基于Sentinel2A影像的干旱区土壤盐渍化监测研究

以渭干河—库车河三角洲绿洲为例,在5种盐分光谱指数(NDSI、SI、SI1、SI2、SAVI)基础上,选择Sentinel2A多光谱影像中的3个红边波段和近红外窄波段进行扩展,提出了新的基于红边和近红外窄波段的光谱指数,用偏最小二乘回归(PLSR)方法构建土壤电导率遥感反演模型。结果表明：相对传统光谱指数,引入红边1波段(B₅)和近红外窄波段(B_8a)的光谱指数与土壤电导率相关性显著提高;基于Sentinel2A影像的PLSR的土壤电导率信息建模效果较好(R²=0.77),模型准确、可靠。盐分反演结果表明研究区土壤盐分含量整体较高,盐渍化影响范围广泛。自绿洲内部向外围由非盐渍化向轻度—中度—重度盐渍化过渡,绿洲西部、南部轻度盐渍土分布较多,绿洲东部、东南及西南方向有重度盐渍土及极重度盐渍土分布,盐渍化程度较高。     

基于GF-1土壤有机质含量估测的研究

【目的】本试验利用GF-1遥感影像估测土壤有机质含量。【方法】该文对扶余市耕作区土壤进行采样,在实验室化验土壤样品的有机质含量,分析GF-1各波段反射率及其变换形式与土壤有机质含量的相关性,确定有机质的敏感波段,建立土壤有机质含量的单波段与多波段估测模型,旨在通过比较估测模型的精度和稳定性,确定研究区土壤有机质含量的最优估测模型。【结果】F-1各波段反射率与有机质含量均呈显著负相关,且在第3波段达到最大值,其相关系数为-0.805,均方根误差为0.362;将反射率进行幂、指数变换以后可以有效提高与有机质含量的相关性,相关系数分别提高至-0.886和-0.872,均方根误差下降至0.283和0.342;利用前3个波段反射率指数变换建立起的多元估测模型,模型判定系数R~2达到0.851,检验样本的均方根误差降低至0.172,表明此模型的估测精度较高、稳定性较好。【结论】GF-1遥感影像可以作为估测土壤有机质含量的遥感数据源,并为使用GF-1遥感影像估测土壤成分等方面的研究提供参考。     

基于Sentinel卫星及无人机多光谱的滨海冬小麦种植区土壤盐分反演研究——以黄三角垦利区为例

【目的】探究黄河三角洲麦田土壤盐分准确高效的遥感提取方法,掌握土壤盐渍化程度与分布。【方法】以垦利区为研究区,均匀布设冬小麦种植区样点77个,同时设置代表性试验区2个,网格布设样点99个,实测采集麦田土壤表层盐分数据及试验区无人机多光谱图像。筛选红、绿、红边、近红4个波段及SI、NDVI、DVI、RVI、GRVI 5个光谱指数中的敏感光谱参量,采用逐步回归、偏最小二乘法、BP神经网络及SVM支持向量机4种方法建立土壤盐分估测模型,使用波段比值均值法得到Sentinel-2A卫星影像相应波段的修正系数,进而将筛选的土壤盐分估测模型转换为基于卫星影像的反演模型,经麦区实测样点数据验证,得到最佳的麦区土壤盐分反演模型,实现试验区和研究区2个尺度的麦田土壤盐分反演。【结果】无人机4个波段及光谱指数NVDI、RVI、SI与土壤盐分含量相关性显著,4种建模方法的13个模型中,以NDVI、RVI、SI建立的4个指数模型的建模及验证R²均优于其他模型;对4个模型进行升尺度修正及验证,效果最佳的反演模型为偏最小二乘法光谱指数模型：Y=-9.4774×NDVI₁+0.4794×RVI₁+3.0747×SI₁+5.0604,验证R²为0.513,RMSE为1.379;利用该模型反演得到了试验区及整个研究区麦田土壤盐分等级分布图,结合实测插值及调查结果,证明反演模型及空间分布结果准确、可靠。【结论】本研究构建了卫星、无人机一体化的滨海麦区土壤盐分反演模型,对滨海盐渍区农作物的生产管理有积极参考价值。     

光谱与纹理信息结合的黄河三角洲土壤盐渍化信息提取——以垦利区为例

土壤盐渍化是制约黄河三角洲农业发展的关键问题，及时准确地掌握土壤盐渍化信息对土地资源保护和开发利用具有积极意义。本研究以黄河三角洲核心区域垦利区2019年4月17日的Sentinel-2遥感影像为数据源，在ENVI和e Cognition软件支持下，利用灰度共生矩阵法提取遥感影像的二阶矩、对比度、熵、相关性等纹理特征信息，结合归一化植被指数（NDVI）、盐分指数（SI）等光谱特征信息，通过预设分类规则实现对黄河三角洲垦利区的盐渍土分类。结果表明，加入二阶矩、对比度、熵、相关性4个纹理特征统计量，再结合光谱信息对垦利区盐渍土进行分类，总体分类精度为92.4%，Kappa系数为0.89，相较于仅利用光谱信息的分类方法，总分类精度提高了10.5个百分点；各分类类别的生产者精度与使用者精度较仅依靠光谱信息分类的分类结果均明显提高，其中中度盐渍土的分类效果最好，其生产者精度与使用者精度最高，分别为95.0%、95.9%。本研究提出利用遥感光谱结合纹理特征实现滨海区盐渍土信息的提取方法，提高了盐渍土分类精度，为准确掌握研究区土壤盐渍化信息提供了新途径。     

基于可见/近红外光谱的黄河口区土壤盐分及其主要离子的定量分析

【目的】定量、准确地监测盐渍土,对其防治和农业可持续发展至关重要,论文旨在明确黄河口区土壤盐分及其主要离子的特征光谱,建立适用于该区域的土壤盐渍化定量分析模型,提高其定量分析的精度和稳定性。【方法】首先以山东省垦利县为研究区,于2014年10月5—9日野外采集代表性土样96个,对土样风干后,采用土壤化学分析方法室内分析盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))含量,并采用美国ASD Fieldspec 3光谱仪测定土样可见/近红外高光谱数据,对光谱反射率进行去噪、一阶导数变换等预处理;然后基于盐分及其主要离子不同含量的样本光谱分析盐分及其主要离子的光谱响应,在此基础上,对样本的土壤盐分及其主要离子含量与反射率的一阶导数光谱进行逐波段的相关分析,按照相关系数高且显著的原则,选取各自的敏感波段,再根据敏感波段的交叉情况选取集中波段为特征波段,进而选取特征波段中具有极值相关系数的波段作为显著特征波段,综合确定表征土壤盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))的特征光谱;最后分别采用多元线性回归(multiple linear regression,MLR)、支持向量机(support vector machine,SVM)和随机森林(random forest,RF)方法构建土壤盐分及其主要离子的定量高光谱分析模型。【结果】研究区土壤盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))含量的光谱曲线形状和走势整体一致;土壤盐分及其主要离子(Cl~-、Na~+、Ca~(2+))的光谱响应谱区为1 320—1 495、1 790—1 920、2 120—2 290 nm;基于相关分析的土壤盐分及其主要离子的敏感谱区为1 490—1 520、1 890—1 930nm;最后综合光谱响应及相关分析确定土壤盐分及其主要离子的特征波段为1 493、1 801、1 911和2 289 nm,显著特征波段为1 493和1 911 nm。模型结果显示基于2个显著特征波段反射率一阶导数的模型精度均与4个特征波段的模型精度相当,表明显著特征光谱作为盐分及其主要离子的特征光谱进行其定量分析的有效性。比较3种建模方法,RF模型的预测效果最好,SVM模型次之,而MLR模型精度最低;对于盐分、Cl~-和Na~+,3种方法构建的模型均可有效地用于其定量分析,精度较高且稳定,然而Ca~(2+)预测精度还有待提高。通过综合比较分析,基于显著特征波段(1 493和1 911 nm)反射率一阶导数构建的随机森林(RF)模型对盐分、Cl~-和Na~+均具有较好的估测精度和稳定性,也可用于Ca~(2+)的定量估测。【结论】基于光谱响应及相关分析综合确定盐分及其主要离子的显著特征光谱(1 493和1 911 nm反射率一阶导数),进而采用随机森林方法构建盐分及其主要离子的定量估测模型,适用于黄河口区土壤盐渍化信息的有效提取。     

基于卫星遥感的黄三角濒海区土壤水盐及其耦合关系时空分析

水盐时空特征及耦合关系是盐渍化土壤治理和区域生态保护管理的重要基础。本研究选择黄河三角洲代表性濒海区域——垦利区,采用野外实测与遥感影像相结合的方法,筛选相关性较高的土壤水盐光谱参量,基于敏感光谱参量构建土壤水盐定量遥感反演模型,利用经典统计分析、耦合度模型、缓冲区分析、支持向量机分类等方法,分析研究区土壤表层水盐时空分异特征及其耦合关系。结果表明：基于水分敏感光谱指数LSWI、NDII和盐分敏感光谱指数SI-T、NDSI建立的各季节土壤水盐估测模型,验证集R²均大于0.650,RMSE均小于7,Sig<0.001;研究区土壤水盐含量总体较高,含盐量以中度盐渍化为主;不同季节土壤含水量排序为夏季>春季>秋季>冬季,土壤含盐量排序为春季>秋季>冬季>夏季,水盐耦合度排序为春季>秋季>冬季>夏季;不同植被类型土壤含水量排序为荒草地>光板地>耕地>林地,土壤含盐量排序为光板地>荒草地>耕地>林地,水盐耦合度排序为光板地>荒草地>耕地>林地;由近海到内陆,研究区土壤表层含水量、含盐量以及水盐耦合度呈现逐步递减的趋势,但土壤含盐量在距海>40~50 km处、含水量在距海>30~40 km处明显上升,耦合度也有所提高。本研究提供了濒海区域土壤水盐及其耦合关系的高效定量时空分析方法,研究结果可为滨海盐碱土改良利用与资源管理提供参考和依据。     

基于XGBoost与地理加权回归的吉林省西部土壤盐渍化反演

为及时、准确地应用多源遥感数据提取干旱和半干旱区域土壤盐渍化反演特征及获取土壤盐渍化程度的空间分布数据,以吉林省西部大安市为研究区,利用Sentinel-1 SAR、Sentinel-2 MSI多源遥感数据和DEM数据,构建土壤盐分含量（Soil Salt Content,SSC）反演特征集,结合BorutaShap算法优选特征,通过耦合地理加权回归（Geographically weighted regression,GWR）与极限梯度提升树（XGBoost）回归构建土壤盐渍化反演模型,并与XGBoost回归、GWR反演结果对比分析。结果表明：SSC反演特征集中,盐分指数、植被指数在BorutaShap算法中取得了较高的重要性排名,是大安市SSC反演的重要特征。GWR模型的R²和RMSE分别为0.48和4.83 g/kg,XGBoost回归模型的R²和RMSE分别为0.54和4.35 g/kg,耦合GWR与XGBoost回归构建的土壤盐渍化反演模型预测精度得到显著提高,R²与RMSE分别达到0.63和3.71 g/kg。依据该模型反演结果,大安市各类盐渍土分布存在较强的空间异质性,土壤盐分含量呈现出由东南向西北逐渐递减的趋势,与实地调查基本一致。综上,耦合GWR与XGBoost回归模型充分考虑了反演特征的空间异质性和非线性关系,可有效提高SSC反演精度,可获得更符合实际的SSC空间分布,可用于干旱和半干旱地区土壤盐分含量的反演。     

基于Landsat影像的崇明岛东滩土壤盐分遥感反演技术

目前我国土地资源面临着严重的盐碱退化问题。以上海市崇明岛东滩盐碱土为研究对象,基于野外实地调查土壤盐分数据以及Landsat遥感影像数据计算获取的各波段反射率、盐分指数（salinity index, SI)、盐分指数1（salinity index 1, SI1）、归一化差分植被指数（normalized difference vegetation index, NDVI）、冠层盐分响应指数（canopy response salinity index, CRSI）和陆地表面水分指数（land surface water index, LSWI）,采用多元样条自回归模型（multivariate adaptive regression splines, MARS）与偏最小二乘回归方法（partial least squares regression, PLSR）分别建立土壤盐分的回归模型,并对区域盐碱土的空间格局进行探究。结果表明:①滨海土壤盐分在近红外波段有明显的吸收作用,与近红外波段、短波红外波段和NDVI相关系数较高;②MARS模型较PLSR模型对于样点土壤盐分反演有更好的效果（R2分别为0.74和0.70）;③崇明东滩滨海土壤盐分在空间上具有较高的异质性,水体附近和滩涂土壤盐分较高,林地和农田土壤盐分较低。该结果为滨海地区区域尺度上的土壤盐碱化监测提供范例,为滨海土壤盐渍化的治理及岛屿的生态建设提供参考依据。     

不同盐渍化程度下滨海盐渍土有机碳矿化规律

为探明滨海盐渍土有机碳的矿化特征及控制因子，在黄河三角洲滨海地区距海由远及近的方向上，采集6种不同盐渍化程度的土壤（距海最近的盐渍土BZ1和BZ2为“光板地”盐渍土，BZ3~BZ6均为农田盐渍土）进行室内培养，测定土壤有机碳的矿化速率，分析土壤理化性质、微生物量、细菌真菌比值等指标与土壤有机碳矿化特征的关系。结果表明：滨海盐渍土的盐渍化程度在距海由远及近的方向上呈升高趋势，其中“光板地”盐渍土BZ2的盐渍化程度最大。在255 d的培养期内，各盐渍土有机碳矿化速率随时间的动态变化均为对数函数关系（P<0.01），表现为培养前期矿化速率较快、中期显著下降、后期趋于平缓，其中“光板地”盐渍土BZ1、BZ2有机碳矿化速率显著小于农田盐渍土BZ3~BZ6（P<0.05）。土壤有机碳累积矿化量随时间的动态变化可以用一级动力学方程拟合（P<0.01），拟合结果表明，不同盐渍化土壤的潜在可矿化碳（C₀）差异显著，“光板地”盐渍土的C₀值显著低于农田盐渍土（P<0.05）。相关性分析表明，土壤有机碳累积矿化量与土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、微生物总量呈显著正相关（相关系数分别为0.975、0.954、0.893），与全盐（TS）呈显著负相关（相关系数为-0.813）；土壤TS与SOC、TN和微生物总量呈显著负相关（相关系数分别为-0.838、-0.876和-0.843），而与细菌真菌比值的相关性不显著（相关系数为0.784）。研究表明，不同盐渍化程度下滨海盐渍土的有机碳矿化规律显著不同，土壤盐分可能是通过影响土壤微生物量、碳氮固持能力来控制滨海盐渍土有机碳的矿化特征，而土壤微生物群落结构的变化对土壤有机碳矿化的影响不显著。     

豆科牧草对滨海盐渍土壤盐分特性和肥力影响的研究

[目的]探讨豆科牧草用于滨海盐渍土生物改良的可性行。[方法]利用田间长期定位试验,研究种植豆科牧草林生山黧豆和紫花苜蓿的人工草地对滨海盐渍土壤盐分特性和肥力的影响。[结果]与自然盐碱空白地相比,长期种植紫花苜蓿和林生山黧豆的人工草地的土壤盐分含量明显降低,0～40 cm土层脱盐最为强烈,脱盐率达47.8%～48.8%,土壤盐分分布由柱状型转变为底积型;0～20 cm土壤pH值明显降低;0～20 cm土层的有机质、全氮含量分别提高了28.4%、42.5%和95.6%、69.8%。紫花苜蓿草地与自然盐碱空白地的盐分离子运移存在着差异。[结论]中度盐渍化土壤种植紫花苜蓿,轻度盐渍化土壤种植林生山黧豆,是生物改良滨海盐渍土的有效途径。     

无人机多光谱反演黄河口重度盐渍土盐分的研究

【目的】为提高土壤盐分信息定量遥感提取精度,准确掌握土壤盐渍化程度与分布。【方法】选择垦利区黄河口镇集中连片的重度盐渍土区域为试验区,于2018年4月26日—28日采用搭载Sequoia多光谱相机的无人机进行试验区近地遥感图像采集,并进行图像拼接、辐射校正、正射校正和几何校正等预处理;然后基于相关性分析、灰色关联度分析筛选土壤盐分的敏感波段,构建并筛选光谱参量;进而分别采用多元线性回归（multivariable linear regression,MLR）、支持向量机（support vector machine,SVM）及偏最小二乘（partial least square,PLS）方法构建土壤盐分定量反演模型,并进行验证与评价;最后基于最佳模型进行试验区土壤盐分的分布反演与分析,并与反距离加权插值结果进行精度比较。【结果】相较相关性分析,通过灰色关联度分析的反演模型精度及显著性均有所提高;对比3种建模方法,SVM模型精度最高,PLS模型次之,MLR模型最低,最佳模型为基于灰色关联度分析筛选变量的支持向量机模型,其建模R ²、RMSE分别为0.820、3.626,验证R ²、RMSE、RPD分别为0.773、4.960、2.200;据此模型反演得到该区域土壤盐分含量为0.323—21.210 g·kg ^-1,平均值为6.871 g·kg ^-1,重度盐渍土占58.094%,与实地调查结果较为一致;反演结果与反距离加权插值结果的误差80%控制在样本盐分含量平均值的20%以内,亦较为相近。 【结论】基于无人机多光谱可实现重度盐渍土盐分信息的准确提取。     

塔里木盆地北部典型绿洲土壤盐渍化类型

土壤盐渍化是影响区域生态环境稳定性以及制约农业生产发展的重要因素。以新疆典型盐渍化土壤—渭-库绿洲为研究靶区,采用传统统计学方法,利用研究区7次不同采样时间和空间的土壤含盐量、pH及盐基离子等野外调查数据,对研究区土壤酸碱度、盐渍化类型及程度进行了分级。结果表明:渭-库绿洲盐分有强烈表聚性,春季土壤含盐量大于秋季土壤含盐量,研究区盐渍化情况较严重,土壤含盐量往加重的方向发展;研究区土壤属于微碱性土,春季土壤碱化强于秋季;各层土壤盐渍化类型主要以氯化物-硫酸盐型盐渍土和硫酸盐渍土为主,土壤中的氯化物在土壤剖面中呈自上而下减少的趋势,而硫化物呈自上而下增多的趋势。     

塔河下游典型绿洲灌区土壤盐分空间变异特征

【目的】 研究典型绿洲灌区不同深度土壤的盐渍化特征和空间分布状况。【方法】 运用GPS定位技术进行调查与采样,并结合室内样品测定结果,对塔里木河下游31团灌区土壤盐分含量和各盐分离子含量进行地统计分析和Kriging空间插值。【结果】 研究区内土壤总体呈碱性,盐分组成以氯化物-硫酸盐为主,受季节及灌溉影响,秋季蒸发强烈处于积盐阶段,根域层(0~60 cm)土壤盐分均大于深层(60~100 cm)土壤盐分。根域层盐分、Cl^-、Mg²⁺、SO^2-₄的半方差函数拟合模型符合指数模型,深层盐分、K⁺+Na⁺符合高斯模型,HCO^-₃、Ca²⁺符合球状模型。根域层盐分大多处于轻、中度盐渍化,重度盐渍化区域主要集中在研究区中部荒漠化程度高、地形复杂的区域,深层土壤盐分受秋季潜水蒸发影响,绝大部分处于轻度盐渍化,变化范围小,分布较为均匀。各土层中阴离子均以SO^2-₄为主,阳离子均以K⁺和Na⁺为主,SO^2-₄、Cl^-、K⁺+Na⁺与根域层土壤盐分有着相同的分布特征。【结论】 31团灌区土壤含盐量较高,各层土壤均处于不同程度的盐渍化状态,47.12%的根域层(0~60 cm)土壤盐分处于中度盐渍化状态,90.01%的深层(60~100 cm)土壤盐分处于轻度盐渍化状态。     

基于遥感技术的银川土地盐渍化动态监测研究

为了了解银川平原土壤盐渍化动态变化特征,更好地保护该地区生态环境,对其土地盐渍化进行动态监测研究。在分析和处理2000年和2005年2个时期的TM遥感图像后,通过缨帽变换与RVI方法,结合GIS有效地提取银川平原土壤盐渍化信息,并对其数量变化、空间变化特征进行了分析。结果表明,20世纪70～80年代盐渍化程度减轻,80年代后期有所增加,90年代盐渍化程度减轻;银川北部地区主要表现为耕地面积增加,非盐渍化耕地面积增多,盐渍化耕地面积减少,盐碱荒地面积减少,耕地盐渍化程度减轻;银川南部地区土壤盐渍化程度明显减轻。     

天津滨海盐渍土水盐运动规律研究

通过对自然状态下典型的天津滨海盐渍土进行定期调查和监测,研究天津滨海盐渍土的水盐运动规律。结果表明:土壤剖面中盐分含量随季节性变化存在明显的积盐、脱盐过程。土壤的盐化程度越高,盐分的积累与淋溶变化幅度就越大,土壤表层盐分变化频繁,变化幅度较大,底层盐分变化幅度较小。     

基于组合模型的玛纳斯河流域农田土壤盐分反演

盐渍化是影响土壤质量和作物生长的重要因素之一，利用遥感技术大面积获取土壤盐分信息具有重大意义。以新疆玛纳斯河流域农田为研究对象，将偏最小二乘回归模型(PLSR)和BP神经网络模型(BPNN)相结合，构建组合模型来反演土壤盐渍化状况。结果表明，与土壤盐分相关性较高且具有代表性的遥感指数为归-化植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)和土壤调整植被指数(SAVI)，其相关性系数分别为-0.746、-0.663和-0.733。单项预测模型中偏最小二乘回归模型的预测精度最高，其决定系数(R²)为0.759，均方根误差(RMSE)为3.159。组合模型R²为0.797,RMSE为3.611，其验证精度较单项预测模型有所提高，较PLSR模型提高了0.038，较BPNN提高了0.094。组合模型可更准确地预测出玛纳斯河流域农田土壤盐分空间分布状况。玛纳斯河流域农田土壤盐渍化以轻度和中度盐渍化为主，所占比例达到35.34%和25.66%，与实测结果一致。组合模型较单项模型可以获得更准确的土壤盐分空间分布状况，为新疆玛纳斯河流域农田土壤盐渍化治理和土地资源...