劉陳立,張軍,楊旭超,李杰

(云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院,云南 昆明650500)

毒品問題是世界廣泛關(guān)注的問題,對(duì)人類危害巨大,緬甸佤邦北部的罌粟 (Papaver somniferum L.)種植歷史悠久,在世界上有極大影響。為了從源頭上治理毒品問題,切斷毒源,提出在毒源地實(shí)行罌粟 “替代種植”。替代種植是指在我國(guó)境外周邊國(guó)家和地區(qū)的罌粟種植區(qū),利用農(nóng)林作物及其他產(chǎn)業(yè)替代罌粟種植,以逐步消弱這些地區(qū)對(duì)毒品經(jīng)濟(jì)的依賴,減少毒品的危害[1]。佤邦的氣候、土壤、降雨量、日照和風(fēng)速條件等非常適合天然橡膠 (Hevea brasiliensis)生長(zhǎng),因此,橡膠林成為替代種植的最主要的經(jīng)濟(jì)作物。同時(shí),全球?qū)μ烊幌鹉z需求不斷增大,加上投資者對(duì)橡膠的利益需求,橡膠林面積不斷增加。利用3S技術(shù)快速監(jiān)測(cè)橡膠林種植分布及其變化特征,為政府部門及時(shí)掌握罌粟替代種植情況具有科學(xué)意義。2010年劉洪江等[2]根據(jù)ALOS、SPOT及Quickbird等影像資料勾繪橡膠林,結(jié)果表明老撾北部罌粟替代種植橡膠主要分布在老撾南部省,但沒有利用橡膠的物候進(jìn)行大面積提取。封志明等[3]研究中老緬交界地區(qū)橡膠林種植的時(shí)空格局及地形因素特征。李懷霄[4]利用TM數(shù)據(jù)采用基于面向?qū)ο髮?duì)西雙版納橡膠林進(jìn)行提取。梁守真等[5]采用面向?qū)ο蟮臎Q策樹模型提取橡膠林,提取效果較好。而對(duì)于佤邦北部的橡膠林研究相對(duì)比較少。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外橡膠研究現(xiàn)狀和罌粟替代種植實(shí)際調(diào)研狀況,基于Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行佤邦北部橡膠林提取,從橡膠的自然生態(tài)適宜性和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展性角度,分析橡膠種植的空間擴(kuò)展特征,說(shuō)明佤邦橡膠空間種植合理性和未來(lái)橡膠種植地土地資源的可利用空間,揭示其發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展規(guī)模,為佤邦北部地區(qū)橡膠科學(xué)合理地規(guī)劃種植提供空間理論指導(dǎo)和罌粟替代種植產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化及政府核查提供決策依據(jù),同時(shí)也為國(guó)內(nèi)類似區(qū)域的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

緬甸佤邦 (緬甸第二特區(qū))位于阿佤山區(qū),是緬甸聯(lián)邦的一個(gè)自治區(qū)。首府邦康,位于中緬邊境,南卡江的西岸,與中國(guó)的勐阿口岸相接。整個(gè)佤邦分為南北兩部分,佤邦北部位于緬甸東北部禪邦高原, 約在 22°-23°N,98°-100°E 之間, 面積約1.7×104km2,人口35×104[6]。佤邦是多民族雜居的地區(qū),以佤族為主體民族,奉行宗教信仰自由政策,佤邦官方語(yǔ)言是漢語(yǔ)和佤語(yǔ),使用人民幣作為貨幣[7]。地貌為高寒山區(qū),山多地少水乏,叢林繁多,植被茂密,土地貧瘠,以刀耕火種為主。氣候?qū)賮啛釒夂?年平均氣溫在25℃左右。一年分旱、雨兩個(gè)季節(jié),旱季干燥無(wú)雨,雨季則大雨傾盆。地形高低起伏,海拔在210-2 630m間,地勢(shì)東北、東南偏高,西面較低,地形復(fù)雜。行政范圍包括3縣2特區(qū),即勐冒縣、溫高縣、勐波縣,邦康特區(qū)和南鄧特區(qū)[8]。東北面與中國(guó)云南省臨滄市的耿馬縣、滄源縣、普洱市的瀾滄縣、西盟縣、孟連縣和西雙版納勐?？h接壤;北面與緬甸第一特區(qū) (國(guó)敢)相連;南面與緬甸禪邦第四特區(qū)(勐拉)相鄰;西面至緬甸第二條大江—薩爾溫江(中國(guó)境內(nèi)稱怒江),與滾弄、當(dāng)陽(yáng)等城鎮(zhèn)隔江相望。

2 數(shù)據(jù)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

研究主要以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS)提供的Landsat TM和Landsat8 OLI遙感影像作為數(shù)據(jù)源(http://glovis.usgs.gov/)。結(jié)合Landsat影像質(zhì)量和可獲取性,研究選擇2007年、2011年和2017年3年的影像進(jìn)行橡膠林提取研究 (表1)。

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

此外,以從地理空間數(shù)據(jù)云獲取30m的GDEM數(shù)據(jù) (http://www.gscloud.cn/search)為輔助數(shù)據(jù),行政界線數(shù)據(jù)來(lái)源于Global Administrative Areas(http://www.gadm.org/),其他數(shù)據(jù)包括2017年2月9日-2017年2月18日的野外采集樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)及佤邦北部罌粟替代種植情況核查數(shù)據(jù)。佤邦地區(qū)由于地形、氣候原因,橡膠林會(huì)出現(xiàn)季節(jié)性變化,通過實(shí)地調(diào)查和咨詢,佤邦橡膠林12月底到次年3月初會(huì)出現(xiàn)落葉現(xiàn)象,因此選擇2-3月份左右的遙感影像作為橡膠提取的最佳時(shí)間窗口[9]。以2017年的影像為基準(zhǔn),采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行幾何校正,將獲取的TM影像均配準(zhǔn)到基準(zhǔn)影像上,同時(shí)對(duì)Landast8 OLI影像采用NNDiffuse Pan Sharpening法融合多光譜與全色波段,并裁剪研究區(qū)。

2.2 研究方法

橡膠林是罌粟替代種植中最主要的替代經(jīng)濟(jì)作物,利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)替代作物種植,其實(shí)質(zhì)就是提取佤邦北部橡膠種植面積及分布情況。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠林的研究成果和實(shí)地調(diào)查得知,佤邦北部的橡膠林呈現(xiàn)出以旱季落葉期與新葉萌生期為特征的時(shí)間特性,這一特征有利于橡膠林識(shí)別。佤邦北部山多地少,地理地位特殊,植膠種植條件優(yōu)越,但其種植歷史較短,在2006年之后擴(kuò)展迅速。因此,橡膠林地成為佤邦北部主要的土地利用類型。一般地,橡膠樹從植膠到割膠需要5-7年,特別是定植3-4年內(nèi)以幼年齡林為主,研究將橡膠林地劃分為橡膠幼林 (≤5年)和橡膠成林 (＞5年)進(jìn)行研究[10],并且采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄌ崛〕鱿鹉z林地。參照國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠林的研究,研究基于光譜特征、自定義特征指數(shù)和紋理等[11]特征,采用閾值法進(jìn)行分類,分別逐步提取2007年、2011年和2017年佤邦北部橡膠林,同時(shí),結(jié)合目視解譯和野外核查GPS樣本點(diǎn)進(jìn)行修正。利用提取的橡膠林用GIS空間分析方法,結(jié)合地形因子(海拔、坡度和坡向)對(duì)佤邦北部橡膠林的種植梯度進(jìn)行分析。

3 橡膠林提取

3.1 影像多尺度分割

影像分割是面向?qū)ο蠓诸惖幕A(chǔ),對(duì)提取影像信息起著至關(guān)重要的作用。在eCognition中,多尺度分割效果最優(yōu),在面向?qū)ο蟮倪b感影像分類提取中應(yīng)用最為廣泛。多尺度分割,將單個(gè)像元作為生長(zhǎng)點(diǎn),用區(qū)域生長(zhǎng)法先生成較小的影像對(duì)象,之后用區(qū)域合并法對(duì)較小的影像對(duì)象進(jìn)行合并,合并時(shí)遵循影像對(duì)象異質(zhì)性最小的原則[12]。多尺度分割考慮了光譜異質(zhì)性和空間異質(zhì)性,對(duì)同一幅影像中的多種地物用不同的尺度來(lái)描述[1],充分利用影像的紋理、形狀、拓?fù)涞瓤臻g特性,可有效避免因同一地物光譜差異大而造成的影像對(duì)象多邊形邊界破碎的問題。多尺度分割通過設(shè)定相應(yīng)圖層的權(quán)重值、均質(zhì)因子 (形狀因子和緊致度因子)和分割尺度來(lái)達(dá)到分割效果,其分割尺度大小直接影響最終影像分類的結(jié)果[13]。本研究在進(jìn)行影像分割時(shí),設(shè)置影像所有波段權(quán)重值為1,形狀因子為0.1和緊致度因子為0.5,分割尺度大小為50和80,能區(qū)分各類地物。

圖1 不同尺度分割效果Fig.1 Segmentation result under different scales

3.2 分類規(guī)則的建立

通過利用歸一化植被指數(shù)NDVI、地表水分指數(shù)LSWI[14]、影像光譜和紋理特征,建立解譯規(guī)則函數(shù)集。研究對(duì)象是橡膠林,因此,對(duì)遙感影像共解譯出5類不同的地物,分別是橡膠幼林,橡膠成林,有林地、水域、其他用地。以eCognition軟件作為平臺(tái),采用面向?qū)ο笾械拈撝捣?(assign class)分類,初始層利用植被指數(shù)NDVI區(qū)分植被和非植被;第二層在植被類中結(jié)合地表水分植被LSWI和海拔提取出橡膠林和有林地,在非植被中利用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)和近紅外波段提取水域和其他用地;第三層,根據(jù)NDVI和植被紋理特征對(duì)比度 (Con)劃分橡膠成林和幼林。各分類閾值大小采用人機(jī)交互方式確定,將實(shí)地調(diào)查和人工解譯結(jié)果與各特征閾值范圍進(jìn)行對(duì)比,經(jīng)過多次調(diào)試,確定最佳分類閾值,逐步提取佤邦北部橡膠林,各地物的特征參數(shù) (表2)。

3.3 精度評(píng)價(jià)

基于野外核查采集的207個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)2017年分類結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),利用eCognition中基于樣本對(duì)象的Error Matrix based on Samples建立混淆矩陣,計(jì)算其生產(chǎn)者精度、用戶精度、總體精度和Kappa系數(shù)4個(gè)精度評(píng)價(jià)指標(biāo) (表3)。

由表3可知,采用面向?qū)ο蟮拈撝捣ǚ诸惪傮w精度是87.4%,Kappa是83.68%,其中橡膠成林90.14%,橡膠幼林84.44%,分類精度能滿足需求。

表2 橡膠林信息提取規(guī)則集Tab.2 Principles of rubber information extraction

表3 面向?qū)ο笙鹉z林信息提取精度評(píng)價(jià)Tab.3 Accuracy evaluation of object-oriented information

4 結(jié)果與分析

4.1 佤邦北部橡膠林面積變化分析

通過面向?qū)ο蟮拈撝捣?分別提取2007年、2011年和2017年的橡膠林,得到緬甸佤邦北部2007-2017年橡膠林面積 (表4)。研究結(jié)果表明,200-2017年間,佤邦北部橡膠林面積變化顯著,整體呈增加趨勢(shì),種植面積由2.98×104hm2增加到11.39×104hm2,到2017年,橡膠成林占佤邦北部境內(nèi)總種植面積的60.49%。2007年至2011年,橡膠林地面積擴(kuò)展顯著,種植面積由2.98×104hm2增加到7.13×104hm2,擴(kuò)展增速約為1.01×104hm2/a;而2011年到2017年佤邦北部橡膠林面積由7.13×104hm2增加到11.39×104hm2,擴(kuò)展了4.26×104hm2, 增速為0.71×104hm2/a。

表4 2007年至2017年期間佤邦北部橡膠林地面積變化Tab.4 Changes of rubber plantation in northern WA state during 2007-2017 ×104hm2

2007年至2011年橡膠林增速最快,因?yàn)樵谶@期間,佤邦聯(lián)合軍提出從2005年起佤邦地區(qū)全面禁種罌粟[15],導(dǎo)致許多土地類型轉(zhuǎn)變成橡膠林。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝妥匀粭l件,橡膠林很適合在佤邦種植,結(jié)合國(guó)內(nèi)和國(guó)際上橡膠需求量增大,導(dǎo)致橡膠價(jià)格整體呈上升的發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外替代種植等相關(guān)的政策,極大的促進(jìn)了佤邦地區(qū)橡膠林種植。2011年至2017年,佤邦地區(qū)橡膠種植面積增速減慢,6年擴(kuò)展了4.26×104hm2,因?yàn)樵谶@期間,佤邦地區(qū)橡膠林種植已經(jīng)接近飽和。國(guó)際天然橡膠價(jià)格對(duì)橡膠種植產(chǎn)生了極大影響,根據(jù)天然橡膠生產(chǎn)國(guó)組織的資料,從2009年開始,天然橡膠價(jià)格經(jīng)過2年多的持續(xù)上升,到2011年3月突破歷史最高紀(jì)錄,達(dá)到32 000元/t,漲幅達(dá)158%,此時(shí)部分膠農(nóng)受價(jià)格利益驅(qū)動(dòng),不斷增加種植面積,而2011年后,橡膠價(jià)格一路下跌,截止2016年平均在10 000元/t左右,2016年底-2017年初稍微有點(diǎn)漲幅,但漲幅較小,所以,2011年后橡膠種植面積擴(kuò)展減慢,不再快速擴(kuò)展(http://www.anrpc.org/)。目前,緬甸佤邦北部的橡膠林?jǐn)U展速度放慢,主要分布在以邦康首府為中心,呈現(xiàn)出以邦康和南鄧兩特區(qū)為中心,勐冒縣附近均有分布,沿著薩爾溫江、南卡江和南班河向兩側(cè)空間分布格局及擴(kuò)張趨勢(shì) (圖2)。佤邦地區(qū)山多地少,隨著緬甸佤邦可用于種植的土地越來(lái)越少,可適合種植橡膠的土地面積逐漸減少。2011年后,橡膠價(jià)格漲跌不定,替代企業(yè)和私人降低了橡膠的種植力度。

圖2 緬甸佤邦北部橡膠林地各時(shí)期空間分布和擴(kuò)展圖Fig.2 Spatial distribution of rubber woodland in northern WA at different periods

4.2 佤邦北部橡膠種植與地形特征關(guān)系

為研究橡膠林在地形上的擴(kuò)張?zhí)卣?基于2007年、2011年和2017年橡膠林分布圖與地形因素 (海拔、坡度和坡向)分別進(jìn)行疊加分析,以把握緬甸佤邦北部橡膠林的空間分布特性,從而為橡膠林的適應(yīng)性、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)依據(jù)。對(duì)緬甸佤邦北部橡膠種植研究以200m為一個(gè)階梯進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。由表5可知,緬甸佤邦北部2007-2017年橡膠種植整體增加,主要集中分布在400-1 000m的范圍內(nèi),1 200m以上基本沒有橡膠林,在600-800m的海拔上橡膠面積擴(kuò)展最大。在這10年間,佤邦北部橡膠種植呈現(xiàn)出向高海拔擴(kuò)展的趨勢(shì),同時(shí),低海拔也增加,主要是受“罌粟替代種植”政策和橡膠經(jīng)濟(jì)因素的影響,橡膠林種植不斷增加。佤邦橡膠林種植適宜分布海拔在400-1 000m,但隨著可適宜種植的土地越來(lái)越少,擴(kuò)展速度會(huì)逐漸降低。

表5 2007-2017年橡膠林在不同海拔梯度上的空間分布Tab.5 The spatial distribution of rubber plantation at different altitudes between 2007 and 2017 104hm2

根據(jù)水利部頒發(fā)的中華人民共和國(guó)行業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007《土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)》[16],將地形坡度分為微坡 (0°-5°)、 較緩坡 (5°-8°)、 緩坡(8°-15°)、 較陡坡 (15°-25°)、 陡坡 (25°-35°)和急陡坡 (＞35°)。分別統(tǒng)計(jì)佤邦北部橡膠林在2007年、2011年、2017年不同坡度的分布情況,由圖3可知,從2007年-2017年,橡膠林地主要分布在5°-35°坡度范圍內(nèi),并且在每個(gè)坡度上面積都有所增加,在8°-25°擴(kuò)展速度最快,隨著時(shí)間的增加,橡膠林不斷向高坡度擴(kuò)張。同理,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),將坡向分為平地 (0°)、陰坡 (0°-45°)&(315°-360°)、 半陰坡 (45°-135°)、 陽(yáng)坡 (135°-225°) 和半陽(yáng)坡 (225°-315°)。 佤邦北部橡膠在平地、陰坡、半陰坡、陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡都有分布,在平地分布較少,陰坡橡膠林分布面積最大。2007到2017年間在半陰坡、陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡均逐年增加,但增幅較小,陰坡增加最快。

圖3 橡膠林在不同坡度和坡向上的空間分布Fig.3 Spatial distribution of the rubber plantation at different slope and aspect

5 結(jié)論與討論

緬甸佤邦北部是傳統(tǒng)的罌粟種植地區(qū),從2005年開始全面禁種罌粟,但成效不明顯,“罌粟替代種植”項(xiàng)目從根本上解決毒品的來(lái)源,同時(shí)又促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,其中,橡膠林是最主要的罌粟替代作物。研究基于遙感技術(shù)手段,采用中分辨率的 Landsat TM/OLI遙感影像,利用eCogintion8.9軟件采用面向?qū)ο蟮拈撝捣▽?duì)緬甸佤邦北部地區(qū)2007-2017年橡膠林進(jìn)行識(shí)別。研究發(fā)現(xiàn):(1)采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄟM(jìn)行橡膠林分類提取,提取效果較好,2017年分類總精度為87.4%,其中橡膠成林的精度為90.14%,橡膠幼林精度為84.44%。(2)2007-2017年佤邦北部橡膠擴(kuò)展較快,呈現(xiàn)出以邦康和南鄧兩特區(qū)為中心,沿著薩爾溫江、南卡江和南班河向兩側(cè)空間分布格局及擴(kuò)張趨勢(shì)。(3)提取的橡膠林地分布結(jié)合地形特征分析發(fā)現(xiàn),2007-2017年佤邦北部的橡膠林沿著河流兩岸擴(kuò)展,在海拔、坡度和坡向上都呈現(xiàn)出增加,并且在坡向上主要分布在陰坡,受地形限制,在陽(yáng)坡上沒有太多適合種植橡膠區(qū)域。

緬甸佤邦北部橡膠林種植面積從2007-2017年擴(kuò)展迅速,逐漸向高海拔地區(qū)擴(kuò)展,這種擴(kuò)張趨勢(shì)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和橡膠產(chǎn)量都有一定影響。對(duì)于佤邦北部橡膠林提取研究,受地形和天氣的影響,獲取衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)困難和質(zhì)量差,對(duì)提取橡膠林精度存在一定的誤差,另外,目前國(guó)內(nèi)對(duì)佤邦北部的橡膠林種植研究較少,大部分集中在云南西雙版納州和海南省,缺乏相關(guān)的資料。在今后對(duì)佤邦北部橡膠林進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù),利用高分系列衛(wèi)星及時(shí)、準(zhǔn)確和高精度監(jiān)測(cè)佤邦橡膠林變化,為政府部門、替代企業(yè)橡膠林管理和評(píng)估生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

致謝：本次罌粟替代種植調(diào)查過程中得到普洱市商務(wù)局、普洱市替代種植協(xié)會(huì)、普洱市公安禁毒部門、境外罌粟替代種植相關(guān)企業(yè)和佤邦農(nóng)林水利部等相關(guān)負(fù)責(zé)人陪同和考察,在考察用車、境外出入、替代企業(yè)相關(guān)資料提供等各方面提供幫助和支持,在此特意表示感謝!