南非海豚海岸土地利用与土地覆盖变化时空动态及驱动机制的多源遥感与随机森林分析

本文综合运用RapidEye与PlanetScope遥感数据，结合随机森林（RF）算法与半结构化访谈，揭示南非夸祖鲁-纳塔尔省海豚海岸2009-2024年间土地利用/覆盖（LULC）的时空演变规律。研究发现城镇化与农业转型导致植被面积减少11.6 km2，建成区扩张5 km2，并精准量化了气候变化响应、生物多样性丧失等生态影响，为沿海地区可持续发展政策制定提供了关键科学依据。

　　

研究背景与意义

地球陆地覆盖持续受到人为与自然因素驱动的土地利用变化影响。作为发展中国家代表，南非正经历快速城镇化进程，特别是在经济潜力较高的沿海地区。海豚海岸作为夸祖鲁-纳塔尔省重要沿海走廊，过去15年间经历了显著的景观转型，亟需通过多时相遥感分析与本地认知调查来揭示其变化机制与生态影响。

研究方法与数据

研究采用2009-2024年间RapidEye（5米分辨率）和PlanetScope（3米分辨率）卫星影像，基于Google Earth Engine云平台实施随机森林（Random Forest）监督分类。分类体系依据南非国家土地覆盖分类系统一级类别，划定水体、建成区、森林、植被和裸地五类地物。每个地类至少采集50个训练样本，按8:2比例分为训练集与验证集。

定性数据通过10位关键知情人的半结构化访谈获取，涵盖市政官员、农业专家、环境顾问等群体，采用NVivo 15软件进行主题分析。精度验证采用总体精度（OA）、生产者精度（PA）和用户精度（UA）指标，并引入Pontius的数量差异（QD）与分配差异（AD）评估框架。

土地利用变化动态

2009-2024年间景观格局发生显著转变：植被覆盖从63.2%降至37.2%（净减少11.6 km2），裸地从17.1%减至7.9%，而建成区从11%增至22.3%（净增5 km2），森林覆盖从8.3%扩张至32.2%（净增10.6 km2）。空间变化热点集中在沿海地带和交通走廊沿线，呈现明显的城镇化扩张与植被破碎化趋势。

分类精度与可靠性

2024年分类总体精度最高（94.8%），2014年（93.2%）、2019年（91.0%）次之，2009年最低（88.3%）。精度提升主要归因于PlanetScope影像更高空间分辨率的优势。建成区与植被分类精度持续高于90%，水体与裸地因光谱混淆存在一定误分。2024年数量差异（0.0316）与分配差异（0.0204）均为最低，证实后期分类可靠性显著提升。

变化驱动机制

通过主题分析识别出四大核心驱动因素：

1. 1.
   城镇开发压力：人口从2001年158,582增至2022年324,912，触发住房与基础设施需求爆炸式增长
2. 2.
   城乡迁移效应：经济机遇吸引农村人口涌入，导致非正规定居点扩张与公共服务超载
3. 3.
   土地监管缺失：市政土地所有权不足1%，监管能力薄弱导致环境敏感区非法开发
4. 4.
   农业结构转型：甘蔗种植衰退促使Tongaat Hulett等地主转向房地产开发，马卡达米坚果等经济作物推广加剧水资源压力

生态环境影响

LULC变化引发多重连锁效应：

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  生物多样性：73%湿地被开发，uThongathi河成为污染最严重河口，藻华频发与鱼类死亡事件激增
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  气候脆弱性：2022年洪灾暴露地表不透水化与排水系统失效问题
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  土壤侵蚀：非法采砂导致斯沃普无花果树森林沉积物淤积
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  水资源危机： estuaries作为废水通道引起硝化作用与食物链 disruption

政策应对与适应策略

尽管存在空间发展框架（SDF）与土地管理条例等政策工具，但实施效果受限于：

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  土地所有权分散导致监管失效
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  部门间协调不足与技术支持缺乏
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  社区参与机制不健全
  研究建议通过加强绿色基础设施投资、推行适应性分区管制、建立多利益相关方监测网络来提升沿海韧性，特别强调需将全球可持续发展目标（SDGs）本地化实施。

结论与展望

海豚海岸案例揭示了全球南方快速城镇化地区的典型发展困境：经济扩张与生态保护的深层矛盾。多源遥感与社会感知的融合分析方法为沿海带综合管理提供了可推广范式。未来需重点关注土地治理制度改革、高分辨率遥感监测技术应用以及跨尺度政策协同，以实现联合国可持续发展目标中的陆地生态系统保护（SDG 15）和可持续城市发展（SDG 11）指标。