緬甸佤邦北部罌粟替代種植下橡膠林時空演變特征*

劉陳立,張軍,楊旭超,李杰

(云南大學資源環(huán)境與地球科學學院,云南 昆明650500)

毒品問題是世界廣泛關(guān)注的問題,對人類危害巨大,緬甸佤邦北部的罌粟 (Papaver somniferum L.)種植歷史悠久,在世界上有極大影響。為了從源頭上治理毒品問題,切斷毒源,提出在毒源地實行罌粟 “替代種植”。替代種植是指在我國境外周邊國家和地區(qū)的罌粟種植區(qū),利用農(nóng)林作物及其他產(chǎn)業(yè)替代罌粟種植,以逐步消弱這些地區(qū)對毒品經(jīng)濟的依賴,減少毒品的危害[1]。佤邦的氣候、土壤、降雨量、日照和風速條件等非常適合天然橡膠 (Hevea brasiliensis)生長,因此,橡膠林成為替代種植的最主要的經(jīng)濟作物。同時,全球?qū)μ烊幌鹉z需求不斷增大,加上投資者對橡膠的利益需求,橡膠林面積不斷增加。利用3S技術(shù)快速監(jiān)測橡膠林種植分布及其變化特征,為政府部門及時掌握罌粟替代種植情況具有科學意義。2010年劉洪江等[2]根據(jù)ALOS、SPOT及Quickbird等影像資料勾繪橡膠林,結(jié)果表明老撾北部罌粟替代種植橡膠主要分布在老撾南部省,但沒有利用橡膠的物候進行大面積提取。封志明等[3]研究中老緬交界地區(qū)橡膠林種植的時空格局及地形因素特征。李懷霄[4]利用TM數(shù)據(jù)采用基于面向?qū)ο髮ξ麟p版納橡膠林進行提取。梁守真等[5]采用面向?qū)ο蟮臎Q策樹模型提取橡膠林,提取效果較好。而對于佤邦北部的橡膠林研究相對比較少。本文結(jié)合國內(nèi)外橡膠研究現(xiàn)狀和罌粟替代種植實際調(diào)研狀況,基于Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)進行佤邦北部橡膠林提取,從橡膠的自然生態(tài)適宜性和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展性角度,分析橡膠種植的空間擴展特征,說明佤邦橡膠空間種植合理性和未來橡膠種植地土地資源的可利用空間,揭示其發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展規(guī)模,為佤邦北部地區(qū)橡膠科學合理地規(guī)劃種植提供空間理論指導和罌粟替代種植產(chǎn)業(yè)進一步優(yōu)化及政府核查提供決策依據(jù),同時也為國內(nèi)類似區(qū)域的發(fā)展提供一定的指導意義。

1 研究區(qū)概況

緬甸佤邦 (緬甸第二特區(qū))位于阿佤山區(qū),是緬甸聯(lián)邦的一個自治區(qū)。首府邦康,位于中緬邊境,南卡江的西岸,與中國的勐阿口岸相接。整個佤邦分為南北兩部分,佤邦北部位于緬甸東北部禪邦高原, 約在 22°-23°N,98°-100°E 之間, 面積約1.7×104km2,人口35×104[6]。佤邦是多民族雜居的地區(qū),以佤族為主體民族,奉行宗教信仰自由政策,佤邦官方語言是漢語和佤語,使用人民幣作為貨幣[7]。地貌為高寒山區(qū),山多地少水乏,叢林繁多,植被茂密,土地貧瘠,以刀耕火種為主。氣候?qū)賮啛釒夂?年平均氣溫在25℃左右。一年分旱、雨兩個季節(jié),旱季干燥無雨,雨季則大雨傾盆。地形高低起伏,海拔在210-2 630m間,地勢東北、東南偏高,西面較低,地形復雜。行政范圍包括3縣2特區(qū),即勐冒縣、溫高縣、勐波縣,邦康特區(qū)和南鄧特區(qū)[8]。東北面與中國云南省臨滄市的耿馬縣、滄源縣、普洱市的瀾滄縣、西盟縣、孟連縣和西雙版納勐?？h接壤;北面與緬甸第一特區(qū) (國敢)相連;南面與緬甸禪邦第四特區(qū)(勐拉)相鄰;西面至緬甸第二條大江—薩爾溫江(中國境內(nèi)稱怒江),與滾弄、當陽等城鎮(zhèn)隔江相望。

2 數(shù)據(jù)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及預處理

研究主要以美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS)提供的Landsat TM和Landsat8 OLI遙感影像作為數(shù)據(jù)源(http://glovis.usgs.gov/)。結(jié)合Landsat影像質(zhì)量和可獲取性,研究選擇2007年、2011年和2017年3年的影像進行橡膠林提取研究 (表1)。

表1 Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)列表Tab.1 Remote sensing images list of Landsat TM/OLI

此外,以從地理空間數(shù)據(jù)云獲取30m的GDEM數(shù)據(jù) (http://www.gscloud.cn/search)為輔助數(shù)據(jù),行政界線數(shù)據(jù)來源于Global Administrative Areas(http://www.gadm.org/),其他數(shù)據(jù)包括2017年2月9日-2017年2月18日的野外采集樣本點數(shù)據(jù)及佤邦北部罌粟替代種植情況核查數(shù)據(jù)。佤邦地區(qū)由于地形、氣候原因,橡膠林會出現(xiàn)季節(jié)性變化,通過實地調(diào)查和咨詢,佤邦橡膠林12月底到次年3月初會出現(xiàn)落葉現(xiàn)象,因此選擇2-3月份左右的遙感影像作為橡膠提取的最佳時間窗口[9]。以2017年的影像為基準,采用二次多項式進行幾何校正,將獲取的TM影像均配準到基準影像上,同時對Landast8 OLI影像采用NNDiffuse Pan Sharpening法融合多光譜與全色波段,并裁剪研究區(qū)。

2.2 研究方法

橡膠林是罌粟替代種植中最主要的替代經(jīng)濟作物,利用遙感技術(shù)監(jiān)測替代作物種植,其實質(zhì)就是提取佤邦北部橡膠種植面積及分布情況。根據(jù)國內(nèi)外對橡膠林的研究成果和實地調(diào)查得知,佤邦北部的橡膠林呈現(xiàn)出以旱季落葉期與新葉萌生期為特征的時間特性,這一特征有利于橡膠林識別。佤邦北部山多地少,地理地位特殊,植膠種植條件優(yōu)越,但其種植歷史較短,在2006年之后擴展迅速。因此,橡膠林地成為佤邦北部主要的土地利用類型。一般地,橡膠樹從植膠到割膠需要5-7年,特別是定植3-4年內(nèi)以幼年齡林為主,研究將橡膠林地劃分為橡膠幼林 (≤5年)和橡膠成林 (＞5年)進行研究[10],并且采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄌ崛〕鱿鹉z林地。參照國內(nèi)外對橡膠林的研究,研究基于光譜特征、自定義特征指數(shù)和紋理等[11]特征,采用閾值法進行分類,分別逐步提取2007年、2011年和2017年佤邦北部橡膠林,同時,結(jié)合目視解譯和野外核查GPS樣本點進行修正。利用提取的橡膠林用GIS空間分析方法,結(jié)合地形因子(海拔、坡度和坡向)對佤邦北部橡膠林的種植梯度進行分析。

3 橡膠林提取

3.1 影像多尺度分割

影像分割是面向?qū)ο蠓诸惖幕A(chǔ),對提取影像信息起著至關(guān)重要的作用。在eCognition中,多尺度分割效果最優(yōu),在面向?qū)ο蟮倪b感影像分類提取中應用最為廣泛。多尺度分割,將單個像元作為生長點,用區(qū)域生長法先生成較小的影像對象,之后用區(qū)域合并法對較小的影像對象進行合并,合并時遵循影像對象異質(zhì)性最小的原則[12]。多尺度分割考慮了光譜異質(zhì)性和空間異質(zhì)性,對同一幅影像中的多種地物用不同的尺度來描述[1],充分利用影像的紋理、形狀、拓撲等空間特性,可有效避免因同一地物光譜差異大而造成的影像對象多邊形邊界破碎的問題。多尺度分割通過設定相應圖層的權(quán)重值、均質(zhì)因子 (形狀因子和緊致度因子)和分割尺度來達到分割效果,其分割尺度大小直接影響最終影像分類的結(jié)果[13]。本研究在進行影像分割時,設置影像所有波段權(quán)重值為1,形狀因子為0.1和緊致度因子為0.5,分割尺度大小為50和80,能區(qū)分各類地物。

圖1 不同尺度分割效果Fig.1 Segmentation result under different scales

3.2 分類規(guī)則的建立

通過利用歸一化植被指數(shù)NDVI、地表水分指數(shù)LSWI[14]、影像光譜和紋理特征,建立解譯規(guī)則函數(shù)集。研究對象是橡膠林,因此,對遙感影像共解譯出5類不同的地物,分別是橡膠幼林,橡膠成林,有林地、水域、其他用地。以eCognition軟件作為平臺,采用面向?qū)ο笾械拈撝捣?(assign class)分類,初始層利用植被指數(shù)NDVI區(qū)分植被和非植被;第二層在植被類中結(jié)合地表水分植被LSWI和海拔提取出橡膠林和有林地,在非植被中利用改進的歸一化水體指數(shù)和近紅外波段提取水域和其他用地;第三層,根據(jù)NDVI和植被紋理特征對比度 (Con)劃分橡膠成林和幼林。各分類閾值大小采用人機交互方式確定,將實地調(diào)查和人工解譯結(jié)果與各特征閾值范圍進行對比,經(jīng)過多次調(diào)試,確定最佳分類閾值,逐步提取佤邦北部橡膠林,各地物的特征參數(shù) (表2)。

3.3 精度評價

基于野外核查采集的207個樣點數(shù)據(jù)對2017年分類結(jié)果進行檢驗,利用eCognition中基于樣本對象的Error Matrix based on Samples建立混淆矩陣,計算其生產(chǎn)者精度、用戶精度、總體精度和Kappa系數(shù)4個精度評價指標 (表3)。

由表3可知,采用面向?qū)ο蟮拈撝捣ǚ诸惪傮w精度是87.4%,Kappa是83.68%,其中橡膠成林90.14%,橡膠幼林84.44%,分類精度能滿足需求。

表2 橡膠林信息提取規(guī)則集Tab.2 Principles of rubber information extraction

表3 面向?qū)ο笙鹉z林信息提取精度評價Tab.3 Accuracy evaluation of object-oriented information

4 結(jié)果與分析

4.1 佤邦北部橡膠林面積變化分析

通過面向?qū)ο蟮拈撝捣?分別提取2007年、2011年和2017年的橡膠林,得到緬甸佤邦北部2007-2017年橡膠林面積 (表4)。研究結(jié)果表明,200-2017年間,佤邦北部橡膠林面積變化顯著,整體呈增加趨勢,種植面積由2.98×104hm2增加到11.39×104hm2,到2017年,橡膠成林占佤邦北部境內(nèi)總種植面積的60.49%。2007年至2011年,橡膠林地面積擴展顯著,種植面積由2.98×104hm2增加到7.13×104hm2,擴展增速約為1.01×104hm2/a;而2011年到2017年佤邦北部橡膠林面積由7.13×104hm2增加到11.39×104hm2,擴展了4.26×104hm2, 增速為0.71×104hm2/a。

表4 2007年至2017年期間佤邦北部橡膠林地面積變化Tab.4 Changes of rubber plantation in northern WA state during 2007-2017 ×104hm2

2007年至2011年橡膠林增速最快,因為在這期間,佤邦聯(lián)合軍提出從2005年起佤邦地區(qū)全面禁種罌粟[15],導致許多土地類型轉(zhuǎn)變成橡膠林。根據(jù)當?shù)氐臍夂蚝妥匀粭l件,橡膠林很適合在佤邦種植,結(jié)合國內(nèi)和國際上橡膠需求量增大,導致橡膠價格整體呈上升的發(fā)展趨勢,同時結(jié)合國內(nèi)外替代種植等相關(guān)的政策,極大的促進了佤邦地區(qū)橡膠林種植。2011年至2017年,佤邦地區(qū)橡膠種植面積增速減慢,6年擴展了4.26×104hm2,因為在這期間,佤邦地區(qū)橡膠林種植已經(jīng)接近飽和。國際天然橡膠價格對橡膠種植產(chǎn)生了極大影響,根據(jù)天然橡膠生產(chǎn)國組織的資料,從2009年開始,天然橡膠價格經(jīng)過2年多的持續(xù)上升,到2011年3月突破歷史最高紀錄,達到32 000元/t,漲幅達158%,此時部分膠農(nóng)受價格利益驅(qū)動,不斷增加種植面積,而2011年后,橡膠價格一路下跌,截止2016年平均在10 000元/t左右,2016年底-2017年初稍微有點漲幅,但漲幅較小,所以,2011年后橡膠種植面積擴展減慢,不再快速擴展(http://www.anrpc.org/)。目前,緬甸佤邦北部的橡膠林擴展速度放慢,主要分布在以邦康首府為中心,呈現(xiàn)出以邦康和南鄧兩特區(qū)為中心,勐冒縣附近均有分布,沿著薩爾溫江、南卡江和南班河向兩側(cè)空間分布格局及擴張趨勢 (圖2)。佤邦地區(qū)山多地少,隨著緬甸佤邦可用于種植的土地越來越少,可適合種植橡膠的土地面積逐漸減少。2011年后,橡膠價格漲跌不定,替代企業(yè)和私人降低了橡膠的種植力度。

圖2 緬甸佤邦北部橡膠林地各時期空間分布和擴展圖Fig.2 Spatial distribution of rubber woodland in northern WA at different periods

4.2 佤邦北部橡膠種植與地形特征關(guān)系

為研究橡膠林在地形上的擴張?zhí)卣?基于2007年、2011年和2017年橡膠林分布圖與地形因素 (海拔、坡度和坡向)分別進行疊加分析,以把握緬甸佤邦北部橡膠林的空間分布特性,從而為橡膠林的適應性、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)依據(jù)。對緬甸佤邦北部橡膠種植研究以200m為一個階梯進行分析統(tǒng)計。由表5可知,緬甸佤邦北部2007-2017年橡膠種植整體增加,主要集中分布在400-1 000m的范圍內(nèi),1 200m以上基本沒有橡膠林,在600-800m的海拔上橡膠面積擴展最大。在這10年間,佤邦北部橡膠種植呈現(xiàn)出向高海拔擴展的趨勢,同時,低海拔也增加,主要是受“罌粟替代種植”政策和橡膠經(jīng)濟因素的影響,橡膠林種植不斷增加。佤邦橡膠林種植適宜分布海拔在400-1 000m,但隨著可適宜種植的土地越來越少,擴展速度會逐漸降低。

表5 2007-2017年橡膠林在不同海拔梯度上的空間分布Tab.5 The spatial distribution of rubber plantation at different altitudes between 2007 and 2017 104hm2

根據(jù)水利部頒發(fā)的中華人民共和國行業(yè)執(zhí)行標準SL190-2007《土壤侵蝕分類標準》[16],將地形坡度分為微坡 (0°-5°)、 較緩坡 (5°-8°)、 緩坡(8°-15°)、 較陡坡 (15°-25°)、 陡坡 (25°-35°)和急陡坡 (＞35°)。分別統(tǒng)計佤邦北部橡膠林在2007年、2011年、2017年不同坡度的分布情況,由圖3可知,從2007年-2017年,橡膠林地主要分布在5°-35°坡度范圍內(nèi),并且在每個坡度上面積都有所增加,在8°-25°擴展速度最快,隨著時間的增加,橡膠林不斷向高坡度擴張。同理,根據(jù)標準,將坡向分為平地 (0°)、陰坡 (0°-45°)&(315°-360°)、 半陰坡 (45°-135°)、 陽坡 (135°-225°) 和半陽坡 (225°-315°)。 佤邦北部橡膠在平地、陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡都有分布,在平地分布較少,陰坡橡膠林分布面積最大。2007到2017年間在半陰坡、陽坡和半陽坡均逐年增加,但增幅較小,陰坡增加最快。

圖3 橡膠林在不同坡度和坡向上的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the rubber plantation at different slope and aspect

5 結(jié)論與討論

緬甸佤邦北部是傳統(tǒng)的罌粟種植地區(qū),從2005年開始全面禁種罌粟,但成效不明顯,“罌粟替代種植”項目從根本上解決毒品的來源,同時又促進了當?shù)亟?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展,其中,橡膠林是最主要的罌粟替代作物。研究基于遙感技術(shù)手段,采用中分辨率的 Landsat TM/OLI遙感影像,利用eCogintion8.9軟件采用面向?qū)ο蟮拈撝捣▽挼樨舭畋辈康貐^(qū)2007-2017年橡膠林進行識別。研究發(fā)現(xiàn):(1)采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄟM行橡膠林分類提取,提取效果較好,2017年分類總精度為87.4%,其中橡膠成林的精度為90.14%,橡膠幼林精度為84.44%。(2)2007-2017年佤邦北部橡膠擴展較快,呈現(xiàn)出以邦康和南鄧兩特區(qū)為中心,沿著薩爾溫江、南卡江和南班河向兩側(cè)空間分布格局及擴張趨勢。(3)提取的橡膠林地分布結(jié)合地形特征分析發(fā)現(xiàn),2007-2017年佤邦北部的橡膠林沿著河流兩岸擴展,在海拔、坡度和坡向上都呈現(xiàn)出增加,并且在坡向上主要分布在陰坡,受地形限制,在陽坡上沒有太多適合種植橡膠區(qū)域。

緬甸佤邦北部橡膠林種植面積從2007-2017年擴展迅速,逐漸向高海拔地區(qū)擴展,這種擴張趨勢對區(qū)域生態(tài)環(huán)境和橡膠產(chǎn)量都有一定影響。對于佤邦北部橡膠林提取研究,受地形和天氣的影響,獲取衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)困難和質(zhì)量差,對提取橡膠林精度存在一定的誤差,另外,目前國內(nèi)對佤邦北部的橡膠林種植研究較少,大部分集中在云南西雙版納州和海南省,缺乏相關(guān)的資料。在今后對佤邦北部橡膠林進行監(jiān)測可以結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù),利用高分系列衛(wèi)星及時、準確和高精度監(jiān)測佤邦橡膠林變化,為政府部門、替代企業(yè)橡膠林管理和評估生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)。

致謝：本次罌粟替代種植調(diào)查過程中得到普洱市商務局、普洱市替代種植協(xié)會、普洱市公安禁毒部門、境外罌粟替代種植相關(guān)企業(yè)和佤邦農(nóng)林水利部等相關(guān)負責人陪同和考察,在考察用車、境外出入、替代企業(yè)相關(guān)資料提供等各方面提供幫助和支持,在此特意表示感謝!