基于遙感抽樣的新疆農區耕地利用率及其空間分異特征

馮雪力+劉廷璽+吳世新

摘要：耕地利用率能夠反映人類活動對耕地的利用狀況，以遙感數據和地面調查數據為主要數據源，采用遙感抽樣、地理數學與3S技術相結合的方法對干旱區典型農業區的耕地利用率進行系統研究；結果表明：利用累計平方根法，并結合新疆農業綜合區劃及新疆地勢資料，共將全疆分為12個耕地利用率類型區。天山北坡東部農區耕地利用率為91.6%，伊犁河中游河谷平原農區為91%，奇臺山前農牧區和塔城盆地農牧區耕地利用率僅為80%。天山北坡東部農區土地利用效率較其他農區要高。根據遙感抽樣方法測算得到的各分區的耕地利用率可見，各分區的耕地利用率大多在90%以下。基于遙感抽樣的耕地利用率調查研究，可為進行耕地中非耕地成分的整理提供依據。

關鍵詞：耕地利用率；遙感抽樣；累計平方根法；空間分異；新疆

中圖分類號： F323.211；S127文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0205-03

通信作者：劉廷璽，教授，博士生導師，主要從事水資源評價及“3S”技術應用研究。E-mail：txliu1966@163.com。新疆位于亞歐大陸中心，遠離海洋，山盆相間，地形復雜，是我國典型的干旱、半干旱地區。新疆總土地面積占全國土地面積的1/6。由于土地開發利用生態環境惡化，如地下水位下降、持續干旱等致使棄耕拋荒現象不斷增加，因此對其耕地資源的開發利用程度的研究越來越重要。

統計調查耕地利用率有多種方法，如果開展常規的農業普查需要投入大量的人力、物力，需要較長的時間，而且調查規模龐大，組織工作艱巨；而抽樣調查、遙感和地理信息系統（GIS）技術[1-4]的采用，則可以節約人力、物力和時間。

遙感抽樣方法[5-10]是以多尺度的遙感影像和地面調查數據為主要數據源，以全球定位系統（GPS）作為多源數據配準的基礎，結合GIS的空間分析方法進行耕地調查，從而豐富了傳統抽樣方法中所不具備的空間信息。這相當于獲取了統計抽樣中總體的先驗知識，因此可以提高抽樣調查的精度；由于遙感數據具有全覆蓋性，因此通過遙感影像的解譯，結合地面調查，可以減少野外樣本量和降低調查成本。新疆作為一個后備耕地資源大省，查清現在全疆的耕地開發利用程度，對于新疆以至全國都具有十分重要的戰略意義。

1材料與方法

1.1數據來源

使用新疆地區的Quick Bird遙感影像、中巴資源衛星影像、野外地面調查數據、新疆地區土地利用類型GIS數據、新疆農業區劃和自然區劃數據、新疆本底數據庫和新疆環境背景數據庫有關數據。在中巴資源衛星影像數據尺度上確定抽樣的樣框大小。野外地面調查數據對應于抽樣樣框的耕地與非耕地數據。

1.2研究方法

1.2.13S技術和地理數學方法利用灰色關聯方法來研究與農區非耕地系數有關的各個因素，并將其作為不同耕地類型區劃分的標志；利用GIS技術及累計平方根法，結合CBERS影像及其他輔助資料完成不同耕地類型區的劃分；對高分辨率遙感影像中的非耕地部分進行識別，并計算樣本內的非耕地部分面積，對于缺少遙感數據的樣本，則需要進行野外實地測量，運用GPS定點，保證數據的完整性。

1.2.2遙感抽樣方法分層抽樣方法[11-14]是性能較好的抽樣方法。借鑒分層抽樣方法的基本思想，從分層標志和分層數目2個方面對其細化，以提高遙感分層抽樣的效率。

確定不同耕地類型區分層的界限。根據相關文獻資料[15-16]介紹，累計平方根法是確定各層分界點最常用且效率較高的方法。

分層數目的確定。1972年，William推導出以下分層抽樣的測量方差V和分層層數n的關系：

V（y）≥s2yn ρ2L2+（1-ρ2）。（1）

式中：L是分層數目，n是樣本數量，s2y是變量y的方差，y是樣本均值，ρ表示分層標志變量x和被測量的變量y之間的簡單相關系數。現已證明，分層數小于6的效果較好，當層數大于6時，則方差的減少速度大為減緩；而分層層數越多，抽樣的費用就越大。

確定各個層內典型樣本數量的分配方法主要有均勻分配、比例分配和最優分配等方法。最優分配方法的代表是奈曼最優分配，其假定各層的單位抽樣費用相等。最優分配法考慮到層權和各層變異程度的因素，雖然會使抽樣精度大大提高，然而現實中往往會存在費用問題，最優分配同時考慮到三者的影響，但現實計算中也并非考慮因素越多越好，即使理論上的最優分配，在實踐中也未必真能做到。比例分配的優點是可以得到自加權樣本，且抽樣實施簡單。

本研究采用比例分配的方法來進行樣本數目的確定。比例分配分層抽樣需要的最小樣本數n由下式決定。

n0=N∑Lh=1Nh×s2hV，n=n01+n0/N；（3）

V=dt2。（4）

式中，s2h是第h層的樣本方差，即s2h=1nh-1∑nhi=1（yhi-yh），yh是第h層的樣本均值，即yh=1nh∑nhi=1yhi是第h層的樣本單元數；Nh是第h層總樣本數；N是總樣本數；n0是樣本單元數；t是標準正態分布的上α分位點。yhi是第h層第i個樣本的值。f是抽樣比例，即f=nN=nhNh。

典型樣本的選擇，可以采用計算機隨機選擇的方法選擇各個非耕地類型區內的典型區塊。

2結果與分析

2.1基于非耕地系數相似性的土地利用類型區劃分

影響耕地利用率的因素有地形、降雨量、水網密度、土地利用斑塊的破碎度、土壤類型、土地利用類型、耕作制度、種植結構、復種指數、農業政策等。在確定影響耕地利用率的主要因素后，進行類型區劃分。先根據灰色關聯法選用斑塊的破碎度、水網密度、農業人口密度、人均農業生產值作為影響耕地利用率的因素，并采用層次分析法對多個影響因子進行綜合，以降低土地利用類型區分區的復雜性；采用累計平方根法確定類型區劃分的數目以及各分區的分界點，并依據GIS技術，得到新疆相似性類型區劃分結果[17]；結合新疆地勢資料、新疆農業區劃資料等對基于非耕地系數相似性的類型區劃分的結果進行優化處理。endprint

將與非耕地系數相似的土地利用類型區柵格化處理；根據布爾邏輯運算進行地勢分類計算制成二值圖（圖1），將新疆海拔小于1 000 m的地區賦值為1，海拔大于1 000 m的地區賦值為0。

將類型區劃分圖的柵格數據與圖1的地勢類型數據進行邏輯相乘計算，并根據新疆綜合農業區劃資料，將部分傳統的農耕區從不同耕地土地利用類型區中單獨分離出來，它們分別是伊犁河中游河谷平原農區、伊犁河上游河谷盆地、奇臺山前平原農牧區、孔雀河塔里木河中下游地區、塔城盆地農牧區，它們單獨成區，將它們從大塊的區域中分離出來，使得類型區分區更細致，得到的最終優化類型區劃分如圖2所示。

圖2中的耕地類型區編號，0區表示海拔大于 1 000 m 的山地，該區的耕地數量極少，故不考慮其耕地利用率。其中，1、2區代表的是喀什三角洲傳統農區、阿爾泰山南坡農牧區、部分天山北坡東部農區等。3、4、5、6區代表的是天山北坡西部農區。7區代表的是天山北坡東部農區的大部分。8

區是位于天山南坡的農區——孔雀河塔里木河中下游地區。9區表示伊犁河上游河谷盆地。10區表示奇臺山前平原農牧區。11區表示伊犁河中游河谷平原農區。12區表示塔城盆地農牧區。

2.2典型樣本的選擇

典型樣本的選擇包括樣本數目的確定和具體樣本的確定。本研究是在累計平方根分區的基礎上，先進行采樣數目的計算，然后根據野外實際情況和采樣費用，不斷增加各土地利用類型區的采樣數目，以完成耕地利用率的測算與外推。

在抽樣精度為95%時：

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）

采樣比例為46/82=0.56=56%，基于累計平方根方法得到的分區結果的抽樣數目如表1中第6、5層所示。

本研究選用隨機方法確定具體的樣本，以便于野外采樣。為提高抽樣結果的精度，野外采樣的數量遠大于理論計算的抽樣數目。野外實際的采樣數目如表2所示。

2.3耕地利用率的測算與外推

采用中巴資源衛星遙感數據作為遙感抽樣的基礎，并基于中巴資源衛星遙感數據確定野外采樣的樣框（即圖像上的耕地圖斑），繼而通過野外采樣確定樣框內的耕地面積。

類型區對應的耕地利用率。

從表3可知，只有7區（天山北坡東部農區）的耕地利用率最大，為92%，其次是11區——伊犁河中游河谷平原農區，為91%。該地區的土地利用比較規整，田成塊、林成網，耕地開發利用程度較高。

耕地利用率最低的是10區——奇臺山前農牧區和12區——塔城盆地農牧區，耕地利用率為80%。

耕地利用率在89%及以上的地區，主要分布在烏魯木齊河沖積平原、伊犁河中游河谷平原農區、伊犁河上游河谷盆地農牧區、孔雀河與塔里木河中下游沖積平原等地區。

3討論

在抽樣的過程中，不難看到新疆現有耕地的有效利用率較低，即使對于新疆土地開發利用程度較高的傳統農耕地區，耕地利用率都在90%左右，山區尤其是在生態環境脆弱的地區，耕地的有效利用程度更低，耕地利用率往往低于80%。耕地利用率較低的地區，說明進行土地整理的強度會很大。而進行土地整理，則可以有效增加耕地面積，提高耕地利用率。

基于遙感抽樣的耕地利用率調查應用研究，為進行耕地中非耕地成分（田坎、溝渠、田間路網等）的整理提供了依據。通過對樣本及調查結果進行分區比較，既可以找出需要大力整理的地區或耕作方式，也可以看出利用效率較高的地區或耕作方式。在本研究的基礎上對不同分區的耕作方式及土地利用強度的進一步研究，具有重要意義。

4結論

通過研究得到以下結論：

（1）采用累計平方根法可簡潔、快速地確定各個耕地利用率相似性的土地利用分區分界點， 該方法使得耕地利用率的分區結果較為合理，并可使得耕地利用率在層內的差異較小，層間的差異較大。各個耕地利用率分區的差異也反映了各區的農業發展水平、土地利用與開發的程度。

（2）天山北坡東部農區耕地利用率為91.6%，伊犁河中游河谷平原農區為91%，奇臺山前農牧區和塔城盆地農牧區耕地利用率低于80%。新疆作為我國重要的后備耕地資源區，其農業區除少數典型農區的耕地利用率在90%以上，其

他較大部分耕地利用率均小于90%，說明在新疆進行土地整理的空間很大。基于遙感抽樣的耕地利用率調查應用研究，為進行耕地中非耕地成分的整理提供了依據。

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