北方干旱區取水灌區水鹽時空分布特征的遙感數據分析研究

韓麗娜

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

土壤鹽漬地變化主要是區域人類活動影響產生的生態環境變化，已成為當前重要的生態問題，得到廣泛關注和研究[1]。據相關數據統計，58%的鹽漬地變化主要發生在干旱地區的主要灌區內，而土壤鹽漬地變化最為直接的影響在于農業的產出量，我國旱區農業受到土壤鹽漬地影響較大。對區域水鹽時空變化的分析對于灌區土壤鹽漬地變化評估十分有效[2]。傳統對于灌區水鹽分析主要通過實地調查，結合采樣土壤鹽分分析，對其水鹽變化進行表征，這種方式存在一定的以點代面的局限，不能很好的表征整個區域水鹽時空的變化[3]。近些年來，遙感數據逐步在水利領域得到應用[4-9]，通過波段反射率的分析提取相應指標，從而對其空間變化特征進行反演[10-15]。但遙感數據在灌區水鹽空間變化特征中的分析應用還較少，為此本文結合遙感數據，以遼寧西部旱區某灌區為研究實例，通過遙感數據對其區地表鹽分、土壤含鹽量、地下水礦化度、地表灌水量、地下水埋深等5個指標進行空間反演，從而分析其對區域土壤鹽漬地變化的影響。研究成果對于區域生態環境修復規劃具有重要的參考價值。

1 遙感數據預處理

遙感影像預處理的目的是增強遙感影像信息表達能力，使遙感影像更為清晰，目標物體的標志更明顯突出，提高信息提取精度。遙感影像預處理包括輻射校正、幾何校正、圖像增強處理。

1.1 光譜增強處理

選用Landsat5衛星影像數據進行地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量3個指標的提取，首選需要對各波段數據進行光譜增強處理，結合光譜特征向量分析方法對7個成分進行光譜增強處理，處理分析結果見表1。

從分析結果可看出，7個成分中第一和第二成分的方差百分比最高，隨后方差百分比逐步降低，可見通過光譜增強處理后，其光譜波段主要集中在前兩個成分中，從其特征向量可看出，前兩個成分下其方差特征向量總體變幅較小，而從第三個成分到第七個成分，其特征向量的變幅逐步加大，但通過光譜增強處理后，波段特征性得到加強。

1.2 遙感影像波段選擇試驗

波段選擇是提取各指標要素的關鍵，通過光譜信息統計、不同波段方差分析以及相關分析對波段進行選擇，選擇試驗結果見表2—4。

亮度差和標準差是評價各波段光譜信息的最佳指標，從表2中分析結果可看出，第一波段標準差和亮度差最大，在5個波段中屬于最佳波段，而第4波段中亮度差和標準差最低，屬于最低波段，因此主要選取第一波段進行指標的光譜特征的分析。從各波段的協方差分析結果可看出，第一波段和第二波段的總協方差值最大，其次為第二波段和第三波段的協方差值。從各波段的相關系數分析結果可看出，第一波段和第二波段由于協方差值較大，因此其相關系數也較大，隨著波段的遞增，其相關系數也逐步降低。綜合以上分析結果，建議主要以第一波段和第二波段進行地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量指標的特征分析。

表1 區域不同指標光譜增強處理結果

表2 各指標波段光譜信息統計結果

表3 不同波段協方差分析結果

表4 不同波段相關系數分析結果

1.3 光譜特征處理

在波段選擇的基礎上，對地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量3種指標進行光譜特征的分析，處理分析結果見表5。

表5 各指標不同波段下的光譜特征采樣點分析結果

從表5中可看出，地表鹽分指標下其波段統計值在12～63之間變化，波段光譜特征變幅較大。而土壤含鹽量主要表征為土壤10cm以下的含鹽量，通過光譜增加處理后，可實現其波段的提取，從其不同波段下統計值可看出，總體在14～61之間變化，可滿足指標光譜特征的有效提取。從地表灌水量處理分析結果可看出，不同波段下其光譜特征值總體在19～57之間變化，由于地表灌水量的光譜特性加強，因此其光譜特征值變幅相比于其他指標較小。

2 研究實例

2.1 灌區及數據概況

本文以遼寧西部某灌區為研究實例，灌區總灌溉面積為2435hm2，區域干旱且降雨偏少，降雨主要集中在夏季，多年平均降水量為500～650mm。受到人類活動影響，灌區的土壤鹽漬較為明顯，通過遙感數據分析，區域鹽漬面積有逐年增長的變化趨勢，土壤鹽漬已經嚴重影響農業生產，對當地農業經濟產生較為明顯的制約。為了對灌區水鹽空間變化進行有效表征，本文主要選取地表鹽分、土壤含鹽量、地下水礦化度、地表灌水量、地下水埋深等5個指標進行分析，選取灌區4個典型年份作為代表性進行分析，分別為1995年、2005年、2010年、2015年，分別選用Landsat5衛星影像數據，通過遙感數據處理方法，提取地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量3個指標空間演變過程，地下水礦化度及地下水埋深通過采樣點數據插值分析得到。

2.2 指標提取精度分析

結合采樣點提取的指標數據，對遙感數據分析的指標精度進行評價，評價結果見表6。

從表6中可分析出，采用遙感數據對地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量進行提取后，各代表年份的總體精度可在55%～67%之間，相關系數均可在0.55以上，總體精度較高，且隨著年份的遞增，衛星遙感數據質量也在逐步提高，使得其指標提取的精度在逐步提高。

表6 遙感提取指標的精度分析結果

2.3 灌區土壤含鹽量空間分布特征

結合不同代表年份的遙感數據，對其代表年份的土壤含鹽量空間分布特征進行分析，分析結果如圖1所示，并對不同等級土壤含鹽量進行統計，統計分析結果見表7。

表7 各代表年份不同等級土壤含鹽量的面積百分比劃分結果 單位：%

對4個代表年份的土壤含鹽量進行了空間分析，從土壤含鹽量空間變化特征可分析出，土壤含鹽量總體呈現東高西低的變化趨勢。隨著代表年份的增加，土壤含鹽量在0～1.0%之間的變幅較大，而在2.0%～2.5%之間的總體變幅較小。從表7中可分析出，土壤含鹽量在1.5%～2.5%的從1995年開始，面積比例逐年減少，而含鹽量在0.5%～1.0%區域面積比例從2005年開始逐年遞增。

圖1 不同代表年份土壤含鹽量空間特征分析結果

圖2 不同代表年份地下水礦化度空間特征分析結果

2.4 灌區土壤含鹽量空間分布特征

結合地下水礦化度監測點數據，對其代表年份的地下水礦化度空間分布特征進行分析，分析結果如圖2所示，并對不同等級地下水礦化度進行統計，統計分析結果見表8。

表8 各代表年份不同等級地下水礦化度的面積百分比劃分結果 單位：%

對4個代表年份的地下水礦化度進行了空間分析，從地下水礦化度空間變化特征可分析出，其地下水礦化度總體呈現南高北低的變化趨勢。隨著代表年份的增加，地下水礦化度在1.0～3.0g/L之間的變幅較大，而在0～1.0g/L之間的總體變幅較小。從表8中可分析出，地下水礦化度在0～1.0g/L的從2005年開始，面積比例逐年減少，而地下水礦化度3.0～5.0g/L區域面積比例從1995年開始逐年遞增。

2.5 灌區地表灌水量空間分布特征

結合地表灌水量遙感數據，對其代表年份的地表灌水量空間分布特征進行分析，分析結果如圖3所示，并對不同等級地表灌水量進行統計，統計分析結果見表9。

表9 各代表年份不同等級地表灌水量的面積百分比劃分結果 單位：%

對4個代表年份的地表灌水量進行了空間分析，從地表灌水量空間變化特征可分析出，其地表灌水量總體呈現東高西低的變化趨勢。隨著代表年份的增加，地表灌水量在(20～50)×104m3之間的變幅較大，而在(90～110)×104m3之間的總體變幅較小。從表9中可分析出，地表灌水量在(70～90)×104m3的從2005年開始，面積比例遞減十分明顯，而地表灌水量在(20～50)×104m3區域面積比例從2005年開始顯著遞增。

2.6 灌區地下水埋深空間分布特征

結合地下水埋深監測數據，對其代表年份的地下水埋深空間分布特征進行分析，分析結果見圖4，并對不同等級地下水埋深進行統計，統計分析結果見表10。

表10 各代表年份不同等級地下水埋深的面積百分比劃分結果 單位：%

對4個代表年份的地下水埋深進行了空間分析，從地下水埋深空間變化特征可分析出，其地下水埋深總體呈現北高南低的變化趨勢，這主要和區域降水補給有關，區域降水量總體呈現北高南低空間分布，使得區域地下水埋深也相應變化。隨著代表年份的增加，地下水埋深在6～8m之間的變幅較大，而在3～5m之間的總體變幅較小。從表9中可分析出，地下水埋深在8～10m的從2005年開始，面積比例遞增顯著，其他等級地下水埋深變化程度較弱。

2.7 灌區水鹽總當量空間特征

結合水鹽分析數據，對其代表年份的水鹽總當量值空間分布特征進行分析，分析結果如圖5所示，并對不同等級水鹽總當量值進行統計，統計分析結果見表11。

表11 各代表年份不同等級水鹽總當量值的面積百分比劃分結果 單位：%

圖4 不同代表年份地下水埋深空間特征分析結果

圖5 不同代表年份水鹽總當量值空間特征分析結果

對4個代表年份的水鹽總當量值進行了空間分析，從水鹽總當量值空間變化特征可分析出，其水鹽總當量值總體呈現南高北低的變化趨勢，這主要和區域農作物分布有關，區域農作物主要分布在北部區域，使得區域水鹽總當量值也相應變化。隨著代表年份的增加，水鹽總當量值在5.0～7.5之間的變幅較大，而在1.5～2.5之間的總體變幅較小。從表11中可分析出，水鹽總當量值在5.0～7.5的從2005年開始，面積比例逐步遞增，水鹽總當量值在7.5～9.0的從2005年開始，面積比例逐步遞減。

圖6 不同代表年份土壤鹽漬化程度空間特征分析結果

2.8 灌區土壤鹽漬化程度空間特征

在以上指標分析的基礎上，對其代表年份的土壤鹽漬空間分布特征進行分析，分析結果如圖6所示，并對土壤鹽漬程度進行統計，統計分析結果見表12。

表12 各代表年份不同土壤鹽漬程度的面積百分比劃分結果 單位：%

對4個代表年份的土壤鹽漬程度進行了空間分析，從土壤鹽漬程度空間變化特征可分析出，重度鹽漬化區域主要分布在西南部區域，這區域土壤鹽含量也較高，輕度鹽漬化區域主要分布在東北部區域，這部分區域水鹽含量較低，而中度鹽漬化變化范圍較為廣泛。隨著代表年份的增加，重度土壤鹽漬程度區域有所增加，而輕度土壤鹽漬區域面積有所減少。從表12中可分析出，輕度土壤鹽漬區域面積比例從1995年開始，逐步遞減，而重度鹽漬面積比例在2010年出現高值，總體呈現遞增變化。

3 研究結論

(1)地表鹽分、土壤含鹽量、地表灌水量指標遙感波段統計最大值應在57～63之間，且應以第一、二波段為主，含鹽量主要表征為土壤10cm以下的含鹽量。

(2)基于土壤鹽漬化程度空間結果，可實現區域土壤鹽漬化程度區劃分析，為區域生態修復提高重要規劃依據，在規劃時應重點關注地表鹽分和地下水礦化度對土壤鹽漬化的影響。

(3)提出一種基于多因子空間疊加分析區域土壤鹽漬化程度的新方法，解決傳統方法以點代面且因子較為單一的局限。

(4)針對現狀年的土壤鹽漬化進行分析，在以后的研究中，還應結合因子趨勢預測結果，對其未來土壤鹽漬化變化趨勢進行分析。