缅甸佤邦北部罂粟替代种植下橡胶林时空演变特征*

刘陈立,张军,杨旭超,李杰

(云南大学资源环境与地球科学学院,云南 昆明650500)

毒品问题是世界广泛关注的问题,对人类危害巨大,缅甸佤邦北部的罂粟 (Papaver somniferum L.)种植历史悠久,在世界上有极大影响。为了从源头上治理毒品问题,切断毒源,提出在毒源地实行罂粟 “替代种植”。替代种植是指在我国境外周边国家和地区的罂粟种植区,利用农林作物及其他产业替代罂粟种植,以逐步消弱这些地区对毒品经济的依赖,减少毒品的危害[1]。佤邦的气候、土壤、降雨量、日照和风速条件等非常适合天然橡胶 (Hevea brasiliensis)生长,因此,橡胶林成为替代种植的最主要的经济作物。同时,全球对天然橡胶需求不断增大,加上投资者对橡胶的利益需求,橡胶林面积不断增加。利用3S技术快速监测橡胶林种植分布及其变化特征,为政府部门及时掌握罂粟替代种植情况具有科学意义。2010年刘洪江等[2]根据ALOS、SPOT及Quickbird等影像资料勾绘橡胶林,结果表明老挝北部罂粟替代种植橡胶主要分布在老挝南部省,但没有利用橡胶的物候进行大面积提取。封志明等[3]研究中老缅交界地区橡胶林种植的时空格局及地形因素特征。李怀霄[4]利用TM数据采用基于面向对象对西双版纳橡胶林进行提取。梁守真等[5]采用面向对象的决策树模型提取橡胶林,提取效果较好。而对于佤邦北部的橡胶林研究相对比较少。本文结合国内外橡胶研究现状和罂粟替代种植实际调研状况,基于Landsat TM/OLI数据进行佤邦北部橡胶林提取,从橡胶的自然生态适宜性和区域经济发展性角度,分析橡胶种植的空间扩展特征,说明佤邦橡胶空间种植合理性和未来橡胶种植地土地资源的可利用空间,揭示其发展现状和未来发展规模,为佤邦北部地区橡胶科学合理地规划种植提供空间理论指导和罂粟替代种植产业进一步优化及政府核查提供决策依据,同时也为国内类似区域的发展提供一定的指导意义。

1 研究区概况

缅甸佤邦 (缅甸第二特区)位于阿佤山区,是缅甸联邦的一个自治区。首府邦康,位于中缅边境,南卡江的西岸,与中国的勐阿口岸相接。整个佤邦分为南北两部分,佤邦北部位于缅甸东北部禅邦高原, 约在 22°-23°N,98°-100°E 之间, 面积约1.7×104km2,人口35×104[6]。佤邦是多民族杂居的地区,以佤族为主体民族,奉行宗教信仰自由政策,佤邦官方语言是汉语和佤语,使用人民币作为货币[7]。地貌为高寒山区,山多地少水乏,丛林繁多,植被茂密,土地贫瘠,以刀耕火种为主。气候属亚热带气候,年平均气温在25℃左右。一年分旱、雨两个季节,旱季干燥无雨,雨季则大雨倾盆。地形高低起伏,海拔在210-2 630m间,地势东北、东南偏高,西面较低,地形复杂。行政范围包括3县2特区,即勐冒县、温高县、勐波县,邦康特区和南邓特区[8]。东北面与中国云南省临沧市的耿马县、沧源县、普洱市的澜沧县、西盟县、孟连县和西双版纳勐海县接壤;北面与缅甸第一特区 (国敢)相连;南面与缅甸禅邦第四特区(勐拉)相邻;西面至缅甸第二条大江—萨尔温江(中国境内称怒江),与滚弄、当阳等城镇隔江相望。

2 数据源和研究方法

2.1 数据源及预处理

研究主要以美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)提供的Landsat TM和Landsat8 OLI遥感影像作为数据源(http://glovis.usgs.gov/)。结合Landsat影像质量和可获取性,研究选择2007年、2011年和2017年3年的影像进行橡胶林提取研究 (表1)。

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

此外,以从地理空间数据云获取30m的GDEM数据 (http://www.gscloud.cn/search)为辅助数据,行政界线数据来源于Global Administrative Areas(http://www.gadm.org/),其他数据包括2017年2月9日-2017年2月18日的野外采集样本点数据及佤邦北部罂粟替代种植情况核查数据。佤邦地区由于地形、气候原因,橡胶林会出现季节性变化,通过实地调查和咨询,佤邦橡胶林12月底到次年3月初会出现落叶现象,因此选择2-3月份左右的遥感影像作为橡胶提取的最佳时间窗口[9]。以2017年的影像为基准,采用二次多项式进行几何校正,将获取的TM影像均配准到基准影像上,同时对Landast8 OLI影像采用NNDiffuse Pan Sharpening法融合多光谱与全色波段,并裁剪研究区。

2.2 研究方法

橡胶林是罂粟替代种植中最主要的替代经济作物,利用遥感技术监测替代作物种植,其实质就是提取佤邦北部橡胶种植面积及分布情况。根据国内外对橡胶林的研究成果和实地调查得知,佤邦北部的橡胶林呈现出以旱季落叶期与新叶萌生期为特征的时间特性,这一特征有利于橡胶林识别。佤邦北部山多地少,地理地位特殊,植胶种植条件优越,但其种植历史较短,在2006年之后扩展迅速。因此,橡胶林地成为佤邦北部主要的土地利用类型。一般地,橡胶树从植胶到割胶需要5-7年,特别是定植3-4年内以幼年龄林为主,研究将橡胶林地划分为橡胶幼林 (≤5年)和橡胶成林 (＞5年)进行研究[10],并且采用面向对象的分类方法提取出橡胶林地。参照国内外对橡胶林的研究,研究基于光谱特征、自定义特征指数和纹理等[11]特征,采用阈值法进行分类,分别逐步提取2007年、2011年和2017年佤邦北部橡胶林,同时,结合目视解译和野外核查GPS样本点进行修正。利用提取的橡胶林用GIS空间分析方法,结合地形因子(海拔、坡度和坡向)对佤邦北部橡胶林的种植梯度进行分析。

3 橡胶林提取

3.1 影像多尺度分割

影像分割是面向对象分类的基础,对提取影像信息起着至关重要的作用。在eCognition中,多尺度分割效果最优,在面向对象的遥感影像分类提取中应用最为广泛。多尺度分割,将单个像元作为生长点,用区域生长法先生成较小的影像对象,之后用区域合并法对较小的影像对象进行合并,合并时遵循影像对象异质性最小的原则[12]。多尺度分割考虑了光谱异质性和空间异质性,对同一幅影像中的多种地物用不同的尺度来描述[1],充分利用影像的纹理、形状、拓扑等空间特性,可有效避免因同一地物光谱差异大而造成的影像对象多边形边界破碎的问题。多尺度分割通过设定相应图层的权重值、均质因子 (形状因子和紧致度因子)和分割尺度来达到分割效果,其分割尺度大小直接影响最终影像分类的结果[13]。本研究在进行影像分割时,设置影像所有波段权重值为1,形状因子为0.1和紧致度因子为0.5,分割尺度大小为50和80,能区分各类地物。

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

3.2 分类规则的建立

通过利用归一化植被指数NDVI、地表水分指数LSWI[14]、影像光谱和纹理特征,建立解译规则函数集。研究对象是橡胶林,因此,对遥感影像共解译出5类不同的地物,分别是橡胶幼林,橡胶成林,有林地、水域、其他用地。以eCognition软件作为平台,采用面向对象中的阈值法 (assign class)分类,初始层利用植被指数NDVI区分植被和非植被;第二层在植被类中结合地表水分植被LSWI和海拔提取出橡胶林和有林地,在非植被中利用改进的归一化水体指数和近红外波段提取水域和其他用地;第三层,根据NDVI和植被纹理特征对比度 (Con)划分橡胶成林和幼林。各分类阈值大小采用人机交互方式确定,将实地调查和人工解译结果与各特征阈值范围进行对比,经过多次调试,确定最佳分类阈值,逐步提取佤邦北部橡胶林,各地物的特征参数 (表2)。

3.3 精度评价

基于野外核查采集的207个样点数据对2017年分类结果进行检验,利用eCognition中基于样本对象的Error Matrix based on Samples建立混淆矩阵,计算其生产者精度、用户精度、总体精度和Kappa系数4个精度评价指标 (表3)。

由表3可知,采用面向对象的阈值法分类总体精度是87.4%,Kappa是83.68%,其中橡胶成林90.14%,橡胶幼林84.44%,分类精度能满足需求。

表2 橡胶林信息提取规则集Tab.2 Principles of rubber information extraction

表3 面向对象橡胶林信息提取精度评价Tab.3 Accuracy evaluation of object-oriented information

4 结果与分析

4.1 佤邦北部橡胶林面积变化分析

通过面向对象的阈值法,分别提取2007年、2011年和2017年的橡胶林,得到缅甸佤邦北部2007-2017年橡胶林面积 (表4)。研究结果表明,200-2017年间,佤邦北部橡胶林面积变化显著,整体呈增加趋势,种植面积由2.98×104hm2增加到11.39×104hm2,到2017年,橡胶成林占佤邦北部境内总种植面积的60.49%。2007年至2011年,橡胶林地面积扩展显著,种植面积由2.98×104hm2增加到7.13×104hm2,扩展增速约为1.01×104hm2/a;而2011年到2017年佤邦北部橡胶林面积由7.13×104hm2增加到11.39×104hm2,扩展了4.26×104hm2, 增速为0.71×104hm2/a。

表4 2007年至2017年期间佤邦北部橡胶林地面积变化Tab.4 Changes of rubber plantation in northern WA state during 2007-2017 ×104hm2

2007年至2011年橡胶林增速最快,因为在这期间,佤邦联合军提出从2005年起佤邦地区全面禁种罂粟[15],导致许多土地类型转变成橡胶林。根据当地的气候和自然条件,橡胶林很适合在佤邦种植,结合国内和国际上橡胶需求量增大,导致橡胶价格整体呈上升的发展趋势,同时结合国内外替代种植等相关的政策,极大的促进了佤邦地区橡胶林种植。2011年至2017年,佤邦地区橡胶种植面积增速减慢,6年扩展了4.26×104hm2,因为在这期间,佤邦地区橡胶林种植已经接近饱和。国际天然橡胶价格对橡胶种植产生了极大影响,根据天然橡胶生产国组织的资料,从2009年开始,天然橡胶价格经过2年多的持续上升,到2011年3月突破历史最高纪录,达到32 000元/t,涨幅达158%,此时部分胶农受价格利益驱动,不断增加种植面积,而2011年后,橡胶价格一路下跌,截止2016年平均在10 000元/t左右,2016年底-2017年初稍微有点涨幅,但涨幅较小,所以,2011年后橡胶种植面积扩展减慢,不再快速扩展(http://www.anrpc.org/)。目前,缅甸佤邦北部的橡胶林扩展速度放慢,主要分布在以邦康首府为中心,呈现出以邦康和南邓两特区为中心,勐冒县附近均有分布,沿着萨尔温江、南卡江和南班河向两侧空间分布格局及扩张趋势 (图2)。佤邦地区山多地少,随着缅甸佤邦可用于种植的土地越来越少,可适合种植橡胶的土地面积逐渐减少。2011年后,橡胶价格涨跌不定,替代企业和私人降低了橡胶的种植力度。

图2 缅甸佤邦北部橡胶林地各时期空间分布和扩展图Fig.2 Spatial distribution of rubber woodland in northern WA at different periods

4.2 佤邦北部橡胶种植与地形特征关系

为研究橡胶林在地形上的扩张特征,基于2007年、2011年和2017年橡胶林分布图与地形因素 (海拔、坡度和坡向)分别进行叠加分析,以把握缅甸佤邦北部橡胶林的空间分布特性,从而为橡胶林的适应性、生态环境和可持续发展提供基础依据。对缅甸佤邦北部橡胶种植研究以200m为一个阶梯进行分析统计。由表5可知,缅甸佤邦北部2007-2017年橡胶种植整体增加,主要集中分布在400-1 000m的范围内,1 200m以上基本没有橡胶林,在600-800m的海拔上橡胶面积扩展最大。在这10年间,佤邦北部橡胶种植呈现出向高海拔扩展的趋势,同时,低海拔也增加,主要是受“罂粟替代种植”政策和橡胶经济因素的影响,橡胶林种植不断增加。佤邦橡胶林种植适宜分布海拔在400-1 000m,但随着可适宜种植的土地越来越少,扩展速度会逐渐降低。

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

根据水利部颁发的中华人民共和国行业执行标准SL190-2007《土壤侵蚀分类标准》[16],将地形坡度分为微坡 (0°-5°)、 较缓坡 (5°-8°)、 缓坡(8°-15°)、 较陡坡 (15°-25°)、 陡坡 (25°-35°)和急陡坡 (＞35°)。分别统计佤邦北部橡胶林在2007年、2011年、2017年不同坡度的分布情况,由图3可知,从2007年-2017年,橡胶林地主要分布在5°-35°坡度范围内,并且在每个坡度上面积都有所增加,在8°-25°扩展速度最快,随着时间的增加,橡胶林不断向高坡度扩张。同理,根据标准,将坡向分为平地 (0°)、阴坡 (0°-45°)&(315°-360°)、 半阴坡 (45°-135°)、 阳坡 (135°-225°) 和半阳坡 (225°-315°)。 佤邦北部橡胶在平地、阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡都有分布,在平地分布较少,阴坡橡胶林分布面积最大。2007到2017年间在半阴坡、阳坡和半阳坡均逐年增加,但增幅较小,阴坡增加最快。

图3 橡胶林在不同坡度和坡向上的空间分布Fig.3 Spatial distribution of the rubber plantation at different slope and aspect

5 结论与讨论

缅甸佤邦北部是传统的罂粟种植地区,从2005年开始全面禁种罂粟,但成效不明显,“罂粟替代种植”项目从根本上解决毒品的来源,同时又促进了当地经济可持续发展,其中,橡胶林是最主要的罂粟替代作物。研究基于遥感技术手段,采用中分辨率的 Landsat TM/OLI遥感影像,利用eCogintion8.9软件采用面向对象的阈值法对缅甸佤邦北部地区2007-2017年橡胶林进行识别。研究发现:(1)采用面向对象的分类方法进行橡胶林分类提取,提取效果较好,2017年分类总精度为87.4%,其中橡胶成林的精度为90.14%,橡胶幼林精度为84.44%。(2)2007-2017年佤邦北部橡胶扩展较快,呈现出以邦康和南邓两特区为中心,沿着萨尔温江、南卡江和南班河向两侧空间分布格局及扩张趋势。(3)提取的橡胶林地分布结合地形特征分析发现,2007-2017年佤邦北部的橡胶林沿着河流两岸扩展,在海拔、坡度和坡向上都呈现出增加,并且在坡向上主要分布在阴坡,受地形限制,在阳坡上没有太多适合种植橡胶区域。

缅甸佤邦北部橡胶林种植面积从2007-2017年扩展迅速,逐渐向高海拔地区扩展,这种扩张趋势对区域生态环境和橡胶产量都有一定影响。对于佤邦北部橡胶林提取研究,受地形和天气的影响,获取卫星影像数据困难和质量差,对提取橡胶林精度存在一定的误差,另外,目前国内对佤邦北部的橡胶林种植研究较少,大部分集中在云南西双版纳州和海南省,缺乏相关的资料。在今后对佤邦北部橡胶林进行监测可以结合多源遥感数据,利用高分系列卫星及时、准确和高精度监测佤邦橡胶林变化,为政府部门、替代企业橡胶林管理和评估生态环境提供科学依据。

致谢：本次罂粟替代种植调查过程中得到普洱市商务局、普洱市替代种植协会、普洱市公安禁毒部门、境外罂粟替代种植相关企业和佤邦农林水利部等相关负责人陪同和考察,在考察用车、境外出入、替代企业相关资料提供等各方面提供帮助和支持,在此特意表示感谢!