戴晨曦， 謝相建， 徐志剛， 杜培軍

(南京大學(xué)江蘇省地理信息技術(shù)重點實驗室，南京 210023)

0 引言

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對名貴中草藥材的種植面積和生長狀態(tài)進行監(jiān)測是遙感一個新的應(yīng)用方向。三七作為云南省一種大面積種植的名貴中藥材和經(jīng)濟作物，對區(qū)域土地利用和經(jīng)濟創(chuàng)收都有著重要影響。準確監(jiān)測三七種植面積與變化趨勢，進一步分析其與政策制定和市場價格的關(guān)系具有重要意義。三七是我國特有的名貴中藥材，據(jù)記載具有降低血脂、活血化瘀、強壯滋補和消腫止痛等功效，目前其用途已從單一的藥用價值拓展到了醫(yī)療保健、功能食品、化妝品等方面。對三七原料需求的日益增加，導(dǎo)致了三七價格的逐年升高和種植面積的不斷擴大[1-3]。

但是，由于對產(chǎn)地經(jīng)緯度、海拔、土壤、氣候、植被等生長環(huán)境的特殊要求，全球三七種植區(qū)域僅集中于我國云南和廣西等省區(qū)的特定區(qū)域[4-5]。云南省文山壯族苗族自治州(以下稱文山州)目前是我國最大的三七產(chǎn)地，紅河哈尼族彝族自治州(以下稱紅河州)也漸漸成為了“三七之鄉(xiāng)”。對該地區(qū)三七種植面積變化的監(jiān)測對于預(yù)測三七供應(yīng)能力及市場價格、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有著重要的作用。

傳統(tǒng)的三七種植面積及產(chǎn)量監(jiān)測主要通過普查統(tǒng)計和實地調(diào)查，不僅耗時耗力，且難以從宏觀尺度全面反映三七種植面積及其變化。遙感技術(shù)具有覆蓋面積大、數(shù)據(jù)更新周期短、監(jiān)測方法經(jīng)濟有效等一系列優(yōu)點[6]，將其應(yīng)用于快速監(jiān)測三七種植的分布和動態(tài)變化，可以為相關(guān)部門指導(dǎo)三七的合理種植提供決策依據(jù)。國內(nèi)外在植物遙感調(diào)查方面已做過大量的研究工作，但主要研究對象為成片生長的灌木、喬木類植物，而對于草本植物三七這一重要經(jīng)濟作物的遙感調(diào)查與監(jiān)測尚缺少探索[7]。

三七種植需要特定的生長環(huán)境，除了水熱及土壤條件，海拔、坡度和坡向等對其生長也有很大影響。三七最大的生長特點是需要較好的遮陽條件，因此種植三七的地塊都覆蓋有黑色遮陽網(wǎng)。這種特殊的黑色遮陽網(wǎng)與其周圍其他地物的光譜特征存在較大差異，為利用遙感技術(shù)提取三七分布提供了可能[8]。本文基于2010—2015年間4個時期的Landsat TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)和歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)等提出了一種能精確提取三七種植區(qū)域的有效方法； 在此基礎(chǔ)上以云南省文山州和紅河州為研究區(qū)，分別提取了這期間2個州的三七種植面積，分析了三七種植的時空變化規(guī)律及其原因。研究成果對于三七種植面積監(jiān)測和市場價格分析具有較大的參考意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

文山州和紅河州都位于云南省東南部，文山州處于E103°35′～106°12′，N22°40′～24°48′之間，下轄8個縣市； 紅河州位于E101°47′～104°16′，N22°26′～24°45′之間，下轄4市9縣。2州占地總面積約65 170 km2。研究區(qū)地處低緯度亞熱帶高原型濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，太陽輻射能較為充足，雨量充沛但分布不均，干濕季分明，冬無嚴寒，夏無酷暑，年溫差小，日溫差較大，具有獨特的高原型立體氣候特征； 土壤以疏松的沙壤為主。這些條件符合三七喜潮濕但怕積水、喜冬暖夏涼、土質(zhì)疏松且有機含量高的苛刻要求[8-10]。

文山州是三七的主產(chǎn)地，地勢西北高、東南低，山區(qū)和半山區(qū)占總面積的97%，年均氣溫約19 ℃，無霜期273～353 d，是典型的農(nóng)業(yè)大州[6]。由于三七的社會需求量不斷增加，加上其種植需要較長時間的輪作，近年來三七的產(chǎn)地由文山州擴展到了周邊的紅河州，紅河州已成為僅次于文山州的三七第二大產(chǎn)地[11]。2地區(qū)都具備適合三七種植的獨特的水熱及土壤條件，因此2州均把三七列為支柱產(chǎn)業(yè)進行培育，為三七種植面積的擴張?zhí)峁┝擞辛Φ恼攮h(huán)境。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文所用數(shù)據(jù)源見表1，主要考慮到圖像分辨率、數(shù)據(jù)可獲取性、時相特征與三七生長季節(jié)特點等要素，選擇了美國陸地衛(wèi)星Landsat系列數(shù)據(jù)，包括2010年的TM數(shù)據(jù)，2012年的ETM+數(shù)據(jù)，2014年和2015年的OLI數(shù)據(jù)。由于2012年有2景缺少合適影像，所以選擇了2011年的影像替代。每期數(shù)據(jù)都包括6景原始影像，對其分別進行了拼接、剪裁、輻射定標和大氣校正[12]。三七種植受海拔影響比較顯著，因此同時利用DEM數(shù)據(jù)輔助三七種植區(qū)域的提取。

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

2 研究方法

總體研究思路和方法如圖1所示。三七通常種植于黑色遮陽大棚中，但單從光譜來提取黑色大棚覆蓋區(qū)域易與水體、陰影以及部分人工地物混淆。由于三七主要生長于海拔1 200～2 200 m的區(qū)域，可以利用DEM中的高程值來增強黑色大棚與山區(qū)陰影及平地部分人工地物的區(qū)分度。另外，由于黑色大棚覆蓋區(qū)域的NDVI較低，因此可利用NDVI增強黑色大棚與水體的差異性。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technology roadmap

基于以上分析，利用遙感影像各波段亮度值，DEM數(shù)據(jù)和NDVI指數(shù)構(gòu)建特征集，將研究區(qū)地物分為水體、植被、陰影、土壤、人工建筑和三七大棚6類，對照Google Earth影像進行目視解譯。對各類地物類型分別選取100余個樣本，盡可能保證樣本均勻分布于整個研究區(qū)。采用支持向量機(support vector machine，SVM)分類器，分別提取4期影像的黑色大棚覆蓋區(qū)作為三七種植區(qū)域。同時，基于人工解譯對分類結(jié)果進行后處理。分類結(jié)果中，有部分陰影錯分到三七種植類別中，對照Google Earth影像將明顯錯分的區(qū)域進行了校正。

3 結(jié)果與分析

基于Google Earth高清影像評價分類精度如表2所示，根據(jù)提取的結(jié)果分析其時空變化及其原因。

表2 2010—2015年分類結(jié)果精度評價Tab.2 Accuracy assesment of classification results from 2010 to 2015 (%)

圖2為2010—2015年間三七種植變化較明顯的區(qū)域提取結(jié)果對比示意圖。利用GIS的空間分析功能，進一步分析三七種植的時空變化規(guī)律及其與地形因子(海拔、坡度、坡向)的關(guān)系。

(a) 2010年 (b) 2012年

(c) 2014年 (d) 2015年

圖2部分地區(qū)三七提取示意圖(2010—2015年)

Fig.2Exampleofextractionofpseudo-ginsengfrom2010to2015

3.1 三七種植分布的時空變化

3.1.1 三七種植分布的縣市差異

用遙感分類結(jié)果提取三七種植區(qū)域，得到2010—2015年間各個縣市三七種植分布示意圖(圖3)，各縣市具體三七種植面積如表3所示。

圖3 2010—2015年三七在各縣市分布示意圖Fig.3 Spatial distribution of pseudo-ginseng in different counties form 2010 to 2015

表3 研究區(qū)各縣三七種植面積年際變化(2010—2015年)Tab.3 Annual and inter-annual area of pseudo-ginseng in Wenshan and Honghe from 2010 to 2015 (km2)

由圖表可知，文山州和紅河州的三七種植總面積從2010年零星分布的7.45 km2擴大到2015年的200.68 km2，種植面積擴張顯著。三七主要分布在文山州的丘北縣、硯山縣和紅河州的建水縣，另外紅河州的瀘西縣、彌勒縣、蒙自縣和文山州的文山縣也是三七的主產(chǎn)地，其余各個縣市種植較少，三七種植面積在各個縣市空間分布差異明顯。

2010—2012年間,三七種植面積從7.45 km2增加到79.19 km2，2 a間增加了71.74 km2，年均增長35.87 km2/a。2010年三七主要分布在紅河州的彌勒縣、建水縣和文山州的硯山縣，分別占種植總面積的22.55%，18.26%和14.90%。2012年，紅河州的建水縣以及文山州的硯山縣、文山縣增長面積最為明顯，相對于2010年分別增長了12.83 km2，24.31 km2和18.65 km2。2010年之后，三七種植面積飛速增長，并且主要集中在地勢較為平坦、海拔差異較小的幾個縣市。

2012—2014年間，三七種植面積增加了186.71 km2，年均增長93.35 km2/a，相對于前2年增長速度大大提高。2014年主要分布在文山州的丘北縣和硯山縣以及紅河州的建水縣?？傮w而言，三七在每個縣市的種植面積都在逐年增加，而文山州的富寧縣、馬關(guān)縣和麻栗坡縣，紅河州的綠春縣、紅河縣、金平苗族瑤族傣族自治縣以及河口瑤族自治縣相對于前4年幾乎沒有增長或者不增反減。

2014—2015年間，三七種植面積從265.90 km2減少到200.68 km2，減少了65.22 km2。2015年三七在各個縣市種植面積都存在不同程度的減少。在2014年三七種植最多的縣市(丘北縣、建水縣和硯山縣)有較大幅度的減少； 而文山州的西疇縣，紅河州的瀘西縣、彌勒縣、屏邊苗族自治縣、蒙自縣和開遠市變化較小。主要原因是三七一般需要連續(xù)種植3 a，而且由于三七的“自毒”作用，3 a后必須更換種植區(qū)，曾經(jīng)種過三七的土地在20 a之內(nèi)不能再種植三七[9]。2010—2014年間各縣市三七的種植面積都在逐年擴大，導(dǎo)致在最適宜三七生長的幾個縣市內(nèi)，種植三七的第一個周期已經(jīng)過去，很多剛種植過三七的土地不能再次種植三七，而部分之前三七分布較少的縣市才開始增加三七的種植； 此外,總體種植面積減少也受到三七價格波動的影響。

3.1.2 三七種植與海拔因子的關(guān)系

基于2010年、2012年、2014年和2015年4個時期的三七空間分布圖和30 m的DEM數(shù)據(jù)，以300 m為海拔梯度間隔，統(tǒng)計分析了三七的時空分布變化與海拔的關(guān)系(表4和圖5)。

表4 不同海拔區(qū)間三七種植面積百分比Tab.4 Area proportion of pseudo-ginseng plantationsin different elevation gradient

圖4不同海拔區(qū)間三七種植面積百分比

Fig.4Areaproportionofpseudo-ginsengplantationsindifferentelevationgradients

結(jié)果表明，文山州和紅河州三七種植主要分布在海拔[1 100,2 300) m間，其中[1 400,2 000) m最適宜三七生長，超過2 300 m很少有三七分布。

2010—2012年間，[17,2 000) m三七種植面積比重在上升，[2 000,2 600) m三七種植面積比重下降； 在1 100 m以上，特別是[1 400,1 700) m區(qū)間三七種植面積出現(xiàn)較大擴展。[2 300,3 025) m海拔區(qū)間面積比重減小到幾乎不種植三七，相對于2010年，2012年的三七種植海拔更加集中在[1 400,2 000) m范圍內(nèi)，占總面積的84.45%。

2012—2014年間，研究區(qū)的三七種植開始進一步向較高海拔擴展，而分布于[17,1 700) m海拔區(qū)間的三七種植比重相對減少，[1 700,2 600) m的種植比重增大，從2012年的26.33%增加到2014年的50.5%。2014年分布于[1 400,2 000) m海拔區(qū)間的三七種植面積依舊最大，占當(dāng)年種植總面積的80.95%。

2014年—2015年間，文山州和紅河州的三七種植開始向低海拔的區(qū)域擴散，[17,1 400) m海拔區(qū)域內(nèi)的三七種植面積比重從2014年的4.48%增加到8.34%，[2 000,2 600) m的三七種植比重從2014年的14.58%減少到0.3%。這期間在海拔[1 100,1 400) m區(qū)間內(nèi)三七的種植面積總體趨勢是增大的，未來三七種植可能會向中低海拔擴展。

3.1.3 三七種植與坡度因子的關(guān)系

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—96《土壤侵蝕分類分級標準》[13]，坡度分為以下6級： 微坡(<5°)，較緩坡[5°,8°)，緩坡[8°,15°)，較陡坡[15°,25°)，陡坡[25°,35°)，急陡坡(≥35°)。統(tǒng)計分析文山州和紅河州在2010年、2012年、2014年和2015年4個不同時期、不同坡度上的三七種植分布變化情況(圖5)。結(jié)果表明，在這4個時期，三七各個坡度等級的分布近乎相同。文山州和紅河州有幾乎90%的三七種植于坡度<25°的坡地上，1/3左右集中分布于[8°,15°)的緩坡上，陡坡和急陡坡上三七種植得很少。

圖5 不同坡度三七種植面積百分比Fig.5 Area proportion of pseudo-ginseng in different slope gradients

3.1.4 三七種植與坡向因子的關(guān)系

將坡向分為以下5級： ①平坡地； ②坡向方位角在[0,45°)和[315°,360°)間為北坡； ③[45°,135°)間為東坡； ④[135°,225°)間為南坡； ⑤[225°,315°)間為西坡。統(tǒng)計分析云南省文山州和紅河州地區(qū)在2010年、2012年、2014年和2015年4個時期、不同坡向的三七種植分布情況及強度變化(圖6)。結(jié)果表明，文山州和紅河州在平坡地區(qū)幾乎不種植三七，其他4個坡向的三七種植分布較為均衡。云南地區(qū)同時受到東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響，來自迎風(fēng)坡的水熱條件一般優(yōu)于背風(fēng)坡，而三七是喜陰植物，背風(fēng)坡更適合種植三七，因此北坡的種植面積略高于其他幾個方位。

圖6 三七種植不同坡向分布面積百分比Fig.6 Area proportion of pseudo-ginseng in different aspect gradients

3.2 三七種植的時空變化驅(qū)動力分析

3.2.1 三七種植與政策的關(guān)系

文山州和紅河州是三七的主產(chǎn)地和原產(chǎn)地，品質(zhì)最為道地[14]。三七作為其重要產(chǎn)業(yè)，發(fā)展的成功與否直接關(guān)系著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展水平，因此加快發(fā)展三七產(chǎn)業(yè)對文山州和紅河州有極其重要的意義。云南省省委、省政府高度重視三七的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2010年頒布了相關(guān)政策，組建了生物資源的開發(fā)和三七產(chǎn)業(yè)局。近年來，政府一直加大對三七的對外宣傳，使三七在國內(nèi)外的知名度大大提高，因此三七的需求量和相關(guān)產(chǎn)品也就大大增加，隨著科技水平的提高，產(chǎn)能規(guī)模也跟著逐年擴大，使得文山州和紅河州2010—2014年間三七的種植面積逐年上升。

3.2.2 三七種植面積變化與價格波動的關(guān)系

研究以60頭三七(一斤有60個三七)的月度平均價格為研究數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)均來源于文山三七網(wǎng)[15]。圖7為2010—2014年間三七種植面積和價格波動圖。

圖7 2010—2014年三七種植面積和價格波動圖Fig.7 Fluctuations in prices and areas of pseudo-ginseng from 2010 to 2014

從圖7中可看出，2010—2013上半年期間，三七的價格總體上呈持續(xù)上漲趨勢，而三七的種植面積在該段期間內(nèi)也保持飛速增長的狀態(tài)。由于2009年文山遭遇了特大干旱，給當(dāng)?shù)厝叩姆N植造成了極大影響，2010年冬天又出現(xiàn)凍害天氣，因此2010年的三七種植面積特別小，僅7.45 km2，導(dǎo)致三七供不應(yīng)求，2010年12月份三七的價格增長到489元/kg左右。價格的增長刺激了三七的種植，從2010年開始，三七面積一直處于增長的階段。到了2013年下半年，三七的價格開始下滑，12月份已下降到497.42元/kg，而2014年相對于2013年三七的總種植面積依然有所增加。2014年12月，三七的價格飛速滑落，到2015年12月已降至190元/kg左右，價格猛降直接導(dǎo)致三七種植面積減少。

由以上分析可以得出，三七的種植面積對市場價格的反應(yīng)具有嚴重滯后性，這主要反映在2013—2014年三七種植面積與其市場價格的關(guān)系中。2010—2013年三七的市場價格總體不斷升高，并在2013年上半年達到了峰值，市場價格極大地刺激了三七種植面積的激增。到2013年6月，三七價格達到頂峰，為838.2元/kg左右。當(dāng)三七供過于求時市場價格就會出現(xiàn)下降，2013年下半年開始三七價格持續(xù)下滑； 而三七種植面積仍在繼續(xù)增加，直至2014年年中達到最高峰，隨后才出現(xiàn)急劇下降，而且這種趨勢一直延續(xù)到了2015年。

4 結(jié)論與討論

本文基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究了云南省文山、紅河2州2010—2015年間三七種植情況，分析了三七分布格局及其時空變化規(guī)律，探討了其變化與地形、價格、政策等因素的相互關(guān)系。研究結(jié)論主要如下：

1)提出了一種基于中空間分辨率多光譜遙感影像的三七種植區(qū)提取方法，其分類精度能夠滿足空間分析和實際應(yīng)用的需求，證明了利用遙感技術(shù)對三七種植面積進行實時動態(tài)監(jiān)測的可行性。

2)對研究區(qū)三七種植面積的時間變化分析表明，2010—2014年間，文山州和紅河州的三七種植面積從7.45 km2擴大到265.90 km2，擴展了幾乎36倍； 而到了2015年，三七的種植面積稍有下降，為200.68 km2，總體而言，三七在2010—2015年期間增長顯著。

3)從海拔高度來看，三七主要分布在[1 100,2 000) m高程上，其中在[1 400,2 000) m最多，海拔低于1 100 m或高于2 300 m的地區(qū)很少或者幾乎沒有三七種植。海拔[1 100,1 400) m和[1 700,2 000) m區(qū)間內(nèi)，在2010—2015年間三七的種植比重分別增加了6.16%和26%，在[2 000,2 300) m區(qū)間，種植比重下降了38.90%，由此可見，三七主要集中種植在海拔[1 100,2 000) m的地區(qū)，該海拔區(qū)間是三七生長的主要區(qū)間。

就地形(坡度和坡向)而言，三七主要種植在坡度<25°的坡地上，約1/3集中分布于[8°,15°)的緩坡地上，極少分布于坡度≥35°的急陡坡上； 三七種植于北坡的面積略大于其他坡向。

4)三七種植面積變化與市場的供求關(guān)系、價格以及政策等有關(guān)。2010年以來三七面積的擴張與當(dāng)?shù)卣姆e極宣傳、大力推進有著密不可分的關(guān)系。三七種植面積隨著其市場價格的升高而增大，隨價格的降低而減少，但對市場價格的反應(yīng)具有滯后性。

本研究中也存在一些問題需要進一步探討解決，一方面是三七種植區(qū)域的提取，在分類過程中，三七大棚易與陰影混分，對三七種植區(qū)域的提取精度有一定影響； 另一方面雖然60頭三七是交易量較大的品種，但是單以60頭三七為例進行分析，不能完全代表其他規(guī)格品種的價格走勢，從而不能完全確切反映三七種植面積與市場價格的關(guān)系。

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