不同样本尺度和分区方案的粮食产量空间化及误差修正

粮食产量数据空间化有助于粮食产量数据与其他自然、人文数据进行综合分析,但空间化过程中必然会产生误差。该文按照3种分区方案(全国不分区、全国分为7个区以及按省分区),选择3种尺度上(县级、地市级和公里网格)的总产及平均产量数据(即4种样本:县级粮食总产、县级平均粮食产量、地市级粮食总产、地市级平均粮食产量)分别为因变量,以对应的3种农田类型(水田、水浇地、旱地)面积数据为自变量,利用多元线性回归分析方法,得到15种空间化模型。采用两阶段误差分析方法,选取2个模型误差评价因子和5个空间化结果误差评价因子,对模型和空间化结果进行误差分析。结果表明:1)空间化过程中,模型精度与空间化结果的精度存在不一致性;2)对于采用同一样本的模型(常数项为0)而言,空间化结果精度随着分区方案的细化先提高再降低,而对于采用同一样本的模型(常数项非0)而言,空间化结果精度随着分区方案的细化而降低;3)在全国不分区和分为7个区2种情况下,空间化结果精度随着分析样本尺度的细化(从地市级到县级再到公里网格)先提高后降低。根据上述分析结果,最终以县级粮食总产为样本、常数项为0、全国分7个区建模的方案实现全国粮食产量数据空间化,并通过修正,得到2005年中国粮食产量公里网格分布图。该研究弥补了粮食产量空间化误差分析的不足,探寻了不同样本尺度和分区方案与空间化误差的关系,提高了空间化精度,同时对其他类型的社会经济统计数据空间化研究具有一定的参考价值。     

近20年海南省耕地林果化的时空分异及驱动因素分析

耕地林果化是指原本种植粮食作物的耕地被用于植树种果的现象,揭示耕地林果化时空分异及驱动因素对科学管理耕地、稳定粮食生产具有重要意义。基于土地类型变化视角,以海南省2000、2010和2020年3期土地利用数据为基础,综合利用转移矩阵、地理探测器和多元线性回归模型,系统分析了近20年海南省土地类型变化视角下的耕地林果化利用总体态势、时空分异特征及其驱动因素。研究表明：2000－2020年海南省林果化耕地规模呈降低态势,耕地林果化增量规模从2000－2010年的1 314.35 km2下降到了2010－2020年的472.45 km2,且前时段的林果化耕地有397.61 km2在后时段转回为了耕地。两个时段内,市县尺度耕地林果化利用现象空间差异明显,文昌、儋州的耕地林果化规模较高;网格尺度的耕地林果化空间分布格局基本相似,但格网耕地林果化比例具有明显差异。各时段驱动因子的解释能力不同,GDP增速、自然地形、区位因素是解释力较强的驱动因子;驱动因子是通过因子间交互作用影响耕地林果化利用,表现为双因子增强或非线性增强。     

福建省耕地多尺度空间分布特征分析

区域土地利用格局分析应优先考虑影响因子识别及其尺度效应研究。该文分别通过整体与分区研究,采用统计方法与GIS技术,从自然环境、社会经济以及基础设施条件各方面选取25个候选影响因子,开展福建省耕地多尺度空间分布特征研究。采用的基本研究单元为1km×1km,在此基础上生成2km×2km,3km×3km～10km×10km共10个空间尺度序列数据图层。不同空间尺度上分别构建福建省6个农业综合分区耕地空间分布模型,探讨了福建省耕地空间分布影响因子的尺度规模效应。研究表明模型不仅会随着研究尺度发生变化,在不同的农业综合分区内也有较大的差异。分区研究比整体研究的模型解释能力要高,模型的解释能力总体上随研究尺度的增大而升高。除坡度因子外,其他影响因子本身及其影响系数在不同的农业综合分区间发生变化,但总体规律是福建省耕地受坡度、海拔高程等不易随时间改变的自然条件的严格制约,并且这种制约作用随尺度增大呈逐渐增强趋势。     

基于MAUP下川滇生态屏障区生态系统服务价值多尺度空间分异及地理探测响应

为探析生态系统服务价值(ESV)在可塑性面积问题(MAUP)下的分区效应,以川滇生态屏障区为例,基于2018年土地利用数据,划分格网、行政区和流域3类不同尺度类型9级评价单元,运用空间自相关分析、地理探测器等方法探究了ESV多尺度空间分异特征及地理探测响应。结果表明：川滇生态屏障区2018年ESV为7 945.81亿元,以林地和草地的贡献最为突出;3类尺度下ESV空间分布具有明显的分区效应,大体呈现出评价单元尺度类间差异性大,类内差异性小的空间分异特征,同时其空间集聚效应及冷热点区空间分布随着评价单元尺度划分大小的不同而差异显著;通过对比分析,将格网尺度与行政区尺度结合分析,可作为大区域生态功能区ESV综合评价的尺度参考;自然因素及社会经济因素的交互协同增强效应共同影响了川滇生态屏障区ESV分异效果,不同尺度下,因子解释力大小不同。综上,评价单元划分的不同会影响评价结果的准确性,结合具体研究需求开展多尺度评价成为未来ESV科学量化的前提条件。     

应用遥感技术研究贵州春季蒸散发空间分异规律

蒸散发量的估算对于灌溉策略、蓄水流失、水分平衡计算、径流预测和气象气候研究等都是不可缺少的因素.遥感(RS)和地理信息技术(GIS)的发展实现了蒸散发量的空间分布估算.利用1 km分辨率的MODIS影像数据反演的下垫面参数(如地表温度、反照率等)数据、日值的气象数据的空间插值结果数据及高程数据等基础信息数据,以贵州省典型喀斯特环境为研究区域,利用Penman-monteith蒸散发模型,在面的尺度上估算连续2个月的日值蒸散发量,定量描述蒸散发量的转化过程.通过蒸散发与相关因子的相关性分析,总结出贵州省影响蒸散发量时间动态、空间分布变化的主要影响因子和限制因子,进一步探索典型喀斯特生态环境的贵州省蒸散发量的变化规律.     

贵州山区土地利用变化多尺度空间自相关分析

该文以贵州省贵阳市花溪区1986年,1995年和2000年3个时段的土地利用变化数据为基础,运用地理信息系统技术,首先研究了0.2km×0.2km、0.4km×0.4km和0.6km×0.6km3个尺度土地利用变化的空间自相关性,分别建立不同尺度的经典线性回归模型和空间滞后模型,并对比2种模型的精度。结果表明,1986年、1995年和2000年花溪区的耕地、林地、草地、建设用地和水域在3个尺度都表现出较强的空间正相关性,空间相关性与研究尺度有关,随研究尺度变大空间自相关性逐渐下降。通过对比分析3个尺度空间滞后模型和经典线性回归模型,发现空间滞后模型的残差较小,解释能力比经典线性回归模型强,空间滞后模型的预测精度优于经典线性回归模型。该文研究可为喀斯特地区土地利用管理提供依据。     

喀斯特山区耕地时空演变与影响因子分析

喀斯特山区因其耕地资源特殊性使得社会经济发展限制因素尤为突出，厘清其演变规律对区域社会-经济-生态的可持续发展具有重要影响。该研究以贵州省耕地为研究对象，结合GIS空间分析功能，采用核密度、Lorenz曲线和地理探测器等方法对2000、2005、2010、2015、2018年共5期耕地数据的空间分布和时空演变进行深度探究。结果表明：贵州省耕地"西北多、东南少"，空间非均衡分布，省会周围、生态脆弱敏感区及喀斯特地貌发育区域耕地总量较少；耕地分布呈现空间正相关性，高-高聚类区域自然条件比较相似，低-低聚类区域大多为典型的喀斯特地貌或其他生态敏感脆弱区；时间尺度上耕地总量和密度均在2005年出现递减拐点，2000-2018年以地类转出为主，主要流向为林地、草地和建设用地，动态变化程度随时间推移愈加强烈，到末期稍减；空间尺度上各期耕地增减都较为均衡，面积的减少量稳定，增加量则由高值骤降至低值，并在低值处趋于稳定；地理探测显示影响贵州省耕地空间分布的主要因子为人口、GDP，次要因子为路网密度、平均坡度，其中社会经济因素影响力大于自然因素。     

基于TRMM 3B43数据的川西高原月降水量空间降尺度模拟

利用2001-2013年TRMM 3B43、MODIS-NDVI、DEM、气象观测等数据,在分析植被对降水响应滞后性的基础上,构建了TRMM 3B43数据中月降水量与经纬度、海拔、坡向和NDVI因子间的多元线性回归方程式,作为川西高原月降水量资料的降尺度计算模型,采用“回归方程+残差”的插值方法获取研究区2001-2013年1km空间分辨率的月降水量空间数据,并利用区内16个气象站点的观测数据与模拟结果进行了相关分析和误差检验。结果表明：（1）各气象观测站点基于TRMM 3B43资料的降尺度模拟降水量的数据均具有很高的精度,其中,精度最高的稻城站模拟结果与站点观测值的相关系数高达0.9839,精度最低的小金站相关系数亦高达0.8781;（2）在月、年尺度上,降尺度模拟降水量的数据亦具有很高的精度,其中,5-10月的精度明显高于其它月份,湿润年份精度总体高于干旱年份;（3）降尺度模拟降水量与站点实测降水量整体上相关系数为0.9499,偏差为0.0866,两者吻合度较高,但降尺度模拟降水量值略偏高;（4）降尺度在月尺度上能基本保证TRMM 3B43原始数据的精度,而在年尺度上能有效提高原始数据的精度,加之对空间分辨率的提高,可为获得更加全面、精细的降水分布数据提供有效方法。     

复杂地形下TRMM降水数据的降尺度研究：以四川省为例

TRMM数据是目前应用最广泛的卫星降水产品,其准确性已得到广泛验证和认可。但其相对较低的空间分辨率制约和阻碍了在各领域的进一步应用。本研究以降水空间分异显著的四川省为例,在综合考虑空间位置、地形等多个影响因素及其空间非平稳性特征的基础上,采用混合地理加权回归（MGWR）与克里格插值（Kriging）相结合的方法,建立一个兼顾多因素空间非平稳性特征的降尺度模型（MGWRK）,对研究区域的TRMM年降水数据进行降尺度研究,并通过41个气象站点的实测数据对不同降尺度方法的结果进行对比验证。结果表明：（1）经过降尺度处理后,TRMM降水数据的空间分辨率从0.25°（约26km）提升至1km,数据的精细程度有了明显提升;（2）MGWRK模型综合运用了空间位置、地形等多个高分辨率的辅助信息,并进一步探究了不同影响因素对TRMM降水影响关系的空间非平稳性类型与特征。从多年平均及两个典型年份的验证结果看,MGWRK法比传统的重采样方法Bilinear法及基于OLS的全局回归克里格法具有更高的精度,降尺度结果的精度更接近TRMM原始数据;（3）构建的降尺度模型兼顾了提升空间分辨率和保持数据精确度两方面的要求,适用于四川省TRMM降水数据的降尺度研究,可为TRMM数据在小尺度的应用研究提供有效的数据支持。     

基于GD_SVM_CA-Markov模型的县域景观格局模拟

利用地理探测器探究地理要素变化与驱动因子关系的优势以及支持向量机分类决策的特点,对CA模型进行改进,并结合Markov模型,形成GD_SVM_CA-Markov模型,以期为县城城镇发展规划以及环境保护提供决策参考。以生态脆弱区典型县域内蒙古磴口县为研究区,基于2011年磴口县土地利用数据,应用GD_SVM_CA-Markov模型,对磴口县2016年的土地景观空间分布格局进行模拟预测,以期发现其变化规律,为了保证模拟精度,将模拟结果与传统CA-Markov模型模拟结果进行对比验证。结果表明,CA-Markov模型模拟结果的总体Kappa系数为0.862 8,GD_SVM_CA-Markov模型模拟结果的总体Kappa系数为0.925 0,2个模型模拟结果的精度均较高,但GD_SVM_CA-Markov模型模拟结果的精度更高,结果更优。因此,将GD_SVM_CA-Markov模型应用于当地土地景观空间分布格局模拟预测,具有一定可行性,可为当地生态治理以及相关政策的实施提供参考。     

新疆农业产值的空间化表达与分析

为使以行政单元为单位的农业产值合理分配到地理单元上,以新疆各县农业用地面积及河流长度为自变量建立多元回归模型,采用面积权重的方法进行农业产值的空间化,实现新疆农业产值1 km?1 km格网模拟。对新疆2012年农业产值的分析表明:1)农业产值与耕地、林地、草地面积及河流长度密切相关。2)农业产值的多元回归模拟效果比较满意,预测值与实际值拟合度达到0.82。3)空间模拟表明,新疆农业产值整体水平较低,大部分地区不足5 000元·km-2;农业产值空间分布整体上呈现带状分布和片状分布相结合的特征,块状高值区主要分布在伊犁地区、塔城地区、天山北坡等,南疆地区普遍较低;带状农业产值高值区主要沿塔里木河上中游、孔雀河流域、叶尔羌河流域,伊犁河谷等分布。同时离道路越近,农业产值越高。4)河流与农业产值的空间分布关系说明水资源是干旱区农业发展的制约因素。5)影响模拟精度的因素有自然地理条件、人文因素、地域差异以及土地利用类型内部生产力差异等。与以往研究相比,本研究结合了干旱区的实际情况,重点突出了水资源对干旱区农业的贡献,这对今后研究具有一定的参考价值。     

Probabilistic soil mapping by Bayesian inference to assess suitability for derocking in northwest Syria

Land reclamation by rock removal has wide potential in areas with shallow or rocky soils. In northwest Syria, this practice is hindered in its implementation by a lack of physical soil suitability data, principally soil rockiness and soil depth to hard rock. These soil properties were surveyed in a limited study area, resulting in a hard‐boundary thematic soil map (64–94% accuracy per property). Bayesian inference is proposed as a low‐cost upscaling method that yields a set of pixel‐based probability maps, providing improved input for spatial decision support models. Whereas the achieved spatial upscaling (from 2510 to 19 100 ha) outweighed the decrease in overall accuracy (down to 26–57%), probability maps require dedicated validation and manipulation procedures. This research contributes to methods for the creation, validation and interpretation of probabilistic soil property maps for quantitative land evaluation. First, we evaluated three postprocessing and validation methods for probabilistic soil property maps, identifying the use of ‘prediction rates’ as the best approach in a spatial planning context. Next, we demonstrated how the maps can support decision‐making for land management activities by simulating the expected losses and gains from interventions, in a decision‐theoretic approach. Based on the simulations, the investments in large‐scale derocking projects in northwest Syria will pay off in terms of increased agricultural productivity in less than 10 years.     

基于土地利用变化的黄河流域景观格局及生态风险评估

黄河流域生态环境脆弱,水土流失严重,诊断其景观格局及生态风险对促进流域高质量发展具有重要意义.该研究采用黄河流域2000、2010和2018年的土地利用数据,计算景观格局指数并构建生态风险评价模型,从网格尺度和县域尺度揭示生态风险的时空演化特征和空间关联性.结果表明:1)草地和耕地面积之和占黄河流域总面积的70％以上,...     

MAGPIE: A modelling framework for evaluating nitrate losses at national and catchment scales

Abstract. A national agri-environmental database and nitrate modelling system has been developed to support the UK government's nitrate policy development. The framework, 'MAGPIE', consists of a database and models linked within a Geographical Information System and provides a user interface which allows detailed spatial and statistical investigation of the current state (data and model output) and the impact of changes in conditions or agricultural practice. Data on crops and livestock numbers taken from the annual agricultural census were modified in relation to land cover data derived from remote sensing, and other sources. These data and data on climate, soils and altitude were interpolated to a 1 km grid. The models of nitrate loss were adapted to work with this data set while retaining as far as possible the salient features of the more detailed models and data from which they were derived. The resulting Policy Decision Support System was found to give estimates of mean annual flow and nitrate load for agricultural catchments which matched measured data closely. The system has contributed to work on a number of policy issues both within the UK and in the UK's contribution to international policy development on pollution derived from agriculture.     

Potential climate change effects on the distribution of agricultural grassland in England and Wales

Abstract. The spatial distribution of agricultural grassland in England and Wales has been assessed using a land evaluation model applied to information describing soils, climate and topography on a 5 × 5 km grid. The model calculates land suitability for grassland from assessments of trafficability/poaching risk and yield class. The spatial distribution of agricultural grassland was modelled for a 30 year climatic baseline (1941–1970) and for incremental changes in temperature and proportional changes in precipitation relative to that baseline.
Model estimates for the current distribution of grassland suitability agree well with observed data of actual grassland distribution. The best suited land occurs in south west England, Wales, the Welsh borders and Cheshire with fragmented areas of well suited land in north west England and on the Pens and Humberhead levels.
The climatic sensitivity analysis suggests that grassland production in England and Wales is resilient to small perturbations in mean temperature (up to +2°C) and precipitation (±10%). The effect of increasing temperature by 1°C is almost completely offset by precipitation increases of 10% resulting in little change to the distribution of grassland suitability. However, greater temperature changes (+ 4°C) have a major influence on the ability of land to support intensively managed grassland because of increased drought stress. Results indicate that a change in the climate comparable with current best estimates for the future would benefit grassland on good quality land at higher altitudes.     

北京平原区粮菜林三地类时空转变特征

该文利用遥感与地理信息系统技术研究北京平原区农用地内部粮田、菜地和林地三大类农地利用类型的变化。结果表明:2004年至2014年这10 a间,粮田转变为林地与菜地是北京平原区农地利用变化主流。粮田转变为林地面积是969.97 km~2,其土地利用变化重要性指数高达72.11%,在各类农地利用变化类型中居首。而粮田转为菜地则主要是粮田转变为设施菜地,10 a间粮田转变为设施菜地面积是163.53 km~2,其土地利用变化重要性指数为12.16%,在各类农地利用变化类型中居次;同时,10 a间北京平原区农地利用变化存在空间分异特征。主城近郊区与远郊平原区农地利用变化主要是粮田转为林地,两大分区中该变化类型土地利用变化重要性指数分别为84.18%、76.21%,明显高于其他农地利用变化类型土地利用变化重要性指数。在城市新区,粮田则分别转为林地与设施菜地;10 a间北京平原区农地利用空间分布均具有圈层特征,由近郊向远郊,农地内部结构都呈现林地为主类型,到粮田、菜地与林地混合利用类型,再到粮田与林地组合利用类型的空间格局。而10 a间随着主城区的外扩,上述农地利用圈层特征出现了由近郊向远郊外移、且林地与蔬菜面积占比增加的现象。研究认为:农地内部粮、菜、林3地类的转变和农地利用圈层外移是农户追求经济效益最大化与政府为改善生态环境所致;而改善生态不应以牺牲粮田为代价,应充分利用粮田的生态系统服务功能以实现生态绿化目的。     

华北平原冬小麦面积遥感提取及时空变化研究

多年作物种植面积的时空变化可以反映种植结构的调整结果,并可用于进行驱动力分析。为解决连续遥感监测作物种植面积变化过程中,不同的训练样本或分类规则不能较好地反映作物种植面积时空格局变化的问题,本文首先根据研究区(华北平原)农业气象观测站提供的主要农作物物候观测资料获得主要农作物典型物候期特征,结合HANTS滤波后的NDVI时间序列数据提取不同地物类型的NDVI时序曲线,引入复种指数,探讨了CART算法在提取华北平原冬小麦种植面积的可行性,最后提取了2000—2013年华北平原冬小麦种植面积,并参考市级的农业统计数据进行精度评价。经检验,近13年的遥感监测种植面积与农业统计面积相关系数达到0.94(置信水平为95%),且各市13年面积一致性小于40%的概率仅为15%。利用遥感监测多年冬小麦空间分布信息获得其空间种植概率,能较好地反映研究区冬小麦的主要种植区,该方法可为大范围、连续年份冬小麦种植面积时空格局的遥感监测提供参考。     

考虑碳排放的粮食主产区耕地利用效率区域差异与变化

为系统考察中国粮食主产区耕地利用效率的分布特征。该研究将耕地利用碳排放作为非期望产出纳入耕地利用效率的测度框架中,以中国粮食主产区2000—2016年数据为支撑,综合运用SBM-Undesirable模型和核密度估计方法对粮食主产区耕地利用效率的空间格局及演进特征进行定量刻画。结果表明:1)粮食主产区整体和各省份耕地利用碳排放都表现出不同幅度的增长态势,其中河南的绝对增长量最大,由2000年的487.40万t变化至2016年的806.99万t,净增长319.59万t,其次是内蒙古和黑龙江,江西的绝对增长量最低,研究期内共增长了59.64万t;2)考虑碳排放后,粮食主产区整体和各省份耕地利用效率明显降低,2000年和2016年,不考虑耕地利用碳排放时,粮食主产区平均耕地利用效率分别为0.774 4和0.917 9,而考虑碳排放后,平均效率指数分别为0.639 4和0.843 8;3)粮食主产区耕地利用效率表现出明显的区域差异,根据SBM-Undesirable模型测度结果可将13个粮食主产区分为耕地利用效率优势区、平缓区和劣势区3种类型;4)从核密度估计结果来看,粮食主产区整体和不同类型区耕地利用效率都表现出明显的偏态分布及不同程度的极化特征,而且,与2000年相比,粮食主产区整体、平缓区和劣势区2016年密度曲线的变化区间明显变小,表明耕地利用效率的地区差距有所缓解,但优势区的区间变化幅度并不明显。该研究可以为粮食主产区耕地资源高效、低碳利用提供科学依据和决策参考。     

基于空间平滑法的旱作区粮食产量时空变化与影响因素研究

在中国北方水资源约束愈发严峻的情境下,旱作区粮食产量格局及其驱动因素研究具有重要的现实意义。以1995—2015年县域粮食统计数据为基础,结合土地利用栅格数据等资料,应用空间平滑法,对东北及华北平原旱作区粮食产量的空间格局与演化过程进行了研究。在此基础上,分析了不同农业区影响粮食产量的自然及社会经济驱动因素。结果发现:1)近20a东北-华北平原旱作区粮食产量整体稳步提高,高产区范围逐渐扩大,具有明显的空间集聚特征,且华北平原旱作区粮食总产高于东北平原旱作区;2)粮食产量增速以中速增产为主,其次依次为慢速增产、高速增产、绝对减产,且东北平原旱作区粮食增产速率高于华北平原旱作区;3)东北平原旱作区粮食单产整体高于华北平原旱作区,且经过空间平滑处理后粮食单产栅格像元频率分布基本呈高斯分布,与客观规律相契合;而随着时间演替,直方图像元的峰值逐渐右移,且单产栅格呈逐渐分散的趋势,表明耕地生产力水平整体提升的同时差距也随之扩大;4)自然因素中的年均气温与燕山-太行山山麓平原农业区的粮食单产的相关性最高,年降水量及汇流能力与冀鲁豫低洼平原农业区的粮食单产的相关性最高,土壤类型与松嫩-三江平原农业区的粮食单产的相关性最高;5)粮食单产与社会经济因素的分析结果表明,粮食生产由劳动密集型逐渐向技术密集型方向转变,农业机械化的投入对研究区特别是东北平原旱作区的贡献尤为明显,化肥投入对研究区粮食增产始终发挥着巨大作用,而灌溉条件对于华北平原旱作区粮食生产的保障起到重要作用。研究结果可为粮食产量时空格局研究的方法创新方面有所裨益,并对不同农业区保持高产、稳产及耕地保育等方面提供参考。     

网格尺度下河南省农业土地利用系统多功能的空间化及权衡/协同分析

农业土地利用系统对于保障食物安全和农业可持续发展意义重大。功能的量化和分析是研究土地利用系统的有效途径。以粮食主产区河南省为研究区，1 km网格为研究尺度，融合多源数据，采用统计分析和空间分析的方法，对2020年农业土地利用系统进行功能的分类、评价、空间可视化以及相关性分析。结果表明：河南省农业土地利用系统包括了生产、生态、经济、社会和文化功能。生产功能呈现东高西低的空间格局，生态功能的整体格局与生产功能相反，经济功能总体较高且表现为东南高、中北部低的特征，社会功能均值较高且中部和西部高值明显，文化功能的均值偏低且在空间上西高东低。多功能组合中有6组为协同关系，4组主要表现为权衡关系，且生产功能和生态功能以及文化功能的权衡作用比较明显。研究结果对于了解河南省农业土地利用系统的情况以及可持续利用管理有一定的借鉴意义。