基于Landsat TM/OLI影像的壽光市鹽田信息提取與動態(tài)變化分析

陳思萌, 于新洋, 姜廣輝, 陳為峰

(1.北京師范大學地理科學學部, 北京 100875; 2.山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 山東 泰安 271018)

土地資源的可持續(xù)利用是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要依托和核心內(nèi)容[1-2]。新中國成立初期的圍海曬鹽與20世紀80年代中期的灘涂圍墾養(yǎng)殖熱潮為早期沿海地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展提供了動力[3]。然而，長期大量抽取鹵水曬鹽導致地下鹵水水位持續(xù)下降、鹵度不斷降低；鹽田設備老化、制鹽工藝落后等都使得鹽田產(chǎn)量減少、制鹽成本不斷提高，導致大面積鹽田廢棄閑置，造成土地資源浪費及生態(tài)環(huán)境問題，亟需進行鹽田復墾與濕地修復?？焖贉蚀_提取濱海鹽田分布格局并進行動態(tài)變化監(jiān)測成為鹽田復墾與沿海濕地恢復的前提。

遙感影像以監(jiān)測范圍廣、信息獲取及時、更新周期短和投入小等特點，逐漸成為陸表格局變化監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源，廣泛應用于農(nóng)村居民點分布模式研究[4-6]、濕地數(shù)據(jù)庫構建[7]、災害影響預測[8]等領域。在鹽田信息監(jiān)測方面，姚云長等[9]采用目視判讀對中國1985年和2010年沿海鹽田和養(yǎng)殖池時空動態(tài)變化進行了遙感監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)研究期間山東省鹽田增長量最多；倪紹起[10]研究發(fā)現(xiàn)，2000—2012年間環(huán)渤海陸地面積平均增速為177.24 km2·a-1，主要表現(xiàn)為自然岸線向人工岸線的轉化；魏帆等[11]研究表明，1985—2015年以鹽田為主要去向的圍填海建設使得近30年環(huán)渤海濱海區(qū)域自然濕地面積減少了45.37%，沿海地區(qū)的生態(tài)矛盾日益凸顯。在鹽田復墾與濕地恢復方面，已有研究對我國沿海濕地生態(tài)補償法律機制進行了初步探討[12-14]。美國采用“濕地緩解銀行”模式，以市場交易手段抑制沿海濕地面積的減少[15-16]；英國湖區(qū)國家公園[17]、日本岡山縣自然保護中心濕生植物園[18]相關研究從立法與建設方面對自然濕地恢復進行了探討，可為我國鹽田復墾與濕地保護提供參考。

山東省是我國最大的產(chǎn)鹽省份，壽光市年產(chǎn)鹽1.60億t，占全國總量1/4以上[11]，是我國最重要的海鹽生產(chǎn)基地之一。壽光市鹽田呈塊狀集中分布，由于開發(fā)較早、廢棄鹽田面積較多，開展鹽田復墾利用也相對較早，是探索鹽田信息精準提取監(jiān)測與驅(qū)動因素分析的理想研究區(qū)，而目前少有相關研究深入涉及。本研究基于Landsat TM/OLI多時相影像，采用計算機分類及專家解譯方法，利用轉移矩陣分析對壽光市鹽田的面積、變化速度及其驅(qū)動因素進行研究，分析鹽田與其他土地利用類型的轉換特征，以期為區(qū)域乃至國內(nèi)其他地區(qū)濱海鹽田的科學復墾與濕地修復提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及方法

1.1 研究區(qū)概況

壽光市(118°32′—119°10′E，36°41′—37°19′N)位于山東省中北部，渤海萊州灣西南岸。海岸線長達56 km，面積2 072 km2。研究區(qū)處于自南向北緩慢降低的平原區(qū)，河流和地表徑流自西南向東北流動，形成大平小平的微地貌差異。研究區(qū)氣候?qū)倥瘻貛Ъ撅L區(qū)大陸性氣候，受冷暖氣流的交替影響，形成了“春季干旱少雨、夏季炎熱多雨、秋季爽涼有旱、冬季干冷少雪”的特點。

1.2 研究方法

1.2.1研究數(shù)據(jù) 本研究以Landsat TM/OLI影像作為基礎數(shù)據(jù)源，自地理空間數(shù)據(jù)云獲取壽光市1985、1995、2005、2015年4景衛(wèi)星遙感圖像。根據(jù)壽光市大陸性氣候特征，結合多次野外考察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)秋季云雨天氣較少，衛(wèi)星遙感圖像質(zhì)量高。因此，本研究選取10—11月份獲取的遙感影像，主要圖像數(shù)據(jù)具體情況見表1。

表1 1985—2015年遙感圖像數(shù)據(jù)Table 1 Remote sensing image data from 1985 to 2015

在遙感影像處理軟件ENVI 5.3中對4期遙感影像分別進行投影轉換及預處理。根據(jù)國內(nèi)土地分類體系及壽光市的土地利用情況，結合本文研究內(nèi)容和影像特征，將壽光市土地利用類型分為鹽田、耕地、灘涂、水域、植被和建設用地6類。通過對Landsat不同波段組合的效果分析與對比，結合已有研究的實驗結果，發(fā)現(xiàn)在標準假彩色圖像中地物鮮明、層次好，有利于植被、水體識別，能夠突出鹽田面積變化的特征，便于動態(tài)信息的識別與提取。最終確定采用Landsat 5 TM影像的4(R)、3(G)、2(B)及Landsat 8 OLI 5(R)、4(G)、3(B)標準假彩色合成圖像，同時輔以真彩色圖像作為對比參照。

1.2.2鹽田信息提取 首先對研究區(qū)鹽田分布特征進行分析，確定研究范圍和研究方法。壽光市鹽田集中分布在北緯 37°以北的東北部沿海區(qū)域，壽光市南部為平原地區(qū)，多分布大棚種植地、水澆地和旱地。為避免分類誤差對整體精度的影響，對壽光市遙感影像進行裁剪，保留北緯 37°以北壽光市行政區(qū)域內(nèi)的圖像作為研究區(qū)域，既保證了精度,也提高了工作效率。

在標準假彩色圖像中，壽光市鹽田共呈現(xiàn)3種遙感影像特征(圖1)，因鹽田功能不同呈現(xiàn)不同的顏色與幾何形狀。其余根據(jù)地物在標準假彩色圖像中的特征，對衛(wèi)星遙感圖像進行目視判讀與解譯，經(jīng)過野外實地考察及分類后處理，得到四期研究區(qū)土地利用分類圖并計算得出1985—1995、1995—2005、2005—2015年土地利用轉移矩陣，總結1985—2015年鹽田面積轉移矩陣及變化折線圖。針對標準假彩色圖像，采用目視解譯和最大似然法對鹽田、耕地、建設用地等進行信息提取，獲得1985—2015年壽光市土地利用分類圖。監(jiān)督分類生成的圖像無法達到最終應用目的，需對圖像進行分類后處理。對1985—2015年土地利用分類圖像進行 Clump classes(聚類處理)和 Sieve classes(過濾處理)，將臨近的類似分類區(qū)域聚類并進行合并，且解決分類圖像中出現(xiàn)的孤島問題，生成最終分類結果。

1.2.3精度驗證 本研究自壽光市自然資源局獲取1990、1995、2010及2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)作為精度驗證參考數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)狀圖成圖年份與研究期年份不盡相同，通過數(shù)據(jù)歸一化分別與研究區(qū)影像進行地理鏈接，結合野外調(diào)查數(shù)據(jù)提取無變動的地物類型為地面真實感興趣區(qū)域(regions of interest，ROI)，保存為各研究期的精度驗證ROI文件。在遙感圖像解譯采用ENVI 5.3進行監(jiān)督分類，并采用計算混淆矩陣和 Kappa 系數(shù)精度評價的方法分別對影像分類結果進行精度驗證。

2 結果與分析

2.1 1985—2015年鹽田面積變化

從表2可以看出，研究區(qū)30年來鹽田面積變化較大，總面積增加19 503.72 hm2，整體呈現(xiàn)先急劇增加，后趨于平緩，最終逐漸減少的趨勢。其中，1985—1995年，鹽田面積增加最多，共計21 449.97 hm2，鹽田占比增加5%，增長率為12.13%；1995—2005年，鹽田面積增加5 300.91 hm2，占比增加1.76%，相較于前10年增長速度明顯減緩，增長率僅為1.35%；2005—2015年，受政策及環(huán)境影響，鹽田面積呈下降趨勢，占比減少1.51%，共減少7 247.16 hm2，增長率由正轉負，降低為-1.63%。綜上，研究區(qū)鹽田面積總體增加，但2005年后呈下降趨勢，2015年鹽田面積已略低于1995年。

表2 研究區(qū)鹽田面積統(tǒng)計Table 2 Area statistics of salt pan in the study area

2.2 鹽田空間分布

基于土地利用分類及精度驗證后的土地利用如圖2所示?；?985年Landsat 5 TM影像監(jiān)測到鹽田(灰紫色)分布主要集中在東北方向中部靠近沿海灘涂的區(qū)域，較為集中，西北部及東南部也有零散分布，鹽田邊緣與海岸線相距較遠。由于年份較早，開發(fā)利用技術有限，鹽田周圍多為鹽堿較重的耕地，產(chǎn)出利益較低。1995年Landsat 5 TM影像監(jiān)測到鹽田分布面積急劇擴大，鹽田分布幾乎遍布陸地與灘涂沿線，東南部鹽田面積增長最多，原重度鹽堿地被開發(fā)成鹽田，鹽田邊緣向海岸線進一步擴展。經(jīng)濟的發(fā)展推動了交通網(wǎng)絡的建設，1995年交通網(wǎng)絡初現(xiàn)雛形。利用2005年Landsat 5 TM影像監(jiān)測到鹽田面積較1995年持續(xù)增長，沿海灘涂區(qū)域大都被開墾為鹽田，東北部灘涂開發(fā)力度最大，鹽田邊緣與海岸線基本平行，但仍保持一定距離。隨著時間的推移，人們對于鹽堿地的改良與利用技術逐漸發(fā)展，鹽田周圍原有未利用灘涂等土地部分被開發(fā)利用，成為耕地。2015年Landsat 8 OLI影像發(fā)現(xiàn)，10年間鹽田面積明顯減少，西北部鹽田近一半面積進行了復墾，北部鹽田規(guī)模增加，原灘涂及沿海林草地被開發(fā)進行鹽田建設，鹽田東南部主要被復墾為建設用地，鹽田面積縮小強度低于西北部。

2.3 鹽田變化分析

從表3可以看出，1985—1995年，鹽田面積呈增加趨勢。其中，灘涂轉變?yōu)辂}田的面積最多，為1 661.40 hm2的；植被轉為鹽田面積最少，僅為62.55 hm2；少部分鹽堿較重的耕地也轉化為鹽田。1995—2005年，第三次圍墾養(yǎng)殖熱潮期間，鹽田面積持續(xù)增加。其中，水域轉化面積最多，為1 880.46 hm2，鹽田向北側海域推進。2005—2015年，鹽田面積開始縮減，廢棄鹽田開始復墾，建設用地和耕地成為復墾的主要方向。

表3 土地利用轉移矩陣Table 3 Land-use transfer matrix (hm2)

2.4 解譯驗證結果

經(jīng)精度驗證，最終得到1985年整體精度為88.96%，Kappa系數(shù)為0.83；1995年整體精度為91.08%，Kappa系數(shù)為0.88；2005年整體精度為89.32%，Kappa系數(shù)為0.85；2015年整體精度為91.08%，Kappa系數(shù)為0.88。4期遙感影像整體精度均高于88%，Kappa系數(shù)均高于0.83。由此可見，解譯準確度較高，分析結果符合實際。

3 討論

本研究基于1985—2015年4期Landsat系列遙感影像，監(jiān)測壽光市鹽田分布格局與動態(tài)變化模式，結果表明，Landsat系列遙感影像是進行鹽田面積信息遙感監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)源，實地考察發(fā)現(xiàn)影像監(jiān)督分類后鹽田信息提取精度較高。本研究取得的結果可為研究區(qū)鹽田復墾與濕地恢復提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)參考。

近30年研究區(qū)鹽田面積時空動態(tài)變化信息的提取及對比分析發(fā)現(xiàn)，壽光市鹽田面積變化較大，變動趨勢明顯。1985年正處于新中國成立后第三次灘涂圍墾養(yǎng)殖熱潮，圍海的區(qū)域集中在低潮灘和近岸海域，主要表現(xiàn)為大面積的近海自然灘涂消失。研究區(qū)北部毗鄰海岸，擁有較充足灘涂面積，且早期鹽業(yè)市場利潤較大，增加鹽田面積可提高利潤收入，故而較1985年沿海自然灘涂面積大量減少，鹽田面積大幅度增加。隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國于2003年頒布《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃綱要》，研究區(qū)被劃分到渤海西南部海洋經(jīng)濟區(qū)[12]。為進一步推動沿海經(jīng)濟發(fā)展，我國開展了第四次圍填海造地熱潮，壽光市加大建設工業(yè)開發(fā)區(qū)，將鹽田進一步向北部海岸線推進，鹽田面積得到進一步擴張。但由于前期過度開發(fā)以及先污染后治理的發(fā)展方式，沿海環(huán)境遭到破壞，原地下鹵水資源消耗殆盡；同時制鹽設備落后，工藝產(chǎn)出低，2005年起，部分鹽田或被閑置廢棄，或復墾為建設用地或耕地以實現(xiàn)耕地占補平衡。因此，2005—2015年鹽田面積表現(xiàn)為負增長。此外，已有研究曾將沿海分布較密的矩形池子解譯為養(yǎng)殖池[13]。本研究通過實地走訪調(diào)查，此類鹽池為提高利用率與利潤，兼具蒸發(fā)與養(yǎng)殖的功能，主要功能為蒸發(fā)水分以提高水體鹽分濃度，養(yǎng)殖屬于附加產(chǎn)業(yè)，故本研究中將此類鹽池劃分為鹽田。

在土地復墾相關研究中，當前大多數(shù)研究主要集中在對工礦用地等的復墾[13-16]，鹽田類復墾尚未成為研究重點，但隨著廢棄鹽田面積逐漸增加，人地矛盾情況愈加激烈，鹽田復墾與濕地恢復已成為濱海鹽田生產(chǎn)區(qū)域土地整治的熱點[17-18]。伴隨我國農(nóng)業(yè)技術的進步和對鹽田復墾經(jīng)驗的增加[19-24]，鹽田復墾與濕地修復的發(fā)展面臨著前所未有的機遇。對鹽田復墾與濕地恢復相關理論進行研究[25-26]，土地資源合理配置具有重要意義。