紅河哈尼梯田世界文化景觀遺產(chǎn)的遙感監(jiān)測與土地覆蓋變化

王臣立，徐丹，林文鵬*

1. 中國文化遺產(chǎn)研究院，北京 100029；2. 上海師范大學環(huán)境與地理科學學院，上海 200234

自1985年中國加入《保護世界文化和自然遺產(chǎn)公約》（以下簡稱《公約》）后，截止到2018年7月，中國有世界遺產(chǎn)共53處被列入《世界遺產(chǎn)名錄》，如此巨大的文化遺產(chǎn)，所面臨的保護問題必然更加突出，世界文化遺產(chǎn)的保護和監(jiān)測問題也成為社會關注的焦點?！豆s》及《操作指南》已將監(jiān)測作為世界遺產(chǎn)申報和保護管理機制的核心內(nèi)容，要求締約國必須建立衡量和評估世界遺產(chǎn)保護狀況的關鍵指標、影響因素、保護措施、審查周期和負責機構(gòu)等內(nèi)容的監(jiān)測體系，并提交定期報告（Jokilehto，2004）。世界遺產(chǎn)委員會每年都會組織世界遺產(chǎn)的反應性監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測報告，審議相關遺產(chǎn)的保護狀況，將存在嚴重問題的遺產(chǎn)項目列入《瀕危世界遺產(chǎn)名錄》（楊波等，2014；李震等，2015）。世界遺產(chǎn)監(jiān)測，其主要目的是通過多種監(jiān)測方式、技術手段，及時地了解遺產(chǎn)本體的保存狀態(tài)和風險影響因素，確定遺產(chǎn)突出普遍價值、完整性和真實性的保持狀況及其變化趨勢，從而能夠及時采取有效措施，更好地保護世界文化遺產(chǎn)（Jukka et al.，2008；Droste，2011）。中國擁有眾多的世界遺產(chǎn)，但多數(shù)遺產(chǎn)地的遺產(chǎn)區(qū)和緩沖區(qū)都面臨著城鎮(zhèn)化、過度開發(fā)與旅游發(fā)展的壓力。與此同時，災害、自然殘損和侵蝕、人為破壞等等都對遺產(chǎn)本體的保存構(gòu)成威脅。有效的遺產(chǎn)監(jiān)測不僅可以為管理者提供關于遺產(chǎn)地管理狀況、本體保存現(xiàn)狀、環(huán)境影響因素等信息，也可以在發(fā)生風險之前進行預防，制定規(guī)避風險的有效措施，也是中國認真履行國際義務、積極承擔國際責任的一種表現(xiàn)。

目前，傳統(tǒng)的遺產(chǎn)監(jiān)測工作主要依賴各地方管理工作者的工作經(jīng)驗、日常巡視和當?shù)厝罕姷呐e報。這使得監(jiān)測活動存在一定的主觀性，遺產(chǎn)保護工作也更加局限和被動（王明明等，2011）。隨著遙感技術的不斷發(fā)展，它在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、土地利用/土地覆蓋變化檢測等方面得到了廣泛的應用（朱運海等，2007；羅海靜等，2015；翁進等，2015；何媛婷等，2020）。為了能夠主動獲取遺產(chǎn)地的有效信息，已有許多學者借助其大面積、多角度、速度快等監(jiān)測優(yōu)勢進行了嘗試（江慧，2010；徐志剛等，2018；孔中華等，2019），但由于世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測與其他行業(yè)存在著很大差異，至今還未形成完整的監(jiān)測體系。

紅河哈尼梯田在 2013年被列入《世界遺產(chǎn)名錄》，是中國重要的世界文化景觀遺產(chǎn)，以森林、梯田、村寨、水系“四素同構(gòu)”的人與自然高度協(xié)調(diào)的生態(tài)系統(tǒng)而著稱（盧鵬，2012）。但在申遺之后，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展與旅游業(yè)的過度開發(fā)，哈尼梯田文化景觀遭受不可避免的破壞與干擾。哈尼梯田既具有一般生態(tài)系統(tǒng)的普遍性特征，又具有其獨特的文化景觀生態(tài)系統(tǒng)特征，因此利用遙感監(jiān)測技術研究哈尼梯田申遺后的土地覆蓋現(xiàn)狀與變化趨勢，有助于了解遺產(chǎn)本體的保存現(xiàn)狀和風險影響，有利于確定遺產(chǎn)突出普遍價值與制定規(guī)避風險的有效措施。

本文基于紅河哈尼梯田獨特的文化景觀特征與新興的遙感技術手段，擺脫傳統(tǒng)的監(jiān)測方式，利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)對不同時期的文化景觀遺產(chǎn)要素進行動態(tài)遙感監(jiān)測，分析哈尼梯田申遺后其土地覆蓋現(xiàn)狀與變化趨勢，并探究其遺產(chǎn)要素變化的合理性。有效的遙感監(jiān)測與動態(tài)分析不僅對世界遺產(chǎn)的保護具有現(xiàn)實意義，也對遙感在文化遺產(chǎn)監(jiān)測中的應用具有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紅河哈尼梯田地處云南省哈尼族彝族自治州元陽縣，廣泛分布于中國西南部的哀牢山區(qū)、紅河南岸，其地理位置為 102°27′—103°13′E，22°49′—23°19′N，主要由壩達、多依樹和老虎嘴片區(qū)組成（圖1）。哈尼梯田位于龐大的橫斷山系的東緣，山谷高深且溝壑縱橫。該研究區(qū)以山地類型為主，海拔在144—2040 m之間，屬亞熱帶季風氣候，常年濕潤多雨，年均降水量約 1400 mm，年平均氣溫約16.4 ℃（王紅崧等，2019）。在垂直結(jié)構(gòu)上，哈尼梯田呈現(xiàn)“森林、村寨、梯田”分層分布、“水系”貫穿其中的“四素同構(gòu)”景觀格局，森林景觀分布在最高處，山頂覆蓋著約6×104hm2莽莽森林，形成了巨大的天然綠色水庫，提供著所有的農(nóng)業(yè)用水和人畜用水；聚落景觀分布在山腰，建落的村寨是哈尼族村民的居住地，居民開挖溝渠、截流山泉并將其引入村寨和寨腳的梯田；梯田景觀位于海拔最低處，是森林潔凈水與生活污水的中轉(zhuǎn)站，水流由此匯入下方河流（姚敏等，2006）。這種垂直的“林-寨-田”空間分布結(jié)構(gòu)是哈尼族最典型的土地利用格局（角媛梅等，2002），構(gòu)成了紅河南岸獨具特色的、健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)域圖Fig. 1 The location map of study area

遺產(chǎn)區(qū)內(nèi)的土地利用類型包括水梯田、林地（含有林地、疏林地、灌木林）、草地、水系、村寨、道路等，其中林地和水梯田的占地比例最大，分別達到了51.03%和28.34%，是構(gòu)成哈尼梯田文化景觀的主體要素。近年來，哈尼梯田除遭受自然環(huán)境的破壞，如較大尺度的地質(zhì)構(gòu)造、地殼變化、冰川、流水，以及溫度、濕度、降水等氣候影響，人類不加約束的行為活動成為哈尼梯田文化景觀最大的危害因素。隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的步伐，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟活動不可避免地影響甚至改變區(qū)域景觀格局的分布和形態(tài)。哈尼梯田世界文化景觀遺產(chǎn)的保存和維護，也與當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)與生活息息相關，因此毀林開荒、改善居民住房條件、新修擴建等等影響著哈尼梯田文化景觀遺產(chǎn)本體的總體格局、遺產(chǎn)要素狀態(tài)和功能。申遺成功后，不僅人類的生活生產(chǎn)活動給遺產(chǎn)區(qū)的景觀格局造成影響，旅游業(yè)的發(fā)展也給當?shù)氐耐恋乩酶窬謳砭薮蟮耐{。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

基于遺產(chǎn)區(qū)的覆蓋范圍，本研究區(qū)主要使用采購的兩個時相高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，分別是2013年WorldView-1衛(wèi)星空間分辨率為0.5 m（拍攝時間2013年3月15日）與2015年高分二號衛(wèi)星（GF-2）衛(wèi)星空間分辨率為1 m（拍攝時間2015年3月15日）的遙感影像（圖2）。利用前一時相遙感影像數(shù)據(jù)為圖像糾正基礎，對另一時相的影像進行正射糾正、地理坐標配準、幾何精校正，保證多時相數(shù)據(jù)偏差在1個像元以內(nèi)。并逐像元進行圖像融合、增強與鑲嵌等預處理，再按地形圖范圍裁剪，制作成高分辨率彩色數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM），使其具有較高的判讀性能與量測性能。中國地圖來源于國家自然資源部“標準地圖服務”平臺（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/），圖幅的審圖號為GS（2019）1694號。

圖2 壩達片區(qū)2013年和2015年衛(wèi)星影像圖Fig. 2 Remote sensing images of Bada Block in 2013 and 2015

1.2.2 研究方法

經(jīng)過兩期DOM圖像結(jié)果的對比解譯，發(fā)現(xiàn)并標繪出變化地物，再通過外業(yè)實地調(diào)繪，確定變化地物的性質(zhì)，參考《土地利用現(xiàn)狀分類標準》（GB/T21010—2017），利用計算機軟件進行匯總統(tǒng)計，得出遺產(chǎn)保護范圍內(nèi)各遺產(chǎn)要素地物變化信息。結(jié)合衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)與變化地物的矢量數(shù)據(jù)，編制動態(tài)監(jiān)測的遺產(chǎn)要素土地覆蓋變化專題地圖。

為了保證較高精度，在人工判讀/目視解譯過程中實際參考了遺產(chǎn)區(qū)的區(qū)域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)與調(diào)查資料，動態(tài)監(jiān)測時也參照了遙感、測繪和遺產(chǎn)區(qū)保護管理工作的實際情況，目視解譯流程如圖3。

圖3 目視解譯流程圖Fig. 3 The flow chart of visual interpretation

根據(jù)遺產(chǎn)區(qū)實地考察情況，將各遺產(chǎn)要素的解譯標志設定如表1。

表1 哈尼梯田遺產(chǎn)要素解譯標志Table 1 Interpretation keys of heritage elements in Hani Terrace

依據(jù)遺產(chǎn)要素的解譯標志，將哈尼梯田申遺范圍內(nèi)兩個不同時期的土地覆蓋類型結(jié)果對比，得出兩個時期的土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣，對其屬性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，最終提取土地利用類型的變化信息。根據(jù)遺產(chǎn)區(qū)土地覆蓋的實際情況與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的解譯性能，本研究將哈尼梯田覆蓋范圍劃分為7種地類：水田、茶園、林地、灌木林地、房屋建筑（區(qū)）、道路、人工堆掘地。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈尼梯田遺產(chǎn)要素信息變化

經(jīng)過兩個時期的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)與外業(yè)實地勘察，發(fā)現(xiàn)哈尼梯田壩達片區(qū)在申遺前后的遺產(chǎn)要素有233處發(fā)生變化（圖4），變化后的地物類別包括水田、茶園、林地、灌木林地、房屋建筑（區(qū)）、道路、人工堆掘地共7個類別。從具體的變化信息來看（表2），出現(xiàn)許多水田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒鑸@的現(xiàn)象，如編號10和14，也有部分水田變?yōu)榉课萁ㄖ▍^(qū)）供村民居住和生活，如編號 59；有些林地被砍伐變成了大片的人工堆掘地以及建造成了林間道路，如編號33和37；而少部分房屋建筑（區(qū)）逐漸變成了人工堆掘地和灌木林地，如編號 61和85。從整體的高分辨率遙感影像來看，申遺前后，占申遺范圍面積最大的水田和林地轉(zhuǎn)變?yōu)榉课萁ㄖ▍^(qū)）和道路的面積最多，其余遺產(chǎn)要素之間的轉(zhuǎn)換面積較少。

圖4 壩達片區(qū)遺產(chǎn)要素信息變化范圍Fig. 4 Changes of heritage elements in Bada Block

表2 壩達片區(qū)遺產(chǎn)要素信息變化對比Table 2 Changes comparison of heritage elements in Bada Block

通過壩達區(qū)遺產(chǎn)要素信息變化的轉(zhuǎn)移矩陣分析可得（表3）：（1）申遺后，水田面積變化最大約為74.98 hm2，約占總變化面積的79.95%，其次是林地為16.41 hm2，約占總變化面積的16.41%，房屋建筑物、灌木林地和人工挖掘地變化面積不大，總變化面積不超過3%；（2）其中，水田有超過70%的面積轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖值睾土值?，變化面積分別為34.31 hm2、19.21 hm2，少部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉课萁ㄖ▍^(qū)）和道路，而林地有60%的面積轉(zhuǎn)變?yōu)榈缆泛头课萁ㄖ▍^(qū)），變化面積為6.12 hm2和3.80 hm2；（3）有少量房屋建筑（區(qū)）變?yōu)樗锖土值?，變化面積共1.09 hm2。

表3 2013—2015年壩達區(qū)遺產(chǎn)要素信息變化轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Feature transfer matrix in Bada Block, 2013-2015 hm2

2.2 哈尼梯田土地覆蓋時空變化特征

從時間尺度上看，哈尼梯田主要申遺范圍內(nèi)的壩達片區(qū)，在申遺前后水田的面積變化最大，兩年內(nèi)減少了 70.66 hm2，其次為灌木林地，面積從372.65 hm2增加到了407.33 hm2；申遺后，房屋建筑（區(qū)）和道路面積分別增長了16.12 hm2和14.94 hm2，林地面積始終是位居各地類面積榜首，由申遺前的2274.39 hm2增加到2277.11 hm2；茶園和人工堆掘地的面積變化不大，面積僅增長了0.31 hm2和1.89 hm2。除了水田面積呈現(xiàn)負增長，以及藍莓地、旱地和水庫為零增長，其余地類均呈現(xiàn)面積正增長的趨勢（圖5）。

圖5 2013—2015年壩達片區(qū)各地類面積變化Fig. 5 Area change of land use types in Bada Block, 2013-2015

在空間上，壩達片區(qū)中部以水田為主，面積超過50%，與林地相間分布，大面積林地主要位于壩達片區(qū)的南部和東南部，所占面積與水田相當（圖6）；灌木林地與房屋建筑（區(qū)）分布在林地與水田的之間，旱地、河流、人工對絕地等其他地物類型在空間上可見的數(shù)量較少，呈零散分布狀態(tài)。哈尼梯田申遺后，壩達片區(qū)的林地面積變化不大，在片區(qū)的東北角水田大面積轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖值?，東南部少部分林地面積也變?yōu)楣嗄玖值?；而水田面積在2015年大量減少，主要出現(xiàn)在西南地區(qū)部分水田申遺后變?yōu)榉课萁ㄖ▍^(qū)），以及許多零散分布的水田變成灌木林地和林地，因此林地與灌木林地變化面積次于水田；人工堆掘地、水庫河流、旱地主要集中在南部地區(qū)，申遺前后面積幾乎沒有改變。可以看出，哈尼梯田的主要申遺范圍壩達片區(qū)，在申遺后的兩年里，文化景觀遺產(chǎn)要素的主要格局并未改變，仍然以水田和林地面積為主，面積轉(zhuǎn)變以水田、林地與灌木林地類型為主，其他遺產(chǎn)要素相互之間的面積變化在空間上可以忽略不計。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）自 2013年紅河哈尼梯田申遺后，兩年內(nèi)景觀格局基本沒有發(fā)生改變，仍然以森林和梯田為主，面積占比最多，村寨分布于梯田與森林之間。其文化景觀遺產(chǎn)要素的變化均在可控范圍內(nèi)。

（2）哈尼梯田主要申遺范圍——壩達片區(qū)各遺產(chǎn)要素面積變化共為93.78 hm2，水田變化最多，約占總變化面積的80%，其次是林地，約占18%，其他遺產(chǎn)要素面積變化很小。

（3）各遺產(chǎn)要素之間的面積變化以水田、林地和灌木類型為主，水田大面積變?yōu)榱值睾凸嗄玖值?，占總變化面積的57%，房屋建筑物（區(qū)）拆遷也主要轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄玖值?，說明哈尼梯田申遺后相關的退耕還林政策與生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃起到了明顯成效。

（4）旅游業(yè)的發(fā)展以及改善村民生活條件的需求，使得一部分梯田轉(zhuǎn)變?yōu)榈缆泛头课萁ㄖ?，雖然在空間上其變化微乎其微，但這些改變還需進一步核實與確認其規(guī)劃的合理性。

3.2 討論

（1）在高分辨率影像中，耕地、河流、湖泊、交通工礦用地、沼澤地的正判率最高，為 100%，這是因為這些類型的影像特征極其明顯，或形狀比較規(guī)整或與周圍的地物有著比較明顯的區(qū)別，所以在野外調(diào)查中只設立了很少的樣地調(diào)查點。對植被覆蓋類型的判讀，是在土地利用類型的基礎上進行的。通過野外實地考察的驗證，其精度完全能夠滿足本項研究的要求。在哈尼梯田中，草地面積較少，因此灌木叢誤判率較低。

（2）哈尼梯田森林、梯田、村寨、水系既是其突出普遍價值的體現(xiàn)，也是土地利用的結(jié)果，而與這些要素相應的保護工程的進展情況，如旅游設施的實施、未經(jīng)報批違規(guī)建設房屋和開墾荒地占用梯田等情況，也可以通過土地利用變化遙感監(jiān)測方法來實現(xiàn)。

（3）由于文化遺產(chǎn)監(jiān)測要求的精細化程度要比土地利用變化監(jiān)測要求高，通常情況下，遺產(chǎn)地違建、不經(jīng)報批私自擴建加高房屋、新修道路、旅游觀景臺等，都屬于遺產(chǎn)監(jiān)測范圍，而這些需要通過高分辨率影像才能有效辨識，因此在文化遺產(chǎn)遙感監(jiān)測中，首選高分影像。而對于土地利用變化監(jiān)測來說，通常單獨房屋變化，或者面積過小變化情況都會被歸類到相鄰的地物中。因此，在文化遺產(chǎn)監(jiān)測中，需要高分辨率遙感影像，分辨率要達到1 m以上。