吳哥遺產(chǎn)地土地利用/土地覆蓋變化遙感分析

廖凱濤1，2，3，王成2，3，習(xí)曉環(huán)2，3，齊述華1，KHUON Khun-neay4

(1.江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022；2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所 數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.聯(lián)合國教科文組織國際自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心，北京 100094；4.柬埔寨吳哥窟世界文化遺產(chǎn)管理局，暹粒 999094)

摘要：吳哥窟是柬埔寨的象征，近年來深受嚴(yán)重的環(huán)境問題的困擾。利用長時(shí)間序列衛(wèi)星影像，采用最大似然分類方法，提取吳哥遺產(chǎn)本體及周邊區(qū)域近30年土地利用/土地覆蓋及變化信息，并基于轉(zhuǎn)換矩陣方法分析各土地類型變化規(guī)律，最后利用野外地面實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)分類精度進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明：基于光學(xué)影像的吳哥遺產(chǎn)地土地利用/土地覆蓋分類精度可達(dá)81.4%；遺產(chǎn)地周邊建設(shè)用地增加迅猛；林地面積大量減少，主要轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地及草地；農(nóng)業(yè)用地顯著增加，來源于裸地及林地；水體和濕地變化較少；導(dǎo)致吳哥土地類型變化的主要驅(qū)動(dòng)因素是旅游業(yè)帶來的資源過度開發(fā)、森林大量砍伐，吳哥遺產(chǎn)的原真性、完整性和蘊(yùn)含的歷史與文化價(jià)值也正遭受極大威脅。

關(guān)鍵詞：吳哥遺產(chǎn)；光學(xué)影像；土地利用/土地覆蓋；變化檢測

doi:10.3969/j.issn.1000-3177.2015.01.020

中圖分類號(hào)：TP751文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Land Use and Land Cover Change in Angkor Heritage

Site Based on Remote Sensing

LIAO Kai-tao1，2，3，WANG Cheng2，3，XI Xiao-huan2，3，QI Shu-hua1，KHUON Khun-neay4

(1.SchoolofGeographyandEnvironment，JiangXiNormalUniversity，JiangXi330022；

2.KeyLaboratoryofDigitalEarth，InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth，

ChineseAcademyofSciences，Beijing100094；

3.InternationalCenteronSpaceTechnologiesforNaturalandCulturalHeritageunderthe

AuspicesofUNESCO，Beijing100094；

4.AuthorityfortheProtectionandManagementofAngkorandtheRegionofSiemReap,Combodia)

Abstract：Angkor Wat，the symbol of Cambodia，was inscribed in the list of UNESCO World Heritage Sites in 1992，and it was included in the World Heritage in Danger List due to its wholesale collapse and other environmental problems at the same time.This paper explored the land use/land cover change (LUCC) by using time series remote sensing images during the period from 1985 to 2013.The maximum likelihood classification was used to extract the LUCC information with the accuracy classification of 81.4%.And a transfer matrix method was deployed in order to analyze its regular change pattern.The study results show that during the past 30 years，the urban land of the study area increased rapidly，mainly coming from agriculture and forest.A substantial decrease occurred in forest area，and it turned into agriculture and grassland.While agricultural land increased significantly，mainly coming from the bare and forest.Water and wetland area did not change much.The main drivers for the LUCC was the over-development of tourism resources，which had led the intactness，the authenticity，the historical and culture value of the Angkor heritage site to great threat and damage.

Key words：Angkor heritage site；optical image；land use/land cover；change detection

1引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)土地資源開發(fā)的強(qiáng)度大大增加，土地利用/土地覆蓋變化及其引起的生態(tài)環(huán)境問題受到人們的廣泛關(guān)注。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)、快速、覆蓋范圍廣、周期性等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于土地利用/土地覆蓋分類及其變化監(jiān)測[1-5]。

吳哥遺跡位于柬埔寨暹粒省，于1992年被聯(lián)合國科教文組織(UNESCO)列入《世界遺產(chǎn)名錄》，同時(shí)被列入《世界瀕危遺產(chǎn)名錄》。從1993年開始，柬埔寨政府和UNESCO發(fā)起了拯救吳哥古跡的國際行動(dòng)，截止目前，已經(jīng)有包括中國在內(nèi)的20多個(gè)國家加入了該計(jì)劃，對(duì)吳哥多處古跡進(jìn)行修復(fù)[6-11]。吳哥遺產(chǎn)與周邊環(huán)境是統(tǒng)一整體，各類環(huán)境要素是遺產(chǎn)本體賴以存在的基礎(chǔ)，因此也有一些學(xué)者利用遙感技術(shù)開展吳哥窟及其周邊環(huán)境變化研究。1992年Kvamme等[12]利用Landsat TM影像，人工尋找吳哥窟周邊的遺跡。2003年悉尼大學(xué)聯(lián)合其他8個(gè)國家的科學(xué)家，發(fā)起名為“Great Angkor Project”的項(xiàng)目，利用航空攝影測量、地表調(diào)查與GPS制圖、水文模擬、航空及SAR影像制圖等方式對(duì)吳哥環(huán)境變化、人口數(shù)量及密度、土地利用方式和生存模式等進(jìn)行系統(tǒng)性調(diào)查，分析遺產(chǎn)與環(huán)境的時(shí)間演變關(guān)系模型。Gaughan等[13]利用Landsat TM數(shù)據(jù)對(duì)吳哥地區(qū)1995年～2005年的旅游、森林和土地利用狀況進(jìn)行了調(diào)查和分析，認(rèn)為森林減少主要分布在吳哥窟周邊和庫侖山國家公園，一定程度上是由于生產(chǎn)為旅游業(yè)服務(wù)的木炭，并轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)用地。Traviglia[14]利用SPOT數(shù)據(jù)對(duì)高棉森林進(jìn)行多尺度調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)庫侖山周邊森林正在減少，珍貴的龍腦香科樹木被偷伐販賣，一般的樹木被砍伐作為木炭。近年來為滿足不斷增長的旅游業(yè)需要，吳哥周邊酒店、商業(yè)區(qū)等快速興建，并逐漸向吳哥遺產(chǎn)地逼近，不僅破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡，而且對(duì)吳哥遺產(chǎn)的安全造成嚴(yán)重威脅。本研究即利用遙感手段，開展吳哥遺產(chǎn)及其周邊區(qū)域的土地利用/土地覆蓋變化監(jiān)測與分析，以期為遺產(chǎn)地保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2研究區(qū)與數(shù)據(jù)

2.1研究區(qū)

研究區(qū)位于柬埔寨暹粒省，地理范圍為13°05′N～13°44′N、103°22′E～104°15′E，總面積6865km2，主要包括暹粒市及其周邊的庫倫山和洞里薩湖。該區(qū)為典型的熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，高溫多雨，全年降雨量達(dá)1800mm，月平均氣溫30℃；11月至4月為旱季，月平均氣溫25℃；5月至10月為雨季，月平均氣溫33℃，其中10月份降雨量最大。研究區(qū)相對(duì)平坦，最高海拔501m(北部庫侖山)。地表覆蓋包括森林、稻田、城鎮(zhèn)用地、濕地及文化遺產(chǎn)保護(hù)區(qū)。森林包括落葉和常綠林，其中龍腦香樹是主要的珍貴樹種。主要水系包括洞里薩湖和三條河流(斯倫河、暹粒河以及咯倫斯河)，均位于洞里薩湖北部。洞里薩湖在雨季是湄公河的水庫，湖面積可由旱季的2500km2增長到15000km2[15]，水面上升會(huì)淹沒湖周邊大部分區(qū)域甚至吳哥遺產(chǎn)地局部。

2.2數(shù)據(jù)

本文收集了吳哥遺產(chǎn)地近30年的Landsat MSS、Landsat TM以及HJ-1A衛(wèi)星遙感影像(表1)，獲取時(shí)間集中在旱季，云量均小于5%。Landsat數(shù)據(jù)及HJ-1A數(shù)據(jù)可分別從USGS官網(wǎng)(http：//www.usgs.gov)及中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站(http：//www.cresda.com)免費(fèi)獲取。為了便于選擇訓(xùn)練樣本、提高分類精度，本研究還購買了研究區(qū)的QuickBird數(shù)據(jù)，全色波段分辨率為0.61m，多光譜分辨率為2.44m。

表1　衛(wèi)星數(shù)據(jù)情況

3方法及結(jié)果

3.1研究方法

以遙感處理軟件ENVI 4.8為平臺(tái)，將研究區(qū)的土地利用類型分為林地、水體、濕地、草地、裸地、農(nóng)業(yè)用地及城鎮(zhèn)用地7大類。利用最大似然分類方法，綜合應(yīng)用了每個(gè)類別在各波段中的均值、方差以及各波段之間的協(xié)方差等信息，進(jìn)行監(jiān)督分類。

為了提高分類精度，在選取訓(xùn)練樣本時(shí)采取高分影像參考法，即在對(duì)2006年TM影像分類選擇訓(xùn)練樣本時(shí)，參考2004年的QuickBird影像。首先在QuickBird影像上選取每類土地利用類型訓(xùn)練樣本3～5個(gè)，結(jié)合這些樣本的光譜特性選擇其他范圍內(nèi)的訓(xùn)練樣本，然后以2006年的訓(xùn)練樣本為參考，對(duì)其他3幅影像進(jìn)行訓(xùn)練樣本的選擇(由于1985年影像分辨率及城鎮(zhèn)化水平均較低，未對(duì)1985年城鎮(zhèn)用地進(jìn)行分類)。圖1為2006年吳哥遺產(chǎn)地土地利用/土地覆蓋類型分類圖。在ENVI軟件中對(duì)分類后的結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，基于地表真實(shí)感興趣區(qū)的4期影像分類結(jié)果的總體分類精度均大于84%；其中2013年11月實(shí)測數(shù)據(jù)與2013年1月17日HJ-1A影像的分類結(jié)果驗(yàn)證，精度為81.4%(表2)。

圖1　2006年吳哥遺產(chǎn)地土地利用/土地覆蓋類型分類

農(nóng)業(yè)用地城鎮(zhèn)用地林地草地裸地水體濕地總體實(shí)測個(gè)數(shù)18127212143誤分個(gè)數(shù)22111018分類精度(%)88.8983.3385.71500100181.4

3.2基于轉(zhuǎn)移矩陣的時(shí)間序列分析

對(duì)1985年至2013年的4幅影像分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并生成土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表3和表4所示。為分析研究區(qū)的土地利用變化情況，本文引入了土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)(P)[16]，描述單一地類動(dòng)態(tài)變化，其定義是研究區(qū)內(nèi)某種土地類型在監(jiān)測末期(b)與監(jiān)測初期(a)數(shù)量的年變化速率，可定量比較土地利用變化的區(qū)域差異、預(yù)測土地利用變化趨勢(shì)，如式(1)所示。

(1)

其中，P為目標(biāo)土地利用類型i在某一空間單元(縣、市或特定研究區(qū))內(nèi)的土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)；Kj,a，Kj,b為研究初期a及研究末期b用地類型j在空間單元i內(nèi)的面積；LAi為空間單元i的土地面積；T為研究末期和初期的時(shí)間間隔，以年為單位。

表3　吳哥遺產(chǎn)地遙感影像分類結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4　吳哥遺產(chǎn)地1985年～2013年土地利用/土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

4結(jié)果分析

4.1土地利用/土地覆蓋的動(dòng)態(tài)變化

4.1.1城鎮(zhèn)用地

依據(jù)分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出30年來研究區(qū)土地利用情況發(fā)生了顯著變化，其中城鎮(zhèn)用地增加明顯。1992年吳哥被UNESCO列入世界遺產(chǎn)名錄，每年前往吳哥的游客激增，到2007年游客數(shù)量已經(jīng)從入選前的1萬人/年增加到200萬/年，與之配套的建筑用地也大幅增加，其中以1996年至2006年增長速率最快，年增長16.86%，隨后增長速率有所下降，增加面積主要來源于農(nóng)業(yè)用地及林地，空間分布上主要集中在暹粒城區(qū)及庫侖山腳。通過疊加道路及河流矢量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，暹粒城區(qū)的南北沿暹粒河、東西沿6號(hào)公路呈現(xiàn)十字?jǐn)U張(圖2)。

圖2　暹粒市城鎮(zhèn)用地變化圖

4.1.2林地

林地是研究區(qū)最大的土地利用類型，約占研究區(qū)總面積的40%。近30年來，林地面積呈明顯減少趨勢(shì)，是所有地物類型中減少最多的。隨著城市的擴(kuò)張、柴薪能源的消耗、森林火災(zāi)以及人類對(duì)林地的開發(fā)，大量的林地向農(nóng)業(yè)用地、草地等快速轉(zhuǎn)變，其中以2006年至2013年減少最多，其土地利用變化強(qiáng)度指數(shù)從1996年～2006年的-0.12%降低至到-0.65%，主要原因是部分草地及裸地變?yōu)榱值?；柬埔寨副首相兼?lián)合國教科文組織全國委員會(huì)主席Sok An在2012年12月公開發(fā)表聲明，吳哥遺產(chǎn)地周邊森林砍伐已經(jīng)影響到吳哥遺跡的美麗，特別是近些年吳哥北部庫侖山上的森林砍伐，保護(hù)森林迫在眉睫[17]。

4.1.3農(nóng)業(yè)用地

研究區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)用地面積僅次于林地，主要農(nóng)作物為水稻[13]。從影像分類結(jié)果看，與林地面積快速減少相反，農(nóng)業(yè)用地的面積增加迅速，增加主要來源于林地、裸地以及草地。一方面，旅游業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致吳哥窟遺跡附近的部分農(nóng)業(yè)用地變?yōu)槌擎?zhèn)用地，另一方面，大量的砍伐林地、草地開墾為農(nóng)業(yè)用地，空間分布上農(nóng)田的增加主要位于庫侖山腳、吳哥窟遺跡周邊及斯倫河兩側(cè)。

4.1.4水體

水體主要是洞里薩湖及周邊的水體、吳哥水庫、斯倫河及暹粒河，多年來變化較小；2006年至2013年面積有所減少，主要是洞里薩湖水位下降，水體變化為草地及濕地。

4.1.5濕地

濕地是一種非常重要的土地利用類型，研究區(qū)濕地面積總體呈現(xiàn)減少的態(tài)勢(shì)，主要受洞里薩湖水位的影響，減少的濕地主要變化為草地及林地，水位下降草地滋長，低矮的灌木林漏出水面；其次是洞里薩湖周邊濕地被開墾為水稻田等農(nóng)業(yè)用地。

4.1.6裸地

裸地面積呈現(xiàn)增加—減少—不變的趨勢(shì)，增加主要是來源于林地的砍伐，而減少則主要變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地、草地。

4.2土地利用變化驅(qū)動(dòng)力分析

吳哥遺產(chǎn)地1985年～2013年間土地利用/土地覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子復(fù)雜多樣，主要分為自然驅(qū)動(dòng)力和社會(huì)驅(qū)動(dòng)力，前者又分為地形地貌、氣候、土壤、水文等因素；后者可分為人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、貧富狀況、價(jià)值與觀念、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等因素。盡管從長時(shí)間尺度上看，自然和人為因素都驅(qū)動(dòng)著土地利用/覆蓋變化，但在短時(shí)間尺度的城市化過程中，人類活動(dòng)無疑是最主要的驅(qū)動(dòng)因素[18]。

影響吳哥環(huán)境的最主要自然因素是氣候，特別是夏季的降水直接影響洞里薩湖水位的高低及周邊濕地面積的大小。冬季干燥，森林大火時(shí)有發(fā)生，林地被燒毀變?yōu)槁愕?，若干年后恢?fù)成為草地、林地，影響林地、草地、裸地面積。

旅游業(yè)帶動(dòng)的城鎮(zhèn)發(fā)展是改變吳哥遺產(chǎn)地土地利用變化的最直接原因。柬埔寨政府為了促進(jìn)遺產(chǎn)地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，頒布的第一個(gè)政策就是讓原來離開遺產(chǎn)地的居民重新回到遺產(chǎn)地周圍生活[19]，游客的劇增也導(dǎo)致吳哥人口快速增長[14]，并在吳哥旅游的滯留時(shí)間大大延長[20]，由此帶動(dòng)暹粒城鎮(zhèn)的快速發(fā)展，并逐漸向吳哥遺產(chǎn)地靠攏，對(duì)遺產(chǎn)地構(gòu)成了威脅。城鎮(zhèn)的快速發(fā)展也推動(dòng)了能源的大量需求，該地區(qū)的能源以柴薪為主，大量的森林被砍伐，林地變?yōu)槁愕?、草地開墾變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地，并在庫侖山山腳形成新的居民點(diǎn)。林地減少、農(nóng)田和城鎮(zhèn)的增加是人類活動(dòng)最主要的表現(xiàn)。

5結(jié)束語

本文利用長時(shí)間序列的遙感影像、QuickBird高分影像，并結(jié)合2013年實(shí)地采集信息，對(duì)吳哥遺產(chǎn)本體及其周邊區(qū)域遙感影像進(jìn)行分類，提取吳哥遺產(chǎn)本體及其周邊區(qū)域近30年土地利用/土地覆蓋及變化信息。研究表明中分辨率的光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)客觀反映了吳哥遺產(chǎn)地的土地利用/土地覆蓋變化在結(jié)構(gòu)、數(shù)量、趨勢(shì)、空間分布方面發(fā)生的巨大變化。

研究中利用的數(shù)據(jù)包含Landsat MSS、Landsat TM以及HJ-1A數(shù)據(jù)，其中Landsat MSS與HJ-1A數(shù)據(jù)均只有4個(gè)波段，可能對(duì)分類結(jié)果有一定影響。野外驗(yàn)證數(shù)據(jù)主要集中于暹粒城區(qū)及公路兩旁，偏遠(yuǎn)的庫侖山及洞里薩湖相對(duì)較少，還需進(jìn)一步構(gòu)建土地利用/土地覆蓋變化與吳哥遺跡的關(guān)系及評(píng)價(jià)指標(biāo)；對(duì)于濕地面積的減少及近年農(nóng)業(yè)用地面積基本不變的原因還需進(jìn)一步的研究?？偟膩碚f，利用近30年的遙感影像分析發(fā)現(xiàn)，吳哥遺產(chǎn)及其周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境正在遭受嚴(yán)重的破壞，遺產(chǎn)地周邊林地被砍伐，建設(shè)用地增加已經(jīng)威脅到吳哥遺跡的保護(hù)；為了更好地保護(hù)吳哥遺跡的真實(shí)性和完整性，除了修復(fù)遺產(chǎn)本體外，還應(yīng)該保護(hù)生態(tài)環(huán)境，控制城市發(fā)展，尤其限制向遺產(chǎn)地的擴(kuò)展，適度開發(fā)旅游業(yè)。

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