基于遙感抽樣的新疆農(nóng)區(qū)耕地利用率及其空間分異特征

馮雪力+劉廷璽+吳世新

摘要：耕地利用率能夠反映人類活動對耕地的利用狀況，以遙感數(shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，采用遙感抽樣、地理數(shù)學(xué)與3S技術(shù)相結(jié)合的方法對干旱區(qū)典型農(nóng)業(yè)區(qū)的耕地利用率進(jìn)行系統(tǒng)研究；結(jié)果表明：利用累計平方根法，并結(jié)合新疆農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃及新疆地勢資料，共將全疆分為12個耕地利用率類型區(qū)。天山北坡東部農(nóng)區(qū)耕地利用率為91.6%，伊犁河中游河谷平原農(nóng)區(qū)為91%，奇臺山前農(nóng)牧區(qū)和塔城盆地農(nóng)牧區(qū)耕地利用率僅為80%。天山北坡東部農(nóng)區(qū)土地利用效率較其他農(nóng)區(qū)要高。根據(jù)遙感抽樣方法測算得到的各分區(qū)的耕地利用率可見，各分區(qū)的耕地利用率大多在90%以下。基于遙感抽樣的耕地利用率調(diào)查研究，可為進(jìn)行耕地中非耕地成分的整理提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：耕地利用率；遙感抽樣；累計平方根法；空間分異；新疆

中圖分類號： F323.211；S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0205-03

通信作者：劉廷璽，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水資源評價及“3S”技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：txliu1966@163.com。新疆位于亞歐大陸中心，遠(yuǎn)離海洋，山盆相間，地形復(fù)雜，是我國典型的干旱、半干旱地區(qū)。新疆總土地面積占全國土地面積的1/6。由于土地開發(fā)利用生態(tài)環(huán)境惡化，如地下水位下降、持續(xù)干旱等致使棄耕拋荒現(xiàn)象不斷增加，因此對其耕地資源的開發(fā)利用程度的研究越來越重要。

統(tǒng)計調(diào)查耕地利用率有多種方法，如果開展常規(guī)的農(nóng)業(yè)普查需要投入大量的人力、物力，需要較長的時間，而且調(diào)查規(guī)模龐大，組織工作艱巨；而抽樣調(diào)查、遙感和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)[1-4]的采用，則可以節(jié)約人力、物力和時間。

遙感抽樣方法[5-10]是以多尺度的遙感影像和地面調(diào)查數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，以全球定位系統(tǒng)（GPS）作為多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的基礎(chǔ)，結(jié)合GIS的空間分析方法進(jìn)行耕地調(diào)查，從而豐富了傳統(tǒng)抽樣方法中所不具備的空間信息。這相當(dāng)于獲取了統(tǒng)計抽樣中總體的先驗知識，因此可以提高抽樣調(diào)查的精度；由于遙感數(shù)據(jù)具有全覆蓋性，因此通過遙感影像的解譯，結(jié)合地面調(diào)查，可以減少野外樣本量和降低調(diào)查成本。新疆作為一個后備耕地資源大省，查清現(xiàn)在全疆的耕地開發(fā)利用程度，對于新疆以至全國都具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

使用新疆地區(qū)的Quick Bird遙感影像、中巴資源衛(wèi)星影像、野外地面調(diào)查數(shù)據(jù)、新疆地區(qū)土地利用類型GIS數(shù)據(jù)、新疆農(nóng)業(yè)區(qū)劃和自然區(qū)劃數(shù)據(jù)、新疆本底數(shù)據(jù)庫和新疆環(huán)境背景數(shù)據(jù)庫有關(guān)數(shù)據(jù)。在中巴資源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)尺度上確定抽樣的樣框大小。野外地面調(diào)查數(shù)據(jù)對應(yīng)于抽樣樣框的耕地與非耕地數(shù)據(jù)。

1.2研究方法

1.2.13S技術(shù)和地理數(shù)學(xué)方法利用灰色關(guān)聯(lián)方法來研究與農(nóng)區(qū)非耕地系數(shù)有關(guān)的各個因素，并將其作為不同耕地類型區(qū)劃分的標(biāo)志；利用GIS技術(shù)及累計平方根法，結(jié)合CBERS影像及其他輔助資料完成不同耕地類型區(qū)的劃分；對高分辨率遙感影像中的非耕地部分進(jìn)行識別，并計算樣本內(nèi)的非耕地部分面積，對于缺少遙感數(shù)據(jù)的樣本，則需要進(jìn)行野外實地測量，運用GPS定點，保證數(shù)據(jù)的完整性。

1.2.2遙感抽樣方法分層抽樣方法[11-14]是性能較好的抽樣方法。借鑒分層抽樣方法的基本思想，從分層標(biāo)志和分層數(shù)目2個方面對其細(xì)化，以提高遙感分層抽樣的效率。

確定不同耕地類型區(qū)分層的界限。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[15-16]介紹，累計平方根法是確定各層分界點最常用且效率較高的方法。

分層數(shù)目的確定。1972年，William推導(dǎo)出以下分層抽樣的測量方差V和分層層數(shù)n的關(guān)系：

V（y）≥s2yn ρ2L2+（1-ρ2）。（1）

式中：L是分層數(shù)目，n是樣本數(shù)量，s2y是變量y的方差，y是樣本均值，ρ表示分層標(biāo)志變量x和被測量的變量y之間的簡單相關(guān)系數(shù)。現(xiàn)已證明，分層數(shù)小于6的效果較好，當(dāng)層數(shù)大于6時，則方差的減少速度大為減緩；而分層層數(shù)越多，抽樣的費用就越大。

確定各個層內(nèi)典型樣本數(shù)量的分配方法主要有均勻分配、比例分配和最優(yōu)分配等方法。最優(yōu)分配方法的代表是奈曼最優(yōu)分配，其假定各層的單位抽樣費用相等。最優(yōu)分配法考慮到層權(quán)和各層變異程度的因素，雖然會使抽樣精度大大提高，然而現(xiàn)實中往往會存在費用問題，最優(yōu)分配同時考慮到三者的影響，但現(xiàn)實計算中也并非考慮因素越多越好，即使理論上的最優(yōu)分配，在實踐中也未必真能做到。比例分配的優(yōu)點是可以得到自加權(quán)樣本，且抽樣實施簡單。

本研究采用比例分配的方法來進(jìn)行樣本數(shù)目的確定。比例分配分層抽樣需要的最小樣本數(shù)n由下式?jīng)Q定。

n0=N∑Lh=1Nh×s2hV，n=n01+n0/N；（3）

V=dt2。（4）

式中，s2h是第h層的樣本方差，即s2h=1nh-1∑nhi=1（yhi-yh），yh是第h層的樣本均值，即yh=1nh∑nhi=1yhi是第h層的樣本單元數(shù)；Nh是第h層總樣本數(shù)；N是總樣本數(shù)；n0是樣本單元數(shù)；t是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的上α分位點。yhi是第h層第i個樣本的值。f是抽樣比例，即f=nN=nhNh。

典型樣本的選擇，可以采用計算機隨機選擇的方法選擇各個非耕地類型區(qū)內(nèi)的典型區(qū)塊。

2結(jié)果與分析

2.1基于非耕地系數(shù)相似性的土地利用類型區(qū)劃分

影響耕地利用率的因素有地形、降雨量、水網(wǎng)密度、土地利用斑塊的破碎度、土壤類型、土地利用類型、耕作制度、種植結(jié)構(gòu)、復(fù)種指數(shù)、農(nóng)業(yè)政策等。在確定影響耕地利用率的主要因素后，進(jìn)行類型區(qū)劃分。先根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)法選用斑塊的破碎度、水網(wǎng)密度、農(nóng)業(yè)人口密度、人均農(nóng)業(yè)生產(chǎn)值作為影響耕地利用率的因素，并采用層次分析法對多個影響因子進(jìn)行綜合，以降低土地利用類型區(qū)分區(qū)的復(fù)雜性；采用累計平方根法確定類型區(qū)劃分的數(shù)目以及各分區(qū)的分界點，并依據(jù)GIS技術(shù)，得到新疆相似性類型區(qū)劃分結(jié)果[17]；結(jié)合新疆地勢資料、新疆農(nóng)業(yè)區(qū)劃資料等對基于非耕地系數(shù)相似性的類型區(qū)劃分的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理。endprint

將與非耕地系數(shù)相似的土地利用類型區(qū)柵格化處理；根據(jù)布爾邏輯運算進(jìn)行地勢分類計算制成二值圖（圖1），將新疆海拔小于1 000 m的地區(qū)賦值為1，海拔大于1 000 m的地區(qū)賦值為0。

將類型區(qū)劃分圖的柵格數(shù)據(jù)與圖1的地勢類型數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯相乘計算，并根據(jù)新疆綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃資料，將部分傳統(tǒng)的農(nóng)耕區(qū)從不同耕地土地利用類型區(qū)中單獨分離出來，它們分別是伊犁河中游河谷平原農(nóng)區(qū)、伊犁河上游河谷盆地、奇臺山前平原農(nóng)牧區(qū)、孔雀河塔里木河中下游地區(qū)、塔城盆地農(nóng)牧區(qū)，它們單獨成區(qū)，將它們從大塊的區(qū)域中分離出來，使得類型區(qū)分區(qū)更細(xì)致，得到的最終優(yōu)化類型區(qū)劃分如圖2所示。

圖2中的耕地類型區(qū)編號，0區(qū)表示海拔大于 1 000 m 的山地，該區(qū)的耕地數(shù)量極少，故不考慮其耕地利用率。其中，1、2區(qū)代表的是喀什三角洲傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)、阿爾泰山南坡農(nóng)牧區(qū)、部分天山北坡東部農(nóng)區(qū)等。3、4、5、6區(qū)代表的是天山北坡西部農(nóng)區(qū)。7區(qū)代表的是天山北坡東部農(nóng)區(qū)的大部分。8

區(qū)是位于天山南坡的農(nóng)區(qū)——孔雀河塔里木河中下游地區(qū)。9區(qū)表示伊犁河上游河谷盆地。10區(qū)表示奇臺山前平原農(nóng)牧區(qū)。11區(qū)表示伊犁河中游河谷平原農(nóng)區(qū)。12區(qū)表示塔城盆地農(nóng)牧區(qū)。

2.2典型樣本的選擇

典型樣本的選擇包括樣本數(shù)目的確定和具體樣本的確定。本研究是在累計平方根分區(qū)的基礎(chǔ)上，先進(jìn)行采樣數(shù)目的計算，然后根據(jù)野外實際情況和采樣費用，不斷增加各土地利用類型區(qū)的采樣數(shù)目，以完成耕地利用率的測算與外推。

在抽樣精度為95%時：

d=（1-0.95）×4.863=0.243 1。（5）

t=1.96，V=（d/t）2=0.015 4，n0=82×（46×0.0032+27×0.0012+4×0.0072+2×0.0042+3×0.0512）/0.015=46。（6）

采樣比例為46/82=0.56=56%，基于累計平方根方法得到的分區(qū)結(jié)果的抽樣數(shù)目如表1中第6、5層所示。

本研究選用隨機方法確定具體的樣本，以便于野外采樣。為提高抽樣結(jié)果的精度，野外采樣的數(shù)量遠(yuǎn)大于理論計算的抽樣數(shù)目。野外實際的采樣數(shù)目如表2所示。

2.3耕地利用率的測算與外推

采用中巴資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為遙感抽樣的基礎(chǔ)，并基于中巴資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)確定野外采樣的樣框（即圖像上的耕地圖斑），繼而通過野外采樣確定樣框內(nèi)的耕地面積。

類型區(qū)對應(yīng)的耕地利用率。

從表3可知，只有7區(qū)（天山北坡東部農(nóng)區(qū)）的耕地利用率最大，為92%，其次是11區(qū)——伊犁河中游河谷平原農(nóng)區(qū)，為91%。該地區(qū)的土地利用比較規(guī)整，田成塊、林成網(wǎng)，耕地開發(fā)利用程度較高。

耕地利用率最低的是10區(qū)——奇臺山前農(nóng)牧區(qū)和12區(qū)——塔城盆地農(nóng)牧區(qū)，耕地利用率為80%。

耕地利用率在89%及以上的地區(qū)，主要分布在烏魯木齊河沖積平原、伊犁河中游河谷平原農(nóng)區(qū)、伊犁河上游河谷盆地農(nóng)牧區(qū)、孔雀河與塔里木河中下游沖積平原等地區(qū)。

3討論

在抽樣的過程中，不難看到新疆現(xiàn)有耕地的有效利用率較低，即使對于新疆土地開發(fā)利用程度較高的傳統(tǒng)農(nóng)耕地區(qū)，耕地利用率都在90%左右，山區(qū)尤其是在生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū)，耕地的有效利用程度更低，耕地利用率往往低于80%。耕地利用率較低的地區(qū)，說明進(jìn)行土地整理的強度會很大。而進(jìn)行土地整理，則可以有效增加耕地面積，提高耕地利用率。

基于遙感抽樣的耕地利用率調(diào)查應(yīng)用研究，為進(jìn)行耕地中非耕地成分（田坎、溝渠、田間路網(wǎng)等）的整理提供了依據(jù)。通過對樣本及調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分區(qū)比較，既可以找出需要大力整理的地區(qū)或耕作方式，也可以看出利用效率較高的地區(qū)或耕作方式。在本研究的基礎(chǔ)上對不同分區(qū)的耕作方式及土地利用強度的進(jìn)一步研究，具有重要意義。

4結(jié)論

通過研究得到以下結(jié)論：

（1）采用累計平方根法可簡潔、快速地確定各個耕地利用率相似性的土地利用分區(qū)分界點， 該方法使得耕地利用率的分區(qū)結(jié)果較為合理，并可使得耕地利用率在層內(nèi)的差異較小，層間的差異較大。各個耕地利用率分區(qū)的差異也反映了各區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平、土地利用與開發(fā)的程度。

（2）天山北坡東部農(nóng)區(qū)耕地利用率為91.6%，伊犁河中游河谷平原農(nóng)區(qū)為91%，奇臺山前農(nóng)牧區(qū)和塔城盆地農(nóng)牧區(qū)耕地利用率低于80%。新疆作為我國重要的后備耕地資源區(qū)，其農(nóng)業(yè)區(qū)除少數(shù)典型農(nóng)區(qū)的耕地利用率在90%以上，其

他較大部分耕地利用率均小于90%，說明在新疆進(jìn)行土地整理的空間很大?；谶b感抽樣的耕地利用率調(diào)查應(yīng)用研究，為進(jìn)行耕地中非耕地成分的整理提供了依據(jù)。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.12.053endprint