基于遥感与GIS技术的中藏药波棱瓜种植面积估算

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[收稿日期] 2014-01-08

[基金项目] 国家自然科学基金项目（41371125）；四川师范大学重点培育项目（13ZDL03）

[通信作者] *彭文甫，博士，副教授，研究方向为环境遥感，E-mail：

[作者简介] 潘荟交，E-mail：

[摘要] 中药多种植在气候环境条件适宜的山区，山区地势复杂，种植地块分散，很难获得准确的种植面积。因此加强对复杂环境下中药种植面积监测方面的研究对于中药材种植的规模化、产业化有着至关重要的意义。该文以泸定县藏药波棱瓜种植为例，利用遥感与GIS技术，以TM，ETM影像为遥感信息源，结合地面样方调查的GPS数据，在GIS平台上进行数据分析和研究，提取出泸定县藏药波棱瓜的种植面积。结果表明：①所采用的中藏药波棱瓜种植面积估算方法、技术可行，能够在复杂的山区环境下，进行种植面积的遥感监测；②利用该方法估算出泸定县中藏药波棱瓜的种植面积是57.15 hm2，与当地统计结果相比较，误差在5%以内；③鉴于遥感数据在获取、预处理以及解译过程中存在一定的误差，遥感数据的分类结果直接作用于作物类别的提取，因此分类精度很大程度上影响着面积提取的精度，估算结果存在着一定的误差。

[关键词] 遥感；地理信息系统；中藏药；种植面积估算；泸定县

近年来，中药产业迅猛发展，中药资源深入细致的调查对于中药产业的规模化、产业化起着至关重要的作用。传统的中药资源储量调查一直采用收购量推算，人为主观估算，缺乏科学性[1]，调查结果已经不能满足快速发展的中药产业的需求。因此，利用新技术开展中药资源调查及其蕴藏量估算成为中药资源研究、保护及利用的首要问题[2-3]。遥感技术作为一门新兴的综合性科学技术，在资源调查中能提供空间和时间上连续的区域性同步信息，体现了其技术在实际应用中的优越性。将遥感技术广泛应用于中药资源的调查中，能够为中药材重点品种的产量、资源蕴藏量、生物学特性、主产区分布及需求量等方面的调查提供更为简单、科学、准确的思路和方法。国内许多专家学者进行了利用遥感技术对药用植物资源监测的研究，并取得了一定的进展。孙宇章等所进行的野生苍术资源量监测是国内利用遥感技术对单个野生药用植物进行调查研究的开创和示范[4]；郭兰萍等研究了不同生态环境类型药用植物资源的遥感监测方法，分别对野生药用植物资源和栽培药用植物资源的监测方法进行了阐述，为不同类型的药用植物提供遥感监测的思路和方法[5]。张小波等探讨了利用遥感技术进行野生稀有药用植物遥感监测的方法和标准[6]。

中药产业的发展以及环境的破坏致使野生中药的数量和质量越来越不能够满足当今社会对中药材的需求，因此中药材的人工种植便成了解决供求问题的关键。一部分专家学者也将遥感技术运用于人工栽培类药材的研究。其中，陈士林等利用遥感技术对人参种植区的人参种植面积进行调查，建立了人参资源遥感调查的技术路线和方法，对人参进行了产区面积测算和估产，判读精度都在90%以上[7]；周应群等以三七为例研究了以遥感技术为基础栽培类药用植物资源调查方法，计算了栽培中药三七分布的面积、蕴藏量和产量[8]。但是目前大部分的研究还是针对野生资源的保护和开发而进行的面积测量以及蕴藏量的估算，以中药产业发展为目的，针对人工种植药材进行的药材长势、病虫害情况、产量预估等动态监测研究仍然处于探索阶段，实际运用研究较少。

本文以四川省甘孜州泸定县的中藏药波棱瓜种植地位研究对象，基于遥感与gis技术为支持，以TM，ETM影像为信息来源，结合GPS地面样方调查、地面定位数据分析以及其他资料，对泸定县具有重要作用的中药材进行监测和分析，统计中药材资源的分布、数量等资源变化情况，实时掌握研究区中药材变化情况。该研究结果能够比较科学的分析泸定县藏药波棱瓜的种植情况，计算出泸定县藏药波棱瓜的种植面积，达到较高的估算结果。

1 研究区概况

泸定县位于四川省西部二郎山西麓、甘孜藏族自治州东南部，界于邛崃山脉与大雪山脉之间，大渡河由北向南纵贯全境（图1）。东与石棉县相连，位于东经101°46′―102°25′，北纬29°54′―30°10′。南北长69.2 km，东西宽49.9 km，全县总面积2 165.35 km2（未含争议区域面积198.48 km2）。泸定县地处四川盆地到青藏高原过渡带上，受东南、西南季风和青藏高原冷空气双重影响，气候垂直差异明显，海拔1 800 m以下地区属亚热带季风气候，为有名的干热河谷地区。县境内最高海拔（贡嘎山）7 556 m。泸定气候冬无严寒，夏无酷暑，冬季干燥温暖，季均温度7.5 ℃；夏季温凉湿润，季均温度22.7 ℃；年平均气温16.5 ℃，年平均无霜期279 d，年均降雨量664.4 mm。波棱瓜生长在海拔1 500～3 500 m，喜欢凉爽、湿润、向阳的环境，泸定县的气候条件适合波棱瓜的人工栽培。本次研究选取的研究区域是泸定县冷碛镇、兴隆镇。这2个镇从2005年开始种植波棱瓜到目前已经形成一定的规模，种植地块相对集中。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理 研究区中藏药波棱瓜种植面积的遥感监测的数据包括：①波棱瓜种植地区的TM，ETM遥感影像，来源于中国科学院；②DEM数据（30 m），来源于USGS；③泸定县土地利用信息和泸定县乡镇行政边界矢量图，来源于四川师范大学西南土地资源与评价教育部重点实验室；④GPS野外实测点、线、面数据，包括数码相机拍摄相信息；⑤泸定县自然、社会和经济概况以及其他的环境背景资料，来源于泸定县政府。

图1 研究区位置

Fig.1 The location of study area

本研究采用的7，8月份的遥感数据，该时间段内，波棱瓜处于生长最旺盛期，利于信息提取。首先，对研究区遥感影像进行几何校正，泸定县区域影像裁剪；其次，将影像信息、矢量数据、GPS采样数据投影到统一坐标系统下；最后进行遥感影像分类和精度检验。

2.2 研究方法 本研究拟采用地面GPS定位调查与TM，ETM 遥感信息解译相结合的研究方法，基于TM，ETM 遥感影像的高海拔地区波棱瓜种植面积监测技术，建立波棱瓜的遥感监测模型，提出波棱瓜种植区域的遥感监测系列方法。具体包括：①波棱瓜生长环境分析；②遥感影像解译；③GPS野外定位与实测；④面积提取（图2）。

图2 技术路线

Fig.2 The study route

3 结果与分析

3.1 波棱瓜实宜性分布 根据野生波棱瓜的生长环境及对泸定县波棱瓜种植基地的实地调研可以确定波棱瓜种植高程范围定在2 300～3 500 m。利用ARCGIS 9.3软件从原始DEM影像上提取出泸定县适宜人工种植波棱瓜的高程范围，得到提取后的DEM图，再将提取后的高程图与泸定县的土地利用现状图相叠加，叠加处理以后则可以得到波棱瓜适宜种植海拔范围内的土地利用现状图（图3）。该图中绿色部分就是波棱瓜适宜种植的海拔范围。泸定县藏药波棱瓜的栽培选择的地块都是突然为细沙壤土，阳光充足、阴凉湿润、保水但不积水、土质疏松，肥力充足、富含腐殖质、土层深厚的耕地[9]。由此可见，藏药波棱瓜的种植适宜范围大部分在海拔2 300～3 500 m的耕地，少部分在林地和草地。

图3 海拔2 300～3 500 m土地利用

Fig.3 Land use coverage at elevation 2 300-3 500 m of DEM

3.2 GPS野外样方数据采集 野外样方数据采集是本次研究最重要的一个环节，通过野外数据采集初步建立波棱瓜判读标志。研究确定样方区域定在泸定县藏药波棱瓜种植地兴隆镇、冷碛镇。对这2个区域的每一样方，利用GPS进行精确定位，分别通过点、线、面进行数据采集；同时，再利用数码相机对地块四周的情况做拍照，以作后期室内比对，为以后解译后验证提供方便。野外采集到的数据利用GPS自带软件GIS OFFICE对测量的数据进行差分纠正，最后建立数据库。野外实地GPS采样信息（图4）。

图4 野外样方数据采集

Fig.4 The field investigation data based on GPS

3.3 遥感影像分类 根据所建立的地物特征标志在ERDAS中应用监督分类中的最大似然分类法对冷碛、兴隆镇遥感影像进行分类。影像分类参考全国1 km×1 km网格土地利用数据、四川雅安芦山地震救灾数据之土地利用图90 m×90 m、《土地利用现状分类》国家标准以及野外考察数据。根据本次研究的需要，将泸定县冷碛镇和兴隆镇遥感影像的土地利用类型划分为林地、耕地、草地、水域、其他用地5大类。再将波棱瓜采样数据导入影像分类结果后可以看到，波棱瓜种植的实际采样数据大部分位于影像分类结果中的耕地内，少部分在草地和林地（图5），与本文进行的波棱瓜适宜性分析结果相符合。

3.4 波棱瓜种植面积测算 在波棱瓜适宜性分析和遥感影像分类的基础上，确定波棱瓜的解译标志。选取542作为波棱瓜遥感影像解译的波段组合，在GIS中将冷碛镇、兴隆镇遥感影像图与野外GPS样方实测波棱瓜种植基地地块的点、线、面叠加。遥感影像的直接判读标志：位置、颜色和色调、结构（图案）、纹理、形状、大小、阴影、立体外貌；间接判读标志：水系、地貌、土质、植被、气候、人文活动等。根据

图5 泸定县冷碛、兴隆镇遥感影像分类

Fig.5 Classification of remote sensing image in Lengqi and Xinglong Town of Luding county

前面所做的准备工作来判断波棱瓜解译标志。在确定了分类标志以后（图6），在ERDAS8.5中运用Classifier模块中的Signature Editor和Supervised Classification工具对冷碛镇和兴隆镇的波棱瓜遥感影像图进行监督分类。将分类后的遥感影像分类图导入GIS中，把栅格格式的数据转化为矢量格式，并进行同地类的图层合并，得出泸定县的冷碛镇和兴隆镇的波棱瓜种植矢量图层，计算波棱瓜种植的面积。通过上述分析可以得出，泸定县冷碛镇、兴隆镇的藏药波棱瓜规模种植的面积约为57.15 hm2（表1），生长范围大致在海拔2 300～3 500 m的山地。

4 结论

本文应用遥感与GIS技术，集成多源数据信息，探讨了中药种植面积估算的方法与技术路线，能够在复杂的山区环境下，对泸定县中藏药波棱瓜种植面积的进行遥感估算，估算结果具有较高的精度，该方法具有可行性，可用于类似中药种植面积的估算。

估算结果表明，泸定县藏药波棱瓜的种植面积是57.15 hm2，与当地政府的统计结果60 hm2相比，误差在5%以内。

图6 解译标志的确定

Fig.6 Determine the interpretation signs

从研究情况分析，遥感影像的分类精度影响泸定县中藏药波棱瓜种植面积的提取精度，采用更高分辨率遥感数据、提高遥感分类精度等就成为这一研究工作的重要条件。本次研究，只估算了波棱瓜的种植面积，并未估算波棱瓜的产量，如何应用3S技术，实现对中药种植面积、产量的动态监测，仍然是需要进一步研究的工作。

[参考文献]

[1] 孙红梅.遥感技术与中药资源普查[J].基础医学与临床，2008，28（2）：127.

[2] 郭兰萍，黄璐琦，蒋有绪. “3S”技术在中药资源可持续利用中的应用[J].中国中药杂志，2005，30（18）：1397.

[3] 陈士林，张本刚，杨智，等. 全国中药资源普查方案设计[J].中国中药杂志，2005，30（16）：1229.

[4] 孙宇章，郭兰萍，朱文泉，等. 不同生态环境类型药用植物资源的遥感检测方法[J].中国中药杂志，2007，32（14）：1490.

[5] 孙宇章，黄璐琦，郭兰萍，等. 遥感技术在中药资源调查中的应用[J].中国现代中药，2006，8（9）：7.

[6] 张小波，孙宇章，黄璐琦，等.野生稀有种药用植物遥感监测方法及其标准的建立[J].中国中药杂志，2009，34（13）：1741.

[7] 陈士林，张本刚，张金胜，等.人参资源储藏量调查中的遥感技术方法研究[J].世界科学技术――中医药现代化，2005，7（4）：37.

[8] 周应群，陈士林，张本刚，等.基于遥感技术的三七资源调查方法研究[J].中国中药杂志，2005，30（24）：1902.

[9] 刘显福，方清茂，刘代品，等.藏药波棱瓜栽培技术的研究[J]. 辽宁中医药大学学报，2006，8（4）：131.