艾比湖流域鹽漬化土壤的多光譜和高光譜遙感反演與生態(tài)效應(yīng)研究.pdf

1、土壤鹽漬化一直以來是我國(guó)西部乃至全世界的環(huán)境問題。鹽漬土中的可溶性鹽分的含量達(dá)到0.2~2％時(shí)，直接威脅農(nóng)作物及植被的正常生長(zhǎng)、甚至衰亡，嚴(yán)重阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展。主要表現(xiàn)為草原退化、土地沙化和荒漠化等。鹽漬化的分布廣泛而且發(fā)生在極度缺水、偏遠(yuǎn)、欠發(fā)達(dá)的干旱區(qū)，因而治理鹽漬土面臨著生態(tài)挑戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
　　艾比湖流域地處我國(guó)西北邊陲，生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)極為脆弱，鹽漬化現(xiàn)象在流域內(nèi)非常普遍，作為“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”戰(zhàn)略中的亞歐大

2、陸橋經(jīng)濟(jì)走廊，嚴(yán)重制約著周邊地區(qū)交通運(yùn)輸、農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)合作。
　　從多角度、大區(qū)域范圍掌握研究區(qū)內(nèi)土壤鹽分信息，能夠準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測(cè)土壤鹽分含量，對(duì)于改善鹽漬化現(xiàn)象和促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有一定的理論和實(shí)踐意義。遙感技術(shù)突破傳統(tǒng)的取樣方法，能夠保證低成本、準(zhǔn)確及時(shí)的實(shí)現(xiàn)大面積的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。利用遙感影像的多波段高分辨率等優(yōu)勢(shì)反復(fù)地獲取地物數(shù)據(jù)，從而有效的結(jié)合地面地物光譜特征，得到地面地物全面的信息特征和鹽分含量等級(jí)圖。

3、
　　本文以多光譜遙感和高光譜影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助野外實(shí)際測(cè)量的鹽分含量信息，有效地利用土壤光譜反射率特征、實(shí)現(xiàn)遙感方法和地面測(cè)量法對(duì)鹽漬土的定量監(jiān)測(cè)，并揭示研究區(qū)土地覆蓋空間變化規(guī)律與景觀變化特征。最后對(duì)其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：
　　1.表層土壤鹽分和鹽基離子組成特征
　　以野外和實(shí)地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)艾比湖流域土壤鹽分和鹽基離子進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析。表層土壤的鹽分含量極高，聚集性比較強(qiáng)

4、烈。Na+變異系數(shù)最大，HCO-3的變異系數(shù)最小，SO2-4、Na+、Mg2+具有較強(qiáng)的變異性。在易溶性鹽類形成中，氯化物表聚性最強(qiáng)烈，碳酸鹽最弱。在鹽離子中Na+含量高于其他陽離子，Cl-含量高于其他陰離子。鹽分的平均值為29.93g/kg，鹽分含量值比較大,同樣在表層強(qiáng)烈的聚集，pH均值為8.29，鹽堿化現(xiàn)象非常嚴(yán)重?？傷}含量與K+、Na+和Cl-的相關(guān)性較顯著，與SO2-4、HCO-3和Ca2+具有較低的相關(guān)性，與Mg2+存在負(fù)相

5、關(guān)。
　　2.不同荒漠-鹽生植被光譜特征
　　測(cè)定離湖濱不同遠(yuǎn)近距離4個(gè)樣區(qū)的幾種典型荒漠-鹽生植被反射光譜，采用導(dǎo)數(shù)法分析植被光譜（如紅邊，綠峰，藍(lán)邊）特征；在離湖最近、鹽漬化較輕的樣區(qū)反射率值為最高，其次分別是離湖較近的濕地鹽沼區(qū)、河流下游段和鹽漬地嚴(yán)重的裸露區(qū)；植被光譜曲線在680～760nm附近達(dá)到增長(zhǎng)最高值，反射率最高達(dá)0.9；4個(gè)樣區(qū)植被的“紅邊位置”有相似的吸收光譜波段特征，“紅邊位置”在720nm處，向長(zhǎng)波段

6、方向靠近。
　　3.HSI影像光譜鹽分估算模型
　　首先分析不同鹽分含量在 HSI影像上的光譜反射特征，隨著波長(zhǎng)的增加光譜反射率也增加，鹽分含量越高其光譜反射率就越高；土壤含鹽量與 HSI影像光譜反射率的相關(guān)系數(shù)大約為0.8、波段高，敏感性就越高。敏感波段基本位于近紅外波段，以780~924nm波長(zhǎng)范圍最佳；建立ASD光譜和HSI影像光譜的鹽分的估算模型，其模型檢驗(yàn)樣本的決定系數(shù)（R2）分別為：0.719和0.62；利用AS

7、D光譜反射率對(duì)數(shù)的倒數(shù)一階導(dǎo)數(shù)鹽分反演模型校正HSI影像光譜反射率均方根一階導(dǎo)數(shù)模型；然后將校正后的影像光譜預(yù)測(cè)鹽分值作為基準(zhǔn)值與實(shí)測(cè)鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)樣本決定系數(shù)（R2）為0.81，均方根誤差（RMSE）為0.278；最后制作研究區(qū)土壤鹽漬化程度空間分布圖。
　　4.多源遙感ASTER影像光譜土壤鹽分反演模型
　　ASTER影像隨著波段的增加其光譜反射率也增加，鹽分含量越高光譜反射率就越高；ASTER影像與鹽分含量的相

8、關(guān)性普遍比較低，敏感波段基本在2.33μm和2.4μm；通過影像波譜響應(yīng)函數(shù)對(duì)ASD光譜進(jìn)行重采樣使與ASTER光譜波段相對(duì)應(yīng)；采用多元線性回歸算法分別建立基于ASTER影像光譜和重采樣的ASD光譜鹽分預(yù)測(cè)模型；ASTER影像光譜預(yù)測(cè)鹽分值與實(shí)測(cè)的鹽分值的檢驗(yàn)樣本決定系數(shù)（R2）為0.78，均方根誤差RMSE為1.240；ASD重采樣光譜的土壤鹽分估算的鹽分值與實(shí)測(cè)鹽分值進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后的決定系數(shù)（R2）0.80，RMSE為1.291；

9、利用ASD重采樣的鹽分估算模型校正影像光譜模型，模型的決定系數(shù)（R2）提高到0.9155，且均方根誤差（RMSE）值為0.961。
　　5.土地覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)及景觀格局變化
　　選擇艾比湖地區(qū)2007、2010和2014年9月份的Landsat7/8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行土地覆蓋面積和空間動(dòng)態(tài)變化研究；2007-2010年，綠地、沙地和裸地、鹽漬地和其它類的面積增加，水體和沼澤地面積有所減少；沙地，裸地與鹽漬地雙向流轉(zhuǎn)，綠地大部分

10、面積轉(zhuǎn)變?yōu)樯车睾吐愕嘏c鹽漬地，沼澤地和鹽漬地也相互轉(zhuǎn)化；2010-2014年，綠地、沼澤地和其它類的面積增加，而水體、沙地和裸地與鹽漬地面積有所減少。沙地和裸地更多的向綠地轉(zhuǎn)化、鹽漬地向沼澤地、水體向鹽漬地繼續(xù)轉(zhuǎn)化，鹽漬化現(xiàn)象及生態(tài)環(huán)境在后期有所改善；
　　在土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，以景觀生態(tài)學(xué)和景觀指數(shù)法，剖析景觀變化過程。綜合分析發(fā)現(xiàn)，艾比湖流域的景觀密度逐年增加、斑塊指數(shù)在減少、形狀趨于不規(guī)則而復(fù)雜；研究區(qū)景觀類型較豐富，

11、且過渡帶的植被類型分布尤其突出，散布與并列指數(shù)IJ I處于中等狀態(tài)，景觀內(nèi)斑塊聚集度高，斑塊分布比較均勻。2007-2014年間，綠地、沼澤地、鹽漬地類斑塊的COHESION值都高，也是主要景觀類型，連通性比較好。在7年間，沙地和裸地的分散的分布，空間連通性低。鹽漬地在整個(gè)景觀中的復(fù)雜度最高，綠地、沙地和裸地表現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水體和沼澤地的破碎化程度最低。
　　（6）驅(qū)動(dòng)力分析
　　2007-2014年間，氣溫持續(xù)升高和降水

12、量呈下降的趨勢(shì)，對(duì)土地覆蓋變化及鹽漬化的產(chǎn)生和發(fā)展有一定的影響；總?cè)丝跀?shù)量的增加，農(nóng)用地面積不斷的擴(kuò)張和工業(yè)化產(chǎn)值的劇增，引起一系列的土地退化和荒漠化問題。通過對(duì)人類活動(dòng)和自然對(duì)鹽漬化的貢獻(xiàn)量發(fā)現(xiàn)，在2007-2010年間人類活動(dòng)的影響比較大，而在2010-2014年自然條件對(duì)鹽漬化的影響占主導(dǎo)作用。
　　本研究以期為提高影像鹽分預(yù)測(cè)模型在區(qū)域尺度條件下土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)精度指明新的思路，同時(shí)可能為建立地面測(cè)量高光譜與星載多光譜數(shù)據(jù)間