本期专家
吴文斌
研究员 博士生导师
中国农业科学院农业资源与农业区划研究所智慧农业创新团队首席科学家、农业农村部农业遥感重点实验室副主任。
Tips：
遥感技术是获取一致、连续、可对比的全球耕地信息的强有力手段，遥感卫星如同“碧空慧眼”，实时监测着全球耕地利用格局及其沧桑变化。
耕地是粮食安全的载体，是人类社会生存和发展的战略资源。在当前世界人口持续增加、人均耕地占有量减少、粮食安全面临巨大挑战的背景下，精细刻画全球耕地分布空间格局，准确掌握全球耕地时空变化规律，对科学研究、国家粮食安全战略决策具有重要意义。
全球不同地区的耕地形态
全球耕地数据产品“从跟踪到引领”
全球范围内由于耕作方式和种植结构的差异，耕地形状和地块大小不一、纹理复杂、光谱特征多样，全球尺度耕地遥感制图面临相当大的挑战。
针对该难点问题，中国科学家以30米分辨率的Landsat卫星数据为主，结合MODIS影像、环境卫星影像和高分影像等多源数据，综合使用耕地的光谱、纹理和物候特征，建立了像元、对象和知识（Pixel-Object-Knowledge，POK）三个层次的耕地提取技术方法，即基于像元尺度多特征优化的耕地分类提取、基于对象的耕地自动判别，以及基于信息服务和先验知识的交互式对象处理。针对变化检测中随机干扰因素造成的伪变化，利用光谱形状差异和光谱量值差异两方面度量变化强度，提出了基于光谱斜率差异的耕地变化检测方法。利用该方法研制出了世界首套30米分辨率、2000年和2010年两期的全球耕地数据产品，实现了 “从跟踪到引领”的跨越式发展。
全球耕地资源家底
全球陆地表面总面积1/7的耕地，养育着70亿人口。2010年全球耕地总面积为1938.92万平方千米，约占陆表面积的14.3%。北半球耕地面积远多于南半球，集中分布于10°~40°N，东半球耕地面积多于西半球。亚洲和美洲耕地总面积分列第一和第二，大洋洲最少。
耕地面积占比前十名的国家依次为：中国、美国、印度、俄罗斯、巴西、阿根廷、澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦、乌克兰。2010年全球人均耕地占有量为0.28公顷/人，耕地面积最少的大洋洲的人均耕地占有量最大，达到1.71公顷/人；亚洲人均耕地面积最小，仅为0.17公顷/人。
人均耕地占有量前十名国家依次为俄罗斯、白俄罗斯、乌拉圭、巴拉圭、立陶宛、拉托维亚、加拿大、阿根廷、澳大利亚和哈萨克斯坦。虽然我国耕地总面积较大，但人均耕地占有量较低。
2010年全球耕地空间分布
全球耕地时空变化
2000-2010年，全球耕地总面积增加了4.17×107公顷，增幅2.19%。耕地变化具有显著的区域差异性，南半球较北半球耕地变化显著。
非洲是耕地面积增长最快的大洲，增长幅度达7.42%；美洲是耕地面积增加最大的大洲，增长面积达2.13×107公顷；亚洲和欧洲耕地面积总量保持相对稳定。
2000-2010年全球耕地变化空间分布
在国家尺度上，10年间巴西耕地面积增加最多，约占全球耕地增加面积的27.3%；尼日利亚和坦桑尼亚是非洲耕地面积增加最大和增长幅度最快的国家。
在耕地面积最多的前十名国家中，中国是唯一一个耕地面积减少的国家，下降的幅度约1.0%。
巴西和阿根廷是耕地面积增加量和增加幅度最大的国家，也是国家内部耕地空间差异性最大的国家。美国和加拿大的耕地变化较小。全球国土面积最大的俄罗斯，虽然耕地总面积变化量较小，但其内部耕地变化在不同区域的差异较大。哈萨克斯坦和乌克兰耕地面积变化量和变化幅度均较小，且两者变化差异不大。但从国家内部耕地的空间变化幅度看，乌克兰则呈现较高的耕地空间变化波动性。
热点国家或地区耕地时空变化
2000-2010年我国耕地面积减少的同时破碎化问题亦趋严重。全国2420个县中，703个县的耕地呈现面积减少与破碎度增加的态势，所占比重明显高于其他耕地变化类型，其空间分布主要集中在华北大部、长三角、内蒙古中部、海南省等，大量耕地转成建设用地（华北、长三角）、草地（内蒙）、林地（海南省）。
313个县的耕地面积减少同时破碎度降低；295个县耕地面积增加同时破碎度降低；215个县耕地面积增加同时破碎度增加，279个县耕地面积与破碎度均保持不变。从全国宏观角度看，中国耕地利用“破碎化”的现状与“规模化”的期望相违背，这可为未来 “耕地占补平衡”政策的优化完善提供科学参考依据。
2000-2010年乌克兰耕地变化空间分布
受全球农产品需求的驱动，10年间南美亚马逊地区耕地扩展显著，耕地面积增加8.41%，新增耕地主要来自森林砍伐和草地占用，人类活动对自然地表的干扰明显加大，随之带来的生态环境效应受到广泛关注。
2000-2010年亚马逊地区耕地变化空间分布
“一带一路”沿线耕地主要分布在东亚的中国、南亚的印度和中东欧地区。10年间耕地总体稳定，中东欧和东南亚地区耕地增加明显，东亚地区耕地减少。丝绸之路经济带的所有国家中，阿曼、阿联酋、土库曼斯坦等国耕地增加明显，约旦、以色列、黎巴嫩等国耕地减少明显。21世纪海上丝绸之路的所有国家中，不丹、文莱、老挝等国耕地增加明显，孟加拉国的耕地减少明显。
“天眼观测”，让农业生产更智能
遥感因其高时效、大范围和低成本的特点成为信息获取的关键手段。航天遥感、航空遥感、地面物联网等天空地一体化的农业观测系统，能够支撑国家不同部门对农业生产信息的准确把握，对于宏观层面的资源调查、生产调度、灾害监测、市场预警、政策评估等方面意义重大，可以服务国家农业重大决策。同时，遥感技术与农业产业相融合、与区域生产需求相结合，建立数字化、网络化和智能化的农业生产决策系统，对指导农业生产、加快数字农业发展进程、服务数字中国建设等方面起到积极作用。
该研究成果不仅提高了中国全球高分辨率地表覆盖制图的技术水平和分析处理能力，也可为全球水土资源利用、粮食安全研究提供重要基础数据，为服务中国“一带一路”倡议和“农业走出去”战略，充分利用国内国际“两种资源、两个市场”提供技术和信息支撑。
专家及团队介绍
专家介绍：研究方向为农业土地系统，包括耕地、农作物的时空格局探测、变化过程和机理解析以及综合效应分析。先后主持国家自然科学基金、国家973计划和国家863计划等国家级科研项目；获国家科技进步二等奖2项、中国测绘科技进步特等奖1项、中国农业资源区划学会科学技术一等奖1项；以第一/通讯作者发表SCI论文30余篇；获中国自然资源学会青年科技奖、中国农业科学院"十佳青年"，入选中国农业科学院首批科研英才培育工程；应邀担任全球土地计划第3届开放科学会议执行主席。
团队名称：中国农业科学院科技创新工程智慧农业创新团队
团队所属单位：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所
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