基于遥感影像的土地利用变化与驱动因子分析——以湖北神农架林区为例

黎 遥 ，赵胜楠，2*，石林峰

（1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000；2.焦作市自然资源和规划局，河南 焦作 454000；3.自然资源部第一大地测量队，陕西 西安 710054）

0 引言

随着现代社会经济的发展，人类在资源、人口、环境等3 个方面存在较大问题，尤其是土地资源方面。土地作为人类生存和社会经济活动的重要资源，其变化不仅影响社会经济的持续发展，而且间接影响全球环境的变化［1］。借助遥感技术可进行诸多研究，比如获取大区域的地表覆盖［2］、进行土地利用变化监测［3］、农作物估产等［4］。

根据2020 年12 月18 日湖北省自然资源厅发布的《关于神农架林区开展土地利用总体规划修改的批复》，要求神农架林区自然资源和规划局坚持建设用地总量控制目标不突破、耕地保有量不减少、不得占用永久基本农田和生态红线的原则。因此，本文利用Landsat卫星影像，获取1997年、2007年、2019年的土地利用数据，分析神农架地区各类土地利用的变化特征，并结合社会资料，进行驱动因素分析探讨其变化原因，从而为规划管理神农架林区生态系统和区域环境提供科学依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

神农架林区位于湖北省西北部，处武当山、长江三峡组成的旅游带上，东与湖北省襄阳市保康县接壤，西邻重庆市巫山县，南依宜昌市兴山县、巴东而濒长江三峡，北倚十堰市房县、竹山县，远眺武当山风景名胜区。神农架林区是中国唯一以“林区”命名的省辖行政区，总面积3 253 km2，总人口约6.6 万人，辖6镇2 乡和1 个国家级自然保护区、1 个国有森工企业林业管理局、1 个国家湿地公园。该区夏季湿润多雨，冬季温和少雨，是亚热带气候与温带气候的过渡区域，降水丰富且分布均匀［5］，全年80%的时间盛行东南风，一般从9月底到第2年4月底有冰霜期。

神农架山脉大致从东西向横亘于西南部，神农顶最高，高程为3 105.4 m，也是华中地区最高点。神农架林区复杂多样的地貌是由于第四纪气候的冷暖变化，在部分地区残留了冰川地貌。区内大致地貌可分为构造溶蚀地貌、溶蚀侵蚀地貌、剥蚀侵蚀地貌、堆积地貌等4种地貌单元［6］。2016年以来，神农架以建设世界著名生态旅游目的地为目标，以旅游发展反哺生态保护，以生态保护促进旅游发展。积极探索生态保护型全域旅游发展之路，推动经济社会高质量发展。

1.2 数据来源及处理

本文数据主要来源于地理空间数据云平台的Landsat 系列卫星影像、神农架林区统计年鉴和神农架林区国民经济和社会发展统计公报。神农架林区气候多变，年降水量800~2 500 mm，覆盖该地区的Landsat 轨道号为 P125R038（125 为卫星轨道号，038为行号）和P126R038。经过影像质量查询，遥感数据选取1997年、2007年、2019年6月、7月、8月云量较少的3期影像，其中，1997年和2007年的影像采用的是Landsat TM 传感器的6个多光谱波段，2019年的影像采用的是Landsat OLI传感器的8个多光谱波段，空间分辨率均为30 m。数据预处理包括大气校正、影像无缝拼接、裁剪等环节。

1.3 研究方法

本文的土地利用分类采用监督分类方法，类别设置为林地、植被（林地以外的其他植被，包括耕地）、水域、居民点用地和未利用土地5 种。借助ENVI 软件绘制多边形感兴趣区选取不同类别的样本，然后采用分类精度较高的最大似然法作为分类器，进而得到3期影像的分类结果。最大似然法用统计方法和数学方法对各个类别进行计算，得出一个参数，然后将其他像元根据这一参数进行分类处理，得到全域的土地利用分类结果。如果分类结果不理想，则重新选择样本继续分类。

土地利用转换矩阵能够反映研究区时段期初和时段期末各种地类的变化过程，其不仅可以反映各地类面积的增减，同时也可以反映不同地类之间的相互转换关系，因而它被广泛用于土地利用数量的结构变化分析［7］。获取 1997 年、2007 年和 2019 年土地利用数据后，本文采用ARCGIS软件和EXCEL中的数字透视图工具制作土地利用转换矩阵。

2 土地利用变化分析

2.1 遥感解译

对3期处理后的遥感影像分别进行解译，采用上文方法进行分类。需要注意的是，选择样本后可以先计算样本的可分离性计算，通常样本可分离性数值要大于1.8，数值越大，说明样本选择越好，分类准确性越容易得到保障。初步分类完成后，部分地区会出现错分现象。因此为了得到精度更高的分类图，还需要进行分类后处理，尤其是白云遮挡的地区。本文通过ENVI 软件将分类结果转换成ARCGIS 中能识别的矢量文件，结合其他时期的遥感影像，将明显错误的图斑进行属性修改，最终得到3 期分类精度较高的结果。从结果看，近20 年神农架林区土地利用状况变化明显，具体变化如下：

（1）神农架林区位于东北部的植被面积和未利用土地明显减少。相较于1997 年，部分植被在2007 年已转为居民地和未利用土地，到2019年，未利用土地渐渐转化成植被和居民地，东北方向未利用土地都得到了利用。（2）水域面积基本没有太大变化，主要分布在东北方向居民地集中的地区。（3）1997—2019 年居民地面积显著增多，几乎分部整个林区。（4）总体来看，林地面积3期逐渐增多，植被面积也逐期减少。

2.2 土地利用转移矩阵

遥感分类完成后，为了进一步研究神农架林区土地利用变化状况，分两个时段（1997—2007 年、2007—2019年）计算土地利用转移矩阵，结果如表1、表2所示。

土地利用转移矩阵可以直观反映不同土地利用类型之间的转化关系。从表1 和表2 中可以看出以下几点。

表1 1997—2007年土地利用转移矩阵 （单位：hm2）

表2 2007—2019年土地利用转移矩阵 （单位：hm2）

（1）1997 年神农架林区以林地（89.28%）、植被（8.60%）为主，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，水域和居民地明显增加，植被以及未利用土地面积减少较多。原有的植被变化程度剧烈，有较大比例转为林地和居民地；林地相对稳定，变化幅度较小。经过10年的土地调整，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%减少至1.81%，居民地增幅最大，由0.06%提高至0.54%，林地面积相对稳定，仅增加0.26%。

（3）在2007—2019 年，水域、居民地的总面积继续增加，分别增至研究区的0.28%，3.22%；林地面积增幅扩大，增加至91.36%；植被面积占比降至5.00%，未利用土地降至0.14%。整体来看，随着当地生态保护型全域旅游发展之路的推进，林区内的生态环境明显提高。

3 驱动因素分析

土地利用变化是一个长期且复杂的过程，在各种驱动因素的影响下，土地利用的演化过程才得以实现，以符合人类生活和社会需要，更好地促进经济发展。下面从以下几个方面分析。

3.1 人口因素

神农架林区人口较少，基本稳定在7.8万左右，1996—2019年神农架林区本地人口数量与游客接待量统计如图1所示。可以看出，神农架林区本地人口数量出现先增加后减少的趋势，但整体变化幅度不大。年游客接待量日益增多，从2011 年开始增势迅猛，2018 年达到1 587.5 万人次。在此期间，为提高游客接待能力而进行的景区开发、道路修建、酒店民宿构建等，会导致区域内景观类型发生明显变化［8］。该变化与林区的林地、居民地增加，未利用土地减少相呼应。

图1 1996—2019年本地人口与年游客接待量统计

3.2 经济因素

1996—2019 年地区生产总值与年旅游总收入的趋势如图2所示。1997—2007年，经济发展增长速度缓慢，随着旅游业的发展，旅游经济开始带动全区经济，地区生产总值逐步与年旅游总收入成正比，旅游业变为神农架地区的支柱产业。2018年林区旅游总收入接近57.3亿元，并于当年退出贫困县行列。

图2 1996—2019年地区生产总值与年旅游总收入统计

3.3 政策因素

土地利用结构及变化深受区域政策的影响［9-10］。神农架林区在1997—2007 年期间，土地利用主要遵循2003年确立的“保护第一、科学规划、合理开发、永续利用”方针，使原本伐木卖钱、毁林开荒的现象得到遏制，林地覆盖率明显提高。2011年，神农架政府发布《神农架旅游总体规划》，并开始实施天然林保护、退耕还林还湿、绿满荆楚、生态移民等工程。2014年，神农架红坪机场正式通航，交通运输等基础设施的便利使得旅游业进入快速通道。2016年7月，神农架国家公园管理局正式成立，标志着神农架的保护与管理工作步入国家公园新时代，而神农架林区也成为名副其实的“天然氧吧”，吸引越来越多的游客前来观光旅游。

4 结语

土地是人们赖以生存的根基，是人类生产生活中重要的载体，对于土地利用及其覆盖变化的研究在全球各方面都有十分重要的作用。本文利用遥感影像获取了神农架林区近20年的土地利用分布及变化情况，发现随着天然林保护、退耕还林还湿、生态移民等政策的实施，神农架林区发生了较大的变化，整体表现为林地、居民地的扩张，而其土地的来源主要是未利用土地以及非林植被。随着土地的调整，林区在人口波动不大的情况下，居民收入持续提高，旅游业成为支柱产业，林区也朝着世界著名旅游目的地的目标不断迈进。