基于遥感的陆良县设施种植区域时空变化监测*

李宗南，蒋 怡，王 昕，任国业，李章成

(四川省农业科学院遥感应用研究所，成都 610066)

0 引言

设施种植农业，即可控环境的种植农业，通过工程技术和材料控制植物生长环境，保证植物高效生产的一种现代农业方式[1， 2]。随着我国农业产业升级，设施种植农业产量高的优势使其得到更广泛的推广。设施种植业明显改变了农业自然资源的利用率，大规模的设施种植业发展引起了农业土地利用[3]、环境保护[4-6]等方面的关注。设施种植区域时空信息反映了设施种植地块的空间分布及动态变化，及时获取该信息对农业决策、农业土地利用变化研究有重要意义。目前，使用遥感影像通过目视解译[3， 7]和机器分类[8-11]等方法提取不同类型设施农业的空间信息。

2011—2013年，商务部、财政部连续3年将云南列为国家“南菜北运”试点。通过发展设施种植大棚及配套的农产品集配送中心、冷库、冷链物流等，云南省已成为我国重要的蔬菜基地[12， 13]。设施种植业经多年发展，已成为云南农业生产重要组成。文章选择云南省陆良县为研究区，收集2013—2017年OLI影像开展县域的设施种植区域遥感监测，提取该地区5年规模化连片的设施种植区域空间信息，分析其空间特征及时序变化，为设施农业发展决策、农业土地利用变化研究提供参考。

1 研究区与数据

1.1 研究区域

陆良县位于中国云南省东部，北纬24°44′～25°18′，东经103°23′～104°02′之间，境内海拔平均1 840m，四面环山，中间是平坦的湖积盆地小平原，土壤肥沃。该区属亚热带高原季风型气候区，冬干夏湿； 年平均气温约14.7°C，年积温约5 326°C，年降雨量为900～1 000mm，无霜期249d，年日照时数2 443h。具体区位见图1。该区域传统种植作物为水稻、油菜、玉米、小麦等。近年来，设施种植业发展快速，大量农田经改造建成大棚。

1.2 地面调查

通过农业部每年的大宗作物种植面积调查项目，于2013—2017年每年6-7月份到实地调查农作物种植状况。通过实地调查与Google Earth影像确定设施农业的解译标志。根据设施种植大棚的功能，该研究将设施种植大棚分为光温棚和遮阳棚。陆良县境内，光温棚主要是透明塑料膜覆盖的大棚，种植蔬菜瓜果为主； 遮阳棚主要是黑色遮阳网覆盖的大棚，种植三七为主。结合地面调查和2016年12月12日Google Earth 高分辨率影像的目视解译，获取5个样方设施种植大棚的面积数据。

1.3 OLI影像

Landsat-8 OLI影像为9个波段的多光谱影像，对比Landsat-7 ETM+影像，除新增的蓝色波段(B1:0.433～0.453μm)和短波红外波段(B9:1.360～1.390μm)，其余波段的光谱、空间、时间分辨率等设置与ETM+相同，是目前区域土地利用变化研究使用的主要遥感数据。通过landsatlook系统查询到轨道号为129/043的影像可全覆盖研究区。2013年4月到2017年3月间覆盖该地区的优质影像有6景，具体时间为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，满足设施种植区域年际动态变化监测需要。

2 研究方法

2.1 影像预处理

OLI影像经正射校正、几何纠正处理，地理位置精度准确。通过Gram-Schmidt法进行影像融合，将15m分辨率的全色影像与30m分辨率的多光谱影像进行融合，得到分辨率为15m的7波段多光谱图像。

2.2 设施种植区域信息提取

使用图像增强和目视解译的方法提取设施种植大棚的空间分布信息。对比多种假彩色合成效果，选择突出设施种植大棚的R7G5B3组合假彩色显示，即RGB分别对应OLI融合数据的第7、5、3波段。如图2，光温棚与典型作物比较，具有更高的反射率，在RGB合成图像中泛白； 遮阳棚反射率低，在RGB合成图像中呈黑色、蓝黑色。通过目视解译获取6个时期的设施种植大棚空间分布图。使用调查样方数据检验OLI影像目视解译精度，结果见表1，其中样方1、2、3为光温棚，样方4、5为遮阳棚。基于OLI影像解译设施种植大棚的面积精度约为95%。

表1 基于OLI影像解译设施种植大棚的面积精度

样方调查样方(hm2)OLI影像解译(hm2)面积精度(%)1476.16472.2599.22791.30828.3795.33615.39637.3496.447.716.9890.559.7410.4293.0

图1 研究区及样方位置

图2 R7G5B3组合假彩色显示

2.3 设施种植区域时空变化分析

根据6个时期设施种植区域的空间信息，分析陆良县不同设施种植大棚的空间分布特征； 统计2013—2017年大棚遥感面积，分析面积变化时序特征。

3 结果与分析

3.1 陆良县设施种植区域的空间特征

陆良县设施种植区域空间分布遥感结果见图3。遥感监测显示， 2013—2017年陆良县设施种植区域分布有明显的空间特征，其中光温棚主要分布于湖积平原区，遮阳棚主要分布于北部、西部及南部环盆地的山坡地区。不同设施种植大棚的分布与种植作物的生长环境要求有关。光温棚主要种植蔬菜瓜果，要求土壤肥沃、排灌条件好。湖积平原区土壤深厚肥沃； 多条干渠与南盘江相连，有良好的排灌渠网，为平原区灌溉排涝提供有力保障。遮阳棚主要种植三七，一般要求地块坡度在5°～15°、排水良好。综上，陆良县规模化设施种植大棚的空间分布符合该地区设施农业发展需求和农业资源分布。

图3 陆良县设施种植区域分布

3.2 陆良县设施种植面积时序变化

根据遥感监测结果统计2013年4月到2017年3月共计6期二类设施种植区域的面积，面积时序变化见图4。监测结果显示陆良县设施种植区域总面积保持增加趋势，但增长率逐步放缓。2013年成规模的设施农业面积为1 869hm2； 2017年增长到7 054hm2，大约为2013年的3.8倍。设施农业面积增长率由2014年142.36%，逐步降到2017年的9.31%。结合实地走访调查，该研究认为陆良农业资源优势、政府引导、农业投资增加等是陆良县农业产业化发展快速主要动力。

监测结果显示不同类型大棚的变化趋势不同。2013年4月到2017年3月期间，光温棚不断增加，形成规模连片种植区。如图4，光温棚从2013年的1 362hm2，逐步增长到2017年的6 540hm2。而遮阳棚面积在5年内出现大幅增长和大幅减少的现象： 2013—2014年期间快速增加，面积由507hm2快速增加到1 656hm2； 2014—2015年期间保存稳定，形成环盆地种植带，面积保持在1 500hm2左右； 2016—2017年期间在该县北部、西部种植区的面积则迅速减少，降至400hm2左右。农产品需求量及价格因素是导致两者变化不同的主要原因。温室棚供应蔬菜类农产品，随我国城市化发展，蔬菜类农产品需求保持稳定增长。而三七作为药材，需求量变化不大； 但由于市场炒作严重，价格变化巨大引起此类设施种植的面积剧增剧减。一般三七种植3年以上才收获； 但根据遥感结果推测，陆良县部分减少的三七仅种植两年。

图4 2013—2017年陆良县设施种植面积时序变化

4 讨论

陆良县依靠独特的农业资源优势，大力发展设施种植。该研究的监测结果显示，陆良县近年来设施种植业总体保持增长势态。设施种植业的发展有助于当地农业升级和农民增收。通过监测，也发现陆良县部分设施种植大棚扩张盲目。盲目扩大种植可能会引起农产品供大于求、价格起伏剧烈，影响部分种植户的收益[14-15]。及时了解当地设施种植类型及面积有助于种植户合理决策； 但目前多地均未能及时发布设施种植面积信息。该研究通过获取免费OLI影像，提取陆良县设施种植区域空间信息，掌握该县设施种植空间分布特征及面积时序变化，对当地设施种植业发展决策有积极作用。除陆良县外，近年来云南省多地设施种植的规模不断扩大，云南省现已成为我国重要蔬菜供应基地。针对设施种植业在部分地区盲目扩张、部分农产品价格剧烈起伏等问题，有必要开展云南省特色农产品、设施种植监测。

实地调查和遥感监测结果显示，陆良县设施种植业的用地主要来源之一为水田。大规模的设施种植改变了该地传统的农业生产模式、农业土地利用强度，对自然生态系统和社会—经济系统具有重要影响[4-6， 16]。为保持农业可持续、绿色发展，云南省编制《云南省设施农用地实施管理细则》，对设施农业用地、发展进行控制和规范。从农业土地系统科学角度出发，不仅需要及时获取设施种植的空间信息，还需要分析该地区农业土地系统变化的主要驱动因子和具体过程，评价农业土地系统变化引起的社会、经济和生态综合效应，以便进行科学调控和优化[17]。

5 结论

使用2013年4月到2017年3月共计6期的OLI影像提取陆良县设施种植区域空间信息。监测结果显示陆良县设施种植大棚以光温棚和遮阳棚为主，光温棚主要分布于湖积平原区，遮阳棚主要分布于北部、西部及南部环盆地的山坡地区。2013—2017年设施种植的面积监测结果表明，陆良县设施种植大棚的总面积持续增加； 但不同类型大棚的变化趋势不同，其中光温棚的面积表现为持续增加，而遮阳棚的面积则表现为剧增剧减。