基于遙感的陸良縣設(shè)施種植區(qū)域時(shí)空變化監(jiān)測*

李宗南，蔣 怡，王 昕，任國業(yè)，李章成

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，成都 610066)

0 引言

設(shè)施種植農(nóng)業(yè)，即可控環(huán)境的種植農(nóng)業(yè)，通過工程技術(shù)和材料控制植物生長環(huán)境，保證植物高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式[1， 2]。隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，設(shè)施種植農(nóng)業(yè)產(chǎn)量高的優(yōu)勢使其得到更廣泛的推廣。設(shè)施種植業(yè)明顯改變了農(nóng)業(yè)自然資源的利用率，大規(guī)模的設(shè)施種植業(yè)發(fā)展引起了農(nóng)業(yè)土地利用[3]、環(huán)境保護(hù)[4-6]等方面的關(guān)注。設(shè)施種植區(qū)域時(shí)空信息反映了設(shè)施種植地塊的空間分布及動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)獲取該信息對農(nóng)業(yè)決策、農(nóng)業(yè)土地利用變化研究有重要意義。目前，使用遙感影像通過目視解譯[3， 7]和機(jī)器分類[8-11]等方法提取不同類型設(shè)施農(nóng)業(yè)的空間信息。

2011—2013年，商務(wù)部、財(cái)政部連續(xù)3年將云南列為國家“南菜北運(yùn)”試點(diǎn)。通過發(fā)展設(shè)施種植大棚及配套的農(nóng)產(chǎn)品集配送中心、冷庫、冷鏈物流等，云南省已成為我國重要的蔬菜基地[12， 13]。設(shè)施種植業(yè)經(jīng)多年發(fā)展，已成為云南農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要組成。文章選擇云南省陸良縣為研究區(qū)，收集2013—2017年OLI影像開展縣域的設(shè)施種植區(qū)域遙感監(jiān)測，提取該地區(qū)5年規(guī)?；B片的設(shè)施種植區(qū)域空間信息，分析其空間特征及時(shí)序變化，為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展決策、農(nóng)業(yè)土地利用變化研究提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

陸良縣位于中國云南省東部，北緯24°44′～25°18′，東經(jīng)103°23′～104°02′之間，境內(nèi)海拔平均1 840m，四面環(huán)山，中間是平坦的湖積盆地小平原，土壤肥沃。該區(qū)屬亞熱帶高原季風(fēng)型氣候區(qū)，冬干夏濕； 年平均氣溫約14.7°C，年積溫約5 326°C，年降雨量為900～1 000mm，無霜期249d，年日照時(shí)數(shù)2 443h。具體區(qū)位見圖1。該區(qū)域傳統(tǒng)種植作物為水稻、油菜、玉米、小麥等。近年來，設(shè)施種植業(yè)發(fā)展快速，大量農(nóng)田經(jīng)改造建成大棚。

1.2 地面調(diào)查

通過農(nóng)業(yè)部每年的大宗作物種植面積調(diào)查項(xiàng)目，于2013—2017年每年6-7月份到實(shí)地調(diào)查農(nóng)作物種植狀況。通過實(shí)地調(diào)查與Google Earth影像確定設(shè)施農(nóng)業(yè)的解譯標(biāo)志。根據(jù)設(shè)施種植大棚的功能，該研究將設(shè)施種植大棚分為光溫棚和遮陽棚。陸良縣境內(nèi)，光溫棚主要是透明塑料膜覆蓋的大棚，種植蔬菜瓜果為主； 遮陽棚主要是黑色遮陽網(wǎng)覆蓋的大棚，種植三七為主。結(jié)合地面調(diào)查和2016年12月12日Google Earth 高分辨率影像的目視解譯，獲取5個(gè)樣方設(shè)施種植大棚的面積數(shù)據(jù)。

1.3 OLI影像

Landsat-8 OLI影像為9個(gè)波段的多光譜影像，對比Landsat-7 ETM+影像，除新增的藍(lán)色波段(B1:0.433～0.453μm)和短波紅外波段(B9:1.360～1.390μm)，其余波段的光譜、空間、時(shí)間分辨率等設(shè)置與ETM+相同，是目前區(qū)域土地利用變化研究使用的主要遙感數(shù)據(jù)。通過landsatlook系統(tǒng)查詢到軌道號(hào)為129/043的影像可全覆蓋研究區(qū)。2013年4月到2017年3月間覆蓋該地區(qū)的優(yōu)質(zhì)影像有6景，具體時(shí)間為2013年4月20日、2014年2月2日、2015年2月21日、2015年11月20日、2016年11月22日、2017年3月14日，滿足設(shè)施種植區(qū)域年際動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測需要。

2 研究方法

2.1 影像預(yù)處理

OLI影像經(jīng)正射校正、幾何糾正處理，地理位置精度準(zhǔn)確。通過Gram-Schmidt法進(jìn)行影像融合，將15m分辨率的全色影像與30m分辨率的多光譜影像進(jìn)行融合，得到分辨率為15m的7波段多光譜圖像。

2.2 設(shè)施種植區(qū)域信息提取

使用圖像增強(qiáng)和目視解譯的方法提取設(shè)施種植大棚的空間分布信息。對比多種假彩色合成效果，選擇突出設(shè)施種植大棚的R7G5B3組合假彩色顯示，即RGB分別對應(yīng)OLI融合數(shù)據(jù)的第7、5、3波段。如圖2，光溫棚與典型作物比較，具有更高的反射率，在RGB合成圖像中泛白； 遮陽棚反射率低，在RGB合成圖像中呈黑色、藍(lán)黑色。通過目視解譯獲取6個(gè)時(shí)期的設(shè)施種植大棚空間分布圖。使用調(diào)查樣方數(shù)據(jù)檢驗(yàn)OLI影像目視解譯精度，結(jié)果見表1，其中樣方1、2、3為光溫棚，樣方4、5為遮陽棚?；贠LI影像解譯設(shè)施種植大棚的面積精度約為95%。

表1 基于OLI影像解譯設(shè)施種植大棚的面積精度

樣方調(diào)查樣方(hm2)OLI影像解譯(hm2)面積精度(%)1476.16472.2599.22791.30828.3795.33615.39637.3496.447.716.9890.559.7410.4293.0

圖1 研究區(qū)及樣方位置

圖2 R7G5B3組合假彩色顯示

2.3 設(shè)施種植區(qū)域時(shí)空變化分析

根據(jù)6個(gè)時(shí)期設(shè)施種植區(qū)域的空間信息，分析陸良縣不同設(shè)施種植大棚的空間分布特征； 統(tǒng)計(jì)2013—2017年大棚遙感面積，分析面積變化時(shí)序特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 陸良縣設(shè)施種植區(qū)域的空間特征

陸良縣設(shè)施種植區(qū)域空間分布遙感結(jié)果見圖3。遙感監(jiān)測顯示， 2013—2017年陸良縣設(shè)施種植區(qū)域分布有明顯的空間特征，其中光溫棚主要分布于湖積平原區(qū)，遮陽棚主要分布于北部、西部及南部環(huán)盆地的山坡地區(qū)。不同設(shè)施種植大棚的分布與種植作物的生長環(huán)境要求有關(guān)。光溫棚主要種植蔬菜瓜果，要求土壤肥沃、排灌條件好。湖積平原區(qū)土壤深厚肥沃； 多條干渠與南盤江相連，有良好的排灌渠網(wǎng)，為平原區(qū)灌溉排澇提供有力保障。遮陽棚主要種植三七，一般要求地塊坡度在5°～15°、排水良好。綜上，陸良縣規(guī)?；O(shè)施種植大棚的空間分布符合該地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展需求和農(nóng)業(yè)資源分布。

圖3 陸良縣設(shè)施種植區(qū)域分布

3.2 陸良縣設(shè)施種植面積時(shí)序變化

根據(jù)遙感監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)2013年4月到2017年3月共計(jì)6期二類設(shè)施種植區(qū)域的面積，面積時(shí)序變化見圖4。監(jiān)測結(jié)果顯示陸良縣設(shè)施種植區(qū)域總面積保持增加趨勢，但增長率逐步放緩。2013年成規(guī)模的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積為1 869hm2； 2017年增長到7 054hm2，大約為2013年的3.8倍。設(shè)施農(nóng)業(yè)面積增長率由2014年142.36%，逐步降到2017年的9.31%。結(jié)合實(shí)地走訪調(diào)查，該研究認(rèn)為陸良農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢、政府引導(dǎo)、農(nóng)業(yè)投資增加等是陸良縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展快速主要?jiǎng)恿Α?/p>

監(jiān)測結(jié)果顯示不同類型大棚的變化趨勢不同。2013年4月到2017年3月期間，光溫棚不斷增加，形成規(guī)模連片種植區(qū)。如圖4，光溫棚從2013年的1 362hm2，逐步增長到2017年的6 540hm2。而遮陽棚面積在5年內(nèi)出現(xiàn)大幅增長和大幅減少的現(xiàn)象： 2013—2014年期間快速增加，面積由507hm2快速增加到1 656hm2； 2014—2015年期間保存穩(wěn)定，形成環(huán)盆地種植帶，面積保持在1 500hm2左右； 2016—2017年期間在該縣北部、西部種植區(qū)的面積則迅速減少，降至400hm2左右。農(nóng)產(chǎn)品需求量及價(jià)格因素是導(dǎo)致兩者變化不同的主要原因。溫室棚供應(yīng)蔬菜類農(nóng)產(chǎn)品，隨我國城市化發(fā)展，蔬菜類農(nóng)產(chǎn)品需求保持穩(wěn)定增長。而三七作為藥材，需求量變化不大； 但由于市場炒作嚴(yán)重，價(jià)格變化巨大引起此類設(shè)施種植的面積劇增劇減。一般三七種植3年以上才收獲； 但根據(jù)遙感結(jié)果推測，陸良縣部分減少的三七僅種植兩年。

圖4 2013—2017年陸良縣設(shè)施種植面積時(shí)序變化

4 討論

陸良縣依靠獨(dú)特的農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢，大力發(fā)展設(shè)施種植。該研究的監(jiān)測結(jié)果顯示，陸良縣近年來設(shè)施種植業(yè)總體保持增長勢態(tài)。設(shè)施種植業(yè)的發(fā)展有助于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)升級(jí)和農(nóng)民增收。通過監(jiān)測，也發(fā)現(xiàn)陸良縣部分設(shè)施種植大棚擴(kuò)張盲目。盲目擴(kuò)大種植可能會(huì)引起農(nóng)產(chǎn)品供大于求、價(jià)格起伏劇烈，影響部分種植戶的收益[14-15]。及時(shí)了解當(dāng)?shù)卦O(shè)施種植類型及面積有助于種植戶合理決策； 但目前多地均未能及時(shí)發(fā)布設(shè)施種植面積信息。該研究通過獲取免費(fèi)OLI影像，提取陸良縣設(shè)施種植區(qū)域空間信息，掌握該縣設(shè)施種植空間分布特征及面積時(shí)序變化，對當(dāng)?shù)卦O(shè)施種植業(yè)發(fā)展決策有積極作用。除陸良縣外，近年來云南省多地設(shè)施種植的規(guī)模不斷擴(kuò)大，云南省現(xiàn)已成為我國重要蔬菜供應(yīng)基地。針對設(shè)施種植業(yè)在部分地區(qū)盲目擴(kuò)張、部分農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格劇烈起伏等問題，有必要開展云南省特色農(nóng)產(chǎn)品、設(shè)施種植監(jiān)測。

實(shí)地調(diào)查和遙感監(jiān)測結(jié)果顯示，陸良縣設(shè)施種植業(yè)的用地主要來源之一為水田。大規(guī)模的設(shè)施種植改變了該地傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、農(nóng)業(yè)土地利用強(qiáng)度，對自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)—經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有重要影響[4-6， 16]。為保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)、綠色發(fā)展，云南省編制《云南省設(shè)施農(nóng)用地實(shí)施管理細(xì)則》，對設(shè)施農(nóng)業(yè)用地、發(fā)展進(jìn)行控制和規(guī)范。從農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)科學(xué)角度出發(fā)，不僅需要及時(shí)獲取設(shè)施種植的空間信息，還需要分析該地區(qū)農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子和具體過程，評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)變化引起的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)綜合效應(yīng)，以便進(jìn)行科學(xué)調(diào)控和優(yōu)化[17]。

5 結(jié)論

使用2013年4月到2017年3月共計(jì)6期的OLI影像提取陸良縣設(shè)施種植區(qū)域空間信息。監(jiān)測結(jié)果顯示陸良縣設(shè)施種植大棚以光溫棚和遮陽棚為主，光溫棚主要分布于湖積平原區(qū)，遮陽棚主要分布于北部、西部及南部環(huán)盆地的山坡地區(qū)。2013—2017年設(shè)施種植的面積監(jiān)測結(jié)果表明，陸良縣設(shè)施種植大棚的總面積持續(xù)增加； 但不同類型大棚的變化趨勢不同，其中光溫棚的面積表現(xiàn)為持續(xù)增加，而遮陽棚的面積則表現(xiàn)為劇增劇減。