土壤盐渍化在全球尤其是干旱和半干旱地区是重要自然灾害之一,光学遥感具有波谱信息丰富,反映的地物特征多,成像清晰的特点,成为土壤盐渍化遥感监测的重要数据源,但目前光学遥感技术用于土壤盐渍化定量监测的特征和规律并不被人们完全掌握。针对目前土壤盐渍化光学遥感监测中存在的问题,本文通过选择不同的研究区,开展了不同时期、不同程度和类型的土壤盐渍化状况的光学遥感定量监测,深入和系统地研究了基于光学遥感的土壤盐渍化定量监测问题,得到了区域土壤盐渍化光学遥感监测结果和土壤盐渍化光学遥感监测的一些特征。本文的研究目标是以实测土壤高光谱数据和光学遥感数据为主要数据源,将区域土壤盐渍化遥感监测研究与区域土壤盐分特征和变化规律研究结合,研究提高土壤盐渍化遥感监测精度的方法,基于区域土壤盐分和土壤光谱的关系以及区域土壤盐渍化特征,实现区域尺度土壤盐渍化状况光学遥感定量监测:在研究过程中,通过深入分析土壤盐分、土壤盐成分及其含量与土壤光谱之间的关系,探索土壤盐渍化光学遥感定量监测的特征,为土壤盐渍化光学遥感定量监测提供研究依据。围绕研究目标开展了4个方面的研究,包括区域土壤盐分、盐成分和遥感数据光谱之间的关系;表层和深层土壤盐分与土壤光谱的关系;区域土壤盐渍化程度光学遥感定量监测与精度评价;光学遥感土壤盐渍化监测结果的实验验证和分析。采用的研究方法有相关分析、非线性回归分析、中介效应分析、聚类分析、偏最小二乘回归建模、配对样本t检验以及有关的高光谱数据处理方法、变量间非线性关系的建模方法等。本文开展的工作和取得的主要研究成果如下:一、基于高光谱数据的库车绿洲研究区土壤盐分下降期土壤盐渍化定量监测研究。得到库车绿洲2010年10月土壤盐分下降期,0-10cm、10-30cm和30-50cm土层,从上而下,土壤含盐量逐渐减小,深层土壤含盐量和表层土壤含盐量为比较强烈的幂函数关系,这个规律对于研究区主要盐离子Na+和CI-含量也存在;研究区各土层主要盐类为NaCI;对于表层0-l0cm 土壤,土壤盐分和主要盐成分与土壤光谱反射率相关性最大的波段具有一致性特征,可以利用HJ-1A高光谱数据分析土壤主要盐成分组成情况;中介效应分析表明深层土壤盐分通过影响表层土壤盐分而影响土壤光谱反射率;提出了集成土壤盐渍化地学机理与地表参数的土壤含盐量估算遥感建模方法,构建了用于土壤盐分监测的盐分指数,选择了用于土壤盐分监测的地表参数,提高了表层土壤盐分估算精度。二、基于多光谱数据的库车绿洲研究区土壤盐分上升期土壤盐渍化定量监测研究。得到研究区土壤盐分上升期深层土壤含盐量和表层土壤含盐量为强烈的幂函数关系;深层土壤盐分通过影响表层土壤盐分而影响土壤光谱反射率;基于提出的集成土壤盐渍化地学机理与地表参数的土壤含盐量估算遥感建模方法,利用表层0-l0cm 土壤盐分和Ladndsat 5 TM数据各个波段反射率的关系,构建了不同的土壤盐分指数,构建的土壤盐分指数,深层土壤含水量、以前用于水体信息提取的归一化差分水体指数NDWI(即本研究的NDSI)能够提高表层土壤盐分估算精度;研究了利用多元回归方法建立土壤盐分遥感监测模型的特征变量选择问题,在基于多源数据的多元回归建模中,特征变量间的关系会影响到估算模型的建模精度,敏感波段不一定是最好的建模变量;根据深层土壤盐分和表层0-lOcm土壤盐分强烈的幂函数关系,估算了深层土壤盐分,在该研究区的土壤盐分上升期存在利用光学遥感间接监测深层土壤盐分的可能性。三、基于多光谱数据的艾比湖研究区土壤盐分下降期土壤盐渍化定量监测研究。得到研究区土壤Na-、CI-、S042-和Ca2+的含量较大,且它们的含量差别不是很大,土壤含盐量与这几种盐离子含量有较大的相关性,各层土壤盐分呈幂函数关系;分析得到该研究区土壤主要盐类有两种,为NaCI和CaS04;土壤含盐量、Na+和CI-含量与土壤光谱反射率的关系呈现显著的非线性特征,但S042-和Ca2+含量与土壤光谱反射率的关系为线性或近似线性关系;土壤盐分监测的敏感波段和主要盐离子含量监测的敏感波段一致,在这个区域,多光谱光学遥感在一定程度上可以分析土壤主要盐类组成情况;根据土壤含盐量和土壤光谱反射率的关系建立的多个土壤盐分指数在提高表层土壤盐分估算精度上有效。四、土壤盐渍化光学遥感监测结果实验验证与分析。证明了土壤盐渍化光学遥感监测结果是可靠的,并得到光学遥感土壤盐渍化定量监测的一些特征。根据以上研究结果,本研究在土壤盐渍化光学遥感定量监测和区域土壤盐渍化光学遥感监测方面具有一定创新和贡献。对土壤盐渍化光学遥感定量监测的创新和贡献是:①发现和验证了混合盐类土壤中,如果土壤主要盐类组成比较单一,尤其是只有一种主要盐类情况下,在一定的土壤盐分含量下,土壤盐分和土壤主要盐成分含量光学遥感监测敏感波段具有一致性特征,在这种情况下,土壤盐分和土壤光谱反射率的关系受主要盐类控制,光学遥感在在一定程度上可以用来分析土壤主要盐类组成情况;②发现和验证了土壤盐分和土壤光谱反射率一般为线性或近似线性特征,在两种盐类组成的混合盐类中,如果两种盐质量比例差别不大或者质量占比相等,土壤盐分和土壤光谱反射率的关系可能具有显著的非线性关系特征,在土壤盐渍化光学遥感监测中要考虑非线性关系对土壤盐分估算精度的影响;③证明了影响土壤盐分监测敏感波段选择的因素有土壤盐种类、土壤类型、土壤含盐量以及混合盐中各盐类数量和质量比例等;④在某些土壤中,某些盐类在土壤中的含量和土壤光谱反射率的相关关系,在某些波段,会随着土壤中该类盐含量的增加而减弱;⑤在土壤盐渍化光学遥感监测研究领域上,将目前主要是土壤盐分和土壤光谱之间关系的研究扩展到土壤盐分、土壤盐成分和土壤光谱之间关系的研究,研究领域更微观、更精确。对区域土壤盐渍化光学遥感监测的创新和贡献是:①分析得到研究区不同深度土壤盐分呈幂函数关系,在区域土壤盐分上升期,存在利用光学遥感间接监测深层土壤盐分的可能性;②提出了集成土壤盐溃化地学机理与地表参数的区域土壤盐渍化光学遥感监测建模方法,发现深层土壤含水量、以前用于提取水体信息的归一化差分水体指数能够提高研究区表层土壤盐分估算精度。此外,基于中介效应过程的深层土壤盐分和土壤光谱的关系分析;土壤盐类和土壤光谱的关系分析;土壤样本盐类聚类分析时判定规则的制定;土壤盐分估算多元回归模型建模时,特征变量的选择问题是本研究的特色之处。