基于GF-2 遙感影像的引黃灌區土壤電導率與Ca2+含量估算

董 芳，趙振華，邢立亭，劉展宏

（1.濟南大學 水利與環境學院，山東 濟南 250022； 2.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014）

鹽漬化已經成為制約農業持續發展的因素之一，中國鹽漬化土壤的分布范圍廣、面積大［1］，黃河流域范圍內的耕作土壤鹽漬化問題尤為突出［2-5］。 為盡快實現黃河流域高質量發展，需對沿黃區域土壤進行鹽漬化類型及程度的劃分和確定，快速獲取區域內土壤鹽分總量和離子含量的分布數據，進而為沿黃區域鹽漬土的改良提供基礎數據和技術支撐。

20 世紀70 年代以來，衛星遙感技術開始應用于土壤鹽漬化的相關研究。 多光譜遙感影像是常用的數據源之一，目前多數研究采用美國陸地衛星遙感數據［6-12］，同時哨兵數據［13-14］、我國高分遙感數據［15-16］和無人機影像［17-18］的應用也逐漸增多。 研究主要集中在土壤含鹽量的定量反演方面，多數研究者利用植被指數和敏感波段及其變形［8-9，19-20］與實測數據進行擬合，可以在一定程度上提高模型擬合度［10-18］；還有學者將實測高光譜數據、實測土壤含鹽量數據與多光譜衛星遙感數據相結合，預測區域含鹽量［14，21-22］。 鹽漬化土壤可溶性鹽基離子含量的定量研究主要是利用實測高光譜數據，探測光譜波段多位于可見光-近紅外譜段［23-26］， 但基于多光譜衛星遙感數據的鹽基離子的反演并沒有太多的試驗數據。

高分二號（GF-2）衛星具有分辨率高、穩定、幅寬較寬的優勢，利用GF-2 多光譜遙感影像，結合實測數據，對土壤含鹽量及鹽基離子含量進行預測，研究其適用程度，可為土壤鹽漬化的大規模監測提供新的研究思路。 本文采用山東省濟南市濟陽區引黃灌區的GF-2影像，嘗試采用統計學模型與多光譜遙感數據建立擬合函數，獲取區域土壤電導率及鈣離子含量，并對擬合結果進行分析和總結。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省濟南市濟陽區地處黃河下游北岸黃河沖積平原，為典型的咸水區，淺部地層主要由黃河多次泛濫淤積形成，地表巖性以粉土、粉質黏土為主。 該區域屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，集中降雨期為7—9 月；蒸發量年內分配不均，春季蒸發量增大，6—7 月達到最大。 本研究土壤樣品數據采自濟南市濟陽區西鹽村和 王 興 家 村， 位 于 東 經116° 52′—117° 27′、 北 緯36°41′—37°15′，總面積約為13.321 km2。 黃河位于研究區南部，附近河段為地上“懸河”，河床高于地面5 m以上。 研究區東部為引黃灌渠，春灌和冬灌是引黃河水灌溉。 經實地調查發現，研究區內土壤次生鹽漬化現象嚴重。

1.2 土壤樣品采集及室內測定

土壤采樣時間為2019 年12 月26 日，采集土壤的地點多選在耕地和裸土。 土壤樣本采集深度設定為地表向下0 ～5 cm，除去動植物殘留體、礫石、肥料團塊等，裝入密封紙袋并標號，用于檢測土壤電導率和Ca2+含量，共采集土壤樣品44 個。 將土壤樣品按1 ∶5（土∶水）制成水土混合溶液，充分攪拌10 min，使土壤全部溶解于水中，放入離心機中以7 000 r／min 運行5 min，吸上層清液放置于塑料瓶并標號。 使用電導率儀（雷磁DDSJ-308F 電導率儀）測定25 ℃時的土壤電導率（EC）；采用EDTA 配位滴定法測定土壤Ca2+含量。

1.3 遙感影像獲取與預處理

遙感影像采用我國研發的GF-2 衛星影像，傳感器全色分辨率1 m，多光譜分辨率4 m，融合后圖像空間分辨率可達1 m。 成像時間為2019 年12 月27 日，下載自中國資源衛星應用中心山東高分中心數據分發系統。 對GF-2 遙感影像進行大氣校正、輻射定標、幾何校正等處理，將多光譜數據和全色數據融合，為了避免非土壤區域影響反演結果，對遙感影像中的建筑用地、道路、引黃灌渠等進行掩膜剔除。

1.4 數據處理

1.4.1因子提取

土壤鹽漬化程度與鹽分含量、植被密度、土壤含水量等因素關系密切。 本研究選擇相關的15 個特征光譜指數（見表1）、8 個創建的新光譜指數（見表2），建立遙感圖像與土壤電導率及Ca2+含量的定量關系。 其中，創建的新光譜指數是依據現有的光譜指數以及鹽離子含量與波段的相關系數來確定的，間接表現土壤鹽分狀況。

表1 遙感光譜指數

表2 創建的新光譜指數

1.4.2擬合方法

采用一元及多元線性回歸模型分析土壤電導率、Ca2+含量與上述遙感光譜指數的擬合關系。 擬合結果中僅保留通過顯著性檢驗（Sig.＜0.01） 的回歸模型，并采用決定系數R2和均方根誤差（RMSE） 評價模型對土壤電導率和Ca2+含量的擬合效果。

2 結果分析與討論

2.1 因子與土壤鹽分的相關性分析

將土壤電導率、Ca2+含量與表1、表2 中的光譜指數進行Pearson 相關性分析，并進行顯著性檢驗。 由圖1 可知，通過顯著性檢驗（Sig.＜0.01）且相關性較強的因子有DSI、SI4、SI5和SI11（相關系數絕對值大于0.4），在本研究中選擇這4 個因子作為回歸分析自變量。

圖1 土壤電導率、Ca2+含量與光譜指數之間的相關性

2.2 土壤電導率的估算

2.2.1擬合結果分析

在44 個樣本點中，隨機選擇36 個樣本點建立擬合方程，其他8 個樣本點用做精度驗證。 將現有的實測土壤電導率數據和擬合因子（DSI、SI4、SI5和SI11）進行一元及多元線性回歸，得到表3。

由表3 可知，利用光譜指數擬合電導率的一元線性模型的R2均低于0.5，僅DSI指數略高為0.494；二元線性模型的R2有顯著提高，均大于0.55，其中DSI和SI5的組合R2最高，為0.594；三元線性模型的R2略有提高，但并不顯著。 由上述分析可知，二元線性模型中DSI和SI5的組合對電導率的擬合最為合理，且這2 個自變量能較好地解釋因變量（Sig.＜0.01），最終得到電導率二元線性擬合方程為

表3 電導率擬合的線性回歸模型匯總和參數估計

式中：Y為土壤表層電導率估算值；DSI為差值光譜指數數值；SI5為鹽分指數5 數值。

利用隨機選擇的8 個精度驗證點土壤電導率實測數據，對二元線性回歸方程的精度進行驗證，計算平均絕對誤差（MAE）為0.487 dS／m，均方根誤差（RMSE）為0.444 dS／m。 從精度評價指標來看，擬合方程可以滿足電導率反演的精度要求。

2.2.2土壤電導率分布特征

利用高分二號遙感影像估算表層土壤電導率，依據土壤鹽漬化等級的劃分標準，將研究區土壤鹽漬化劃分為4 級：EC＜2 dS／m 為非鹽漬土；2 dS／m≤EC＜4 dS／m為輕度鹽漬化；4 dS／m≤EC＜8 dS／m 為中度鹽漬化；8 dS／m≤EC＜16 dS／m為重度鹽漬化［27］。 除去非土壤區域，研究區土壤鹽漬化程度整體較低，非鹽漬土占區域土壤面積的73.212%，輕度鹽漬化土壤約占23.314%，中重度鹽漬化土壤面積不足3.5%。 輕度鹽漬化土壤主要分布在引黃灌渠兩岸及南部和西部居民點周邊，中度鹽漬化土壤與輕度鹽漬化土壤交錯分布，零星分布有重度鹽漬化土壤，其分布特征與實測數據較為一致。

2.3 土壤Ca2+含量的估算

2.3.1擬合結果分析

利用與電導率擬合相同的36 個樣本點建立模型，8 個樣本點用做模型精度驗證。 將現有的實測土壤Ca2+含量數據和擬合因子（DSI、SI4、SI5和SI11）進行一元及多元線性回歸，得到表4。

由表4 可知，利用光譜指數擬合Ca2+含量線性模型的R2與擬合電導率的R2具有相似的規律，即二元線性模型中DSI和SI5的組合對Ca2+含量的擬合最為合理（R2為0.586，Sig.＜0.01），且2 個自變量能較好地解釋因變量（Sig.＜0.01），最終得到Ca2+含量二元線性擬合方程為

表4 Ca2+擬合的線性回歸模型匯總和參數估計

式中：Z為土壤表層Ca2+含量估算值；DSI為差值光譜指數數值；SI5為鹽分指數5 數值。

利用隨機選擇的8 個精度驗證點土壤Ca2+含量實測數據，對二元線性回歸方程的精度進行驗證，計算平均絕對誤差（MAE）為1.174 cmol／kg，均方根誤差（RMSE）為1.209 cmol／kg。 從精度評價指標來看，Ca2+含量的擬合精度低于電導率，基本可以滿足擬合 要求。

2.3.2土壤Ca2+含量分布特征

利用GF-2 遙感影像估算表層土壤Ca2+含量，將Ca2+含量劃分為缺乏、中等、高量和極高4 級［28］。 除去非土壤區域，研究區土壤Ca2+含量以中等和高量為主，Ca2+中等含量土壤面積最大，占總面積的41.228%；其次是Ca2+高量土壤，占總面積的38.660%；Ca2+缺乏土壤占比為18.608%，而極高等級占比為1.504%。 從空間分布上來看，Ca2+含量等級為高量的土壤主要集中在引黃灌渠兩岸及南部和西部居民點周邊、作物長勢相對較差的耕地或荒地，其中交錯分布有中等等級土壤，Ca2+含量缺乏土壤主要分布在東部耕地，其分布特征與實測數據大致相符。

2.4 土壤電導率與Ca2+含量的關系

對44 個樣本點的實測電導率與Ca2+含量進行相關性分析，相關系數為0.941，為雙側顯著性相關（Sig.＜0.01）。 對比分析研究區土壤電導率與Ca2+含量分布（見表5）發現，隨著土壤鹽漬化程度的加劇，土壤中Ca2+含量也隨之增加。 非鹽漬化土壤中Ca2+含量以中等為主，土壤Ca2+缺乏區域和高量區域面積相近，均占18%左右；輕度鹽漬化區域土壤全部為Ca2+高量等級；中度鹽漬化區域Ca2+含量等級為高量與極高，面積比約為2 ∶1；重度鹽漬化區域全部為Ca2+含量極高等級。

表5 不同鹽漬化程度土壤中Ca2+含量分布 %

2.5 討 論

（1）遙感影像的光譜反射率和光譜指數與電導率有較好的相關性，而與單一的鹽離子的相關性相對較低。 雖然通過多個光譜指數的組合，可以在一定程度上提高鹽離子含量的估算精度，但統計模型的反演精度很難有更大的改進，今后的研究中應考慮土壤水鹽運移原理，采用相應的物理模型實現更高精度的遙感反演。

（2）通過電導率與Ca2+含量分布的對比分析，可以快速地獲取二者之間的定性關系，但Ca2+含量對區域含鹽量的具體影響還需要更進一步的定量研究。

3 結 論

利用高分遙感影像和實測數據對黃河下游沿岸引黃灌區表層土壤的電導率與鹽離子含量進行估算，初步得到以下結論：

（1）通過相關性分析篩選的DSI和SI5指數，能夠較好地估算研究區表層土壤的電導率和Ca2+含量，整體精度屬于中等水平，電導率的估算精度高于Ca2+含量的，可以實現區域土壤電導率與Ca2+含量的大面積快速監測。

（2）研究區表層土壤的電導率整體較低，鹽漬化土壤以輕度鹽漬化為主，中度鹽漬化土壤呈點狀分布于輕度鹽漬化土壤區域內部，說明區域中土壤鹽漬化等級具有向更高等級轉化的風險，應注意地下水位的變化并進行合理灌溉，避免土壤鹽漬化程度的加重。

（3）研究區Ca2+含量以中等和高量為主，含量豐富區域主要分布在引黃灌渠兩岸及中西部區域，并在居民點周邊呈聚集狀。 與電導率分布進行對比發現，研究區Ca2+中等含量面積最大，均分布于非鹽漬土區域；其次是高量等級，在非鹽漬土、輕度鹽漬土和中度鹽漬土中均有分布，且多數分布于非鹽漬土和輕度鹽漬土區域內；Ca2+極高含量土壤集中在中度和重度鹽漬化地區，推測該區域Ca2+對土壤鹽漬化有一定的貢獻。 因此，今后的鹽漬化防治工作中可以著重考慮Ca2+含量的調整。