基于Albedo-MSAVI特征空間的渭庫(kù)綠洲土壤鹽漬化研究

馮 娟，丁建麗，魏雯瑜

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

土壤鹽漬化是造成干旱區(qū)土壤荒漠化的重要原因[1-3]，受到自然因素和人為因素的影響。在自然環(huán)境和人類活動(dòng)的影響下，可溶性鹽類在地表堆積，形成不同程度的鹽漬化[4]。土壤鹽漬化由于土壤組成的原因影響土壤質(zhì)量質(zhì)地，同時(shí)制約著生產(chǎn)力與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及人類的健康[5]，所以至今土壤鹽漬化仍然引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者利用遙感影像反演的特征參量建立特征空間，將其應(yīng)用到荒漠化信息提取，土壤水分反演，干旱監(jiān)測(cè)等諸多研究領(lǐng)域，并取得了很好的效果。1997年Gillies等[6]提出，可見光與熱紅外波段的土壤光譜特征可以用來(lái)計(jì)算植被覆蓋度﹑土壤濕度和地表蒸散等，而這些地表參數(shù)變化過(guò)程通過(guò)“三角形方法”從新的角度表達(dá)和審視。曾永年等[7]利用Albedo-NDVI特征空間對(duì)沙漠化進(jìn)行指數(shù)研究，認(rèn)為沙漠化土地地表覆蓋，水熱組合及其變化的多維遙感信息特征空間具有明確的生物物理意義。丁建麗等[8]基于MSAVI-WI特征空間對(duì)渭庫(kù)土壤鹽漬化信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明MWI指數(shù)與地表鹽分相關(guān)性較高，能夠?qū)}漬化土壤進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。王飛等[9]通過(guò)NDVI對(duì)鹽漬化信息進(jìn)行有效提取，認(rèn)為NDVI指數(shù)對(duì)土壤背景植被敏感，在植被稀疏的區(qū)域，NDVI不能夠很好地對(duì)植被狀況進(jìn)行表達(dá)。哈學(xué)萍等[10]利用SI-Albedo特征空間對(duì)土壤鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行研究，表明特征空間的構(gòu)成是對(duì)多光譜遙感信息的充分利用，對(duì)土壤鹽分，水分組合及其變化具有明確的生物物理意義。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上綜合利用landdsat 8 OLI影像和野外調(diào)查數(shù)據(jù)，通過(guò)分析鹽漬化對(duì)地表生物物理特征的定量關(guān)系，建立反照率Albedo與修改型土壤調(diào)整植被指數(shù)MSAVI組成的鹽漬化土壤遙感特征空間模型，為鹽漬化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供快速高效的定量遙感監(jiān)測(cè)支撐。

1 研究區(qū)概況

渭庫(kù)綠洲位于新疆塔里木盆地的中北部，屬渭干河-庫(kù)車河流域，在行政上隸屬阿克蘇地區(qū)管轄，范圍包括新和、沙雅和庫(kù)車3個(gè)縣，這3個(gè)縣總面積為523.76 萬(wàn)hm2,沙雅縣每年因鹽堿危害造成失收面積達(dá)2 667 hm2，最高年份失收面積達(dá)8 000 hm2，因鹽堿化棄草地已達(dá)4.56 萬(wàn)hm2，新和與庫(kù)車2縣也在3.72 萬(wàn)hm2左右[11]。渭庫(kù)綠洲屬于溫帶大陸性干旱氣候，年平均蒸發(fā)量為1 991.0～2 864.3 mm ，多年平均降水量?jī)H為51.3 mm ，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，多年平均氣溫 10.6～14.8 ℃，年極高、極低氣溫分別為41.3和-28.7 ℃，屬于干旱與極端干旱地區(qū)。較少的降雨，較強(qiáng)的蒸發(fā)，使得該地區(qū)土壤鹽漬化現(xiàn)象普遍存在。鹽分不斷在表層溢出，植被覆蓋度不斷減少，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成鹽斑，形成重度鹽漬化區(qū)。在綠洲外圍輕、中度鹽漬化區(qū)域內(nèi)，植物主要以蘆葦(Phragimites australis)、檉柳(Tamarix ramosission)、駱駝刺(Allhagi sparisifolia)、花花柴(Karelina caspica)和鹽爪爪(Kalidium gracile)為主。近年來(lái)土壤鹽漬化和沙質(zhì)荒漠化不斷加劇，綠洲土地退化現(xiàn)象日益普遍，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境也逐漸脆弱，這對(duì)當(dāng)?shù)丶叭沙掷m(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的影響[12-15]。圖1為本研究采樣點(diǎn)確定的研究范圍。

2 研究方法

2.1 影像處理

本文選2014年7月28日l(shuí)andsat 8 OLI為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，對(duì)影像經(jīng)過(guò)大氣校正、幾何校正以及裁剪等預(yù)處理，大氣校正采用FLAASH大氣校正法，幾何校正以1∶5萬(wàn)地形圖為基準(zhǔn)，進(jìn)行橫軸墨卡托投影及三次卷積內(nèi)重采樣，將影像與自身的全色波段融合成15 m分辨率。2014年7月利用GPS定位，從研究區(qū)范圍內(nèi)所布置的采樣點(diǎn)中，在考慮土壤質(zhì)地、鹽分狀況、植被類型和土地利用方式前提下，選擇出具有代表性土壤測(cè)量單元38個(gè)，并將其38個(gè)樣點(diǎn)，導(dǎo)入至經(jīng)過(guò)大氣校正的遙感影像中，導(dǎo)出影像上樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反照率及修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)值。

圖1 研究區(qū)地理分布及采樣點(diǎn)位置Fig.1 Geographical position map of study area and distribution of sampling points

2.2 特征參量反演

在landsat 8 OLI可見光波段中含有的土壤與植被信息，在以往的研究中發(fā)現(xiàn)植被信息可以間接地反映出土壤鹽漬化的程度，然而在植被密度較低的區(qū)域鹽漬化反演受到土壤背景的影響，修改型土壤調(diào)整植被指數(shù)[22-25]考慮了裸土土壤線，可以較好地消除或減少土壤及植被冠層背景的影響，從而更好地指示研究區(qū)植被信息。該指數(shù)可以表示為[16]：

(1)

式中：NIR為landsat 8 OLI影像的第5波段反射率的值；R為landsat 8 OLI影像的第4波段反射率的值。

地表反照率為地球表面反射的太陽(yáng)輻射通量與人射太陽(yáng)輻射通量之比,它表征地球表面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射能力。本文采用liang[17]建立的反照率反演公式：

Albedo=0.356ρ1+0.130ρ3+0.373ρ4+

0.085ρ5+0.072ρ7-0.001 8

(2)ρ

式中：ρ1、ρ3、ρ4、ρ5、ρ7為landsat 8 OLI影像對(duì)應(yīng)的第1波段、第3波段、第4波段、第5波段、第7波段的反射率值；Albedo表示地表反照率。

2.3 數(shù)據(jù)正規(guī)化處理

統(tǒng)計(jì)整景圖像地表反照率，修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)的最大值和最小值，并用統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行數(shù)據(jù)正規(guī)化處理[18]。

3 Albedo-MSAVI特征空間

3.1 Albedo-MSAVI空間及其特性

地表反照率(Albedo)的變化受土壤水分，植被覆蓋，積雪覆蓋等影響。反照率作為表征陸地下墊面輻射特征的重要參量，它的變化將改變地表輻射平衡，并對(duì)大氣產(chǎn)生影響。在土壤鹽漬化的研究實(shí)踐中，通過(guò)定位觀測(cè)，隨著鹽漬化程度的加重，地表狀況發(fā)生明顯的變化，伴隨著地表植被覆蓋度的下降[19]，地表水分相應(yīng)減少，地表反照率增加。因此，鹽漬化過(guò)程導(dǎo)致的地表下墊面狀況的變化，使地表反照率發(fā)生明顯的變化。MSAVI在植被反演的過(guò)程中考慮了裸土的土壤線，因此，能夠較好地消除土壤植被背景的影響，實(shí)現(xiàn)區(qū)域植被信息的表達(dá)。因此，MSAVI可以作為反映植被生長(zhǎng)狀況的生物物理參數(shù)。本文以MSAVI為橫坐標(biāo)，表示地表植被覆蓋率的變化；Albedo為縱坐標(biāo)，代表相同植被覆蓋率下地表反照率的變化。隨著鹽漬化程度的增加，地表植被覆蓋率逐漸降低，地表反照率增大。從特征空間表現(xiàn)形式中得到植被指數(shù)與地表反照率之間存在明顯的負(fù)相關(guān)；當(dāng)反照率大的時(shí)候，土壤鹽漬化程度加大，土壤含鹽量增多，植被長(zhǎng)勢(shì)差，植被指數(shù)降低；隨著地表植被覆蓋度增大，地表蒸散阻力降低，土壤含鹽量降低，地表反照率降低。Albedo-MSAVI特征空間可以較好反映鹽漬化土壤的地表反照率與植被指數(shù)之間的物理變化過(guò)程。

如圖2所示，在Albedo-MSAVI特征空間中，不同鹽漬化程度的土壤及不同植被覆蓋的土壤分別集中在不同的部分，隨著植被覆蓋度增加，地表反照率減小，鹽漬化程度遞減，植被指數(shù)為0～0.65時(shí)反照率隨植被覆蓋度的增大而減小，反照率值的變化趨勢(shì)接近于雙曲線變化形式，在這一過(guò)程中，研究區(qū)內(nèi)鹽漬化分布在研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)環(huán)狀分布，從內(nèi)向外分別為重度鹽漬地﹑中度鹽漬地﹑輕度鹽漬地。植被覆蓋度與鹽漬化程度呈現(xiàn)一種負(fù)相關(guān)，在Albedo-MSAVI特征空間中，反照率與植被指數(shù)呈雙曲線分布(Albedo>0, MSAVI>0)，與野外考察情況一致。

為了進(jìn)一步了解Albedo-MSAVI特征空間的特點(diǎn)，對(duì)散點(diǎn)圖上A、B、C變化過(guò)程進(jìn)行分析(見圖3)。已有大量觀測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)均已證明地表反射率的變化影響地表輻射平衡，進(jìn)而影響地表反照率，且地表反照率隨植被的變化、水分的盈虧而發(fā) 生變化。A點(diǎn)代表重度鹽漬化地，土壤含水量低，植被覆蓋度低，反射率高(低MSAVI高Albedo)；B點(diǎn)代表裸地；C點(diǎn)代表高植被覆蓋區(qū)，在土壤含水量充足的情況下，該點(diǎn)的反照率相對(duì)較低(高M(jìn)SAVI低Albedo)。在Albedo-MSAVI特征空間中，地表反照率不僅可以描述植被覆蓋度而且可以反映土壤含水量。圖中A﹑C點(diǎn)代表Albedo-MSAVI特征空間極端狀態(tài)，在植物生長(zhǎng)季節(jié)，各類地物除云、水體外均滿足圖3這種趨勢(shì)關(guān)系。

圖2 不同土地覆蓋遙感圖像與Albedo-MSAVI特征空間對(duì)比Fig.2 Contrast different land cover remote sensing images with Albedo-MSAVI feature space

圖3 Albedo-MSAVI空間特征Fig.3 Albedo-MSAVI space characteristics

3.2 Albedo-MSAVI特征空間的鹽漬化過(guò)程及其模型構(gòu)建

為了獲取不同鹽漬化程度土地Albedo與MSAVI的定量關(guān)系，本文利用野外GPS確定的不同鹽漬化土地樣點(diǎn)的Albedo、MSAVI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析。在反照率與植被指數(shù)組成的二維空間中，不同鹽漬化土地類型對(duì)應(yīng)的植被指數(shù)(MSAVI)和反照率(Albedo)具有顯著的負(fù)相關(guān)。

A=0.010 61M2-0.014 12M+0.179 2 (R2=0.816)

從上式可知，隨著鹽漬化程度增加，修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)逐漸減小，而地表反照率逐漸增加。在Albedo-MSAVI特征空間中，對(duì)鹽漬化過(guò)程進(jìn)行了明顯的反映。

圖4為Albedo和MSAVI擬合圖，紅線為其趨勢(shì)回歸線。由圖4可得，Albedo和MSAVI存在顯著的非線性關(guān)系。圖4中趨勢(shì)線任意一點(diǎn)到A(0，1)的距離越近，土壤鹽漬化程度越大，反之亦然。特征空間中任意一點(diǎn)到A點(diǎn)距離為D，進(jìn)而建立特征空間鹽漬化監(jiān)測(cè)模型:

(3)

式中：SDI為鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)；Albedo為地表反照率；MSAVI為修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)。

圖4 SDI模型構(gòu)建Fig.4 SDI model building

3.3 模型驗(yàn)證與應(yīng)用

在研究區(qū)內(nèi)取樣38個(gè)，利用GPS技術(shù)，結(jié)合研究區(qū)地形，使采集樣點(diǎn)隨機(jī)分布在綠洲、綠洲荒漠交錯(cuò)帶、綠洲外圍。取0～10 cm表層土壤，每個(gè)采樣點(diǎn)均在30 m×30 m的采樣范圍內(nèi)進(jìn)一步再選取4個(gè)點(diǎn)，呈梅花狀采樣，采用四分法取500 g土樣裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干研磨并過(guò)0.25 mm孔徑的篩子，再與蒸餾水按1∶5的比例配置，靜置過(guò)濾后，獲得土壤溶液，最后用使用德國(guó)WTW公司制造的Cond 7310精密儀器來(lái)測(cè)定土壤溶液的鹽分[20]。將38個(gè)樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)鹽分值與對(duì)應(yīng)的SDI進(jìn)行驗(yàn)證分析(見表1)，得到擬合方程：y=0.072 lnx+0.609，其中x為鹽分實(shí)測(cè)值，y為SDI，擬合方程決定系數(shù)為0.96，并通過(guò)0.01置信水平下的顯著性檢驗(yàn)，該模型特征空間對(duì)研究區(qū)內(nèi)的鹽漬化分布有較好的反映，可以對(duì)研究區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化分布進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)。

對(duì)不同鹽漬化程度區(qū)域，確定其對(duì)應(yīng)SDI值，并統(tǒng)計(jì)不同鹽漬化程度的SDI值。根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)水利廳制定的《新疆縣級(jí)鹽堿地改良利用規(guī)劃工作大綱》[21]將鹽漬化類型劃分為4類，非鹽漬化地鹽分范圍Sal<1.0 g/kg，輕度鹽漬地1.0 g/kg

表1 鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)(SDI)與實(shí)測(cè)土壤樣點(diǎn)含鹽量Tab.1 Values of remote sensing detection model index(SDI) ofsaline soil and measured soil salt content

4 討 論

目前利用特征空間進(jìn)行鹽漬化監(jiān)測(cè)的已取得一定的進(jìn)展，但對(duì)于覆蓋較好的天然植被和農(nóng)作物，使用NDVI 造成的紅光飽和問題比較嚴(yán)重，背景的土壤噪聲也在一定程度上損害了NDVI的空間一致性[27]，而土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)MSAVI相對(duì)NDVI更能描述植被覆蓋度和土壤背景的優(yōu)勢(shì)[28]，曾永年等[7]利用Albedo-NDVI特征空間對(duì)沙漠化進(jìn)行指數(shù)研究，認(rèn)為沙漠化土地地表覆蓋，水熱組合及其變化的多維遙感信息特征空間具有明確的生物物理意義。本研究采用Landsat 8數(shù)據(jù)對(duì)渭—庫(kù)綠洲鹽漬化進(jìn)行研究，通過(guò)分析鹽漬化對(duì)地表生物物理特征的定量關(guān)系，建立反照率Albedo與修改型土壤調(diào)整植被指數(shù)MSAVI組成的鹽漬化土壤遙感特征空間模型，構(gòu)建SDI模型與土壤含鹽量的R2達(dá)到0.96，而張?zhí)碛拥萚18]利用MSAVI-SI特征空間對(duì)瑪納斯河流域鹽漬化進(jìn)行研究，鹽漬化與MSAVI-SI模型的R2達(dá)到0.82，本研究中基于Albedo-MSAVI特征空間的鹽漬化模型精度相對(duì)較高；綠洲內(nèi)的植被蓋度較高，多為農(nóng)作物，如棉花、小麥等，但在交錯(cuò)帶內(nèi)地表覆被主要為天然鹽生植被，如蘆葦(Phragimites australis)、駱駝刺(Allhagi sparisifolia)、花花柴(Karelina caspica)等，在影像上表現(xiàn)為枝葉稀疏，并且與裸露的土地交錯(cuò)分布，容易造成異物同譜現(xiàn)象。總體而言，交錯(cuò)帶內(nèi)植被稀少，甚至在荒漠化比較嚴(yán)重的地區(qū)全為裸地，容易造成像元的混分。由于研究區(qū)內(nèi)同時(shí)存在不同的土壤鹽漬化程度(重度鹽漬化、中輕度鹽漬化、非鹽漬化)，本研究用經(jīng)驗(yàn)對(duì)鹽漬化進(jìn)行分級(jí)，利用特征空間對(duì)不同程度鹽漬化進(jìn)行反演，結(jié)果表明，通過(guò)SDI對(duì)研究區(qū)不同程度鹽漬化進(jìn)行反演的空間格局分布，且與實(shí)際調(diào)查相符，說(shuō)明用特征空間模型對(duì)鹽漬化反演具有一定意義。

渭庫(kù)綠洲地勢(shì)北高南低，自西北向東南傾斜，溝壑相間，屬于干旱與極端干旱地區(qū)[9]。研究區(qū)土壤鹽漬化存在明顯的空間分異規(guī)律，總體上從西到東，由北到南土壤含水量逐漸降低，土壤含鹽量逐漸增大。土壤鹽分受到各種自然因素如降水、溫度、地形等影響的同時(shí)也受到人為灌溉等因素的影響。單純的遙感方法無(wú)法達(dá)到反映鹽漬化特征，綜合多源數(shù)據(jù)是研究復(fù)雜的鹽漬化監(jiān)測(cè)問題的新途徑，在解決鹽漬化監(jiān)測(cè)的復(fù)雜問題中有著較大的應(yīng)用潛力。本研究尚屬可行性研究，在單期影像的Albedo-MSAVI的基礎(chǔ)上，構(gòu)建SDI模型與土壤鹽漬化關(guān)系密切，且結(jié)果與野外實(shí)地情況較符合。但單期的影像不能說(shuō)明研究結(jié)果的普遍性，在后續(xù)的研究中將會(huì)進(jìn)一步考慮采用多期遙感數(shù)據(jù)作動(dòng)態(tài)分析。

5 結(jié) 論

在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，選取渭庫(kù)綠洲為研究區(qū)，以landsat 8 OLI影像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合實(shí)地考察數(shù)據(jù)，運(yùn)用遙感軟件和統(tǒng)計(jì)軟件，研究地表反照率與修改型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)的關(guān)系，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析不同鹽漬化程度的土壤在特征空間的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鹽漬化土壤在反照率與修改型植被指數(shù)構(gòu)成的特征空間里存在顯著的關(guān)系，從而提出Albedo-MSAVI特征空間概念。

(1)構(gòu)建監(jiān)測(cè)不同鹽漬化程度指數(shù)，不同程度的鹽漬化土壤與SDI值具有差異，非鹽漬化、輕度鹽漬化、中度鹽漬化，重度鹽漬化的SDI的平均值分別為0.522、0.644、0.727和0.862。相同程度鹽漬化土壤之間SDI值相差甚微，而非鹽漬化土壤與鹽漬土之間SDI差值顯著。通過(guò)結(jié)合特征空間特點(diǎn)，可以有效區(qū)分不同程度鹽漬化地，對(duì)鹽漬化土壤解譯有一定的幫助。

(2)遙感影像信息較為豐富，盡可能的挖掘影像上的潛在數(shù)據(jù)是研究的核心。SDI特征指數(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)鹽漬化信息反演，但不同程度鹽漬化土壤受多種因素影響，在本研究中利用反照率與修改型調(diào)節(jié)植被指數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)不同程度鹽漬化信息反演有一定幫助，但根據(jù)其特征空間分布，重度鹽漬土與高植被覆蓋之間的轉(zhuǎn)變存在一個(gè)臨界值，該值可以更準(zhǔn)確地對(duì)鹽漬化信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，促進(jìn)利用遙感監(jiān)測(cè)土壤鹽漬化信息的發(fā)展。

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