基于微波遙感的裸露地表土壤鹽分含量的反演

摘要：基于Radarsat-2雷達影像數(shù)據(jù)對裸露地表土壤鹽分含量進行反演研究，利用數(shù)據(jù)模擬分析方法建立土壤鹽分含量的反演模型，并對土壤鹽分含量的反演值與實測值進行相關(guān)分析。結(jié)果表明：模擬值與實測值有很好的相關(guān)性（r2=0.904 6） ，可以利用Radarsat-2雷達數(shù)據(jù)進行大面積地表土壤鹽分的監(jiān)測與提取，能取得較好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：Radarsat-2；后向散射系數(shù)；反演；土壤鹽分

中圖分類號： S151.9+3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0442-03

收稿日期：2014-12-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：51169016）。

作者簡介：弓永利（1976—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副教授，高級工程師，主要從事工程測量、遙感、地理信息應(yīng)用方面的科研和教學(xué)工作。E-mail：fllyzz@126.com。 土壤鹽漬化（soil salinization）是指隨著水分上升到地表并蒸發(fā)后，使土壤底層的鹽分或者是地下水的鹽分在表層土壤積累的過程，是土地退化和土壤荒漠化的主要表現(xiàn)形式。在干旱、半干旱地區(qū)，土地逐漸退化主要是由人類不合理的活動和脆弱的生態(tài)環(huán)境共同導(dǎo)致的，土壤鹽漬化已經(jīng)成為現(xiàn)在世界上土地荒漠化和土地退化的主要類型之一[1-4]。鹽堿土不僅會引起土壤板結(jié)、肥力下降，加重土壤侵蝕，還會造成資源破壞，引發(fā)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，從而嚴重威脅生物圈和生態(tài)環(huán)境安全[5]。

遙感及其相關(guān)技術(shù)在獲取地表信息方面具有宏觀性、實時性、動態(tài)性等特點，這使得土壤鹽漬化的監(jiān)測更加宏觀、快速、準確、有效，有利于對土地鹽堿化發(fā)展和演變機理的認識[4，6-7]。因此，對河套平原鹽漬化程度進行遙感監(jiān)測、反演可以作為該地區(qū)灌溉制度制定、鹽漬化土壤治理方案制定的基礎(chǔ)資料。

由于微波遙感技術(shù)具有全天時、全天候的工作能力，而且對云霧、雨雪和地物都有一定的穿透能力，可以更好地識別、分析地物，提取所需的信息。土壤鹽分含量變化趨勢與土壤水分含量有著密不可分的關(guān)系，再加上微波遙感對土壤水分十分敏感[8-10]，因此微波遙感技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前監(jiān)測土壤鹽分的主要方法。

本研究基于Radarsat-2雷達影像數(shù)據(jù)的處理，對裸露地表土壤鹽分含量進行反演研究，以期利用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)模擬分析，建立地表土壤鹽分含量后向散射模型，從而為大面積獲得地表土壤鹽分時空分布信息提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市杭錦旗境內(nèi)，地理坐標范圍為40°44′～41°01′ N、106°52′～107°13′ E，海拔1 032～1 050 m ，面積約為625 km2。該地區(qū)地貌主要由沖擊平原、洪積平原、河漫灘3種地形構(gòu)成，地勢從西南到東北逐漸降低，屬于河套平原。氣候特點為溫帶大陸性氣候，干燥、晝夜溫差大，年均氣溫8.5 ℃，年均降水量138.2 mm左右，無霜期130 d 左右，日照時間較長，年均日照時間3 181 h。地面特征以耕地與鹽堿化裸地為主，“種植類型”主要有玉米、葵花、小麥等。

1.2雷達影像數(shù)據(jù)

采用的雷達數(shù)據(jù)為2013年3月13日的一景Radarsat-2標準四極化模式雷達數(shù)據(jù)，此時研究區(qū)地表狀態(tài)為春耕前期時的裸露地表。雷達影像的工作波段為C，中心波長5.7 cm，頻率5.3 GHz，極化方式為HH、HV、VH、VV，數(shù)據(jù)類型為 Single Look Comple（SLC）。

1.3樣品數(shù)據(jù)分析

本試驗在視野開闊并無遮擋物的裸露地表取樣，所采集土壤樣品深度限定在0～10 cm，且采樣時間與衛(wèi)星飛過試驗區(qū)時間同步。本試驗在試驗區(qū)內(nèi)共均勻采集60個土壤樣品，同時使用GPS獲取樣點坐標位置信息。然后將所采集樣品分別放置鋁盒和塑封袋內(nèi)，對鋁盒現(xiàn)場稱重，待到實驗室用EDTA滴定法獲取土壤含鹽量，烘干法獲得土壤含水量。

1.4雷達影像處理

與可見光、紅外等光學(xué)遙感相比，Radarsat-2雷達影像數(shù)據(jù)處理起來比較復(fù)雜。對于SLC類型的雷達影像，先對其進行斜距到地距的轉(zhuǎn)換后才能獲得真正的地距影像，然后利用ENVI 4.8軟件進行輻射定標、幾何校正、濾波去噪等處理后得到的影像，才能更好地進行后向散射系數(shù)的提取。

利用ARCGIS 9.3軟件把GPS 獲取采樣點的坐標位置制作成矢量文件，再通過ENVI 4.8軟件在雷達影像上顯示采樣點的位置信息，從而獲得樣點的后向散射系數(shù)。由于雷達影像數(shù)據(jù)存在嚴重的斑點和噪聲，既便是進行濾波處理后，影像還是有很多斑點，這樣就給樣點后向散射系數(shù)的提取造成很大的干擾。為了獲取更加準確的樣點后向散射系數(shù)，本研究將取樣點象元周圍的象元后向散射系數(shù)的平均值作為該中心樣點最后的后向散射系數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1模型的建立

SPSS是一種非常經(jīng)典、強大的統(tǒng)計分析軟件，它有比較成熟的理論基礎(chǔ)，可以確定變量之間的定量關(guān)系，并可以進行相應(yīng)的預(yù)測，且能反映出統(tǒng)計變量之間的統(tǒng)計變化規(guī)律。在獲取四極化地表后向散射系數(shù)和實驗室數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，通過SPSS軟件“控制變量”的思想，逐步加入和剔除變量，觀察變量加入前后模型的變化，確定該變量對本研究結(jié)果是否有積極影響，來探究各變量之間的關(guān)系。最后利用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)模擬回歸分析，建立回歸模型，并根據(jù)已有實測數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)來估計模型的各個參數(shù)。

選取HH、HV、VH、VV、HH2、HV2、VH2、VV2以及含水量為自變量，采用向前和向后的建模方法，對變量進行加入和剔除，從而建立線性回歸模型。選取45個樣點數(shù)據(jù)進行軟件模型模擬，通過向前和向后方法的模型分析，最終建立以HH、VV、HH2、HV2、VH2、VV2以及含水量為自變量的土壤含鹽量反演公式。具體模型如下：

Y=1.362+1.128×a-0.48×b×10.557×c-0.981×d+ 0.747 ×e-2.906×f+1.925×g。 （1）

式中：Y為土壤含鹽量；a為考慮入射角影響的HH極化的后向散射系數(shù)；b為考慮入射角影響的VV極化的后向散射系數(shù)；c為考慮入射角影響的HH極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；d為考慮入射角影響的HV極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；e為考慮入射角影響的VH極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；f為考慮入射角影響的VV極化的后向散射系數(shù)的平方值除以100；g為土壤含水量。

2.2模型驗證

為了進一步驗證模型的正確性，使用公式（1）對其余的15個樣點進行驗證，通過軟件Envi4.8中Band Math 波段運算功能進行土壤鹽分含量的計算，結(jié)果如表1所示。同時，對反演值與實測值進行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖1所示。

在表1中，26號、44號樣本的反演結(jié)果為負值，則表明反演出錯，其余反演結(jié)果誤差的絕對值最大為9號樣本，值為0.296 g/kg，最小的為5號樣本，值為0.012 g/kg。誤差的絕對值<0.1 g/kg的有8個，≥0.1 g/kg的有7個，≥0.2 g/kg的僅有3個。表明模型計算的土壤鹽分含量與實測值的誤差較小。利用該模型對所有野外觀測數(shù)據(jù)進行模擬，樣本實測值與反演值的統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

從表2可以看出，土壤鹽分含量的實測值與反演值之間最大值、最小值之差分別約為0.25、0.33 g/kg。為了研究不同鹽漬化程度的地表后向散射響應(yīng)特征，根據(jù)采樣點表層的不同土壤鹽分含量分成4組，即非鹽漬地、輕度鹽漬地、中度鹽漬地和重度鹽漬地[11]，具體情況如表3所示。

利用ENVI4.8軟件和模型公式反演整個研究區(qū)域地表的土壤鹽分，最終獲得該研究區(qū)域土壤鹽分的空間分布圖，然后利用表4的分類方法進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。

3結(jié)論

本研究基于Radarsat-2雷達影像數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)模擬分析，建立地表土壤鹽分含量的反演模型，反演獲得的土壤鹽分含量與實測值之間最大值、最小值、之差均為0.25、0.33g/kg，且相關(guān)系數(shù)達到了0.9046。

這表明此模型在不考慮其他更多地表因素情況下，可以獲得較好的反演結(jié)果。因此，Radarsat-2雷達微波遙感可以利用該模型進行大面積的裸露地表土壤鹽分含量監(jiān)測，并且有較好的應(yīng)用前景。

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