中草药材种植遥感监测与分析——以云南省文山和红河地区三七种植为例

戴晨曦， 谢相建， 徐志刚， 杜培军

(南京大学江苏省地理信息技术重点实验室，南京 210023)

0 引言

利用卫星遥感数据对名贵中草药材的种植面积和生长状态进行监测是遥感一个新的应用方向。三七作为云南省一种大面积种植的名贵中药材和经济作物，对区域土地利用和经济创收都有着重要影响。准确监测三七种植面积与变化趋势，进一步分析其与政策制定和市场价格的关系具有重要意义。三七是我国特有的名贵中药材，据记载具有降低血脂、活血化瘀、强壮滋补和消肿止痛等功效，目前其用途已从单一的药用价值拓展到了医疗保健、功能食品、化妆品等方面。对三七原料需求的日益增加，导致了三七价格的逐年升高和种植面积的不断扩大[1-3]。

但是，由于对产地经纬度、海拔、土壤、气候、植被等生长环境的特殊要求，全球三七种植区域仅集中于我国云南和广西等省区的特定区域[4-5]。云南省文山壮族苗族自治州(以下称文山州)目前是我国最大的三七产地，红河哈尼族彝族自治州(以下称红河州)也渐渐成为了“三七之乡”。对该地区三七种植面积变化的监测对于预测三七供应能力及市场价格、指导农业生产的发展有着重要的作用。

传统的三七种植面积及产量监测主要通过普查统计和实地调查，不仅耗时耗力，且难以从宏观尺度全面反映三七种植面积及其变化。遥感技术具有覆盖面积大、数据更新周期短、监测方法经济有效等一系列优点[6]，将其应用于快速监测三七种植的分布和动态变化，可以为相关部门指导三七的合理种植提供决策依据。国内外在植物遥感调查方面已做过大量的研究工作，但主要研究对象为成片生长的灌木、乔木类植物，而对于草本植物三七这一重要经济作物的遥感调查与监测尚缺少探索[7]。

三七种植需要特定的生长环境，除了水热及土壤条件，海拔、坡度和坡向等对其生长也有很大影响。三七最大的生长特点是需要较好的遮阳条件，因此种植三七的地块都覆盖有黑色遮阳网。这种特殊的黑色遮阳网与其周围其他地物的光谱特征存在较大差异，为利用遥感技术提取三七分布提供了可能[8]。本文基于2010—2015年间4个时期的Landsat TM/ETM+/OLI数据，结合数字高程模型(digital elevation model，DEM)和归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)等提出了一种能精确提取三七种植区域的有效方法； 在此基础上以云南省文山州和红河州为研究区，分别提取了这期间2个州的三七种植面积，分析了三七种植的时空变化规律及其原因。研究成果对于三七种植面积监测和市场价格分析具有较大的参考意义。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

文山州和红河州都位于云南省东南部，文山州处于E103°35′～106°12′，N22°40′～24°48′之间，下辖8个县市； 红河州位于E101°47′～104°16′，N22°26′～24°45′之间，下辖4市9县。2州占地总面积约65 170 km2。研究区地处低纬度亚热带高原型湿润季风气候区，太阳辐射能较为充足，雨量充沛但分布不均，干湿季分明，冬无严寒，夏无酷暑，年温差小，日温差较大，具有独特的高原型立体气候特征； 土壤以疏松的沙壤为主。这些条件符合三七喜潮湿但怕积水、喜冬暖夏凉、土质疏松且有机含量高的苛刻要求[8-10]。

文山州是三七的主产地，地势西北高、东南低，山区和半山区占总面积的97%，年均气温约19 ℃，无霜期273～353 d，是典型的农业大州[6]。由于三七的社会需求量不断增加，加上其种植需要较长时间的轮作，近年来三七的产地由文山州扩展到了周边的红河州，红河州已成为仅次于文山州的三七第二大产地[11]。2地区都具备适合三七种植的独特的水热及土壤条件，因此2州均把三七列为支柱产业进行培育，为三七种植面积的扩张提供了有力的政策环境。

1.2 数据源及预处理

本文所用数据源见表1，主要考虑到图像分辨率、数据可获取性、时相特征与三七生长季节特点等要素，选择了美国陆地卫星Landsat系列数据，包括2010年的TM数据，2012年的ETM+数据，2014年和2015年的OLI数据。由于2012年有2景缺少合适影像，所以选择了2011年的影像替代。每期数据都包括6景原始影像，对其分别进行了拼接、剪裁、辐射定标和大气校正[12]。三七种植受海拔影响比较显著，因此同时利用DEM数据辅助三七种植区域的提取。

表1 Landsat TM/ETM/OLI遥感影像数据列表Tab.1 Remote sensing images list of LandsatTM/ETM+/OLI

2 研究方法

总体研究思路和方法如图1所示。三七通常种植于黑色遮阳大棚中，但单从光谱来提取黑色大棚覆盖区域易与水体、阴影以及部分人工地物混淆。由于三七主要生长于海拔1 200～2 200 m的区域，可以利用DEM中的高程值来增强黑色大棚与山区阴影及平地部分人工地物的区分度。另外，由于黑色大棚覆盖区域的NDVI较低，因此可利用NDVI增强黑色大棚与水体的差异性。

图1 技术路线Fig.1 Technology roadmap

基于以上分析，利用遥感影像各波段亮度值，DEM数据和NDVI指数构建特征集，将研究区地物分为水体、植被、阴影、土壤、人工建筑和三七大棚6类，对照Google Earth影像进行目视解译。对各类地物类型分别选取100余个样本，尽可能保证样本均匀分布于整个研究区。采用支持向量机(support vector machine，SVM)分类器，分别提取4期影像的黑色大棚覆盖区作为三七种植区域。同时，基于人工解译对分类结果进行后处理。分类结果中，有部分阴影错分到三七种植类别中，对照Google Earth影像将明显错分的区域进行了校正。

3 结果与分析

基于Google Earth高清影像评价分类精度如表2所示，根据提取的结果分析其时空变化及其原因。

表2 2010—2015年分类结果精度评价Tab.2 Accuracy assesment of classification results from 2010 to 2015 (%)

图2为2010—2015年间三七种植变化较明显的区域提取结果对比示意图。利用GIS的空间分析功能，进一步分析三七种植的时空变化规律及其与地形因子(海拔、坡度、坡向)的关系。

(a) 2010年 (b) 2012年

(c) 2014年 (d) 2015年

图2部分地区三七提取示意图(2010—2015年)

Fig.2Exampleofextractionofpseudo-ginsengfrom2010to2015

3.1 三七种植分布的时空变化

3.1.1 三七种植分布的县市差异

用遥感分类结果提取三七种植区域，得到2010—2015年间各个县市三七种植分布示意图(图3)，各县市具体三七种植面积如表3所示。

图3 2010—2015年三七在各县市分布示意图Fig.3 Spatial distribution of pseudo-ginseng in different counties form 2010 to 2015

表3 研究区各县三七种植面积年际变化(2010—2015年)Tab.3 Annual and inter-annual area of pseudo-ginseng in Wenshan and Honghe from 2010 to 2015 (km2)

由图表可知，文山州和红河州的三七种植总面积从2010年零星分布的7.45 km2扩大到2015年的200.68 km2，种植面积扩张显著。三七主要分布在文山州的丘北县、砚山县和红河州的建水县，另外红河州的泸西县、弥勒县、蒙自县和文山州的文山县也是三七的主产地，其余各个县市种植较少，三七种植面积在各个县市空间分布差异明显。

2010—2012年间,三七种植面积从7.45 km2增加到79.19 km2，2 a间增加了71.74 km2，年均增长35.87 km2/a。2010年三七主要分布在红河州的弥勒县、建水县和文山州的砚山县，分别占种植总面积的22.55%，18.26%和14.90%。2012年，红河州的建水县以及文山州的砚山县、文山县增长面积最为明显，相对于2010年分别增长了12.83 km2，24.31 km2和18.65 km2。2010年之后，三七种植面积飞速增长，并且主要集中在地势较为平坦、海拔差异较小的几个县市。

2012—2014年间，三七种植面积增加了186.71 km2，年均增长93.35 km2/a，相对于前2年增长速度大大提高。2014年主要分布在文山州的丘北县和砚山县以及红河州的建水县。总体而言，三七在每个县市的种植面积都在逐年增加，而文山州的富宁县、马关县和麻栗坡县，红河州的绿春县、红河县、金平苗族瑶族傣族自治县以及河口瑶族自治县相对于前4年几乎没有增长或者不增反减。

2014—2015年间，三七种植面积从265.90 km2减少到200.68 km2，减少了65.22 km2。2015年三七在各个县市种植面积都存在不同程度的减少。在2014年三七种植最多的县市(丘北县、建水县和砚山县)有较大幅度的减少； 而文山州的西畴县，红河州的泸西县、弥勒县、屏边苗族自治县、蒙自县和开远市变化较小。主要原因是三七一般需要连续种植3 a，而且由于三七的“自毒”作用，3 a后必须更换种植区，曾经种过三七的土地在20 a之内不能再种植三七[9]。2010—2014年间各县市三七的种植面积都在逐年扩大，导致在最适宜三七生长的几个县市内，种植三七的第一个周期已经过去，很多刚种植过三七的土地不能再次种植三七，而部分之前三七分布较少的县市才开始增加三七的种植； 此外,总体种植面积减少也受到三七价格波动的影响。

3.1.2 三七种植与海拔因子的关系

基于2010年、2012年、2014年和2015年4个时期的三七空间分布图和30 m的DEM数据，以300 m为海拔梯度间隔，统计分析了三七的时空分布变化与海拔的关系(表4和图5)。

表4 不同海拔区间三七种植面积百分比Tab.4 Area proportion of pseudo-ginseng plantationsin different elevation gradient

图4不同海拔区间三七种植面积百分比

Fig.4Areaproportionofpseudo-ginsengplantationsindifferentelevationgradients

结果表明，文山州和红河州三七种植主要分布在海拔[1 100,2 300) m间，其中[1 400,2 000) m最适宜三七生长，超过2 300 m很少有三七分布。

2010—2012年间，[17,2 000) m三七种植面积比重在上升，[2 000,2 600) m三七种植面积比重下降； 在1 100 m以上，特别是[1 400,1 700) m区间三七种植面积出现较大扩展。[2 300,3 025) m海拔区间面积比重减小到几乎不种植三七，相对于2010年，2012年的三七种植海拔更加集中在[1 400,2 000) m范围内，占总面积的84.45%。

2012—2014年间，研究区的三七种植开始进一步向较高海拔扩展，而分布于[17,1 700) m海拔区间的三七种植比重相对减少，[1 700,2 600) m的种植比重增大，从2012年的26.33%增加到2014年的50.5%。2014年分布于[1 400,2 000) m海拔区间的三七种植面积依旧最大，占当年种植总面积的80.95%。

2014年—2015年间，文山州和红河州的三七种植开始向低海拔的区域扩散，[17,1 400) m海拔区域内的三七种植面积比重从2014年的4.48%增加到8.34%，[2 000,2 600) m的三七种植比重从2014年的14.58%减少到0.3%。这期间在海拔[1 100,1 400) m区间内三七的种植面积总体趋势是增大的，未来三七种植可能会向中低海拔扩展。

3.1.3 三七种植与坡度因子的关系

根据水利部颁发的中华人民共和国行业执行标准SL190—96《土壤侵蚀分类分级标准》[13]，坡度分为以下6级： 微坡(<5°)，较缓坡[5°,8°)，缓坡[8°,15°)，较陡坡[15°,25°)，陡坡[25°,35°)，急陡坡(≥35°)。统计分析文山州和红河州在2010年、2012年、2014年和2015年4个不同时期、不同坡度上的三七种植分布变化情况(图5)。结果表明，在这4个时期，三七各个坡度等级的分布近乎相同。文山州和红河州有几乎90%的三七种植于坡度<25°的坡地上，1/3左右集中分布于[8°,15°)的缓坡上，陡坡和急陡坡上三七种植得很少。

图5 不同坡度三七种植面积百分比Fig.5 Area proportion of pseudo-ginseng in different slope gradients

3.1.4 三七种植与坡向因子的关系

将坡向分为以下5级： ①平坡地； ②坡向方位角在[0,45°)和[315°,360°)间为北坡； ③[45°,135°)间为东坡； ④[135°,225°)间为南坡； ⑤[225°,315°)间为西坡。统计分析云南省文山州和红河州地区在2010年、2012年、2014年和2015年4个时期、不同坡向的三七种植分布情况及强度变化(图6)。结果表明，文山州和红河州在平坡地区几乎不种植三七，其他4个坡向的三七种植分布较为均衡。云南地区同时受到东南季风和西南季风的影响，来自迎风坡的水热条件一般优于背风坡，而三七是喜阴植物，背风坡更适合种植三七，因此北坡的种植面积略高于其他几个方位。

图6 三七种植不同坡向分布面积百分比Fig.6 Area proportion of pseudo-ginseng in different aspect gradients

3.2 三七种植的时空变化驱动力分析

3.2.1 三七种植与政策的关系

文山州和红河州是三七的主产地和原产地，品质最为道地[14]。三七作为其重要产业，发展的成功与否直接关系着当地的经济发展水平，因此加快发展三七产业对文山州和红河州有极其重要的意义。云南省省委、省政府高度重视三七的产业发展，2010年颁布了相关政策，组建了生物资源的开发和三七产业局。近年来，政府一直加大对三七的对外宣传，使三七在国内外的知名度大大提高，因此三七的需求量和相关产品也就大大增加，随着科技水平的提高，产能规模也跟着逐年扩大，使得文山州和红河州2010—2014年间三七的种植面积逐年上升。

3.2.2 三七种植面积变化与价格波动的关系

研究以60头三七(一斤有60个三七)的月度平均价格为研究数据。数据均来源于文山三七网[15]。图7为2010—2014年间三七种植面积和价格波动图。

图7 2010—2014年三七种植面积和价格波动图Fig.7 Fluctuations in prices and areas of pseudo-ginseng from 2010 to 2014

从图7中可看出，2010—2013上半年期间，三七的价格总体上呈持续上涨趋势，而三七的种植面积在该段期间内也保持飞速增长的状态。由于2009年文山遭遇了特大干旱，给当地三七的种植造成了极大影响，2010年冬天又出现冻害天气，因此2010年的三七种植面积特别小，仅7.45 km2，导致三七供不应求，2010年12月份三七的价格增长到489元/kg左右。价格的增长刺激了三七的种植，从2010年开始，三七面积一直处于增长的阶段。到了2013年下半年，三七的价格开始下滑，12月份已下降到497.42元/kg，而2014年相对于2013年三七的总种植面积依然有所增加。2014年12月，三七的价格飞速滑落，到2015年12月已降至190元/kg左右，价格猛降直接导致三七种植面积减少。

由以上分析可以得出，三七的种植面积对市场价格的反应具有严重滞后性，这主要反映在2013—2014年三七种植面积与其市场价格的关系中。2010—2013年三七的市场价格总体不断升高，并在2013年上半年达到了峰值，市场价格极大地刺激了三七种植面积的激增。到2013年6月，三七价格达到顶峰，为838.2元/kg左右。当三七供过于求时市场价格就会出现下降，2013年下半年开始三七价格持续下滑； 而三七种植面积仍在继续增加，直至2014年年中达到最高峰，随后才出现急剧下降，而且这种趋势一直延续到了2015年。

4 结论与讨论

本文基于卫星遥感数据研究了云南省文山、红河2州2010—2015年间三七种植情况，分析了三七分布格局及其时空变化规律，探讨了其变化与地形、价格、政策等因素的相互关系。研究结论主要如下：

1)提出了一种基于中空间分辨率多光谱遥感影像的三七种植区提取方法，其分类精度能够满足空间分析和实际应用的需求，证明了利用遥感技术对三七种植面积进行实时动态监测的可行性。

2)对研究区三七种植面积的时间变化分析表明，2010—2014年间，文山州和红河州的三七种植面积从7.45 km2扩大到265.90 km2，扩展了几乎36倍； 而到了2015年，三七的种植面积稍有下降，为200.68 km2，总体而言，三七在2010—2015年期间增长显著。

3)从海拔高度来看，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的地区很少或者几乎没有三七种植。海拔[1 100,1 400) m和[1 700,2 000) m区间内，在2010—2015年间三七的种植比重分别增加了6.16%和26%，在[2 000,2 300) m区间，种植比重下降了38.90%，由此可见，三七主要集中种植在海拔[1 100,2 000) m的地区，该海拔区间是三七生长的主要区间。

就地形(坡度和坡向)而言，三七主要种植在坡度<25°的坡地上，约1/3集中分布于[8°,15°)的缓坡地上，极少分布于坡度≥35°的急陡坡上； 三七种植于北坡的面积略大于其他坡向。

4)三七种植面积变化与市场的供求关系、价格以及政策等有关。2010年以来三七面积的扩张与当地政府的积极宣传、大力推进有着密不可分的关系。三七种植面积随着其市场价格的升高而增大，随价格的降低而减少，但对市场价格的反应具有滞后性。

本研究中也存在一些问题需要进一步探讨解决，一方面是三七种植区域的提取，在分类过程中，三七大棚易与阴影混分，对三七种植区域的提取精度有一定影响； 另一方面虽然60头三七是交易量较大的品种，但是单以60头三七为例进行分析，不能完全代表其他规格品种的价格走势，从而不能完全确切反映三七种植面积与市场价格的关系。

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