基于變異系數(shù)法的鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度水稻種植格局變化遙感監(jiān)測

汪權(quán)方，徐慧，吳華英,3，陳志杰，王新生

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430062；2.農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心武漢分中心，湖北 武漢430062；3.武漢燃?xì)鉄崃W(xué)校，湖北 武漢430062)

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基于變異系數(shù)法的鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度水稻種植格局變化遙感監(jiān)測

汪權(quán)方1,2，徐慧1，吳華英1,3，陳志杰1，王新生1

(1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430062；2.農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心武漢分中心，湖北 武漢430062；3.武漢燃?xì)鉄崃W(xué)校，湖北 武漢430062)

制定區(qū)域糧食生產(chǎn)管理對策和措施需要準(zhǔn)確掌握鄉(xiāng)鎮(zhèn)等微觀尺度上糧食生產(chǎn)的時空演變規(guī)律.利用2009—2013年的多時次SPOT衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，采用遙感和變異系數(shù)相結(jié)合的方法，在縣域范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上，對監(jiān)利縣中稻種植格局的時空變化特征進(jìn)行分析.研究結(jié)果表明：1)監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)的空間集聚性強(qiáng)，毛市、紅城、分鹽、汪橋、龔場、周老嘴和黃歇口等不僅是中稻大規(guī)模密集型種植的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并且這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)在空間上連片分布，形成了監(jiān)利縣中稻的主產(chǎn)區(qū)；2)近5年監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)規(guī)模總體上保持穩(wěn)定的狀態(tài)，年際之間大多小幅波動，但是中稻生產(chǎn)現(xiàn)代化水平不高，對自然災(zāi)害的防御和抵抗能力較弱，2011年因?yàn)閲?yán)重干旱的影響，出現(xiàn)了較多的中稻田棄種現(xiàn)象，從而導(dǎo)致該年全縣的中稻面積明顯少于前一年份；3)監(jiān)利縣境內(nèi)中稻生產(chǎn)的空間分異顯著，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻種植規(guī)模的穩(wěn)定性差異較為明顯，其中，荒湖農(nóng)場是監(jiān)利縣境內(nèi)中稻生產(chǎn)最不穩(wěn)定的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，它的中稻種植規(guī)模在不同年份之間變化較大，其CV系數(shù)最高，而分鹽鎮(zhèn)中稻面積的年際之間波動較小，中稻生產(chǎn)的穩(wěn)定性較高，再加上該鎮(zhèn)的中稻種植規(guī)模大，從而有利于分鹽鎮(zhèn)中稻生產(chǎn)的持續(xù)性發(fā)展.

水稻生產(chǎn)格局；變異系數(shù)；遙感監(jiān)測；鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度；監(jiān)利縣

0 引言

近年來我國糧食生產(chǎn)格局變化備受關(guān)注[1-6]，其原因主要在于我國糧食生產(chǎn)的時空分布發(fā)生了重大變化，如中國傳統(tǒng)的“南糧北調(diào)”格局正逐漸被“北糧南運(yùn)”格局所取代，糧食生產(chǎn)重心由南方向北方、由東部向中部不斷推移等.對于我國糧食生產(chǎn)所表現(xiàn)出來的時空格局變化，目前已有許多學(xué)者從變化特征、變化趨勢和效應(yīng)以及驅(qū)動力等不同角度進(jìn)行了深入研究[7-24]，但是現(xiàn)有研究主要集中在國家和省、市等大、中尺度上，對于縣域范圍內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的糧食生產(chǎn)空間格局則少有涉及.然而，雖然糧食需求壓力、生產(chǎn)知識和技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)體制變革無疑是我國糧食生產(chǎn)格局變動最基本的動力機(jī)制[6-8]，但不同空間尺度、不同區(qū)域之間糧食生產(chǎn)空間格局的變化形式及變化原因并不相同，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)等微觀尺度上糧食生產(chǎn)的時空演變規(guī)律及其空間集聚特征的揭示相對不足，會使得現(xiàn)有的大尺度區(qū)域研究結(jié)果難以為中微觀尺度上的糧食生產(chǎn)管理提供深度決策支持作用.基于上述認(rèn)識，本文中選擇湖北省糧食生產(chǎn)第一大縣，同時也是全國優(yōu)質(zhì)糧主產(chǎn)區(qū)的監(jiān)利縣作為研究區(qū)域，以該縣糧食生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位的中稻作為研究對象，通過綜合應(yīng)用遙感和變異系數(shù)法，分別從鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣域兩種尺度上對近5年來來監(jiān)利縣糧食生產(chǎn)格局的時空變化特征進(jìn)行分析.相關(guān)研究成果可為區(qū)域糧食生產(chǎn)管理措施和對策的制定提供科學(xué)指導(dǎo).

1 研究區(qū)域及方法

圖1 研究區(qū)位置及地面測量樣區(qū)的空間分

監(jiān)利縣下轄18個鎮(zhèn)、3個鄉(xiāng)、2個管理區(qū).本文中的研究區(qū)域(圖1)主要涉及新溝鎮(zhèn)、周老嘴鎮(zhèn)、汪橋鎮(zhèn)、黃歇口鎮(zhèn)、紅城鎮(zhèn)、程集鎮(zhèn)、毛市鎮(zhèn)、分鹽鎮(zhèn)、龔場鎮(zhèn)、網(wǎng)市鎮(zhèn)、容城鎮(zhèn)、汴河鎮(zhèn)、朱河鎮(zhèn)、福田寺鎮(zhèn)、上車灣鎮(zhèn)、棋盤鄉(xiāng)、尺八鎮(zhèn)、 橋市鎮(zhèn)、荒湖農(nóng)場和大垸農(nóng)場等20個行政區(qū).

1.2 變異系數(shù)法 變異系數(shù)是一個與標(biāo)準(zhǔn)差、級差、方差相似的常用數(shù)學(xué)統(tǒng)計量.文中應(yīng)用該指數(shù)來量化監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)的年際變化以及中稻空間分布的區(qū)域(鄉(xiāng)鎮(zhèn)間)分異狀況.變異系數(shù)也稱離散系數(shù)，它主要是反映事物間的離散程度或者差異程度，是標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均值的比值的百分值.計算公式如下[25]：

(1)

2 數(shù)據(jù)處理及中稻面積信息提取

2.1 SPOT影像處理 本文中采用成像于2009—2013年7月中旬—8月上旬的SPOT影像作為獲取監(jiān)利縣中稻信息的主要數(shù)據(jù)源,其中：2012年的遙感影像上局部云污染嚴(yán)重，導(dǎo)致部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的中稻解譯數(shù)據(jù)不完整，因此，最終只選取了2009年、2010年、2011年和2013年一共4期SPOT影像作為中稻面積遙感解譯的數(shù)據(jù)源.對于上述影像，首先進(jìn)行幾何校正、去云和公共區(qū)裁剪等預(yù)處理.然后，依據(jù)非監(jiān)督分類的原理，采用計算機(jī)自動分類技術(shù)對4個年份的SPOT影像分別進(jìn)行初始分類，提取包含中稻信息的所有類別.在此基礎(chǔ)上，綜合研究區(qū)中稻的生長特性及其在上述SPOT影像上的光譜、紋理和結(jié)構(gòu)等方面的表現(xiàn)特征，在ARCMAP中對初始分類結(jié)果進(jìn)行人工目視解譯修正，去除混入的非中稻地物，以精準(zhǔn)獲取研究區(qū)域4個年份的中稻面積和空間分布信息.

圖2 基于Google Earth影像的部分研究區(qū)域中稻面積測

圖3 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的2013年SPOT解譯結(jié)果驗(yàn)

圖4 基于高分?jǐn)?shù)據(jù)的2011年SPOT解譯結(jié)果驗(yàn)

圖5 2013年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻面積遙測結(jié)

2.3 Google Earth高分遙感影像處理 從Google Earth中，下載了成像于2011年7月、空間分辨率0.50 m左右的衛(wèi)星遙感影像，主要覆蓋監(jiān)利縣朱河、福田寺、龔場、周老嘴、分鹽、毛市、汴河和上車灣等鄉(xiāng)鎮(zhèn).利用ENVI軟件，結(jié)合2011年監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)實(shí)地考察所采集的樣方信息，先對該影像進(jìn)行面向?qū)ο蠓诸?，再從中提取高分影像覆蓋范圍內(nèi)的當(dāng)年中稻種植面積信息(圖2).

3 結(jié)果分析

圖6 2013年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻種植面積占國土面積的比值

圖7 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻面積的年際變化(2009—2013年)

對比各鄉(xiāng)鎮(zhèn)相鄰年份的中稻面積，結(jié)果則顯示(圖7)：網(wǎng)市、荒湖、黃歇口、大垸、容城、上車灣和尺八鎮(zhèn)(部分)的中稻面積年際變化一致，表現(xiàn)出“增-減-增”的變化特征，即2009—2010年增加、2010—2011年減少、2011—2013 增加；新溝鎮(zhèn)、龔場鎮(zhèn)、程集鎮(zhèn)和朱河鎮(zhèn)除了2010年的中稻面積相對2009年有所減少，別的年份都較前一年份增加，表現(xiàn)出“減-增-增”的變化特征；分鹽、周老嘴和汴河鎮(zhèn)僅在2013年中稻面積較前一年有所減少，其余的年份都較上一年度增加，從而表現(xiàn)出“增-增-減”的變化模式；紅城、毛市和福田寺鎮(zhèn)是2010年較2009年有所增加，而2011年、2013年都較前一年度減少，即“增-減-減”地變化；汪橋和棋盤鎮(zhèn)(部分)是2011年比2010年有增加，但別的年份相對減少，為“減-增-減”的變化；橋市鎮(zhèn)(部分)則以連續(xù)4年遞減而迥異于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn).

圖8 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻面積的變異系數(shù)(2009—2013年)

3.2.2 時空分布變異性 種植面積穩(wěn)定性是衡量區(qū)域中稻生產(chǎn)可持續(xù)性的重要指標(biāo)，本文中利用研究區(qū)域的歷年中稻面積遙測數(shù)據(jù)(2009—2013)，采用變異系數(shù)法來開展監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)的時空分布穩(wěn)定性分析.相關(guān)研究分兩個層次進(jìn)行：一是計算每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的變異系數(shù)以便于準(zhǔn)確反映各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻生產(chǎn)的穩(wěn)定性差異，結(jié)果(圖8)顯示荒湖農(nóng)場的CV值最高，即該鎮(zhèn)中稻生產(chǎn)最不穩(wěn)定，它的中稻種植規(guī)模在不同年份之間變化較大；與之相反的是分鹽鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)CV值最低，即中稻面積的年際之間波動不大，中稻生產(chǎn)的穩(wěn)定性較高，從而有利于該地中稻生產(chǎn)的持續(xù)性發(fā)展.二是為了探究監(jiān)利全縣在不同年份的中稻生產(chǎn)穩(wěn)定性狀況，將SPOT影像完全覆蓋的15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為一個整體，依據(jù)公式(1)來測算整個區(qū)域歷年的變異系數(shù)，結(jié)果顯示2009年全區(qū)的變異系數(shù)為49.98%，在4年中最小，這表明當(dāng)年監(jiān)測區(qū)內(nèi)中稻面積的鄉(xiāng)鎮(zhèn)間差異小于其他年份；2011年全區(qū)的變異系數(shù)最大，為60.91%，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在該年的中稻面積差異最為顯著，主要原因在于2011年的持續(xù)干旱，使得局部地區(qū)出現(xiàn)大面積的農(nóng)田空荒現(xiàn)象，特別是在荒湖農(nóng)場，該地2011年的中稻面積較2010年減少了1.948×103hm2，但灌溉條件和水利設(shè)施抗旱能力都較好的汪橋和周老嘴鎮(zhèn)則與之相反，兩鎮(zhèn)在2011年 的中稻面積反而比2010年增加了1000多公頃.正是因?yàn)楦珊蛋l(fā)生后，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻面積減少、其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻面積增加，從而導(dǎo)致了監(jiān)利縣在2011年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間的中稻種植規(guī)模差異加劇的現(xiàn)象.

表1 近4年SPOT影像覆蓋范圍內(nèi)監(jiān)利縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中稻面積遙測結(jié)果 hm2

*標(biāo)記的鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒有被SPOT影像全部覆蓋

4 結(jié)論與討論

本文中采用遙感技術(shù)結(jié)合變異系數(shù)法，獲取并在縣、鄉(xiāng)兩種尺度上分析了監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)格局的時空變化情況，相關(guān)結(jié)果可為中、微觀尺度的區(qū)域糧食生產(chǎn)決策提供切實(shí)的支持.

監(jiān)利縣中稻種植規(guī)?？傮w上保持穩(wěn)定，年際之間小幅波動，中稻生產(chǎn)抵御自然災(zāi)害的能力較弱.2011年因?yàn)閲?yán)重干旱的影響，出現(xiàn)了大量的中稻田棄種現(xiàn)象，從而導(dǎo)致該年的中稻種植規(guī)模明顯減少，中稻面積的鄉(xiāng)鎮(zhèn)間差異增大.

監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)的空間集聚性強(qiáng)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間中稻生產(chǎn)的區(qū)域分異明顯.毛市、紅城、分鹽、汪橋、龔場、周家嘴和黃歇口等鄉(xiāng)鎮(zhèn)不僅大規(guī)模密集型種植中稻，而且在空間上連片分布，形成了監(jiān)利縣中稻的主產(chǎn)區(qū).荒湖農(nóng)場是監(jiān)利縣境內(nèi)中稻生產(chǎn)最不穩(wěn)定的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)的中稻種植規(guī)模在不同年份之間變化較大.分鹽鎮(zhèn)的中稻面積年際之間波動不大，中稻生產(chǎn)的穩(wěn)定性較高，有利于該地中稻生產(chǎn)的持續(xù)性發(fā)展.

本文中主要從鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度出發(fā)，對監(jiān)利縣中稻生產(chǎn)現(xiàn)狀及其近5年中稻生產(chǎn)空間格局的變化情況進(jìn)行綜合分析，所得結(jié)果符合研究區(qū)域客觀實(shí)際.但是，由于相關(guān)數(shù)據(jù)資料(尤其是鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素數(shù)據(jù))的難以獲取，文中并未針對研究區(qū)域的中稻分布格局變化原因開展深入分析.此外，受制于天氣對遙感影像質(zhì)量的干擾，本研究未能獲取完整的縣域數(shù)據(jù)，只對監(jiān)利縣絕大部分區(qū)域的中稻面積進(jìn)行了遙測，由此所帶來的影響以及研究區(qū)域中稻生產(chǎn)格局的時空變化原因問題，待后續(xù)進(jìn)一步研究.

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(責(zé)任編輯 游俊)

Monitoring change of rice production pattern based on the coefficient of variation method and remote sensing data

WANG Quanfang1,2，XU Hui1，WU Huaying1,3，CHEN Zhijie1,2，WANG Xinsheng1,2

(1.School of Resources and Environmental Science，Hubei University，Wuhan 430062，China;2.Remote Sensing Application Wuhan Branch，Ministry of Agriculture，Wuhan 430062，China;3.Wuhan Gas and Heat Vocational School，Wuhan 430062，China)

Using SPOT remote sensing images derived from 2009 to 2013，temporal and spatial variation characteristics of rice production pattern in Jianli County of Hubei Province were analyzed at two scales of township and county based on synthesis interpretation of remote sensing data and coefficient of variation (CV). The results were shown that：1)Rice production in Jianli County had strong characteristics of spatial convergence. Main zone of rice producing in the county was composed of Maoshi Town，Hongcheng Town，F(xiàn)enyan Town，Wangqiao Town，Gongchang Town，Huangxiekou Town and Zhoujiazui Town. There was large-scale intensive rice cultivation in these towns. 2)The total area of rice planting remained stable in the county with low inter-annual fluctuations. However，natural disasters such as drought and flood easily and severely affected the local rice product because the level of grain production modernization was not high. In 2011，an amount of fallow paddies occurred in the county because of severe drought，and the resultant rice acreage was less than that in the previous years. 3)CV of Huanghu Farm was the smallest among the studied towns while Fenyan Town largest，which indicated obvious spatial variation of rice production in the county and not stable rice production of the Huanghu Farm.

spatial pattern of rice production; coefficient of variation; remote sensing monitoring; township scale; Jianli County of Hubei Province

2016-09-30

國家自然科學(xué)基金(41471375，41071062)、農(nóng)業(yè)部-農(nóng)業(yè)農(nóng)村資源監(jiān)測統(tǒng)計項(xiàng)目(06162130111242026)資助

汪權(quán)方(1974-)，女，博士，副教授， E-mail: 326624352@qq.com

1000-2375(2016)06-0495-07

P237

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.06.005