基于遥感抽样的新疆农区耕地利用率及其空间分异特征

冯雪力+刘廷玺+吴世新

摘要：耕地利用率能够反映人类活动对耕地的利用状况，以遥感数据和地面调查数据为主要数据源，采用遥感抽样、地理数学与3S技术相结合的方法对干旱区典型农业区的耕地利用率进行系统研究；结果表明：利用累计平方根法，并结合新疆农业综合区划及新疆地势资料，共将全疆分为12个耕地利用率类型区。天山北坡东部农区耕地利用率为91.6%，伊犁河中游河谷平原农区为91%，奇台山前农牧区和塔城盆地农牧区耕地利用率仅为80%。天山北坡东部农区土地利用效率较其他农区要高。根据遥感抽样方法测算得到的各分区的耕地利用率可见，各分区的耕地利用率大多在90%以下。基于遥感抽样的耕地利用率调查研究，可为进行耕地中非耕地成分的整理提供依据。

关键词：耕地利用率；遥感抽样；累计平方根法；空间分异；新疆

中图分类号： F323.211；S127文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）12-0205-03

通信作者：刘廷玺，教授，博士生导师，主要从事水资源评价及“3S”技术应用研究。E-mail：txliu1966@163.com。新疆位于亚欧大陆中心，远离海洋，山盆相间，地形复杂，是我国典型的干旱、半干旱地区。新疆总土地面积占全国土地面积的1/6。由于土地开发利用生态环境恶化，如地下水位下降、持续干旱等致使弃耕抛荒现象不断增加，因此对其耕地资源的开发利用程度的研究越来越重要。

统计调查耕地利用率有多种方法，如果开展常规的农业普查需要投入大量的人力、物力，需要较长的时间，而且调查规模庞大，组织工作艰巨；而抽样调查、遥感和地理信息系统（GIS）技术[1-4]的采用，则可以节约人力、物力和时间。

遥感抽样方法[5-10]是以多尺度的遥感影像和地面调查数据为主要数据源，以全球定位系统（GPS）作为多源数据配准的基础，结合GIS的空间分析方法进行耕地调查，从而丰富了传统抽样方法中所不具备的空间信息。这相当于获取了统计抽样中总体的先验知识，因此可以提高抽样调查的精度；由于遥感数据具有全覆盖性，因此通过遥感影像的解译，结合地面调查，可以减少野外样本量和降低调查成本。新疆作为一个后备耕地资源大省，查清现在全疆的耕地开发利用程度，对于新疆以至全国都具有十分重要的战略意义。

1材料与方法

1.1数据来源

使用新疆地区的Quick Bird遥感影像、中巴资源卫星影像、野外地面调查数据、新疆地区土地利用类型GIS数据、新疆农业区划和自然区划数据、新疆本底数据库和新疆环境背景数据库有关数据。在中巴资源卫星影像数据尺度上确定抽样的样框大小。野外地面调查数据对应于抽样样框的耕地与非耕地数据。

1.2研究方法

1.2.13S技术和地理数学方法利用灰色关联方法来研究与农区非耕地系数有关的各个因素，并将其作为不同耕地类型区划分的标志；利用GIS技术及累计平方根法，结合CBERS影像及其他辅助资料完成不同耕地类型区的划分；对高分辨率遥感影像中的非耕地部分进行识别，并计算样本内的非耕地部分面积，对于缺少遥感数据的样本，则需要进行野外实地测量，运用GPS定点，保证数据的完整性。

1.2.2遥感抽样方法分层抽样方法[11-14]是性能較好的抽样方法。借鉴分层抽样方法的基本思想，从分层标志和分层数目2个方面对其细化，以提高遥感分层抽样的效率。

确定不同耕地类型区分层的界限。根据相关文献资料[15-16]介绍，累计平方根法是确定各层分界点最常用且效率较高的方法。

分层数目的确定。1972年，William推导出以下分层抽样的测量方差V和分层层数n的关系：

V（y）≥s2yn ρ2L2+（1-ρ2）。（1）

式中：L是分层数目，n是样本数量，s2y是变量y的方差，y是样本均值，ρ表示分层标志变量x和被测量的变量y之间的简单相关系数。现已证明，分层数小于6的效果较好，当层数大于6时，则方差的减少速度大为减缓；而分层层数越多，抽样的费用就越大。

确定各个层内典型样本数量的分配方法主要有均匀分配、比例分配和最优分配等方法。最优分配方法的代表是奈曼最优分配，其假定各层的单位抽样费用相等。最优分配法考虑到层权和各层变异程度的因素，虽然会使抽样精度大大提高，然而现实中往往会存在费用问题，最优分配同时考虑到三者的影响，但现实计算中也并非考虑因素越多越好，即使理论上的最优分配，在实践中也未必真能做到。比例分配的优点是可以得到自加权样本，且抽样实施简单。

本研究采用比例分配的方法来进行样本数目的确定。比例分配分层抽样需要的最小样本数n由下式决定。

n0=N∑Lh=1Nh×s2hV，n=n01+n0/N；（3）

V=dt2。（4）

式中，s2h是第h层的样本方差，即s2h=1nh-1∑nhi=1（yhi-yh），yh是第h层的样本均值，即yh=1nh∑nhi=1yhi是第h层的样本单元数；Nh是第h层总样本数；N是总样本数；n0是样本单元数；t是标准正态分布的上α分位点。yhi是第h层第i个样本的值。f是抽样比例，即f=nN=nhNh。

典型样本的选择，可以采用计算机随机选择的方法选择各个非耕地类型区内的典型区块。

2结果与分析

2.1基于非耕地系数相似性的土地利用类型区划分

影响耕地利用率的因素有地形、降雨量、水网密度、土地利用斑块的破碎度、土壤类型、土地利用类型、耕作制度、种植结构、复种指数、农业政策等。在确定影响耕地利用率的主要因素后，进行类型区划分。先根据灰色关联法选用斑块的破碎度、水网密度、农业人口密度、人均农业生产值作为影响耕地利用率的因素，并采用层次分析法对多个影响因子进行综合，以降低土地利用类型区分区的复杂性；采用累计平方根法确定类型区划分的数目以及各分区的分界点，并依据GIS技术，得到新疆相似性类型区划分结果[17]；结合新疆地势资料、新疆农业区划资料等对基于非耕地系数相似性的类型区划分的结果进行优化处理。endprint

将与非耕地系数相似的土地利用类型区栅格化处理；根据布尔逻辑运算进行地势分类计算制成二值图（图1），将新疆海拔小于1 000 m的地区赋值为1，海拔大于1 000 m的地区赋值为0。

将类型区划分图的栅格数据与图1的地势类型数据进行逻辑相乘计算，并根据新疆综合农业区划资料，将部分传统的农耕区从不同耕地土地利用类型区中单独分离出来，它们分别是伊犁河中游河谷平原农区、伊犁河上游河谷盆地、奇台山前平原农牧区、孔雀河塔里木河中下游地区、塔城盆地农牧区，它们单独成区，将它们从大块的区域中分离出来，使得类型区分区更细致，得到的最终优化类型区划分如图2所示。

图2中的耕地类型区编号，0区表示海拔大于 1 000 m 的山地，该区的耕地数量极少，故不考虑其耕地利用率。其中，1、2区代表的是喀什三角洲传统农区、阿尔泰山南坡农牧区、部分天山北坡东部农区等。3、4、5、6区代表的是天山北坡西部农区。7区代表的是天山北坡东部农区的大部分。8

区是位于天山南坡的农区——孔雀河塔里木河中下游地区。9区表示伊犁河上游河谷盆地。10区表示奇台山前平原农牧区。11区表示伊犁河中游河谷平原农区。12区表示塔城盆地农牧区。

2.2典型样本的选择

典型样本的选择包括样本数目的确定和具体样本的确定。本研究是在累计平方根分区的基础上，先进行采样数目的计算，然后根据野外实际情况和采样费用，不断增加各土地利用类型区的采样数目，以完成耕地利用率的测算与外推。

在抽样精度为95%时：

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）

采样比例为46/82=0.56=56%，基于累计平方根方法得到的分区结果的抽样数目如表1中第6、5层所示。

本研究选用随机方法确定具体的样本，以便于野外采样。为提高抽样结果的精度，野外采样的数量远大于理论计算的抽样数目。野外实际的采样数目如表2所示。

2.3耕地利用率的测算与外推

采用中巴资源卫星遥感数据作为遥感抽样的基础，并基于中巴资源卫星遥感数据确定野外采样的样框（即图像上的耕地图斑），继而通过野外采样确定样框内的耕地面积。

类型区对应的耕地利用率。

从表3可知，只有7区（天山北坡东部农区）的耕地利用率最大，为92%，其次是11区——伊犁河中游河谷平原农区，为91%。该地区的土地利用比较规整，田成块、林成网，耕地开发利用程度较高。

耕地利用率最低的是10区——奇台山前农牧区和12区——塔城盆地农牧区，耕地利用率为80%。

耕地利用率在89%及以上的地区，主要分布在乌鲁木齐河冲积平原、伊犁河中游河谷平原农区、伊犁河上游河谷盆地农牧区、孔雀河与塔里木河中下游冲积平原等地区。

3讨论

在抽样的过程中，不难看到新疆现有耕地的有效利用率较低，即使对于新疆土地开发利用程度较高的传统农耕地区，耕地利用率都在90%左右，山区尤其是在生态环境脆弱的地区，耕地的有效利用程度更低，耕地利用率往往低于80%。耕地利用率较低的地区，说明进行土地整理的强度会很大。而进行土地整理，则可以有效增加耕地面积，提高耕地利用率。

基于遥感抽样的耕地利用率调查应用研究，为进行耕地中非耕地成分（田坎、沟渠、田间路网等）的整理提供了依据。通过对样本及调查结果进行分区比较，既可以找出需要大力整理的地区或耕作方式，也可以看出利用效率较高的地区或耕作方式。在本研究的基础上对不同分区的耕作方式及土地利用强度的进一步研究，具有重要意义。

4结论

通过研究得到以下结论：

（1）采用累计平方根法可简洁、快速地确定各个耕地利用率相似性的土地利用分区分界点， 该方法使得耕地利用率的分区结果较为合理，并可使得耕地利用率在层内的差异较小，层间的差异较大。各个耕地利用率分区的差异也反映了各区的农业发展水平、土地利用与开发的程度。

（2）天山北坡东部农区耕地利用率为91.6%，伊犁河中游河谷平原农区为91%，奇台山前农牧区和塔城盆地农牧区耕地利用率低于80%。新疆作为我国重要的后备耕地资源区，其农业区除少数典型农区的耕地利用率在90%以上，其

他较大部分耕地利用率均小于90%，说明在新疆进行土地整理的空间很大。基于遥感抽样的耕地利用率调查应用研究，为进行耕地中非耕地成分的整理提供了依据。

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