基于TM和OLI數據的近10年云南文山三七種植區遙感提取與變化分析

吳風志，鄭買紅，胡文英，胡國賢，王 酈，董興欣，盧艷萍

(1.文山學院 環境與資源學院，云南 文山 663000； 2.文山學院 地理信息技術教學、實驗基地與創新服務中心，云南 文山 663000；3.云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500；4.云南省高校資源與環境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；5.云南省地理空間信息工程技術研究中心，云南 昆明 650500；6.云南省氣象局 文山州氣象局，云南 文山 663000；7.云南省氣象局 文山州文山市氣象局，云南 文山 663000)

三七(Panaxnotoginseng(Burk.)F.H.Chen)又名田七，具有良好的活血化瘀、消腫定痛功效，為中國特有珍稀名貴中藥材。受苛刻的生境條件限制，在全球范圍內，三七種植生產的天然生態適宜帶極稀少，主要分布在中國西南部云南、廣西、貴州三省(區)交界地，而又以位于云南省東南邊疆的文山州最為適宜[1-4]。云南省文山州有著久遠的三七栽種與加工歷史，但由于地處邊疆少數民族地區，受經濟發展落后影響，三七的種植生產與加工長期處于零散、小規模的發展階段。進入21世紀以來，伴隨地方經濟快速發展及三七產品市場需求持續擴大，區域土地資源被大面積開發用于三七生產種植，而由于三七栽種存在嚴重的連作障礙問題，因此，近10余年來，云南文山三七種植區開始出現了明顯的空間轉移現象，造成了三七品質逐漸下降、市場波動頻繁、土壤與土地生態環境破壞等不利影響，對三七種植及加工產業的健康可持續發展造成了嚴重威脅。充分利用遙感、地理信息系統等技術，整合與分析多源地學信息，探索云南文山近年來三七種植區在空間上的轉移趨勢、規律，對區域三七種植及加工產業規劃、三七種植適宜性評價與分區、三七產業可持續發展等具有重要意義。對于遙感、地理信息系統等技術在中草藥種植監測、評價分析等中的應用，近年來許多學者都開展了研究：周應群[5]使用SPOT-5、LandSat-5等衛星影像，通過影像解譯與實地勘測，對云南文山4個三七主產縣的三七種植面積、蘊藏量和產量等進行了測量；張小波等[6]基于江蘇茅山蒼術的遙感監測實驗，討論了野生稀有藥用植物遙感監測的原理、方法；孫志群等[7]通過調查伊利貝母物候、生長及分布特點，基于Worldview-2衛星影像采用多種方法提取了新疆莫乎爾鄉伊犁貝母種植區分布信息；森巴提·巴合都拉[8]以新疆人工種植的紅花和伊利貝母為研究對象，利用Worldview-2、ZY-3等多衛星影像數據，對兩種藥用植物采用遙感解譯方法進行了探索；黃靈光等[9]基于ZY-3、ZY-1(02C)等衛星影像數據，通過樣點的測量，建立蔓荊子光譜數據庫，并結合多種遙感分類方法，開展了江西蔓荊子空間分布與變化分析研究；史婷婷等[10]以GF-1衛星影像數據為數據源，依據地物波譜特征構建決策樹模型，對云南文山三七種植區分布信息進行了遙感提取與分析；戴晨曦等[11]基于2010～2015年間的4期Landsat系列衛星數據，綜合考慮三七種植區NDVI、光譜等特征，使用SVM模型對云南文山、紅河的三七種植區空間分布信息進行了提取和分析；李煜[12]基于光譜差異建立判別指數，探討了應用GF-6衛星影像數據識別白芷、蒼術等的方法；白吉慶等[13]基于ZY-3、GF-1等衛星的多時點遙感影像數據，綜合形狀、紋理等特征，建立解譯標志，通過目視解譯提取了陜西寧陜縣白芨種植區分布信息。總體而言，遙感、地理信息系統等技術在中草藥種植監測、評價分析等中的應用已相對成熟，對于三七種植區的遙感提取與分析，當前主要是基于三七種植區特殊的影像光譜特征、生境特征等，利用NDVI、NDWI、BI、海拔等指標數據建立分類決策樹模型，實現三七種植區信息的遙感提取。而在信息提取的基礎上，從水平、海拔、坡度、坡向等多尺度上分析討論三七種植區的空間轉移規律的有關研究還比較缺乏，無法較好地為三七產業的規劃發展提供參考。

1 三七種植區遙感提取

1.1 數據資料

結合研究目標，本研究所使用的數據資料包括：研究區2010、2015、2019冬末春初30 m分辨率TM/OLI影像12景，用于提取不同時點三七種植區分布信息；研究區Google Earth歷史無偏移影像數據，用于輔助TM/OLI影像選取分類樣本及精度驗證樣本；研究區30 m分辨率DEM數據，用于提取坡度、坡向等地形信息，通過空間疊加分析，探索三七種植區在垂直方向上的分布變化規律；研究區1∶50萬三級行政區化(州、縣、鄉)數據，用于分析三七種植區在水平方向上的分布變化規律。TM/OLI影像的元數據信息見表1。

1.2 三七種植區遙感提取原理與方法

三七植株對光極為敏感，忌直射光照，故三七種植園區通常搭建有遮陽蔭棚，用以調節光照。三七蔭棚通常使用聚烯烴樹脂材質的拉絲編織遮陽網作為遮陽材料，由于其對波長介于0.38 ～0.76 μm的可見光有天然強吸收作用，導致三七種植園區在TM/OLI真彩色影像上通常呈深黑色，光譜特征明顯區別于其他地物，為基于TM/OLI影像快速提取三七種植區的分布及變化信息提供了依據。對于三七種植區提取的具體方法，結合參考相關研究成果[10-11，14]，主要有監督分類法、基于閾值的決策樹分類法及面向對象的分類法等。這些方法各有優劣，監督分類法操作簡單、速度快，但受三七種植園區面積小、生境復雜，以及異物同譜等的綜合影響，提取結果精度較低；基于閾值的決策樹分類法是基于TM/OLI圖像上三七種植園區的光譜信息來源于蔭棚的遮陽材料和棚下三七植株的混合反射，受三七植株反射光譜信息影響，三七種植園區的NDVI值要遠大于水域邊緣、裸石灰巖及農村居民地等相似光譜地物區的NDVI值，且受三七特殊生境條件限制，三七種植區在海拔、坡度等的分布上通常介于特定區間范圍內，故可綜合利用TM/OLI影像、NDVI、海拔、坡度等多源地學數據，建立分類判別規則，通過決策樹提取三七種植區的分布數據。該方法有規則強、精度相對較高的優勢，但對分布在自然環境相對復雜、圖斑面積較小的三七種植區的識別、提取效果較差；而基于對象的分類法主要考慮到TM/OLI影像上三七種植區與相鄰地物區邊緣明顯的像元灰度梯度差及三七種植區特殊紋理特征，這對識別三七種植區極為有利，但由于該方法對分類影像的分辨率要求通常較高，故使用該方法基于TM/OLI影像提取三七種植區分布信息，其劣勢與基于閾值的決策樹分類法相似。綜合考慮以上3種方法的優劣勢，本研究選擇將監督分類法和基于閾值的決策樹分類法相結合，首先通過監督分類法基于TM/OLI影像對三七種植區分布數據進行粗提取；在此基礎上，結合三七種植區圖像NDVI和地形分布特征，構建決策樹，對監督分類粗提取結果進行修正，達到高精度快速提取三七種植區分布數據的目標。具體流程如圖1所示。

1.3 三七種植區提取及結果

1.3.1 樣本選取與分類 研究所用TM/OLI影像經預處理后，再使用監督分類法對三七種植區分布數據進行粗提取，結合區域地理大環境特征、影像地物光譜特征及影像地物區分度等，將地表(物)劃分為三七種植區、水域區、居民區、陰影區、裸巖區、農種區、植被區(包括林地、草地等)以及其他區八大類型。在進行監督分類時，訓練樣本選取的精度直接決定了分類結果精度，為有效提升分類樣本選取精度，本研究采用將分類TM/OLI影像與Google Earth歷史無偏移影像相對照的方式進行樣本選取，各類別樣本數量在70～120個不等，選取的樣本在空間分布上盡量均勻。完成訓練樣本選取后，需對樣本進行分離度檢測，為保障結果的精度，設定各類別兩兩間的分離度≥1.85(表2)。

1.3.2 分類結果及修正 分類樣本通過檢驗后，分別對研究區多時點TM/OLI影像進行監督分類，在眾多的分類模型中，最大似然模型對三七種植區的敏感度最高，故選擇使用最大似然模型實施影像的監督分類。為提升監督分類結果的精度，使用三七種植區NDVI、海拔、坡度等的分布閾值，通過決策樹對監督分類提取的三七種植區分布結果數據進行修正，其中，NDVI分布閾值通過將監督分類樣本中的三七種植區類別樣本與研究區多時點NDVI數據疊加后，通過空間統計分析確定，海拔和坡度分布閾值則通過實地調查、測量并參照《文山州三七種植技術規程(DG 5326/T 5.1～5.7—2016)》相關參照值確定，為確保精度，實際修正閾值坡度上下各外推5°、高程上下各外推50 m，具體修正閾值信息如表3所示，修正后的效果見圖2，修正結果則見圖3～圖5所示。

a:分類前。b:修正后。圖2 三七種植區遙感提取效果圖

表3 三七種植區解譯結果修正閾值信息統計表

1.3.3 精度驗證 利用分類TM/OLI影像對應時點Google Earth歷史無偏移影像，選取驗證樣本，對修正后的三七種植區分布數據進行精度驗證，結果顯示，修正后的三七種植區分布數據總體精度較高，平均生產精度達91.69%，2019年結果精度最高，達到95.86%，2010年結果精度最低，為88.41%(表4)。其中，2010年結果精度相對較低的主要原因有以下兩點：(1)用于分類的研究區2010年TM影像，因衛星過境時點，地表反射條件相對較差，導致影像上存在大量山體陰影區，其影像光譜特征與三七種植區有一定的相似性，導致了分類提取的三七種植區分布數據精度相對較低；(2)用于提取驗證樣本的Google Earth影像，在獲取時點上與分類TM影像沒有絕對統一，而由于三七種植生長周期為2～3年，同一年份三七的種植與采挖頻繁交替，三七采挖時，遮陽蔭棚被拆除，導致三七種植區在影像上的光譜特征在蔭棚拆除前后發生較大差異，若用于提取驗證樣本的Google Earth歷史影像與分類TM影像在獲取時點上有間隔偏差，勢必會對結果的驗證精度造成一定的影響。

表4 修正結果精度驗證信息統計

1.3.4 三七種植區面積與分布 對修正后的三七種植區分布成果數據進行空間統計，研究區2010、2015及2019年冬末春初3個時點的三七種植面積分別為：487.32、8063.82、8576.84 hm2(表5)。從三七的種植規模上看，近年來研究區三七種植規模呈現出不斷擴大的趨勢，而在種植的模式上，結合多個時點的三七種植區分布圖(圖3～圖5)，呈現出了由早期的農戶零散小規模分散種植向集中大規模連片種植模式轉變的態勢，這主要是由于近年來具備一定產業和產值規模的中草藥企業入駐研究區后，開展了較大規模的土地流轉，用于三七的標準化、產業化種植。而三七種植區在空間分布上，主要集中在研究區的中西部、西北與西南部等區域。

表5 2010、2015、2019年冬末春初三七種植區面積信息統計結果

2 三七種植區分布變化及影響因子分析

2.1 水平分布變化分析

從水平方向分布及變化上來看，2010年云南文山三七種植區集中分布于轄區內丘北縣的南部、硯山縣的西部、文山市及馬關縣的北部等區域；2015年種植區開始向丘北縣中部、硯山縣東部、廣南縣中西部及西南部、西疇縣和麻栗坡縣西部，以及馬關縣東北部等地區擴張；2019年則在2015年的基礎上，繼續向丘北縣北部及廣南縣中部等區域延伸。故在水平方向的空間分布上，近10年來，研究區三七種植區呈現出了由區域的西部向西北部、西南部及中部持續轉移的態勢。結合研究區北高南低、西高東低、整體由西北向東南呈階梯狀傾斜的地勢特征，近年來云南文山三七種植區在水平方向上呈現的空間轉移變化趨勢，實際上反映出了三七種植區逐漸向中部、西南部的較高氣溫區及西北部的較低氣溫區轉移的趨勢。溫度是影響三七種植的重要生境因子，溫度較低不利于三七植株生長發育和藥用成分的累積，溫度較高則會導致植株抵御病害的能力降低，故三七種植區向低溫區和高溫區轉移，勢必會對三七產品的產量、質量等都造成重大影響。

2.2 垂直分布變化分析

2.2.1 海拔分布變化分析 將各時點三七種植區遙感提取數據與研究區DEM數據進行空間疊加，按30 m×30 m像元統計三七種植區的海拔分布信息數據。據統計結果，在海拔分布上，2010年研究區的三七種植區海拔分布介于999～2268 m，平均為1549.35 m；2015年介于980～2301 m，平均1561.19 m；2019年則介于969～2300 m，平均1563.16 m。近10年，研究區三七種植區在海拔上總體呈現出了向1200 m以下的低海拔、2000 m以上的高海拔地區逐步擴展、轉移的態勢(圖6)。這些轉入區相較于早期的三七栽種區域，在氣溫、降水、濕度及土壤的類型與理化性質等條件上存在明顯的差異，必然會對三七種植過程中植株生長與發育、藥用有效成分的形成與累積等造成較大影響，最終導致生產的三七在品質上相較于早期產品存在較大差異。

圖6 研究區3個時點三七種植區海拔分布圖

2.2.2 坡度分布變化分析 與海拔相似，將各時點三七種植區遙感提取數據與研究區坡度數據進行空間疊加，并按30 m×30 m像元統計三七種植區的坡度分布信息數據。在坡度分布上，研究區3個時點三七種植區的坡度集中分布于5°～30°，平均值分布在11°～14°，未表現出明顯變化特征，但相較于2010年，在2015、2019年，部分三七種植區在坡度分布上，已高于50°，總體呈現出了逐步向地勢起伏更大的區域擴展延伸的態勢(圖7)。坡度通過影響土壤保濕、養分積累等對三七的種植造成影響。坡度較小，有利于土壤保濕和養分積累，但在出現極端天氣過程時，易發生洪澇災害；坡度較大，則不利于土壤保濕和養分積累，從而對三七植株生長及藥用有效成分的積累造成一定的影響，但適當的地形起伏，能夠形成良好的排水條件，使三七種植園區不易積水，避免出現極端天氣過程時三七植株有氧呼吸受到抑制、光合作用降低，導致植株死亡。故三七種植區坡度的差異，也會對三七種植過程中植株生長發育及產品質量等造成一定影響，同時也會對土地及土壤生態環境造成影響。

圖7 研究區3個時點三七種植區坡度分布圖

2.2.3 坡向分布變化分析 與海拔、坡度類似，將各時點三七種植區遙感提取數據與研究區坡度數據進行空間疊加，并按30 m×30 m像元統計三七種植區的坡向分布信息數據。在坡向的分布上，2010年研究區的三七種植區主要分布于北坡(陰坡)，而南坡(陽坡)、東北坡、東南坡、西南坡、西部坡(半陰坡或半陽坡)等分布則相對較少；在2015年后，三七北坡種植減少、南坡種植大幅增加，呈現出由陰坡面集中種植向陽坡及半陰坡面集中種植轉移的趨勢，研究區三七種植區在坡向上的分布及變化規律見圖8。坡向對山地環境微觀生態差異的形成與發展有決定性影響，在不同的坡向上，光照、降水等自然環境條件差異較大，北坡上的土壤日照短、強度小，濕度較大，比較適合耐陰、濕作物生長；南坡由于受到較長且強的光照，溫度較高、蒸發量大，土壤相對較干旱，適合耐陽、干作物生長；而東、西兩坡則介于南、北兩坡之間。三七性喜溫濕，忌強光照，比較適宜生長于陰坡、半陰坡的溫濕環境中，三七種植區從陰坡面、半陰坡面向陽坡面的集中轉移，會對三七種植工藝提出更高的要求，同時對三七產品的質量造成重要影響。

圖8 研究區3個時點三七種植區坡向分布圖

2.3 三七種植區轉移影響因子分析

在三七種植區分布及變化上，總體而言，近10年來，研究區的三七種植園區無論在水平方向上，還是在垂直方向上，都呈現出了明顯的空間轉移趨勢，究其原因，客觀上主要是受到了三七連作障礙影響，所謂三七連作障礙，是指一宗土地，在栽種過一茬三七后，在一定時間周期內(一般為5～8年)，無法再栽三七的現象[15-16]。三七的連作障礙，是由于栽種過程中三七植株殘留在土壤中的特殊菌落破壞了土壤的微生態環境，致使土壤無法為再栽三七提供適宜的生境條件所導致[17-19]。而造成三七種植區短期內發生明顯轉移的根本原因，則是由于地方產業決策部門在進入新的歷史時期后，未能結合市場變化對三七的種植及加工產業的發展做出客觀準確定位及制定科學的發展規劃。在云南文山三七種植史上，在相對較長的時期內，三七的生產種植主要集中在區域西部及西南部地區，以小規模零散種植為主，三七品質好，市場供需和價格相對穩定，土壤與土地生態環境穩定。進入新世紀后，伴隨三七藥用價值研究的不斷深入、加工技術的提升及產品市場需求的急劇增長，云南文山三七種植在缺乏科學種植規劃、引導與監管下，短期內三七種植面積爆棚式擴張，大范圍的土地資源被開發后用于三七的種植生產，造成生產資料浪費的同時，也對本來脆弱的土地生態環境造成了急劇破壞。這樣的模式持續多年后，栽種三七所需的土壤與土地生態被徹底破壞，最終導致三七種植區不得不從最宜種植區急速向次宜種植區轉移。

3 結論與討論

三七種植及加工產業是云南省高原特色農業的優勢部分，確保該產業的健康、穩定及可持續發展對地方經濟的發展具有重要意義。本研究基于云南文山Landsat系列衛星影像數據和DEM數據，綜合考慮三七種植區特殊影像光譜特征、生境特征等，通過將遙感監督分類法與基于閾值的決策樹分類法相結合，提取研究區多時點三七種植區空間分布信息數據，并在此基礎上，分析了近十10年研究區三七種植區在水平、海拔、坡度及坡向等尺度上呈現出的空間轉移趨勢及規律。得出以下研究結論：(1)基于TM/OLI影像、DEM等多源數據，綜合考慮三七種植區特殊影像光譜特征、生境特征等，將監督分類法與基于閾值的決策樹分類法相結合，可以快速對三七種植區的空間分布信息進行提取，且結果的精度較高，能夠滿足研究、應用等的要求；(2)研究區2010、2015及2019年冬末春初3個時點的三七種植面積分別為487.32、8063.82和8576.84 hm2，在種植模式上呈現由小規模農戶零散種植模式向大規模連片集中產業化種植模式轉變趨勢；(3)三七種植區在水平分布上呈現出了由西部向西北、西南部、中部等擴張的特征；在海拔分布上呈現出向1200 m以下低海拔、2000 m以上高海拔地區擴展的特征；在坡度分布上呈現逐步向地勢起伏更大的區域擴展延伸態勢；在坡向分布上則呈現由陰坡面集中種植向陽坡及半陰坡面集中種植轉移的趨勢；(4)近10年云南文山三七種植區分布所呈現的時空變化特征，主要是受到三七種植連作障礙影響，促使三七種植區由最宜種植區逐漸向次宜種植區轉移所導致的?；谏鲜鲅芯拷Y論，為確保研究區三七種植及加工產業的健康與可持續發展，應有針對性地采取如下措施：(1)整合資源，開展三七種植區適宜性評價與區劃。充分調研，整合研究區的氣象氣候、地形、土壤等多源農業資源數據資料，開展三七種植區適宜性評價與等級區劃，在此基礎上，制定出相對長遠、科學的產業建設與發展規劃，并以此為根本依據，采取必要的措施對地方三七的種植與加工產業進行科學、有效的引導與監管，促使三七種植及加工產業逐步向健康穩定及可持續的方向發展；(2)強化農業科技研究，解決限制產業可持續發展的瓶頸問題。三七的連作障礙問題，是客觀上限制三七產業可持續發展的瓶頸因子，截至目前，盡管已經開展了大量相關的科學研究，但仍未探索出有效的問題解決辦法。故進一步加強對農業科技研究的投入，積極推進對三七連作障礙問題的系統性研究，探索出生態性好、效果明顯的問題解決途徑，才能從根本上克服限制三七種植及加工產業可持續發展的瓶頸問題。