馮志密，黃 彥，曹凱華，孫雪梅

(1.黑龍江省綏棱縣水利農(nóng)田總站，黑龍江 綏棱 152200；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

土壤鹽漬化(鹽堿化)是當(dāng)今世界人類面臨的比較突出的環(huán)境問題之一，也是造成土地退化、制約區(qū)域農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的問題之一[1-3]。鹽堿地指的是那些鹽分含量高，pH大于9，難以生長植物尤其是農(nóng)作物的土壤。目前對土壤鹽堿化監(jiān)測方法可分為3種，即直接方法、間接方法和綜合方法[4]。近年來隨著科技的發(fā)展，越來越多的衛(wèi)星不斷升空，遙感技術(shù)的應(yīng)用逐漸獲得越來越多學(xué)者的關(guān)注。由于其具有獲取數(shù)據(jù)資料范圍大、獲取信息的速度受條件限制少、獲取信息的手段多、信息量大等特點(diǎn)，目前，遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)、海洋、氣象、水文、軍事、環(huán)保等領(lǐng)域。遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用也為土地鹽堿化監(jiān)測提供了新的思路和方法。有關(guān)學(xué)者對土地鹽堿化監(jiān)測已展開了大量工作并取得了較好的成果。如學(xué)者布和敖斯?fàn)朳5]基于遙感和GIS技術(shù)手段，提出了基于知識發(fā)現(xiàn)和決策規(guī)則的鹽堿地提取方法，吳會勝等[6]基于遙感光譜分析技術(shù)對吉林省大安市鹽堿地進(jìn)行提取與制圖研究，田貴全[7]等利用遙感技術(shù)對魯北地區(qū)現(xiàn)狀及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析研究，秦朝[8]使用MODIS數(shù)據(jù)對黑龍江西部土地鹽堿化進(jìn)行動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測并使用馬爾科夫模型對鹽堿地發(fā)展進(jìn)行預(yù)測，馬馳[9]使用回歸分析法建立土壤含鹽量模型，結(jié)果表明該方法能較好的反演松遼平原鹽堿土的含鹽量；薛秀清[10]利用遙感技術(shù)對大同盆地鹽堿地進(jìn)行監(jiān)測并運(yùn)用模糊綜合評價(jià)模型進(jìn)行評價(jià)。

東北黑土區(qū)松嫩平原是世界上三大鹽堿土集中分布區(qū)之一，也是我國次生鹽堿化狀況最為嚴(yán)重和對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大的地區(qū)之一[11-12]。然而，使用RS技術(shù)對鹽堿地改良監(jiān)測研究較為少見。因此，本文選擇位于松嫩平原中部的安達(dá)市為研究區(qū)，利用RS與GIS相結(jié)合的方法，定量提取鹽堿化土地面積，以期為當(dāng)?shù)佧}堿化土地資源的綜合利用與防治提供可靠依據(jù)，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理提供保障。

1 研究區(qū)概況

安達(dá)市位于黑龍江省西南部，松嫩平原中部，地理位置位于北緯41°01′～47°01′，東經(jīng)124°53′ ～ 125°55′之間，屬北溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，全年平均氣溫3.3 ℃，無霜期141 d，日照2849 h，年降水量428.7 mm，其中6—9月份降水350.7 mm，蒸發(fā)量1624.0 mm，最高達(dá)1990.0 mm，是全省西部典型干旱地區(qū)。東部與蘭西縣、青岡縣接壤，南距哈爾濱市127 km，西距大慶市30 km。地域輪廓近似三角洲，北寬南窄，境內(nèi)無山嶺河流，只有漫崗和沼泡，地勢較為平坦，海拔高度在134～212 m之間。全市面積約3586.27 km2，自然資源豐富，但面臨著較為嚴(yán)重的土地鹽堿化問題。地帶性土壤類型主要有草甸黑鈣土，低平地有石灰性草甸土、蘇打草甸鹽土、蘇打草甸堿土等，植被種類主要以羊草為主，其次是堿茅、角堿蓬和鹽蒿等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用的數(shù)據(jù)源分為遙感信息源和非遙感信息源兩種。遙感信息源選取中國遙感衛(wèi)星地面站接收的美國Landsat衛(wèi)星的影像數(shù)據(jù)。根據(jù)研究的內(nèi)容、地表景觀的季相差異及衛(wèi)星影像的質(zhì)量，選取了兩個(gè)時(shí)段的TM、ETM+影像數(shù)據(jù)，各景影像的云覆蓋率均小于5%。非遙感信息源主要包括行政區(qū)劃圖、土地利用圖、土壤類型圖、地貌分區(qū)圖、水文地質(zhì)圖、地形圖、水系圖等，以及部分野外考察采集的各種資料和數(shù)據(jù)等，詳見表1。

表1 非遙感數(shù)據(jù)源一覽表

2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

本文主要采用遙感反演的方法提取鹽堿土區(qū)域。首先對所獲取的Landsat遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，大氣校正、幾何校正、鑲嵌等處理，然后利用行政區(qū)劃圖裁剪出研究區(qū)范圍。由于遙感影像是用無量綱的數(shù)字量化值(DN)記錄信息的，進(jìn)行遙感定量分析時(shí)，需要通過輻射定標(biāo)把DN值轉(zhuǎn)化為輻射亮度值(radiance)，輻射定標(biāo)可以通過如式(1)線性關(guān)系式表示：

L-λ.=Gain×DN+DN+Offset

(1)

在ENVI5.3的支持下，完成輻射定標(biāo)后，仍需對影像進(jìn)行大氣校正處理。大氣校正的目的是減少或消除大氣分子和氣溶膠散射等因素對地物反射的影響，從而得到真實(shí)的地表反射等參數(shù)。本文借助基于MODTRAN5輻射傳輸模型的FLAASH大氣校正模塊工具進(jìn)行大氣校正。

2.3 鹽堿土地分布信息提取

在進(jìn)行遙感影像分類時(shí)，通常對遙感影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，其目的是改善影像的視覺效果或?qū)⒂跋褶D(zhuǎn)換為一種更利于人或機(jī)器進(jìn)行分析的形式，從而增強(qiáng)信息提取的準(zhǔn)確性和有效性。本研究主要通過基于波段組合的假彩色合成法來增強(qiáng)鹽堿地信息。在目視判別、目標(biāo)地物光譜分析的基礎(chǔ)上，采用基于光譜特征的非監(jiān)督分類方法和人機(jī)交互的目視解譯法來提取鹽堿土地信息。

圖1 鹽堿土地信息提取流程圖

首先依據(jù)TM影像的成像規(guī)律、鹽堿土的光譜特征和地理空間分布特征，結(jié)合土地利用圖、地貌圖、土壤圖以及野外的GPS定位考察資料，建立研究區(qū)相應(yīng)地物的影像判讀標(biāo)志；然后采用假彩色合成法進(jìn)行影像的增強(qiáng)處理；最后，利用最大似然法對增強(qiáng)后遙感影像進(jìn)行非監(jiān)督分類，詳細(xì)流程如圖1所示。

將影像的非監(jiān)督分類的結(jié)果圖與原始影像相比較，由于“同譜異物”的影響，在所提取的鹽堿土地信息中混雜有少量居民點(diǎn)信息。本文采用混淆矩陣法對分類結(jié)果精度進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示鹽堿土地的識別總體分類精度為85.7%，提取的信息識別精度較高，可以滿足研究工作的要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽堿地分布提取分析

根據(jù)反映鹽堿化嚴(yán)重程度的堿斑率與遙感影像亮度之間的關(guān)系，按堿斑率大小將鹽堿土劃分為三級：堿斑率<30%的為輕度鹽堿土，堿斑率在30%～60%之間的為中度鹽堿土，重度鹽堿土的堿斑率>60%。

利用ENVI5.3軟件提供的Clump和Sieve功能對從遙感影像中解譯出的結(jié)果圖像進(jìn)行聚類、過濾等后處理，消除小于2×2的像元地塊，再把各時(shí)段的影像分類結(jié)果鑲嵌成完整的分布圖，并以行政區(qū)界線的SHP文件裁剪出各縣市解譯的鹽堿土影像圖。利用ARCGIS10.3軟件系統(tǒng)中的統(tǒng)計(jì)功能對所提取的目標(biāo)信息進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，得到研究區(qū)前后兩個(gè)時(shí)段的輕、中、重度鹽堿土的面積信息(表2)。最終獲得兩個(gè)時(shí)段的安達(dá)地區(qū)TM衛(wèi)星影像鹽堿土分布圖，如圖2所示。

圖2 安達(dá)市土地鹽堿化分布圖

3.2 鹽堿地面積統(tǒng)計(jì)分析

由表2可以看出，改良前后兩個(gè)時(shí)段安達(dá)的鹽堿土總面積分別為128 017.35 hm2、87 830.46 hm2，鹽堿土分別占研究區(qū)總面積的17.19%和12.20%，各類鹽堿土面積都在不斷縮小。其中，輕度鹽堿土兩個(gè)時(shí)段在總鹽堿土面積中所占的比例分別為32.61%和32.97%，表明輕度鹽堿土在總鹽堿土面積構(gòu)成中比例較穩(wěn)定，但面積減少了12 777.21 hm2；中度鹽堿土的比例分別為48.90%和38.69%，其比例下降較大，但面積僅減少8965.71 hm2；重度鹽堿土的比例變化也處于下降狀態(tài)，兩個(gè)時(shí)段面積比例分別為33.84%和28.33%，面積減少了18 443.97 hm2，表明安達(dá)地區(qū)整個(gè)區(qū)域的鹽堿化程度在向輕度方向發(fā)展。

表2 安達(dá)地區(qū)鹽堿土面積統(tǒng)計(jì)表 hm2

3.3 鹽堿地形成原因

安達(dá)地區(qū)鹽堿化主要原因與氣候、地表植被覆蓋及森林面積減少等因素密切相關(guān)[12]。隨著近年來的全球變暖趨勢，降雨量少，蒸發(fā)量大，蒸降比不斷加大，促進(jìn)了干旱的發(fā)生，影響植被覆蓋，同時(shí)地表植被和森林覆蓋的人為破壞，更影響了區(qū)域氣候，加速了水域減少和鹽堿增長。土壤鹽堿化的基本原因，土壤表面無覆蓋，在于地下水位過高和蒸發(fā)過旺。從圖2可以看出，水域面積不斷減少，導(dǎo)致地下水不斷向上，通過水的溶解把鹽堿帶出來。隨著水分蒸發(fā)，鹽堿化區(qū)域面積都不斷增加，特別是重度鹽堿化面積。

鹽堿化產(chǎn)生的另一方面與人為因素有關(guān)，主要是人類不合理的利用行為，這些不合理的利用行為表現(xiàn)為不科學(xué)的技術(shù)措施以及不完善的管理體系、宏觀政策的失誤等。由于農(nóng)村實(shí)行土地聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制以及缺乏相應(yīng)的管理措施，再加上干旱引起的地下水位下降使人們對次生鹽堿化發(fā)生的警惕性放松，導(dǎo)致排水設(shè)施破壞，整體上發(fā)生土地鹽堿化的風(fēng)險(xiǎn)性增加。在發(fā)展生產(chǎn)力的同時(shí)，若不注意排灌工程的配套、用水的管理和調(diào)節(jié)，土地鹽堿化面積將不斷擴(kuò)大。

4 結(jié) 論

本文以安達(dá)市為研究對象，使用遙感數(shù)據(jù)定量獲研究區(qū)的鹽堿化土地面積，主要得到以下結(jié)論：利用RS和GIS技術(shù)對研究區(qū)兩期鹽堿土地提取分析表明，改良后各類鹽堿地面積均減少，表明研究區(qū)土地鹽堿化呈減輕趨勢；對安達(dá)市鹽堿地形成和發(fā)展規(guī)律的分析表明，鹽堿地形成主要與氣候、地表植被覆蓋及森林面積減少等因素及人類不合理的利用土地行為相關(guān)；對鹽堿地發(fā)展與應(yīng)對表明，鹽堿地的發(fā)展變化受自然地理因素和人為因素的雙重影響，通過禁牧及改良種稻等措施，安達(dá)市的土地鹽堿化程度朝著輕度發(fā)展。