐田。1995—2005年，第三次围垦养殖热潮期间，盐田面积持续增加。其中，水域转化面积最多，为1 880.46 hm2，盐田向北侧海域推进。2005—2015年，盐田面积开始缩减，废弃盐田开始复垦，建设用地和耕地成为复垦的主要方向。

表3 土地利用转移矩阵Table 3 Land-use transfer matrix (hm2)

2.4 解译验证结果

经精度验证，最终得到1985年整体精度为88.96%，Kappa系数为0.83；1995年整体精度为91.08%，Kappa系数为0.88；2005年整体精度为89.32%，Kappa系数为0.85；2015年整体精度为91.08%，Kappa系数为0.88。4期遥感影像整体精度均高于88%，Kappa系数均高于0.83。由此可见，解译准确度较高，分析结果符合实际。

3 讨论

本研究基于1985—2015年4期Landsat系列遥感影像，监测寿光市盐田分布格局与动态变化模式，结果表明，Landsat系列遥感影像是进行盐田面积信息遥感监测的理想数据源，实地考察发现影像监督分类后盐田信息提取精度较高。本研究取得的结果可为研究区盐田复垦与湿地恢复提供理论依据及数据参考。

近30年研究区盐田面积时空动态变化信息的提取及对比分析发现，寿光市盐田面积变化较大，变动趋势明显。1985年正处于新中国成立后第三次滩涂围垦养殖热潮，围海的区域集中在低潮滩和近岸海域，主要表现为大面积的近海自然滩涂消失。研究区北部毗邻海岸，拥有较充足滩涂面积，且早期盐业市场利润较大，增加盐田面积可提高利润收入，故而较1985年沿海自然滩涂面积大量减少，盐田面积大幅度增加。随着沿海地区经济的快速发展，我国于2003年颁布《全国海洋经济发展规划纲要》，研究区被划分到渤海西南部海洋经济区[12]。为进一步推动沿海经济发展，我国开展了第四次围填海造地热潮，寿光市加大建设工业开发区，将盐田进一步向北部海岸线推进，盐田面积得到进一步扩张。但由于前期过度开发以及先污染后治理的发展方式，沿海环境遭到破坏，原地下卤水资源消耗殆尽；同时制盐设备落后，工艺产出低，2005年起，部分盐田或被闲置废弃，或复垦为建设用地或耕地以实现耕地占补平衡。因此，2005—2015年盐田面积表现为负增长。此外，已有研究曾将沿海分布较密的矩形池子解译为养殖池[13]。本研究通过实地走访调查，此类盐池为提高利用率与利润，兼具蒸发与养殖的功能，主要功能为蒸发水分以提高水体盐分浓度，养殖属于附加产业，故本研究中将此类盐池划分为盐田。

在土地复垦相关研究中，当前大多数研究主要集中在对工矿用地等的复垦[13-16]，盐田类复垦尚未成为研究重点，但随着废弃盐田面积逐渐增加，人地矛盾情况愈加激烈，盐田复垦与湿地恢复已成为滨海盐田生产区域土地整治的热点[17-18]。伴随我国农业技术的进步和对盐田复垦经验的增加[19-24]，盐田复垦与湿地修复的发展面临着前所未有的机遇。对盐田复垦与湿地恢复相关理论进行研究[25-26]，土地资源合理配置具有重要意义。