基于RS的鹽堿地改土種稻監(jiān)測(cè)研究

高士軍，黃 彥，孫雪梅，孫艷玲，王 柏,曹凱華

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省寒區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的發(fā)展，應(yīng)用遙感影像特別是中高分辨率遙感影像獲取農(nóng)業(yè)信息成為一種必然趨勢(shì)[1]。近年來(lái)，遙感技術(shù)迅速發(fā)展，因其監(jiān)測(cè)面積廣、遙感影響重訪周期短，可準(zhǔn)確獲得植被覆蓋率、溫度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)及植被覆蓋度監(jiān)測(cè)研究[2-3]。高分一號(hào)(GF-1)遙感衛(wèi)星是我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的首顆衛(wèi)星，其多光譜波段影像的空間分辨率為16 m，重訪周期4 d，具有時(shí)間和空間分辨率雙高、軌道穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)可持續(xù)性較好等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍廣泛且效果良好。高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)除進(jìn)行地表地貌觀測(cè)外，在農(nóng)作物提取等方面應(yīng)用越來(lái)越多[4-6]。同期，美國(guó)航空航天局(NASA)發(fā)射了攜帶OLI陸地成像儀和TIRS熱紅外傳感器的Landsat8陸地衛(wèi)星，空間分辨率30 m，幅寬185 km，重訪周期16 d，其廣泛應(yīng)用于地表監(jiān)測(cè)等研究[7-8]。

盡管遙感影像對(duì)地觀測(cè)的研究已取得較多成果，研究也比較廣泛。然而，使用遙感影像對(duì)東北黑土區(qū)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)的報(bào)道較為少見，通過(guò)作物生長(zhǎng)狀態(tài)間接分析鹽堿地改良的研究更是鮮有報(bào)道。因此，本研究以2015年和2017年的國(guó)產(chǎn)GF-1數(shù)據(jù)及2019年的Landsat8 oli數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，以安達(dá)市老虎崗為研究區(qū)，借助于RS和GIS技術(shù)，利用植被覆蓋指數(shù)及像元二分模型定量反演方法，確定研究區(qū)域植被覆蓋度，綜合分析鹽堿土改良前后植被覆蓋度時(shí)空變化特征，尋求研究區(qū)域植被覆蓋情況及其變化規(guī)律，對(duì)于監(jiān)測(cè)研究區(qū)土壤改良狀況具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

安達(dá)市老虎崗鎮(zhèn)位于黑龍江省松嫩平原中部地區(qū)，屬于北溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。該地區(qū)多年平均氣溫3.4 ℃，多年平均風(fēng)速為4.6 m/s,無(wú)霜期130～145 d。研究區(qū)降雨量少，且降雨時(shí)空分布不均，多年平均降雨量430 mm，多集中在7—9月，約占全年降雨量80%，多年平均蒸發(fā)量為1645 mm，多年蒸發(fā)量是降水量的3～4倍。地面高程140 m左右，自然坡降1/5000～1/3000，呈緩坡狀大平原，局部地貌分布有起伏的沙丘、湖泊沼澤濕地、鹽堿低洼地等。

研究區(qū)域內(nèi)土地原為廢棄的鹽堿土地，面積為395 hm2。2017年開墾變?yōu)樗咎铮瑸樘K打鹽土，屬壤質(zhì)黏土，表層土壤pH值達(dá)9.22，含鹽量為0.5 g/kg，土壤滲透性較差，滲透系數(shù)在2.56×10-6cm/s以上，土質(zhì)瘦弱堅(jiān)硬，肥力較差，農(nóng)作物產(chǎn)量較低，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

國(guó)產(chǎn)高分一號(hào)(GF-1)影像和Landsat8 oli影像均具有分辨率較高、包含空間信息較多且易于獲取等優(yōu)點(diǎn)，本文采用這兩種遙感數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源。其中，GF-1數(shù)據(jù)收集于2015年和2017年，來(lái)源于國(guó)家地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/search)；Landsat8 oli數(shù)據(jù)收集于2019年，其來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)官網(wǎng)(https://www.usgs.gov/)，所選取的影像均為9月份，期間植被長(zhǎng)勢(shì)良好，同時(shí)兼顧所選取影像云量較少的質(zhì)量好的影像。

選擇研究區(qū)域1∶50 000地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用ENVI 5.5遙感處理軟件，對(duì)獲取的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，快速大氣校正、幾何校正和自動(dòng)匹配處理等，確保幾何精度，且影像投影方式為橫軸墨卡托投影UTM。并完成遙感影像的圖像掩膜裁剪等預(yù)處理。

2.2 歸一化植被指數(shù)提取

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是由Rouse等在對(duì)比值植被指數(shù)(RVI)非線性歸一化處理后得到的植被指數(shù)[9],歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計(jì)算公式(1)為：

(1)

式中：CH4為代表遙感影像近紅外波段的反射值；CH3為代表遙感影像紅外波段的反射值；NDVI為植物生長(zhǎng)狀態(tài)及植被空間分布密度的最佳指示因子。基于此獲取了2015年、2017年及2019年試驗(yàn)區(qū)歸一化植被指數(shù)圖(圖1)。

圖1 歸一化植被指數(shù)變化圖

2.3 植被覆蓋度提取

估算植被覆蓋度采用像元二分法，Gutman 和Ignatov提出了植被覆蓋度與歸一化差值植被指數(shù)(NDVI) 的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[10]，構(gòu)建了植被覆蓋度f(wàn)c的混合像元模型，即為對(duì)利用植被覆蓋度與歸一化植被指數(shù)之間關(guān)系估算植被覆蓋度，如式(2)：

(2)

式中:NDVIveg為完全被植被覆蓋的NDVI值；NDVIsoil為完全被裸土覆蓋的NDVI值。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度數(shù)量變化分析

研究區(qū)域?yàn)樘K打鹽土，植被覆蓋率低，為能夠科學(xué)分析和評(píng)價(jià)研究區(qū)域的植被覆蓋情況，根據(jù)之前學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)結(jié)合研究目的[11-12]，將植被覆蓋度劃分為3個(gè)等級(jí)，分別為低蓋度植被區(qū)：植被覆蓋度0～0.4，主要為裸地、未利用地和居民用地；中蓋度植被區(qū)：植被覆蓋度0.40～0.75，主要是低產(chǎn)草地、一般耕地；高蓋度植被區(qū)：植被覆蓋度0.75～1.00，主要是優(yōu)質(zhì)耕地等，呈片狀或塊狀分布；運(yùn)用ArcGIS 10.3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查及參考高分辨率Google Earth圖片，對(duì)分類結(jié)果開展了精度驗(yàn)證工作。形成了基于RS和GIS獲取試驗(yàn)區(qū)植被覆蓋度等級(jí)圖，從而得到試驗(yàn)區(qū)三期影像植被覆蓋度等級(jí)圖(圖2)和植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)表(表1)。

表1 研究區(qū)不同年份植被覆蓋度面積統(tǒng)計(jì)

由表1可知，從2015—2019年，研究區(qū)植被覆蓋度主要由低蓋度植被向高蓋度植被轉(zhuǎn)換。2015年尚未開展試驗(yàn)，研究區(qū)主要以低蓋度植被、鹽堿地和水域?yàn)橹鳎猩w度次之，高蓋度植被面積最小。其中，低蓋度植被面積為248.62 hm2，占研究區(qū)總面積的62.88%；而中蓋度植被和高蓋度植被面積分別為124.34 hm2和22.43 hm2，比例之和為37.12%，主要為灘涂地及草地，表明研究區(qū)的土地利用類型主要為裸地鹽堿地等，土地大多處于自然荒廢的狀態(tài)。到了2017年，研究區(qū)進(jìn)行改土種稻，植被覆蓋度等級(jí)發(fā)展變化。此時(shí)中蓋度植被面積最大，為237.82 hm2，占研究區(qū)面積的60.15%，其次是低蓋度植被及高蓋度植被，面積占比分別為21.22%及18.63%。低蓋度植被面積變化最大，主要轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩w度植被，其余轉(zhuǎn)變?yōu)楦呱w度植被。間接表明經(jīng)過(guò)改土種稻實(shí)驗(yàn)，研究區(qū)的土地類型已發(fā)生轉(zhuǎn)變，原來(lái)的荒草地和鹽堿地現(xiàn)在已大部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐话愀兀〔糠洲D(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)耕地。2019年，研究區(qū)的高蓋度植被明顯增多，試驗(yàn)區(qū)土地經(jīng)過(guò)改土種稻實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步朝著好的方向發(fā)展。其中，高蓋度植被面積最大，為208.71萬(wàn)m2，占研究區(qū)總面積的52.78%，其次是中蓋度植被，此時(shí)低蓋度植被面積最小，僅占研究區(qū)面積的8.68%。

3.2 植被覆蓋度質(zhì)量變化分析

借助于RS和 GIS技術(shù)，通過(guò)式(1)～式(3)，定量獲取研究區(qū)2015年、2017年和2019年植被覆蓋度情況，得到三期影像植被覆蓋度等級(jí)圖(圖2)。

圖2 植被覆蓋度等級(jí)分類圖

由圖2可以看出，2015年試驗(yàn)區(qū)主要以低蓋度植被為主，2017年中蓋度植被面積最多，從2015—2017年，低覆蓋度植被凈減少了164.71 hm2，中覆蓋度植被面積凈增加了113.48 hm2，研究區(qū)中覆蓋度植被主要由低覆蓋度植被轉(zhuǎn)換而來(lái)，低覆蓋度植被減少意味著該時(shí)期研究區(qū)鹽堿地治理取有了一定的效果，改土種稻試驗(yàn)取得一定的成果。到了2019年，高蓋度植被面積最大。從2017—2019年，中覆蓋度植被減共少了85.47 hm2，高覆蓋度植被凈增加了135.04 hm2，該時(shí)期研究區(qū)主要由中蓋度植被逐漸變?yōu)楦吒采w度植被，表明研究區(qū)高質(zhì)量的耕地面積最大，進(jìn)一步表明研究區(qū)改土種稻成果較為顯著。總的來(lái)看，2015—2019年，研究區(qū)植被覆蓋度由的低覆蓋度植被轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩w度植被，最后變?yōu)楦吒采w度植被。高蓋度植被面積增加最多，由研究區(qū)總面積5.67%變?yōu)?2.78%，面積增加了186.28 hm2，表明經(jīng)過(guò)改土種稻試驗(yàn)，原來(lái)的荒草鹽堿地逐步變?yōu)橐话愀兀詈蟠蟛糠肿優(yōu)閮?yōu)質(zhì)耕地。因此，改良種稻試驗(yàn)成果顯著，已將原來(lái)的裸地和鹽堿地部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱似胀ǜ兀蟛糠洲D(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)耕地。

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)過(guò)改土種稻試驗(yàn)，結(jié)合衛(wèi)星影像，基于RS和GIS技術(shù)，定量獲取研究區(qū)植被覆蓋度等級(jí)面積，探究研究區(qū)土壤改良狀況。結(jié)果表明，通過(guò)改土種稻，研究區(qū)植被覆蓋度由低覆蓋度逐漸變?yōu)橹懈采w度，最終變?yōu)楦吒采w度，達(dá)到了鹽堿地改良的效果。

(2)通過(guò)植被覆蓋度等級(jí)變化的分析，間接評(píng)價(jià)研究區(qū)土壤改良狀況，結(jié)合實(shí)地調(diào)查對(duì)比，表明基于RS技術(shù)監(jiān)測(cè)鹽堿地改土種稻方法可行，遙感技術(shù)可為大面積鹽堿地改良治理提供較為有效的監(jiān)測(cè)手段。