紅河哈尼梯田世界文化景觀遺產的遙感監測與土地覆蓋變化

王臣立，徐丹，林文鵬*

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

自1985年中國加入《保護世界文化和自然遺產公約》（以下簡稱《公約》）后，截止到2018年7月，中國有世界遺產共53處被列入《世界遺產名錄》，如此巨大的文化遺產，所面臨的保護問題必然更加突出，世界文化遺產的保護和監測問題也成為社會關注的焦點?！豆s》及《操作指南》已將監測作為世界遺產申報和保護管理機制的核心內容，要求締約國必須建立衡量和評估世界遺產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等內容的監測體系，并提交定期報告（Jokilehto，2004）。世界遺產委員會每年都會組織世界遺產的反應性監測，并根據監測報告，審議相關遺產的保護狀況，將存在嚴重問題的遺產項目列入《瀕危世界遺產名錄》（楊波等，2014；李震等，2015）。世界遺產監測，其主要目的是通過多種監測方式、技術手段，及時地了解遺產本體的保存狀態和風險影響因素，確定遺產突出普遍價值、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（Jukka et al.，2008；Droste，2011）。中國擁有眾多的世界遺產，但多數遺產地的遺產區和緩沖區都面臨著城鎮化、過度開發與旅游發展的壓力。與此同時，災害、自然殘損和侵蝕、人為破壞等等都對遺產本體的保存構成威脅。有效的遺產監測不僅可以為管理者提供關于遺產地管理狀況、本體保存現狀、環境影響因素等信息，也可以在發生風險之前進行預防，制定規避風險的有效措施，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。

目前，傳統的遺產監測工作主要依賴各地方管理工作者的工作經驗、日常巡視和當地群眾的舉報。這使得監測活動存在一定的主觀性，遺產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展，它在生態環境監測、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、速度快等監測優勢進行了嘗試（江慧，2010；徐志剛等，2018；孔中華等，2019），但由于世界文化遺產監測與其他行業存在著很大差異，至今還未形成完整的監測體系。

紅河哈尼梯田在 2013年被列入《世界遺產名錄》，是中國重要的世界文化景觀遺產，以森林、梯田、村寨、水系“四素同構”的人與自然高度協調的生態系統而著稱（盧鵬，2012）。但在申遺之后，隨著城鎮化的快速發展與旅游業的過度開發，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系統的普遍性特征，又具有其獨特的文化景觀生態系統特征，因此利用遙感監測技術研究哈尼梯田申遺后的土地覆蓋現狀與變化趨勢，有助于了解遺產本體的保存現狀和風險影響，有利于確定遺產突出普遍價值與制定規避風險的有效措施。

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，擺脫傳統的監測方式，利用高分辨率衛星遙感影像數據對不同時期的文化景觀遺產要素進行動態遙感監測，分析哈尼梯田申遺后其土地覆蓋現狀與變化趨勢，并探究其遺產要素變化的合理性。有效的遙感監測與動態分析不僅對世界遺產的保護具有現實意義，也對遙感在文化遺產監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、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）。在垂直結構上，哈尼梯田呈現“森林、村寨、梯田”分層分布、“水系”貫穿其中的“四素同構”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，提供著所有的農業用水和人畜用水；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”空間分布結構是哈尼族最典型的土地利用格局（角媛梅等，2002），構成了紅河南岸獨具特色的、健康的濕地生態系統。

圖1 研究區域圖Fig. 1 The location map of study area

遺產區內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境的破壞，如較大尺度的地質構造、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。隨著城鎮化快速發展的步伐，農業生產和社會經濟活動不可避免地影響甚至改變區域景觀格局的分布和形態。哈尼梯田世界文化景觀遺產的保存和維護，也與當地居民的生產與生活息息相關，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本體的總體格局、遺產要素狀態和功能。申遺成功后，不僅人類的生活生產活動給遺產區的景觀格局造成影響，旅游業的發展也給當地的土地利用格局帶來巨大的威脅。

1.2 數據來源與研究方法

1.2.1 數據來源與處理

基于遺產區的覆蓋范圍，本研究區主要使用采購的兩個時相高分辨率衛星遙感影像數據，分別是2013年WorldView-1衛星空間分辨率為0.5 m（拍攝時間2013年3月15日）與2015年高分二號衛星（GF-2）衛星空間分辨率為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據為圖像糾正基礎，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，保證多時相數據偏差在1個像元以內。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2013年和2015年衛星影像圖Fig. 2 Remote sensing images of Bada Block in 2013 and 2015

1.2.2 研究方法

經過兩期DOM圖像結果的對比解譯，發現并標繪出變化地物，再通過外業實地調繪，確定變化地物的性質，參考《土地利用現狀分類標準》（GB/T21010—2017），利用計算機軟件進行匯總統計，得出遺產保護范圍內各遺產要素地物變化信息。結合衛星遙感影像數據與變化地物的矢量數據，編制動態監測的遺產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區的區域專題數據與調查資料，動態監測時也參照了遙感、測繪和遺產區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

根據遺產區實地考察情況，將各遺產要素的解譯標志設定如表1。

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

依據遺產要素的解譯標志，將哈尼梯田申遺范圍內兩個不同時期的土地覆蓋類型結果對比，得出兩個時期的土地利用面積轉移矩陣，對其屬性數據進行統計分析，最終提取土地利用類型的變化信息。根據遺產區土地覆蓋的實際情況與衛星遙感數據的解譯性能，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）、道路、人工堆掘地。

2 結果與分析

2.1 哈尼梯田遺產要素信息變化

經過兩個時期的衛星遙感影像數據與外業實地勘察，發現哈尼梯田壩達片區在申遺前后的遺產要素有233處發生變化（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）、道路、人工堆掘地共7個類別。從具體的變化信息來看（表2），出現許多水田轉變為林地和茶園的現象，如編號10和14，也有部分水田變為房屋建筑（區）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）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變為房屋建筑（區）和道路的面積最多，其余遺產要素之間的轉換面積較少。

圖4 壩達片區遺產要素信息變化范圍Fig. 4 Changes of heritage elements in Bada Block

表2 壩達片區遺產要素信息變化對比Table 2 Changes comparison of heritage elements in Bada Block

通過壩達區遺產要素信息變化的轉移矩陣分析可得（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%的面積轉變為灌木林地和林地，變化面積分別為34.31 hm2、19.21 hm2，少部分轉變為房屋建筑（區）和道路，而林地有60%的面積轉變為道路和房屋建筑（區），變化面積為6.12 hm2和3.80 hm2；（3）有少量房屋建筑（區）變為水田和林地，變化面積共1.09 hm2。

表3 2013—2015年壩達區遺產要素信息變化轉移矩陣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的壩達片區，在申遺前后水田的面積變化最大，兩年內減少了 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）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。除了水田面積呈現負增長，以及藍莓地、旱地和水庫為零增長，其余地類均呈現面積正增長的趨勢（圖5）。

圖5 2013—2015年壩達片區各地類面積變化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）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量較少，呈零散分布狀態。哈尼梯田申遺后，壩達片區的林地面積變化不大，在片區的東北角水田大面積轉變為灌木林地，東南部少部分林地面積也變為灌木林地；而水田面積在2015年大量減少，主要出現在西南地區部分水田申遺后變為房屋建筑（區），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，申遺前后面積幾乎沒有改變?？梢钥闯?，哈尼梯田的主要申遺范圍壩達片區，在申遺后的兩年里，文化景觀遺產要素的主要格局并未改變，仍然以水田和林地面積為主，面積轉變以水田、林地與灌木林地類型為主，其他遺產要素相互之間的面積變化在空間上可以忽略不計。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）自 2013年紅河哈尼梯田申遺后，兩年內景觀格局基本沒有發生改變，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。其文化景觀遺產要素的變化均在可控范圍內。

（2）哈尼梯田主要申遺范圍——壩達片區各遺產要素面積變化共為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%，其他遺產要素面積變化很小。

（3）各遺產要素之間的面積變化以水田、林地和灌木類型為主，水田大面積變為林地和灌木林地，占總變化面積的57%，房屋建筑物（區）拆遷也主要轉變為灌木林地，說明哈尼梯田申遺后相關的退耕還林政策與生態環境保護規劃起到了明顯成效。

（4）旅游業的發展以及改善村民生活條件的需求，使得一部分梯田轉變為道路和房屋建筑，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，或形狀比較規整或與周圍的地物有著比較明顯的區別，所以在野外調查中只設立了很少的樣地調查點。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，也是土地利用的結果，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、未經報批違規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測方法來實現。

（3）由于文化遺產監測要求的精細化程度要比土地利用變化監測要求高，通常情況下，遺產地違建、不經報批私自擴建加高房屋、新修道路、旅游觀景臺等，都屬于遺產監測范圍，而這些需要通過高分辨率影像才能有效辨識，因此在文化遺產遙感監測中，首選高分影像。而對于土地利用變化監測來說，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，在文化遺產監測中，需要高分辨率遙感影像，分辨率要達到1 m以上。