吳哥遺產地土地利用／土地覆蓋變化遙感分析

吳哥遺產地土地利用/土地覆蓋變化遙感分析

廖凱濤1，2，3，王成2，3，習曉環2，3，齊述華1，KHUON Khun-neay4

(1.江西師范大學 地理與環境學院，南昌 330022；2.中國科學院 遙感與數字地球研究所 數字地球重點實驗室，北京 100094；3.聯合國教科文組織國際自然與文化遺產空間技術中心，北京 100094；4.柬埔寨吳哥窟世界文化遺產管理局，暹粒 999094)

摘要：吳哥窟是柬埔寨的象征，近年來深受嚴重的環境問題的困擾。利用長時間序列衛星影像，采用最大似然分類方法，提取吳哥遺產本體及周邊區域近30年土地利用/土地覆蓋及變化信息，并基于轉換矩陣方法分析各土地類型變化規律，最后利用野外地面實測數據對分類精度進行了驗證。研究表明：基于光學影像的吳哥遺產地土地利用/土地覆蓋分類精度可達81.4%；遺產地周邊建設用地增加迅猛；林地面積大量減少，主要轉化為農業用地及草地；農業用地顯著增加，來源于裸地及林地；水體和濕地變化較少；導致吳哥土地類型變化的主要驅動因素是旅游業帶來的資源過度開發、森林大量砍伐，吳哥遺產的原真性、完整性和蘊含的歷史與文化價值也正遭受極大威脅。

關鍵詞：吳哥遺產；光學影像；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：TP751文獻標識碼：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

隨著社會經濟的飛速發展，人類對土地資源開發的強度大大增加，土地利用/土地覆蓋變化及其引起的生態環境問題受到人們的廣泛關注。衛星遙感技術具有實時、快速、覆蓋范圍廣、周期性等特點，已經被廣泛運用于土地利用/土地覆蓋分類及其變化監測[1-5]。

吳哥遺跡位于柬埔寨暹粒省，于1992年被聯合國科教文組織(UNESCO)列入《世界遺產名錄》，同時被列入《世界瀕危遺產名錄》。從1993年開始，柬埔寨政府和UNESCO發起了拯救吳哥古跡的國際行動，截止目前，已經有包括中國在內的20多個國家加入了該計劃，對吳哥多處古跡進行修復[6-11]。吳哥遺產與周邊環境是統一整體，各類環境要素是遺產本體賴以存在的基礎，因此也有一些學者利用遙感技術開展吳哥窟及其周邊環境變化研究。1992年Kvamme等[12]利用Landsat TM影像，人工尋找吳哥窟周邊的遺跡。2003年悉尼大學聯合其他8個國家的科學家，發起名為“Great Angkor Project”的項目，利用航空攝影測量、地表調查與GPS制圖、水文模擬、航空及SAR影像制圖等方式對吳哥環境變化、人口數量及密度、土地利用方式和生存模式等進行系統性調查，分析遺產與環境的時間演變關系模型。Gaughan等[13]利用Landsat TM數據對吳哥地區1995年～2005年的旅游、森林和土地利用狀況進行了調查和分析，認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為旅游業服務的木炭，并轉換為農業用地。Traviglia[14]利用SPOT數據對高棉森林進行多尺度調查研究，發現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需要，吳哥周邊酒店、商業區等快速興建，并逐漸向吳哥遺產地逼近，不僅破壞了當地的生態平衡，而且對吳哥遺產的安全造成嚴重威脅。本研究即利用遙感手段，開展吳哥遺產及其周邊區域的土地利用/土地覆蓋變化監測與分析，以期為遺產地保護提供科學依據。

2研究區與數據

2.1研究區

研究區位于柬埔寨暹粒省，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。該區為典型的熱帶季風氣候區，高溫多雨，全年降雨量達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。研究區相對平坦，最高海拔501m(北部庫侖山)。地表覆蓋包括森林、稻田、城鎮用地、濕地及文化遺產保護區。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]，水面上升會淹沒湖周邊大部分區域甚至吳哥遺產地局部。

2.2數據

本文收集了吳哥遺產地近30年的Landsat MSS、Landsat TM以及HJ-1A衛星遙感影像(表1)，獲取時間集中在旱季，云量均小于5%。Landsat數據及HJ-1A數據可分別從USGS官網(http：//www.usgs.gov)及中國資源衛星應用中心網站(http：//www.cresda.com)免費獲取。為了便于選擇訓練樣本、提高分類精度，本研究還購買了研究區的QuickBird數據，全色波段分辨率為0.61m，多光譜分辨率為2.44m。

表1　衛星數據情況

3方法及結果

3.1研究方法

以遙感處理軟件ENVI 4.8為平臺，將研究區的土地利用類型分為林地、水體、濕地、草地、裸地、農業用地及城鎮用地7大類。利用最大似然分類方法，綜合應用了每個類別在各波段中的均值、方差以及各波段之間的協方差等信息，進行監督分類。

為了提高分類精度，在選取訓練樣本時采取高分影像參考法，即在對2006年TM影像分類選擇訓練樣本時，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練樣本3～5個，結合這些樣本的光譜特性選擇其他范圍內的訓練樣本，然后以2006年的訓練樣本為參考，對其他3幅影像進行訓練樣本的選擇(由于1985年影像分辨率及城鎮化水平均較低，未對1985年城鎮用地進行分類)。圖1為2006年吳哥遺產地土地利用/土地覆蓋類型分類圖。在ENVI軟件中對分類后的結果進行精度評價，基于地表真實感興趣區的4期影像分類結果的總體分類精度均大于84%；其中2013年11月實測數據與2013年1月17日HJ-1A影像的分類結果驗證，精度為81.4%(表2)。

圖1　2006年吳哥遺產地土地利用/土地覆蓋類型分類

農業用地城鎮用地林地草地裸地水體濕地總體實測個數18127212143誤分個數22111018分類精度(%)88.8983.3385.71500100181.4

3.2基于轉移矩陣的時間序列分析

對1985年至2013年的4幅影像分類結果進行統計并生成土地利用變化的轉移矩陣，結果如表3和表4所示。為分析研究區的土地利用變化情況，本文引入了土地利用變化強度指數(P)[16]，描述單一地類動態變化，其定義是研究區內某種土地類型在監測末期(b)與監測初期(a)數量的年變化速率，可定量比較土地利用變化的區域差異、預測土地利用變化趨勢，如式(1)所示。

(1)

其中，P為目標土地利用類型i在某一空間單元(縣、市或特定研究區)內的土地利用變化強度指數；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間間隔，以年為單位。

表3　吳哥遺產地遙感影像分類結果統計

表4　吳哥遺產地1985年～2013年土地利用/土地覆蓋轉移矩陣

4結果分析

4.1土地利用/土地覆蓋的動態變化

4.1.1城鎮用地

依據分類統計結果，可以看出30年來研究區土地利用情況發生了顯著變化，其中城鎮用地增加明顯。1992年吳哥被UNESCO列入世界遺產名錄，每年前往吳哥的游客激增，到2007年游客數量已經從入選前的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業用地及林地，空間分布上主要集中在暹粒城區及庫侖山腳。通過疊加道路及河流矢量數據發現，暹粒城區的南北沿暹粒河、東西沿6號公路呈現十字擴張(圖2)。

圖2　暹粒市城鎮用地變化圖

4.1.2林地

林地是研究區最大的土地利用類型，約占研究區總面積的40%。近30年來，林地面積呈明顯減少趨勢，是所有地物類型中減少最多的。隨著城市的擴張、柴薪能源的消耗、森林火災以及人類對林地的開發，大量的林地向農業用地、草地等快速轉變，其中以2006年至2013年減少最多，其土地利用變化強度指數從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為林地；柬埔寨副首相兼聯合國教科文組織全國委員會主席Sok An在2012年12月公開發表聲明，吳哥遺產地周邊森林砍伐已經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，保護森林迫在眉睫[17]。

4.1.3農業用地

研究區內的農業用地面積僅次于林地，主要農作物為水稻[13]。從影像分類結果看，與林地面積快速減少相反，農業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，旅游業的發展，導致吳哥窟遺跡附近的部分農業用地變為城鎮用地，另一方面，大量的砍伐林地、草地開墾為農業用地，空間分布上農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。

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，研究區濕地面積總體呈現減少的態勢，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業用地。

4.1.6裸地

裸地面積呈現增加—減少—不變的趨勢，增加主要是來源于林地的砍伐，而減少則主要變為農業用地、草地。

4.2土地利用變化驅動力分析

吳哥遺產地1985年～2013年間土地利用/土地覆蓋變化的驅動因子復雜多樣，主要分為自然驅動力和社會驅動力，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、經濟、技術、貧富狀況、價值與觀念、自然保護區建設等因素。盡管從長時間尺度上看，自然和人為因素都驅動著土地利用/覆蓋變化，但在短時間尺度的城市化過程中，人類活動無疑是最主要的驅動因素[18]。

影響吳哥環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，森林大火時有發生，林地被燒毀變為裸地，若干年后恢復成為草地、林地，影響林地、草地、裸地面積。

旅游業帶動的城鎮發展是改變吳哥遺產地土地利用變化的最直接原因。柬埔寨政府為了促進遺產地的社會經濟發展，頒布的第一個政策就是讓原來離開遺產地的居民重新回到遺產地周圍生活[19]，游客的劇增也導致吳哥人口快速增長[14]，并在吳哥旅游的滯留時間大大延長[20]，由此帶動暹粒城鎮的快速發展，并逐漸向吳哥遺產地靠攏，對遺產地構成了威脅。城鎮的快速發展也推動了能源的大量需求，該地區的能源以柴薪為主，大量的森林被砍伐，林地變為裸地、草地開墾變為農業用地，并在庫侖山山腳形成新的居民點。林地減少、農田和城鎮的增加是人類活動最主要的表現。

5結束語

本文利用長時間序列的遙感影像、QuickBird高分影像，并結合2013年實地采集信息，對吳哥遺產本體及其周邊區域遙感影像進行分類，提取吳哥遺產本體及其周邊區域近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衛星數據客觀反映了吳哥遺產地的土地利用/土地覆蓋變化在結構、數量、趨勢、空間分布方面發生的巨大變化。

研究中利用的數據包含Landsat MSS、Landsat TM以及HJ-1A數據，其中Landsat MSS與HJ-1A數據均只有4個波段，可能對分類結果有一定影響。野外驗證數據主要集中于暹粒城區及公路兩旁，偏遠的庫侖山及洞里薩湖相對較少，還需進一步構建土地利用/土地覆蓋變化與吳哥遺跡的關系及評價指標；對于濕地面積的減少及近年農業用地面積基本不變的原因還需進一步的研究。總的來說，利用近30年的遙感影像分析發現，吳哥遺產及其周邊地區的生態環境正在遭受嚴重的破壞，遺產地周邊林地被砍伐，建設用地增加已經威脅到吳哥遺跡的保護；為了更好地保護吳哥遺跡的真實性和完整性，除了修復遺產本體外，還應該保護生態環境，控制城市發展，尤其限制向遺產地的擴展，適度開發旅游業。

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