中国梯田分布及撂荒现象的遥感分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 卢亚晗 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李秀彬 |
| 关键词 | 深度学习 梯田分布 梯田撂荒 撂荒风险 中国 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 梯田是指在丘陵山区坡地上沿等高线修筑的条状阶梯状的田块。梯田广泛分布于世界各地。中国是世界上修筑梯田最早的，也是面积最大的国家之一。梯田不仅在保持水土、提高农业产出、抵御气象灾害、保护生态环境方面，发挥了重要的作用，而且因其自身独特的景观和农耕文化，成为了重要的旅游资源。虽然梯田是我国丘陵山区宝贵的土地资源，但中国梯田的具体规模以及详细的分布信息，尚不明晰。前人对梯田开展了大量的学术研究，但研究范畴多集中于生态系统服务功能和社会历史经济文化价值等方面，且研究多局限于样点区域或小流域，全国尺度的梯田研究不足。究其原因是由于缺乏全国高空间分辨率的梯田分布图。梯田是我国治理水土流失，提高农民生计资产，摆脱贫困的重要措施之一。自20 世纪50 年代开始至今，我国在丘陵山区持续修建梯田。但随着社会经济的快速发展，农村劳动力价格和农业生成资料价格不断上升，梯田利润逐步降低，梯田逐步出现撂荒现象。时至今日，农业梯田撂荒已经成为全国性的普遍现象。这种一边修建一边撂荒梯田的现象，造成了极大的土地资源浪费，对山区粮食安全和生态系统也产生了深远影响。因此，本论文的主要研究内容确定为：一是绘制中国高空间分辨率梯田分布图，二是准确识别全国范围农业梯田撂荒的分布，三是探明不同区域间的梯田撂荒发生风险概率，估算农业梯田撂荒对中国粮食产能的影响。本论文的研究路线为：首先，根据梯田独特的纹理特征，以U-net++深度学习网络为框架，创新性地构建了基于深度学习的梯田提取模型。该模型以高清遥感影像为数据源，采用监督像素分类的方式，绘制出中国米级梯田分布现状图，并对其进行精度评价。其次，以获取的梯田分布图作为掩膜数据，通过结合典型地物精确分类和机器学习算法模糊分类的方式，构建了中国农业梯田撂荒识别的综合模型，并结合Google Earth Engine(GEE)大数据平台，对2011-2020 年中国农业梯田撂荒进行识别和验证。接着，本研究利用已绘制的中国梯田分布图以及撂荒分布图，对我国的梯田分布现状特征进行描述，并分析了自2011-2020 年间我国农业梯田撂荒逐年发生的时空变化特征及其地块尺度上的影响因素。然后，结合已经分析的中国农业梯田撂荒影响因素，利用XGBoost 随机森林算法，绘制出中国农业梯田撂荒风险概率风险分布。最后，根据主要粮食作物平均亩产及其耕地的分等定级结果，估算农业梯田撂荒对我国粮食产能的现实影响，以及不同情景下的潜在影响。本研究的主要结论有：（1）利用基于深度学习的梯田提取模型可以较好地完成高精度、大范围的梯田的识别工作。本研究利用该模型绘制的中国梯田分布图（High-resolution terrace distribution of China，HRTDC），空间分辨率为2m，总体精度为99.66%，用户精度和生产精度分别为94.35%和90.92%，kappa 系数为0.9243，说明梯田分类具有较高的一致性。（2）中国的梯田（未剔除田坎）总规模为20.88 万平方公里，约合3.13 亿亩，占中国斜坡耕地面积的25.91%，总耕地面积的13.99%，国土总面积的2.17%。梯田在中国分布广泛，主要为长城以南的区域，其中，西南山区占比为39.84%，黄土高原区占比为27.29%，南方丘陵山区占比为17.92%，北方土石山区占比为12.85%，青藏高原的部分区域为2.00%。（3）2011-2020 年中国农业梯田撂荒（未剔除田坎）总规模为3 万平方公里，约合0.45 亿亩。农业梯田撂荒在各个省份均有发生，在东南沿海和长城以南的省份较为集中。2011-2019 年，中国梯田年均撂荒率为1.23%（R²=0.9489），年平均撂荒规模为350 万亩。（4）在地块尺度上，中国农业梯田撂荒影响因素共有距最近农村居民点距离、距最近道路距离、距水源距离、耕作高差、距林地距离、耕作高程、梯田图斑面积、坡度，其作用范围分别为700m、70m、350m、110m、60m、2400m、1.4 公顷、15°。梯田分布具有分布优势的温度范围为14°-19°，具有分布优势的温度范围为1000mm-1500mm。全国层面上对撂荒影响的主要因素为距最近道路的距离（30%），其次是年均降水量（19%），接下来是梯田图斑面积（16%）以及耕作高差（7%）。（5）中国农业梯田撂荒风险呈现出较为明显的区域特征，即两个核心撂荒风险带和多个小的撂荒风险核心点共存的分布格局。两个核心撂荒风险带分别是沿长城沿线以南的区域和东南沿海与琼州海峡等区域。（6）目前农业梯田撂荒造成的中国粮食产能的减损量为1457.31 万吨，按照国际400kg/人/年的安全标准线来计算，2020 年因农业梯田撂荒引起的粮食减损量能满足0.36 亿人的基本粮食需求。低、高撂荒风险情景可能造成的粮食产能减少分为640.7 万吨和1571.69 万吨，可满足1601.74 万人和3929.23 万人的口粮需求。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 160 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199817]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 卢亚晗. 中国梯田分布及撂荒现象的遥感分析[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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