基于遙感影像的土地利用變化與驅動因子分析
——以湖北神農架林區為例

黎 遙 ，趙勝楠，2*，石林峰

（1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000；2.焦作市自然資源和規劃局，河南 焦作 454000；3.自然資源部第一大地測量隊，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著現代社會經濟的發展，人類在資源、人口、環境等3 個方面存在較大問題，尤其是土地資源方面。土地作為人類生存和社會經濟活動的重要資源，其變化不僅影響社會經濟的持續發展，而且間接影響全球環境的變化［1］。借助遙感技術可進行諸多研究，比如獲取大區域的地表覆蓋［2］、進行土地利用變化監測［3］、農作物估產等［4］。

根據2020 年12 月18 日湖北省自然資源廳發布的《關于神農架林區開展土地利用總體規劃修改的批復》，要求神農架林區自然資源和規劃局堅持建設用地總量控制目標不突破、耕地保有量不減少、不得占用永久基本農田和生態紅線的原則。因此，本文利用Landsat衛星影像，獲取1997年、2007年、2019年的土地利用數據，分析神農架地區各類土地利用的變化特征，并結合社會資料，進行驅動因素分析探討其變化原因，從而為規劃管理神農架林區生態系統和區域環境提供科學依據。

1 數據來源及研究方法

1.1 研究區概況

神農架林區位于湖北省西北部，處武當山、長江三峽組成的旅游帶上，東與湖北省襄陽市保康縣接壤，西鄰重慶市巫山縣，南依宜昌市興山縣、巴東而瀕長江三峽，北倚十堰市房縣、竹山縣，遠眺武當山風景名勝區。神農架林區是中國唯一以“林區”命名的省轄行政區，總面積3 253 km2，總人口約6.6 萬人，轄6鎮2 鄉和1 個國家級自然保護區、1 個國有森工企業林業管理局、1 個國家濕地公園。該區夏季濕潤多雨，冬季溫和少雨，是亞熱帶氣候與溫帶氣候的過渡區域，降水豐富且分布均勻［5］，全年80%的時間盛行東南風，一般從9月底到第2年4月底有冰霜期。

神農架山脈大致從東西向橫亙于西南部，神農頂最高，高程為3 105.4 m，也是華中地區最高點。神農架林區復雜多樣的地貌是由于第四紀氣候的冷暖變化，在部分地區殘留了冰川地貌。區內大致地貌可分為構造溶蝕地貌、溶蝕侵蝕地貌、剝蝕侵蝕地貌、堆積地貌等4種地貌單元［6］。2016年以來，神農架以建設世界著名生態旅游目的地為目標，以旅游發展反哺生態保護，以生態保護促進旅游發展。積極探索生態保護型全域旅游發展之路，推動經濟社會高質量發展。

1.2 數據來源及處理

本文數據主要來源于地理空間數據云平臺的Landsat 系列衛星影像、神農架林區統計年鑒和神農架林區國民經濟和社會發展統計公報。神農架林區氣候多變，年降水量800~2 500 mm，覆蓋該地區的Landsat 軌道號為 P125R038（125 為衛星軌道號，038為行號）和P126R038。經過影像質量查詢，遙感數據選取1997年、2007年、2019年6月、7月、8月云量較少的3期影像，其中，1997年和2007年的影像采用的是Landsat TM 傳感器的6個多光譜波段，2019年的影像采用的是Landsat OLI傳感器的8個多光譜波段，空間分辨率均為30 m。數據預處理包括大氣校正、影像無縫拼接、裁剪等環節。

1.3 研究方法

本文的土地利用分類采用監督分類方法，類別設置為林地、植被（林地以外的其他植被，包括耕地）、水域、居民點用地和未利用土地5 種。借助ENVI 軟件繪制多邊形感興趣區選取不同類別的樣本，然后采用分類精度較高的最大似然法作為分類器，進而得到3期影像的分類結果。最大似然法用統計方法和數學方法對各個類別進行計算，得出一個參數，然后將其他像元根據這一參數進行分類處理，得到全域的土地利用分類結果。如果分類結果不理想，則重新選擇樣本繼續分類。

土地利用轉換矩陣能夠反映研究區時段期初和時段期末各種地類的變化過程，其不僅可以反映各地類面積的增減，同時也可以反映不同地類之間的相互轉換關系，因而它被廣泛用于土地利用數量的結構變化分析［7］。獲取 1997 年、2007 年和 2019 年土地利用數據后，本文采用ARCGIS軟件和EXCEL中的數字透視圖工具制作土地利用轉換矩陣。

2 土地利用變化分析

2.1 遙感解譯

對3期處理后的遙感影像分別進行解譯，采用上文方法進行分類。需要注意的是，選擇樣本后可以先計算樣本的可分離性計算，通常樣本可分離性數值要大于1.8，數值越大，說明樣本選擇越好，分類準確性越容易得到保障。初步分類完成后，部分地區會出現錯分現象。因此為了得到精度更高的分類圖，還需要進行分類后處理，尤其是白云遮擋的地區。本文通過ENVI 軟件將分類結果轉換成ARCGIS 中能識別的矢量文件，結合其他時期的遙感影像，將明顯錯誤的圖斑進行屬性修改，最終得到3 期分類精度較高的結果。從結果看，近20 年神農架林區土地利用狀況變化明顯，具體變化如下：

（1）神農架林區位于東北部的植被面積和未利用土地明顯減少。相較于1997 年，部分植被在2007 年已轉為居民地和未利用土地，到2019年，未利用土地漸漸轉化成植被和居民地，東北方向未利用土地都得到了利用。（2）水域面積基本沒有太大變化，主要分布在東北方向居民地集中的地區。（3）1997—2019 年居民地面積顯著增多，幾乎分部整個林區。（4）總體來看，林地面積3期逐漸增多，植被面積也逐期減少。

2.2 土地利用轉移矩陣

遙感分類完成后，為了進一步研究神農架林區土地利用變化狀況，分兩個時段（1997—2007 年、2007—2019年）計算土地利用轉移矩陣，結果如表1、表2所示。

土地利用轉移矩陣可以直觀反映不同土地利用類型之間的轉化關系。從表1 和表2 中可以看出以下幾點。

表1 1997—2007年土地利用轉移矩陣 （單位：hm2）

表2 2007—2019年土地利用轉移矩陣 （單位：hm2）

（1）1997 年神農架林區以林地（89.28%）、植被（8.60%）為主，未利用土地（1.92%）、水域（0.13）次之，居民地（0.06%）最少。

（2）在1997—2007 年，水域和居民地明顯增加，植被以及未利用土地面積減少較多。原有的植被變化程度劇烈，有較大比例轉為林地和居民地；林地相對穩定，變化幅度較小。經過10年的土地調整，水域由0.13%提高至0.24%，而植被由8.60%降低至7.86%，未利用土地由1.92%減少至1.81%，居民地增幅最大，由0.06%提高至0.54%，林地面積相對穩定，僅增加0.26%。

（3）在2007—2019 年，水域、居民地的總面積繼續增加，分別增至研究區的0.28%，3.22%；林地面積增幅擴大，增加至91.36%；植被面積占比降至5.00%，未利用土地降至0.14%。整體來看，隨著當地生態保護型全域旅游發展之路的推進，林區內的生態環境明顯提高。

3 驅動因素分析

土地利用變化是一個長期且復雜的過程，在各種驅動因素的影響下，土地利用的演化過程才得以實現，以符合人類生活和社會需要，更好地促進經濟發展。下面從以下幾個方面分析。

3.1 人口因素

神農架林區人口較少，基本穩定在7.8萬左右，1996—2019年神農架林區本地人口數量與游客接待量統計如圖1所示。可以看出，神農架林區本地人口數量出現先增加后減少的趨勢，但整體變化幅度不大。年游客接待量日益增多，從2011 年開始增勢迅猛，2018 年達到1 587.5 萬人次。在此期間，為提高游客接待能力而進行的景區開發、道路修建、酒店民宿構建等，會導致區域內景觀類型發生明顯變化［8］。該變化與林區的林地、居民地增加，未利用土地減少相呼應。

圖1 1996—2019年本地人口與年游客接待量統計

3.2 經濟因素

1996—2019 年地區生產總值與年旅游總收入的趨勢如圖2所示。1997—2007年，經濟發展增長速度緩慢，隨著旅游業的發展，旅游經濟開始帶動全區經濟，地區生產總值逐步與年旅游總收入成正比，旅游業變為神農架地區的支柱產業。2018年林區旅游總收入接近57.3億元，并于當年退出貧困縣行列。

圖2 1996—2019年地區生產總值與年旅游總收入統計

3.3 政策因素

土地利用結構及變化深受區域政策的影響［9-10］。神農架林區在1997—2007 年期間，土地利用主要遵循2003年確立的“保護第一、科學規劃、合理開發、永續利用”方針，使原本伐木賣錢、毀林開荒的現象得到遏制，林地覆蓋率明顯提高。2011年，神農架政府發布《神農架旅游總體規劃》，并開始實施天然林保護、退耕還林還濕、綠滿荊楚、生態移民等工程。2014年，神農架紅坪機場正式通航，交通運輸等基礎設施的便利使得旅游業進入快速通道。2016年7月，神農架國家公園管理局正式成立，標志著神農架的保護與管理工作步入國家公園新時代，而神農架林區也成為名副其實的“天然氧吧”，吸引越來越多的游客前來觀光旅游。

4 結語

土地是人們賴以生存的根基，是人類生產生活中重要的載體，對于土地利用及其覆蓋變化的研究在全球各方面都有十分重要的作用。本文利用遙感影像獲取了神農架林區近20年的土地利用分布及變化情況，發現隨著天然林保護、退耕還林還濕、生態移民等政策的實施，神農架林區發生了較大的變化，整體表現為林地、居民地的擴張，而其土地的來源主要是未利用土地以及非林植被。隨著土地的調整，林區在人口波動不大的情況下，居民收入持續提高，旅游業成為支柱產業，林區也朝著世界著名旅游目的地的目標不斷邁進。