红河哈尼梯田世界文化景观遗产的遥感监测与土地覆盖变化

王臣立，徐丹，林文鹏*

1. 中国文化遗产研究院，北京 100029；2. 上海师范大学环境与地理科学学院，上海 200234

自1985年中国加入《保护世界文化和自然遗产公约》（以下简称《公约》）后，截止到2018年7月，中国有世界遗产共53处被列入《世界遗产名录》，如此巨大的文化遗产，所面临的保护问题必然更加突出，世界文化遗产的保护和监测问题也成为社会关注的焦点。《公约》及《操作指南》已将监测作为世界遗产申报和保护管理机制的核心内容，要求缔约国必须建立衡量和评估世界遗产保护状况的关键指标、影响因素、保护措施、审查周期和负责机构等内容的监测体系，并提交定期报告（Jokilehto，2004）。世界遗产委员会每年都会组织世界遗产的反应性监测，并根据监测报告，审议相关遗产的保护状况，将存在严重问题的遗产项目列入《濒危世界遗产名录》（杨波等，2014；李震等，2015）。世界遗产监测，其主要目的是通过多种监测方式、技术手段，及时地了解遗产本体的保存状态和风险影响因素，确定遗产突出普遍价值、完整性和真实性的保持状况及其变化趋势，从而能够及时采取有效措施，更好地保护世界文化遗产（Jukka et al.，2008；Droste，2011）。中国拥有众多的世界遗产，但多数遗产地的遗产区和缓冲区都面临着城镇化、过度开发与旅游发展的压力。与此同时，灾害、自然残损和侵蚀、人为破坏等等都对遗产本体的保存构成威胁。有效的遗产监测不仅可以为管理者提供关于遗产地管理状况、本体保存现状、环境影响因素等信息，也可以在发生风险之前进行预防，制定规避风险的有效措施，也是中国认真履行国际义务、积极承担国际责任的一种表现。

目前，传统的遗产监测工作主要依赖各地方管理工作者的工作经验、日常巡视和当地群众的举报。这使得监测活动存在一定的主观性，遗产保护工作也更加局限和被动（王明明等，2011）。随着遥感技术的不断发展，它在生态环境监测、土地利用/土地覆盖变化检测等方面得到了广泛的应用（朱运海等，2007；罗海静等，2015；翁进等，2015；何媛婷等，2020）。为了能够主动获取遗产地的有效信息，已有许多学者借助其大面积、多角度、速度快等监测优势进行了尝试（江慧，2010；徐志刚等，2018；孔中华等，2019），但由于世界文化遗产监测与其他行业存在着很大差异，至今还未形成完整的监测体系。

红河哈尼梯田在 2013年被列入《世界遗产名录》，是中国重要的世界文化景观遗产，以森林、梯田、村寨、水系“四素同构”的人与自然高度协调的生态系统而著称（卢鹏，2012）。但在申遗之后，随着城镇化的快速发展与旅游业的过度开发，哈尼梯田文化景观遭受不可避免的破坏与干扰。哈尼梯田既具有一般生态系统的普遍性特征，又具有其独特的文化景观生态系统特征，因此利用遥感监测技术研究哈尼梯田申遗后的土地覆盖现状与变化趋势，有助于了解遗产本体的保存现状和风险影响，有利于确定遗产突出普遍价值与制定规避风险的有效措施。

本文基于红河哈尼梯田独特的文化景观特征与新兴的遥感技术手段，摆脱传统的监测方式，利用高分辨率卫星遥感影像数据对不同时期的文化景观遗产要素进行动态遥感监测，分析哈尼梯田申遗后其土地覆盖现状与变化趋势，并探究其遗产要素变化的合理性。有效的遥感监测与动态分析不仅对世界遗产的保护具有现实意义，也对遥感在文化遗产监测中的应用具有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

红河哈尼梯田地处云南省哈尼族彝族自治州元阳县，广泛分布于中国西南部的哀牢山区、红河南岸，其地理位置为 102°27′—103°13′E，22°49′—23°19′N，主要由坝达、多依树和老虎嘴片区组成（图1）。哈尼梯田位于庞大的横断山系的东缘，山谷高深且沟壑纵横。该研究区以山地类型为主，海拔在144—2040 m之间，属亚热带季风气候，常年湿润多雨，年均降水量约 1400 mm，年平均气温约16.4 ℃（王红崧等，2019）。在垂直结构上，哈尼梯田呈现“森林、村寨、梯田”分层分布、“水系”贯穿其中的“四素同构”景观格局，森林景观分布在最高处，山顶覆盖着约6×104hm2莽莽森林，形成了巨大的天然绿色水库，提供着所有的农业用水和人畜用水；聚落景观分布在山腰，建落的村寨是哈尼族村民的居住地，居民开挖沟渠、截流山泉并将其引入村寨和寨脚的梯田；梯田景观位于海拔最低处，是森林洁净水与生活污水的中转站，水流由此汇入下方河流（姚敏等，2006）。这种垂直的“林-寨-田”空间分布结构是哈尼族最典型的土地利用格局（角媛梅等，2002），构成了红河南岸独具特色的、健康的湿地生态系统。

图1 研究区域图Fig. 1 The location map of study area

遗产区内的土地利用类型包括水梯田、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，分别达到了51.03%和28.34%，是构成哈尼梯田文化景观的主体要素。近年来，哈尼梯田除遭受自然环境的破坏，如较大尺度的地质构造、地壳变化、冰川、流水，以及温度、湿度、降水等气候影响，人类不加约束的行为活动成为哈尼梯田文化景观最大的危害因素。随着城镇化快速发展的步伐，农业生产和社会经济活动不可避免地影响甚至改变区域景观格局的分布和形态。哈尼梯田世界文化景观遗产的保存和维护，也与当地居民的生产与生活息息相关，因此毁林开荒、改善居民住房条件、新修扩建等等影响着哈尼梯田文化景观遗产本体的总体格局、遗产要素状态和功能。申遗成功后，不仅人类的生活生产活动给遗产区的景观格局造成影响，旅游业的发展也给当地的土地利用格局带来巨大的威胁。

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1 数据来源与处理

基于遗产区的覆盖范围，本研究区主要使用采购的两个时相高分辨率卫星遥感影像数据，分别是2013年WorldView-1卫星空间分辨率为0.5 m（拍摄时间2013年3月15日）与2015年高分二号卫星（GF-2）卫星空间分辨率为1 m（拍摄时间2015年3月15日）的遥感影像（图2）。利用前一时相遥感影像数据为图像纠正基础，对另一时相的影像进行正射纠正、地理坐标配准、几何精校正，保证多时相数据偏差在1个像元以内。并逐像元进行图像融合、增强与镶嵌等预处理，再按地形图范围裁剪，制作成高分辨率彩色数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM），使其具有较高的判读性能与量测性能。中国地图来源于国家自然资源部“标准地图服务”平台（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/），图幅的审图号为GS（2019）1694号。

图2 坝达片区2013年和2015年卫星影像图Fig. 2 Remote sensing images of Bada Block in 2013 and 2015

1.2.2 研究方法

经过两期DOM图像结果的对比解译，发现并标绘出变化地物，再通过外业实地调绘，确定变化地物的性质，参考《土地利用现状分类标准》（GB/T21010—2017），利用计算机软件进行汇总统计，得出遗产保护范围内各遗产要素地物变化信息。结合卫星遥感影像数据与变化地物的矢量数据，编制动态监测的遗产要素土地覆盖变化专题地图。

为了保证较高精度，在人工判读/目视解译过程中实际参考了遗产区的区域专题数据与调查资料，动态监测时也参照了遥感、测绘和遗产区保护管理工作的实际情况，目视解译流程如图3。

图3 目视解译流程图Fig. 3 The flow chart of visual interpretation

根据遗产区实地考察情况，将各遗产要素的解译标志设定如表1。

表1 哈尼梯田遗产要素解译标志Table 1 Interpretation keys of heritage elements in Hani Terrace

依据遗产要素的解译标志，将哈尼梯田申遗范围内两个不同时期的土地覆盖类型结果对比，得出两个时期的土地利用面积转移矩阵，对其属性数据进行统计分析，最终提取土地利用类型的变化信息。根据遗产区土地覆盖的实际情况与卫星遥感数据的解译性能，本研究将哈尼梯田覆盖范围划分为7种地类：水田、茶园、林地、灌木林地、房屋建筑（区）、道路、人工堆掘地。

2 结果与分析

2.1 哈尼梯田遗产要素信息变化

经过两个时期的卫星遥感影像数据与外业实地勘察，发现哈尼梯田坝达片区在申遗前后的遗产要素有233处发生变化（图4），变化后的地物类别包括水田、茶园、林地、灌木林地、房屋建筑（区）、道路、人工堆掘地共7个类别。从具体的变化信息来看（表2），出现许多水田转变为林地和茶园的现象，如编号10和14，也有部分水田变为房屋建筑（区）供村民居住和生活，如编号 59；有些林地被砍伐变成了大片的人工堆掘地以及建造成了林间道路，如编号33和37；而少部分房屋建筑（区）逐渐变成了人工堆掘地和灌木林地，如编号 61和85。从整体的高分辨率遥感影像来看，申遗前后，占申遗范围面积最大的水田和林地转变为房屋建筑（区）和道路的面积最多，其余遗产要素之间的转换面积较少。

图4 坝达片区遗产要素信息变化范围Fig. 4 Changes of heritage elements in Bada Block

表2 坝达片区遗产要素信息变化对比Table 2 Changes comparison of heritage elements in Bada Block

通过坝达区遗产要素信息变化的转移矩阵分析可得（表3）：（1）申遗后，水田面积变化最大约为74.98 hm2，约占总变化面积的79.95%，其次是林地为16.41 hm2，约占总变化面积的16.41%，房屋建筑物、灌木林地和人工挖掘地变化面积不大，总变化面积不超过3%；（2）其中，水田有超过70%的面积转变为灌木林地和林地，变化面积分别为34.31 hm2、19.21 hm2，少部分转变为房屋建筑（区）和道路，而林地有60%的面积转变为道路和房屋建筑（区），变化面积为6.12 hm2和3.80 hm2；（3）有少量房屋建筑（区）变为水田和林地，变化面积共1.09 hm2。

表3 2013—2015年坝达区遗产要素信息变化转移矩阵Table 3 Feature transfer matrix in Bada Block, 2013-2015 hm2

2.2 哈尼梯田土地覆盖时空变化特征

从时间尺度上看，哈尼梯田主要申遗范围内的坝达片区，在申遗前后水田的面积变化最大，两年内减少了 70.66 hm2，其次为灌木林地，面积从372.65 hm2增加到了407.33 hm2；申遗后，房屋建筑（区）和道路面积分别增长了16.12 hm2和14.94 hm2，林地面积始终是位居各地类面积榜首，由申遗前的2274.39 hm2增加到2277.11 hm2；茶园和人工堆掘地的面积变化不大，面积仅增长了0.31 hm2和1.89 hm2。除了水田面积呈现负增长，以及蓝莓地、旱地和水库为零增长，其余地类均呈现面积正增长的趋势（图5）。

图5 2013—2015年坝达片区各地类面积变化Fig. 5 Area change of land use types in Bada Block, 2013-2015

在空间上，坝达片区中部以水田为主，面积超过50%，与林地相间分布，大面积林地主要位于坝达片区的南部和东南部，所占面积与水田相当（图6）；灌木林地与房屋建筑（区）分布在林地与水田的之间，旱地、河流、人工对绝地等其他地物类型在空间上可见的数量较少，呈零散分布状态。哈尼梯田申遗后，坝达片区的林地面积变化不大，在片区的东北角水田大面积转变为灌木林地，东南部少部分林地面积也变为灌木林地；而水田面积在2015年大量减少，主要出现在西南地区部分水田申遗后变为房屋建筑（区），以及许多零散分布的水田变成灌木林地和林地，因此林地与灌木林地变化面积次于水田；人工堆掘地、水库河流、旱地主要集中在南部地区，申遗前后面积几乎没有改变。可以看出，哈尼梯田的主要申遗范围坝达片区，在申遗后的两年里，文化景观遗产要素的主要格局并未改变，仍然以水田和林地面积为主，面积转变以水田、林地与灌木林地类型为主，其他遗产要素相互之间的面积变化在空间上可以忽略不计。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）自 2013年红河哈尼梯田申遗后，两年内景观格局基本没有发生改变，仍然以森林和梯田为主，面积占比最多，村寨分布于梯田与森林之间。其文化景观遗产要素的变化均在可控范围内。

（2）哈尼梯田主要申遗范围——坝达片区各遗产要素面积变化共为93.78 hm2，水田变化最多，约占总变化面积的80%，其次是林地，约占18%，其他遗产要素面积变化很小。

（3）各遗产要素之间的面积变化以水田、林地和灌木类型为主，水田大面积变为林地和灌木林地，占总变化面积的57%，房屋建筑物（区）拆迁也主要转变为灌木林地，说明哈尼梯田申遗后相关的退耕还林政策与生态环境保护规划起到了明显成效。

（4）旅游业的发展以及改善村民生活条件的需求，使得一部分梯田转变为道路和房屋建筑，虽然在空间上其变化微乎其微，但这些改变还需进一步核实与确认其规划的合理性。

3.2 讨论

（1）在高分辨率影像中，耕地、河流、湖泊、交通工矿用地、沼泽地的正判率最高，为 100%，这是因为这些类型的影像特征极其明显，或形状比较规整或与周围的地物有着比较明显的区别，所以在野外调查中只设立了很少的样地调查点。对植被覆盖类型的判读，是在土地利用类型的基础上进行的。通过野外实地考察的验证，其精度完全能够满足本项研究的要求。在哈尼梯田中，草地面积较少，因此灌木丛误判率较低。

（2）哈尼梯田森林、梯田、村寨、水系既是其突出普遍价值的体现，也是土地利用的结果，而与这些要素相应的保护工程的进展情况，如旅游设施的实施、未经报批违规建设房屋和开垦荒地占用梯田等情况，也可以通过土地利用变化遥感监测方法来实现。

（3）由于文化遗产监测要求的精细化程度要比土地利用变化监测要求高，通常情况下，遗产地违建、不经报批私自扩建加高房屋、新修道路、旅游观景台等，都属于遗产监测范围，而这些需要通过高分辨率影像才能有效辨识，因此在文化遗产遥感监测中，首选高分影像。而对于土地利用变化监测来说，通常单独房屋变化，或者面积过小变化情况都会被归类到相邻的地物中。因此，在文化遗产监测中，需要高分辨率遥感影像，分辨率要达到1 m以上。