基于遙感的陸良縣設施種植區域時空變化監測*

李宗南，蔣 怡，王 昕，任國業，李章成

(四川省農業科學院遙感應用研究所，成都 610066)

0 引言

設施種植農業，即可控環境的種植農業，通過工程技術和材料控制植物生長環境，保證植物高效生產的一種現代農業方式[1， 2]。隨著我國農業產業升級，設施種植農業產量高的優勢使其得到更廣泛的推廣。設施種植業明顯改變了農業自然資源的利用率，大規模的設施種植業發展引起了農業土地利用[3]、環境保護[4-6]等方面的關注。設施種植區域時空信息反映了設施種植地塊的空間分布及動態變化，及時獲取該信息對農業決策、農業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]和機器分類[8-11]等方法提取不同類型設施農業的空間信息。

2011—2013年，商務部、財政部連續3年將云南列為國家“南菜北運”試點。通過發展設施種植大棚及配套的農產品集配送中心、冷庫、冷鏈物流等，云南省已成為我國重要的蔬菜基地[12， 13]。設施種植業經多年發展，已成為云南農業生產重要組成。文章選擇云南省陸良縣為研究區，收集2013—2017年OLI影像開展縣域的設施種植區域遙感監測，提取該地區5年規模化連片的設施種植區域空間信息，分析其空間特征及時序變化，為設施農業發展決策、農業土地利用變化研究提供參考。

1 研究區與數據

1.1 研究區域

陸良縣位于中國云南省東部，北緯24°44′～25°18′，東經103°23′～104°02′之間，境內海拔平均1 840m，四面環山，中間是平坦的湖積盆地小平原，土壤肥沃。該區屬亞熱帶高原季風型氣候區，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，年日照時數2 443h。具體區位見圖1。該區域傳統種植作物為水稻、油菜、玉米、小麥等。近年來，設施種植業發展快速，大量農田經改造建成大棚。

1.2 地面調查

通過農業部每年的大宗作物種植面積調查項目，于2013—2017年每年6-7月份到實地調查農作物種植狀況。通過實地調查與Google Earth影像確定設施農業的解譯標志。根據設施種植大棚的功能，該研究將設施種植大棚分為光溫棚和遮陽棚。陸良縣境內，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覆蓋的大棚，種植三七為主。結合地面調查和2016年12月12日Google Earth 高分辨率影像的目視解譯，獲取5個樣方設施種植大棚的面積數據。

1.3 OLI影像

Landsat-8 OLI影像為9個波段的多光譜影像，對比Landsat-7 ETM+影像，除新增的藍色波段(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、時間分辨率等設置與ETM+相同，是目前區域土地利用變化研究使用的主要遙感數據。通過landsatlook系統查詢到軌道號為129/043的影像可全覆蓋研究區。2013年4月到2017年3月間覆蓋該地區的優質影像有6景，具體時間為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，滿足設施種植區域年際動態變化監測需要。

2 研究方法

2.1 影像預處理

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

2.2 設施種植區域信息提取

使用圖像增強和目視解譯的方法提取設施種植大棚的空間分布信息。對比多種假彩色合成效果，選擇突出設施種植大棚的R7G5B3組合假彩色顯示，即RGB分別對應OLI融合數據的第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、藍黑色。通過目視解譯獲取6個時期的設施種植大棚空間分布圖。使用調查樣方數據檢驗OLI影像目視解譯精度，結果見表1，其中樣方1、2、3為光溫棚，樣方4、5為遮陽棚。基于OLI影像解譯設施種植大棚的面積精度約為95%。

表1 基于OLI影像解譯設施種植大棚的面積精度

樣方調查樣方(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 研究區及樣方位置

圖2 R7G5B3組合假彩色顯示

2.3 設施種植區域時空變化分析

根據6個時期設施種植區域的空間信息，分析陸良縣不同設施種植大棚的空間分布特征； 統計2013—2017年大棚遙感面積，分析面積變化時序特征。

3 結果與分析

3.1 陸良縣設施種植區域的空間特征

陸良縣設施種植區域空間分布遙感結果見圖3。遙感監測顯示， 2013—2017年陸良縣設施種植區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，遮陽棚主要分布于北部、西部及南部環盆地的山坡地區。不同設施種植大棚的分布與種植作物的生長環境要求有關。光溫棚主要種植蔬菜瓜果，要求土壤肥沃、排灌條件好。湖積平原區土壤深厚肥沃； 多條干渠與南盤江相連，有良好的排灌渠網，為平原區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，陸良縣規模化設施種植大棚的空間分布符合該地區設施農業發展需求和農業資源分布。

圖3 陸良縣設施種植區域分布

3.2 陸良縣設施種植面積時序變化

根據遙感監測結果統計2013年4月到2017年3月共計6期二類設施種植區域的面積，面積時序變化見圖4。監測結果顯示陸良縣設施種植區域總面積保持增加趨勢，但增長率逐步放緩。2013年成規模的設施農業面積為1 869hm2； 2017年增長到7 054hm2，大約為2013年的3.8倍。設施農業面積增長率由2014年142.36%，逐步降到2017年的9.31%。結合實地走訪調查，該研究認為陸良農業資源優勢、政府引導、農業投資增加等是陸良縣農業產業化發展快速主要動力。

監測結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，形成規模連片種植區。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年內出現大幅增長和大幅減少的現象： 2013—2014年期間快速增加，面積由507hm2快速增加到1 656hm2； 2014—2015年期間保存穩定，形成環盆地種植帶，面積保持在1 500hm2左右； 2016—2017年期間在該縣北部、西部種植區的面積則迅速減少，降至400hm2左右。農產品需求量及價格因素是導致兩者變化不同的主要原因。溫室棚供應蔬菜類農產品，隨我國城市化發展，蔬菜類農產品需求保持穩定增長。而三七作為藥材，需求量變化不大； 但由于市場炒作嚴重，價格變化巨大引起此類設施種植的面積劇增劇減。一般三七種植3年以上才收獲； 但根據遙感結果推測，陸良縣部分減少的三七僅種植兩年。

圖4 2013—2017年陸良縣設施種植面積時序變化

4 討論

陸良縣依靠獨特的農業資源優勢，大力發展設施種植。該研究的監測結果顯示，陸良縣近年來設施種植業總體保持增長勢態。設施種植業的發展有助于當地農業升級和農民增收。通過監測，也發現陸良縣部分設施種植大棚擴張盲目。盲目擴大種植可能會引起農產品供大于求、價格起伏劇烈，影響部分種植戶的收益[14-15]。及時了解當地設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發布設施種植面積信息。該研究通過獲取免費OLI影像，提取陸良縣設施種植區域空間信息，掌握該縣設施種植空間分布特征及面積時序變化，對當地設施種植業發展決策有積極作用。除陸良縣外，近年來云南省多地設施種植的規模不斷擴大，云南省現已成為我國重要蔬菜供應基地。針對設施種植業在部分地區盲目擴張、部分農產品價格劇烈起伏等問題，有必要開展云南省特色農產品、設施種植監測。

實地調查和遙感監測結果顯示，陸良縣設施種植業的用地主要來源之一為水田。大規模的設施種植改變了該地傳統的農業生產模式、農業土地利用強度，對自然生態系統和社會—經濟系統具有重要影響[4-6， 16]。為保持農業可持續、綠色發展，云南省編制《云南省設施農用地實施管理細則》，對設施農業用地、發展進行控制和規范。從農業土地系統科學角度出發，不僅需要及時獲取設施種植的空間信息，還需要分析該地區農業土地系統變化的主要驅動因子和具體過程，評價農業土地系統變化引起的社會、經濟和生態綜合效應，以便進行科學調控和優化[17]。

5 結論

使用2013年4月到2017年3月共計6期的OLI影像提取陸良縣設施種植區域空間信息。監測結果顯示陸良縣設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，遮陽棚主要分布于北部、西部及南部環盆地的山坡地區。2013—2017年設施種植的面積監測結果表明，陸良縣設施種植大棚的總面積持續增加； 但不同類型大棚的變化趨勢不同，其中光溫棚的面積表現為持續增加，而遮陽棚的面積則表現為劇增劇減。