基于Landsat TM/OLI影像的壽光市鹽田信息提取與動態變化分析

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.山東農業大學資源與環境學院, 山東 泰安 271018)

土地資源的可持續利用是人類社會可持續發展的重要依托和核心內容[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殖熱潮為早期沿海地區的經濟發展提供了動力[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環境問題，亟需進行鹽田復墾與濕地修復。快速準確提取濱海鹽田分布格局并進行動態變化監測成為鹽田復墾與沿海濕地恢復的前提。

遙感影像以監測范圍廣、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測的主要數據源，廣泛應用于農村居民點分布模式研究[4-6]、濕地數據庫構建[7]、災害影響預測[8]等領域。在鹽田信息監測方面，姚云長等[9]采用目視判讀對中國1985年和2010年沿海鹽田和養殖池時空動態變化進行了遙感監測，發現研究期間山東省鹽田增長量最多；倪紹起[10]研究發現，2000—2012年間環渤海陸地面積平均增速為177.24 km2·a-1，主要表現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年環渤海濱海區域自然濕地面積減少了45.37%，沿海地區的生態矛盾日益凸顯。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鹽省份，壽光市年產鹽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基地之一。壽光市鹽田呈塊狀集中分布，由于開發較早、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測與驅動因素分析的理想研究區，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，以期為區域乃至國內其他地區濱海鹽田的科學復墾與濕地修復提供科學依據。

1 數據來源及方法

1.1 研究區概況

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。研究區處于自南向北緩慢降低的平原區，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。研究區氣候屬暖溫帶季風區大陸性氣候，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研究數據 本研究以Landsat TM/OLI影像作為基礎數據源，自地理空間數據云獲取壽光市1985、1995、2005、2015年4景衛星遙感圖像。根據壽光市大陸性氣候特征，結合多次野外考察發現，研究區秋季云雨天氣較少，衛星遙感圖像質量高。因此，本研究選取10—11月份獲取的遙感影像，主要圖像數據具體情況見表1。

表1 1985—2015年遙感圖像數據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。根據國內土地分類體系及壽光市的土地利用情況，結合本文研究內容和影像特征，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，發現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域，壽光市南部為平原地區，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°以北壽光市行政區域內的圖像作為研究區域，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3種遙感影像特征(圖1)，因鹽田功能不同呈現不同的顏色與幾何形狀。其余根據地物在標準假彩色圖像中的特征，對衛星遙感圖像進行目視判讀與解譯，經過野外實地考察及分類后處理，得到四期研究區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域聚類并進行合并，且解決分類圖像中出現的孤島問題，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年土地利用現狀數據作為精度驗證參考數據。由于現狀圖成圖年份與研究期年份不盡相同，通過數據歸一化分別與研究區影像進行地理鏈接，結合野外調查數據提取無變動的地物類型為地面真實感興趣區域(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進行監督分類，并采用計算混淆矩陣和 Kappa 系數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30年來鹽田面積變化較大，總面積增加19 503.72 hm2，整體呈現先急劇增加，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 研究區鹽田面積統計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。基于1985年Landsat 5 TM影像監測到鹽田(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，開發利用技術有限，鹽田周圍多為鹽堿較重的耕地，產出利益較低。1995年Landsat 5 TM影像監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成鹽田，鹽田邊緣向海岸線進一步擴展。經濟的發展推動了交通網絡的建設，1995年交通網絡初現雛形。利用2005年Landsat 5 TM影像監測到鹽田面積較1995年持續增長，沿海灘涂區域大都被開墾為鹽田，東北部灘涂開發力度最大，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展，鹽田周圍原有未利用灘涂等土地部分被開發利用，成為耕地。2015年Landsat 8 OLI影像發現，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，北部鹽田規模增加，原灘涂及沿海林草地被開發進行鹽田建設，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，灘涂轉變為鹽田的面積最多，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，第三次圍墾養殖熱潮期間，鹽田面積持續增加。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

經精度驗證，最終得到1985年整體精度為88.96%，Kappa系數為0.83；1995年整體精度為91.08%，Kappa系數為0.88；2005年整體精度為89.32%，Kappa系數為0.85；2015年整體精度為91.08%，Kappa系數為0.88。4期遙感影像整體精度均高于88%，Kappa系數均高于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，監測壽光市鹽田分布格局與動態變化模式，結果表明，Landsat系列遙感影像是進行鹽田面積信息遙感監測的理想數據源，實地考察發現影像監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鹽田復墾與濕地恢復提供理論依據及數據參考。

近30年研究區鹽田面積時空動態變化信息的提取及對比分析發現，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殖熱潮，圍海的區域集中在低潮灘和近岸海域，主要表現為大面積的近海自然灘涂消失。研究區北部毗鄰海岸，擁有較充足灘涂面積，且早期鹽業市場利潤較大，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。隨著沿海地區經濟的快速發展，我國于2003年頒布《全國海洋經濟發展規劃綱要》，研究區被劃分到渤海西南部海洋經濟區[12]。為進一步推動沿海經濟發展，我國開展了第四次圍填海造地熱潮，壽光市加大建設工業開發區，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以及先污染后治理的發展方式，沿海環境遭到破壞，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耕地占補平衡。因此，2005—2015年鹽田面積表現為負增長。此外，已有研究曾將沿海分布較密的矩形池子解譯為養殖池[13]。本研究通過實地走訪調查，此類鹽池為提高利用率與利潤，兼具蒸發與養殖的功能，主要功能為蒸發水分以提高水體鹽分濃度，養殖屬于附加產業，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區域土地整治的熱點[17-18]。伴隨我國農業技術的進步和對鹽田復墾經驗的增加[19-24]，鹽田復墾與濕地修復的發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。