高分衛星監測大別山區西段土地利用時空變化研究

摘 要：【目的】利用高分衛星監測大別山區西段林草濕地覆蓋變化，對其生態環境進行定量評估，為后續生態環境保護及修復提供相關數據支撐。【方法】針對大別山西段典型生態屏障區，基于Landsat遙感影像，綜合運用遙感圖像處理技術制作了1980—2018年6期1：25萬衛星遙感影像圖和1：25萬土地利用、覆蓋遙感解譯圖。在此基礎上，對大別山西段土地利用/覆蓋各地類的面積進行統計計算，并對林草濕地覆蓋的空間格局及時空變化進行了分析?！窘Y果】從1980—2018年變化趨勢來看：研究區內耕地總量持續減少，總面積減少了781.42 km2；草地呈先增加后減少的變化趨勢，總面積減少了23.77 km2；濕地呈現先減少后快速增加的趨勢，總面積增加了168.43 km2；林地面積呈波動變化，但整體上處于下降趨勢；總面積減少了142.68 km2?！窘Y論】通過多期次遙感圖像分析能夠獲取該地區土地利用和覆蓋的空間分布格局及變化趨勢，可為當地土地規劃、利用和保護提供基礎數據支撐，為生態保護和資源開發利用提供科學依據。

關鍵詞：大別山西段；林草濕地；時空變化；細小地物

中圖分類號：TP79" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）02-0102-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.019

Study on the Temporal and Spatial Changes of Land Use in the Western Section of Dabie Mountains Monitored by High Resolution Satellite

ZHANG Hongchao" " ZHANG Jun" " HU Xiangrong" " FAN Wangdong

（Changsha General Survey of Natural Resources Center， Changsha 410600， China）

Abstract： [Purposes] This paper uses high-resolution satellites to monitor the changes in forest and grass wetland coverage in the western section of the Dabie Mountains， and quantitatively evaluate its ecological environment， thus providing relevant data support for subsequent ecological environment protection and restoration. [Methods] For the typical ecological barrier area in the Shanxi section of the Dabie Mountains， this article， based on Landsat remote sensing images， comprehensively uses remote sensing image processing technology to produce six issues of 1：250 000 satellite remote sensing image maps and 1：250 000 land use/cover remote sensing interpretation maps from 1980 to 2018. On this basis， statistical calculations were conducted on the land use/coverage area of various types in the Shanxi section of the Dabie Mountains， and analyzed the spatial pattern and tempral and spatial variation of forest， grass， and wetland coverage. [Findings] From 1980 to 2018， the trend of changes shows that the total amount of arable land in the study area continues to decrease， with a total decrease of 781.42 km2; The grassland showed a trend of increasing first and then decreasing， with a total area reduction of 23.77 km2; The wetland experienced a trend of first decreasing and then rapidly increasing， with a total area increasing by 168.43 km2; The forest area shows fluctuating changes， but overall it is in a downward trend; The total area of forest land has decreased by 142.68 km2. [Conclusions] Through the analysis of multiple remote sensing images in this study， it can be obtained that the spatial distribution pattern and change trend of land use and cover in the region， providing basic data support for local land planning， utilization， and protection， as well as scientific basis for ecological protection and resource development and utilization.

Keywords： western section of the dabie mountains; forest grass and wet land; temporal and spatial variation; exiguous types

0 引言

遙感技術的出現與發展，為地理信息提取和分析提供了有力手段，在地學研究中受到廣泛關注［1-5］。根據遙感圖像反映的信息，可對區域的土地、生態環境變化進行分類分析，獲取有價值的指導信息。馮威丁等［6］以呼倫貝爾草原為研究區域，研究結果反映了20世紀90年代以來該區域草地覆蓋面積逐漸減少，沙漠化日益嚴重，該研究還為當地后續的環境治理提供了諸多參考建議。黃木易等［7］利用InVEST模型對皖西大別山區環境質量時空演化及景觀格局進行了分析。馬童慧［8］對中國濕地類型空間重疊分布與整合優化進行研究。鄭義剛等［9］根據土地利用變化對大別山區生態系統服務價值研究、彭劍峰等［10］對大別山區氣候因子的研究都是基于應用遙感技術。

本研究以大別山西段為研究區，通過遙感圖像分析查明大別山西段林草濕資源及生態地質要素分布情況，并對其林地、草地、濕地等覆蓋的空間分布格局、變化趨勢進行定量分析，采用生態分布圖、轉移矩陣等方法直觀闡明大別山西區林草濕地覆蓋分布特征及時空變化規律，以期為研究區土地規劃、利用和保護提供基礎數據支撐，為大別山西段的生態保護和資源開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

大別山區位于安徽省、湖北省、河南省交界處，西接桐柏山，東延為霍山和張家嶺。地理坐標為北緯29°44′N～33°10′N，東經113°00′E～117°34′E，全區總面積為74 586.7 km2。大別山區是長江和淮河兩大水系的分水嶺，也是我國連接南北的重要生態屏障區，其生態環境直接影響當地農業、旅游業發展。本研究以大別山西段為研究區，以羅山縣—大悟縣為生態地質調查廊道。

2 數據與研究方法

2.1 數據獲取與數據準備

本研究采用的遙感影像數據來自美國馬里蘭大學和中國科學院國際科學數據服務平臺，采用美國陸地衛星1980年、1990年、2000年、2010年、2015年、2018年共6期的Landsat遙感影像，云量均接近0%。

2.2 數據預處理

對影像數據進行分類解譯之前，需要進行預處理，主要步驟如下：先進行波段選擇及融合，然后進行圖像幾何校正與配準，再進行圖像增強處理，最后進行影像拼接與裁剪得到覆蓋整個研究區的遙感影像。

2.3 分類方法

本研究根據 LUCC 分類體系（參考中國科學院分類標準），結合研究目的及遙感信息源的情況，制定了6個一級分類、25個二級分類的土地利用/土地覆蓋分類體系。該體系對地物的幾何形狀，顏色特征、紋理特征和空間分布情況進行分析，在內業建立解譯標志與實現數據獲取的基礎上，不斷地對解譯模板進行修改，以提高土地利用/覆蓋類型精度。由于遙感圖像自身的空間分辨率，同物異譜和異物同譜現象廣泛存在，錯分和誤分的情況很常見，因此需要對分類結果做進一步的處理，即去除小圖斑的工作，通常稱為分類后處理。常用的處理方法包括聚類統計（Clump）、過濾分析（Sieve）、去除分析（Eliminate）、分類重編碼（Recode）等。

2.4 質量控制與檢查

解譯結果經野外調查和歷史高空間分辨率影像檢驗，通過隨機抽樣方法，分別在各期土地利用分圖上隨機抽取 200 樣點，并與上述參考數據進行比較，總體精度均高于 95％，能較好地滿足研究需要。

2.5 細小地物的處理技術與方法

要得到準確的土地利用面積，必須采用相應的采樣技術，獲取有關信息，保證資源類型尤其是耕地資源面積的準確性。考慮到耕地內部細節一般相對不變，可將細小地物抽樣分三類扣除：第一類是Landsat影像中小于6×6個象元的面狀細小地物；第二類是Landsat影像中的重要線狀地物；第三類是結合分辨率更高的航片得到的更加細小的地物。將抽取后的數據各自形成細小地物抽樣形成數據庫，用于細小地物的面積扣除。

3 結果與分析

3.1 時間變化過程與趨勢分析

根據對大別山西段1980年、1990年、2000年、2005年、2010年和2018年前后衛星遙感林草濕信息提取，制作了大別山西段6期1：25萬衛星遙感影像圖和1：25萬土地利用/覆蓋遙感解譯圖。在此基礎上，對大別山西段6期1：25萬土地利用/覆蓋各地類面積統計計算（見表1），重點分析了林地、草地、濕地、耕地和建設用地的時空變化過程，進而得出1980—2018年大別山西段生態環境動態演化趨勢和整體變化趨勢［11-12］。

3.1.1 耕地變化趨勢。1980—1990年大別山西段的耕地不斷增加，自1990年開始持續減少。由于地處山區，地貌單元復雜，坡耕地占了很大比例，隨著國家實施退耕還林、還草政策，區域耕地呈現持續減少。同1980年耕地比較，區域耕地總面積減少了781.42 km2。

3.1.2 草地變化趨勢。1990—2018年大別山西段的草地呈先增加后減少的變化趨勢，同1980年耕地比較，區域草地總面積減少了23.77 km2。

3.1.3 濕地變化趨勢。1990—2018年大別山西段的濕地呈先減少后快速增加的變化趨勢。2000—2018年，水域濕地出現快速增長，主要原因如下：一是水利工程設施修建，導致水面（主要是水庫水面）面積有較大幅度增加；二是濕地保護得到重視，原濕地耕作區域逐步退耕并還原為濕地，區內一些重要濕地得到保護，面積不斷擴大。同1980年濕地比較，區域濕地總面積增加了168.43 km2。

3.1.4 林地變化趨勢。1990—2018年大別山西段的林地面積呈波動變化，但是總量上呈下降趨勢，1980—2018年區域林地總面積減少了142.68 km2。主要原因如下：一是城鎮的擴展占用了大量耕地；二是流域濕地的增加。

由上述分析可知 ，1980—2018年大別山西段林地呈波動性但是總體穩定，濕地呈增加趨勢，草地呈下降趨勢。但是，林草濕總量呈現增加的趨勢，據此可認為大別山西段生態環境總體穩中向好。

3.2 空間分布變化分析

大別山西段林草濕分別占區域土地總面積的34.46%、5.42%和1.88%，區域土地覆被的主導類型是耕地，占區域總面積的51.57%。1980—2018年大別山西段林地、草地、濕地資源變化情況如圖1所示。由圖1可知，1980—2018年區域濕地的減少主要是由于耕地和基建的占用；林地減少的主要是由于不透水用地和耕地的占用；草地減少主要是由于向耕地、林地轉變；耕地減少主要是由于基建占用和退耕還林、還湖。

3.3 地表生態覆被因子變化轉移矩陣

土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述。通常的土地利用轉移矩陣中（見表2）。行表示T1時點土地利用類型，列表示T2時點土地利用類型。Pij表示T1—T2期間土地類型i轉換為土地類型j的面積占土地總面積的百分比；Pii表示T1—T2期間i種土地利用類型保持不變的面積百分比；Pi+表示T1時點地類i的總面積百分比；P+j表示T2時點j種土地利用類型的總面積百分比；Pi+- Pii為T1—T2期間地類i面積減少的百分比； P+j- Pjj為T1—T2期間地類j面積增加的百分比。

通過空間疊加分析獲取了區域1980—2018年期間土地利用變化面積和轉移矩陣，分別見表3和表4。由表3可知，耕地總變化量最大，占土地總面積的2.05%；其次是建設用地變化量，占2.04%；濕地和林地轉變總量相對較小，分別占0.44%和0.37%。從轉出的類型看：濕地主要轉變為耕地，轉出總量約占濕地面積的4.28%；其次是轉為建設用地（人工不透水地表）和林地，分別為1.23%和1.27%；林地主要轉變為耕地和建設用地（人工不透水地表），轉出總量分別占林地面積的2.03%和1.03%；草地的轉出類型主要為耕地和林地，分別占草地總面積的3.54%和3.01%。耕地的轉出類型主要是人工不透水地表，約占耕地總面積的3.43%；其次轉出為濕地和林地，分別為1.37%和1.32%。

4 結論

本研究通過高分衛星監測大別山區西段土地利用情況，對大別山區西段1980—2018年生態環境變化進行遙感圖像分析，結論如下。

大別山區西段耕地面積最大，占區域總面積的51.57%，但是耕地總量持續減少，總量減少了781.42km2，主要受到城鎮擴展和退耕還林、還湖政策的影響。濕地總量占區域總面積的1.88%，呈現增加趨勢，總面積增加了168.43 km2，主要得益于水利工程設施修建和濕地保護的重視。草地占區域總面積的5.42%，草地的變化呈先增加后減少的趨勢，總面積減少了23.77 km2，林地占區域土地總面積的34.46%，總量呈下降趨勢，總面積減少了142.68 km2，主要原因是城鎮擴展面積和流域面積的增加。從上述結論可以看出這一時段相關政策的變化，也直觀地了解該區域的生態環境變化。

通過遙感高分衛星監測技術的應用，能夠深入研究大別山西段的生態環境變化，為區域的土地規劃、利用和保護提供科學依據，為生態保護和資源開發利用提供重要參考。

參考文獻：

［1］趙英時. 遙感應用分析原理與方法［M］. 北京：科學出版社， 2003.

［2］馮學智， 肖鵬峰， 趙書河，等. 遙感數字圖像處理與應用［M］. 北京： 商務印書館， 2011.

［3］劉紀遠，DLS.IOGAC.ON，布和敖斯爾.中國土地利用變化現代過程時空特征的研究：基于衛星遙感數據［J］.第四紀研究，2000，（3）：229-239.

［4］胡澄．基于RS和GIS的巴仁哲里木地區土地利用／覆蓋變化研究［D］. 長春：吉林大學， 2011.

［5］梁長秀. 基于RS和GIS的北京市土地利用／覆被變化研究［D］. 北京.北京林業大學， 2009.

［6］馮威丁， 肖鵬峰， 馮學智， 等. 呼倫貝爾草原典型區1989年～2010年草地覆蓋變化遙感研究［J］. 遙感信息， 2014， 29（1）：61–67

［7］黃木易，岳文澤，馮少茹，等.基于InVEST模型的皖西大別山區生境質量時空演化及景觀格局分析［J］.生態學報，2020，40（9）：2895-2906.

［8］馬童慧. 中國濕地類型自然保護地空間重疊分布與整合優化對策研究［D］. 北京：北京林業大學，2019.

［9］鄭義剛，楊興柱，朱躍.基于土地利用變化的大別山區生態系統服務價值研究［J］.云南地理環境研究，2020，32（4）：57-65，2，77.

［10］彭劍峰， 孫小華， 王飛，等. 西大別山百戰坪黃山松徑向生長對氣候因子的響應［J］. 生態環境學報， 2013， 22（11）：1769-1773.

［11］徐琳，羅紹強，胡林，等.基于GIS的拉薩堆龍德慶區地質災害易發性評價［J］.四川地質學報，2023，43（1）：147-151.

［12］劉孟宇，鄧輝，張文江.基于GIS和信息量模型的青海大通縣地質災害危險性定量評價分析［J］.四川地質學報，2021，41（3）：494-499.