基于一个可靠的分类框架，描述2013年至2022年间由作物-水产共养模式引发的土地利用变化：以中国江汉平原为例

《Remote Sensing of Environment》：Characterizing land use changes triggered by crop-aquaculture co-cultivation from 2013 to 2022 based on a robust classification framework: Illustration in Jianghan Plain, China

稻虾共作系统扩张对江汉平原传统土地利用模式的影响研究。提出融合时序迁移与特征扩展的样本生成策略，构建基于机器学习与物候特征的分层分类框架，实现2013-2022年土地类型分类精度超87%。揭示2016-2022年稻虾共作扩张以传统单季稻为主（占比77±4.76%），导致单季稻面积下降24±3.02%，小麦-水稻轮作下降21±5.41%，水稻田与水域转作成为后期扩张主要来源。为复杂区域长期土地监测提供可迁移解决方案。

　　近年来，中国水稻-小龙虾共作模式的迅速扩展引起了广泛关注。这一模式不仅改变了土地利用格局，也对生态环境和社会经济产生了深远影响。然而，由于样本数量有限和光谱特征复杂，长期监测和分析这种土地利用变化模式仍然面临挑战。本研究旨在开发一种稳健的土地利用类型分类框架，以应对这一问题。该框架结合了协同样本生成策略与分层分类方法，不仅提高了分类精度，还为复杂区域的土地利用变化监测提供了可复制的解决方案。

### 土地利用变化的现状与挑战

土地利用模式是人类与自然相互作用的综合体现，其演变过程在空间和时间尺度上都具有高度复杂性。这些变化直接影响到资源的可获得性、利用效率以及分配方式，因此对土地利用变化的识别和分析对于评估生态系统服务、制定可持续政策至关重要。特别是在应对粮食安全和减少环境影响的双重挑战下，可持续农业被视为一种可行的解决方案。通过在同一地块上生产碳水化合物和蛋白质产品，水稻-小龙虾共作模式提升了土地利用效率，优化了资源配置。

在中国，水稻-小龙虾共作模式的历史悠久，其在农业生产中的重要性日益凸显。据联合国粮农组织（FAOSTAT）2022年的数据，水稻-小龙虾共作模式占据了中国水稻-水产养殖总面积的54.7%。这种模式的特点在于，水稻田被小龙虾养殖沟渠环绕，每年可以收获一次水稻和至少两次小龙虾。这种模式的推广不仅提升了单位面积的产出，还对传统的水稻种植模式产生了显著影响。

### 研究方法与创新点

本研究提出了一种新的土地利用类型分类框架，旨在解决长期土地利用变化监测中样本不足和分类复杂性的问题。该框架主要由两部分组成：一是基于时间迁移与特征扩展的样本生成策略；二是结合机器学习与基于物候特征的分层分类方法。样本生成策略通过整合历史数据和特征信息，提高了样本的代表性和多样性，从而增强了分类模型的泛化能力。分层分类方法则利用机器学习算法（如随机森林）和基于物候特征的分析，实现了对土地利用类型的精准识别。

在具体实施过程中，研究团队首先通过样本生成策略，收集了足够且高质量的训练样本。这些样本不仅覆盖了不同的时间点，还考虑了土地利用类型的多样性。随后，研究团队将这些样本应用于分层分类方法，通过机器学习算法对土地利用类型进行了分类。此外，基于物候特征的分析方法也被引入，以提高分类的准确性和可靠性。

### 应用与结果

为了验证该分类框架的有效性，研究团队将其应用于中国江汉平原地区（2013年至2022年）。江汉平原位于长江中游，是中国重要的粮食生产基地，也是水稻-小龙虾共作模式的发源地。研究团队通过长期的遥感数据和实地调查，分析了该地区土地利用变化的时空特征。结果表明，该分类框架在江汉平原的应用中取得了较高的精度，整体准确率超过87%，与统计数据的相关性约为0.90。

研究发现，水稻-小龙虾共作模式的扩展对传统土地利用模式产生了显著影响。特别是在2016年至2022年期间，土地利用变化加速，水稻-小龙虾共作模式主要通过取代传统水稻种植模式而扩展。据研究显示，77%的水稻-小龙虾共作农田来源于传统的水稻种植。此外，单一水稻种植区减少了24%±3.02%，而油菜-水稻和小麦-水稻轮作系统分别减少了21%±5.41%和26%±5.32%。这些变化反映了水稻-小龙虾共作模式对传统农业模式的替代效应。

在2019年至2022年期间，干旱地和水域向水稻-小龙虾共作模式的转化尤为明显。这一阶段的扩展表明，水稻-小龙虾共作模式的推广已经进入了一个更为广泛的阶段。研究团队通过分析这些转化过程，揭示了水稻-小龙虾共作模式对土地利用变化的深远影响。这些变化不仅影响了农业生产的结构，还对生态环境和社会经济产生了连锁反应。

### 分类框架的适用性与推广价值

本研究提出的分类框架不仅适用于江汉平原，还具有一定的推广价值。该框架通过整合样本生成策略和分层分类方法，提高了土地利用变化监测的准确性和效率。特别是在样本数量有限的情况下，该框架能够有效应对分类复杂性的问题。此外，该框架还考虑了不同土地利用类型的特征，从而提高了分类的鲁棒性。

研究团队还发现，传统的土地利用监测方法在应对复杂农业模式时存在一定的局限性。例如，基于光谱特征的分类方法在处理具有相似生长周期和光谱特征的作物类型时，往往难以达到高精度。而基于物候特征的分类方法虽然具有较高的特异性，但在应用于多种土地利用类型时，操作复杂性增加，导致分类错误率上升。因此，本研究提出的分类框架在一定程度上克服了这些局限性，为复杂区域的土地利用变化监测提供了新的思路。

### 生态与社会影响

水稻-小龙虾共作模式的扩展不仅改变了土地利用格局，还对生态环境和社会经济产生了重要影响。从生态角度来看，这种模式能够提高土壤养分的可用性，减少甲烷排放，但同时也可能导致水体富营养化。因此，研究团队在分析土地利用变化的同时，也关注了其对生态环境的潜在影响。通过结合遥感数据和实地调查，研究团队能够更全面地评估水稻-小龙虾共作模式对生态环境的综合影响。

从社会经济角度来看，水稻-小龙虾共作模式的推广为农业生产提供了新的思路和方法。这种模式不仅提高了单位面积的产出，还对传统农业模式进行了优化。然而，这种模式的推广也可能带来一些问题，例如对传统水稻种植的冲击、对水资源的依赖以及对生态环境的潜在影响。因此，研究团队在分析土地利用变化的同时，也强调了制定适应性土地管理策略的重要性，以确保生态可持续性和区域粮食安全。

### 结论与展望

本研究通过开发一种稳健的土地利用类型分类框架，成功应对了长期土地利用变化监测中样本不足和分类复杂性的问题。该框架不仅提高了分类精度，还为复杂区域的土地利用变化监测提供了可复制的解决方案。研究结果表明，水稻-小龙虾共作模式的扩展对传统土地利用模式产生了显著影响，特别是在2016年至2022年期间，土地利用变化加速，水稻-小龙虾共作模式主要通过取代传统水稻种植模式而扩展。

未来的研究可以进一步探索水稻-小龙虾共作模式在不同地区的适用性，以及其对生态环境和社会经济的长期影响。此外，还可以结合更多的遥感数据和实地调查，以提高分类框架的准确性和适用性。通过不断优化和改进分类方法，研究团队希望能够为复杂区域的土地利用变化监测提供更加全面和深入的解决方案，从而支持生态可持续性和区域粮食安全的实现。