永定客家土樓世界遺產(chǎn)地土地覆蓋與生態(tài)變化遙感評(píng)價(jià)

徐志剛， 鄭鴻瑞， 戴晨曦， 高 鵬， 杜培軍

(1.南京大學(xué)衛(wèi)星測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023； 2.龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院，龍巖 364012； 3.江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

0 引言

2008年7月，福建省龍巖市永定客家土樓與南靖土樓及華安土樓組成的“福建土樓”被正式列入《世界遺產(chǎn)名錄》。永定區(qū)是擁有客家土樓及土樓群最多的區(qū)縣，據(jù)地方縣志記載，全區(qū)現(xiàn)有土樓2萬(wàn)多座，分布在全區(qū)各個(gè)鄉(xiāng)村，其中下洋鎮(zhèn)初溪土樓群、高頭鄉(xiāng)高北土樓群、湖坑鎮(zhèn)洪坑土樓群以及衍香樓、振福樓，簡(jiǎn)稱“三群二樓”，被列入“世界文化遺產(chǎn)”名錄。自然因素及人類活動(dòng)影響遺產(chǎn)地內(nèi)部及周邊區(qū)域土地覆蓋及生態(tài)環(huán)境狀況。2009年2 月，永定區(qū)人民政府委托陜西省古建筑設(shè)計(jì)研究院制定的《福建(永定)土樓保護(hù)規(guī)劃》明確提出，要定期對(duì)土樓及其生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。當(dāng)前開展的區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)主要以國(guó)家環(huán)境保護(hù)部于2006年頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(ecological index，EI)來(lái)進(jìn)行。EI提出以來(lái)，得到了廣泛應(yīng)用，但也存在諸如指標(biāo)權(quán)重合理性、歸一化系數(shù)設(shè)定、生態(tài)環(huán)境狀況變化可視化及時(shí)空分析缺乏等問(wèn)題[1-3]。

近年來(lái)，遙感技術(shù)以其大范圍快速、重復(fù)對(duì)地觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，大量應(yīng)用于世界遺產(chǎn)地及周邊環(huán)境可視化表達(dá)、土地利用/覆蓋及其變化信息提取與變化規(guī)律分析[4-6]、生態(tài)環(huán)境因子提取、保護(hù)區(qū)景觀變化及變化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境演變與驅(qū)動(dòng)因素研究[7-9]等，但完全獨(dú)立采用遙感技術(shù)對(duì)遺產(chǎn)地及周邊區(qū)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)則非常少。徐涵秋[10]提出的新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index，RSEI)獨(dú)立應(yīng)用遙感技術(shù)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行快速、定量、客觀評(píng)價(jià)，時(shí)空變化分析、建模與預(yù)測(cè)，并可視化地表達(dá)相關(guān)結(jié)果，且與EI具有良好的可比性。

本文利用穩(wěn)定、高精度的多分類器集成技術(shù)[11]，對(duì)土樓遺產(chǎn)所在地永定區(qū)及其規(guī)劃保護(hù)區(qū)1988—2014年間的土地覆蓋變化信息進(jìn)行提取； 利用RSEI對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變化狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證RSEI對(duì)該類區(qū)域評(píng)價(jià)的合理性，為未來(lái)定期快速、定量、客觀評(píng)價(jià)并可視化地表達(dá)遺產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境狀況提供技術(shù)支持。通過(guò)以上方法獲取的土地覆蓋及生態(tài)環(huán)境變化信息，分析二者之間的關(guān)系，以期為土樓遺產(chǎn)地生態(tài)保護(hù)及科學(xué)規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

永定客家土樓位于閩西最南端的福建省龍巖市永定區(qū)，分布在全區(qū)各鄉(xiāng)村。因此，本文選取永定全區(qū)作為研究區(qū)，地理位置在E116°25′～117°05′，N24°23′～25°05′之間，面積2 226.45 km2。同時(shí)，為了重點(diǎn)突出世界文化遺產(chǎn)所在區(qū)土地覆蓋及生態(tài)變化狀況，根據(jù)“三群二樓”5個(gè)遺產(chǎn)地地理分布狀況(圖1)，結(jié)合保護(hù)區(qū)劃分實(shí)際，又選取其中的湖高區(qū)(包括髙北土樓群、洪坑土樓群、振福樓和衍香樓，總面積117.48 km2)為重點(diǎn)研究區(qū)。

圖1 永定區(qū)及客家土樓世界文化遺產(chǎn)處Landsat8影像(Landsat8 B4(R)，B3(G)，B2(B)真彩色合成影像)Fig.1 Landsat8 images showing Yongding district and locations of World Heritage of Hakkas Tulou

研究區(qū)屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候帶，年平均氣溫為18～20 ℃，年降雨量為1 400～1 800 mm。境內(nèi)群山起伏，地勢(shì)東北高、西南低，屬典型中低山丘陵地貌。植被群落系亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域。

研究區(qū)土地覆蓋以林地為主，林地占全區(qū)土地總面積的70%以上，而后按占比由高到低依次為耕地、建設(shè)用地、水域及水利設(shè)施用地等。由于區(qū)內(nèi)森林覆蓋率高，總體生態(tài)環(huán)境較好。長(zhǎng)期以來(lái)人們以農(nóng)耕生產(chǎn)方式為主，導(dǎo)致林地不斷遭受破壞，生態(tài)環(huán)境隨之惡化。近年來(lái)，隨著申遺成功，人們生產(chǎn)、生活方式的改變以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，政府環(huán)境治理措施得有效落實(shí)，生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)不斷改善趨勢(shì)。

根據(jù)研究區(qū)土地覆蓋特點(diǎn)，為了更好地區(qū)分各地類，本文選用5景獲取時(shí)相均為10月份的Landsat系列遙感影像，影像獲取時(shí)間分別為1988年10月9日(TM)、1996年10月31日(TM)、2002年10月8日(ETM+)、2009年10月19日(TM)和2014年10月17日(OLI)。對(duì)原始影像進(jìn)行了輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何糾正和影像裁剪等預(yù)處理。

2 研究方法

2.1 土地覆蓋分類

根據(jù)Landsat 系列遙感影像的可解譯性，結(jié)合永定區(qū)實(shí)際情況，確定林地、灌木/草地、耕地、水體、建設(shè)用地、裸土、其他地類(退化地及開墾地)等共7類土地覆蓋類型。

2.1.1 最佳分類波段選擇

Landsat 系列遙感影像原始波段間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，直接利用原始波段數(shù)據(jù)進(jìn)行土地覆蓋分類，容易導(dǎo)致部分地物類型嚴(yán)重混淆。已有研究表明，通過(guò)波段選擇及利用波段運(yùn)算獲得的相關(guān)指數(shù)構(gòu)建新的特征空間能夠增強(qiáng)地物類別之間的可分性[12]。具體方法是對(duì)特征空間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇相對(duì)獨(dú)立、各地類在所選特征空間內(nèi)差異大且包含信息量多的3～4個(gè)特征進(jìn)行組合[13]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各地類在紅波段、短波紅外段及歸一化植被指數(shù)中具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，故將這3個(gè)特征作為分類輸入特征。

2.1.2 最佳分類方法選擇

基于新的特征空間，分別采用支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)、最大似然分類器(max-likelihood classifier，MLC)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器(neural network classifier，NNC)監(jiān)督分類方法，利用多分類器集成策略中的多數(shù)投票法，組合3種方法的分類結(jié)果。通過(guò)實(shí)地驗(yàn)證，分類精度均在86%以上，滿足土地覆蓋分類要求。研究區(qū)土地覆蓋分類圖[11]如圖2所示。

(a) 1988年 (b) 1996年 (c) 2000年

(d) 2009年 (e) 2014年

圖2永定區(qū)和湖高區(qū)土地覆蓋分類圖

Fig.2Land-coverclassificationmapsofYongdingdistrictandHugaoregion

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算

遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)由能直觀反映生態(tài)條件優(yōu)劣的濕度(Wet)、歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)、歸一化土壤指數(shù)(normalized difference soil index，NDSI)、地表溫度(land surface temperature，LST)等4個(gè)分量通過(guò)主成分變換后的第一主成分(PC1)生成[10]。4個(gè)分量的計(jì)算式見(jiàn)表1。

表1 各分量計(jì)算式Tab.1 Formulas of various index

通過(guò)遙感數(shù)據(jù)獲取的4個(gè)分量的量綱不一致，需對(duì)各分量進(jìn)行歸一化，即

NPi=(Pi-Pmin)/(Pmax-Pmin) ，

(1)

式中：NPi為歸一化處理后的某一分量值，取值范圍為[0,1]；Pi為該分量在像元i的值；Pmax和Pmin分別為該分量的最大值和最小值。

然后再利用遙感影像處理軟件中的PCA模塊計(jì)算PC1。計(jì)算得到的PC1值隨生態(tài)環(huán)境惡化而遞增，為使PC1值與生態(tài)關(guān)系符合人們的認(rèn)知習(xí)慣，利用1減去PC1值得到初始生態(tài)指數(shù)RSEI0[17]，即

RSEI0=1-PC1 。

(2)

同樣，為了便于利用生態(tài)指數(shù)對(duì)比研究區(qū)各期生態(tài)變化狀況，需要對(duì)RSEI0進(jìn)行歸一化[10]，即

RSEI=(RSEI0-RSEI0_min)/(RSEI0_max-RSEI0_min) ，

(3)

式中RSEI為遙感生態(tài)指數(shù)，其值為[0，1]；RESI0_min和RESI0_max分別為RESI最小值和最大值。生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)劣與RSEI呈正相關(guān)，生態(tài)越好，RSEI越接近1。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆蓋變化時(shí)空分析

利用多分類器集成分類方法得到各年份土地覆蓋類型圖，對(duì)湖高區(qū)各個(gè)年份各土地覆蓋類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了不同年份的土地覆蓋類型面積及其變化統(tǒng)計(jì)圖(圖3)。

(a) 各土地覆蓋類型面積 (b) 各土地覆蓋類型面積變化

圖3湖高區(qū)各年份土地覆蓋類型面積及變化值

Fig.3Areaandareachangequantitiesofdifferentland-coverclassesinvariousyearsinHugaoregion

為了很好地反映1988—2014年26 a間研究區(qū)土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化，采用分類后比較的變化檢測(cè)方法，對(duì)不同年份土地覆蓋分類圖進(jìn)行比較，得到永定全區(qū)及湖高區(qū)土地覆蓋變化轉(zhuǎn)移矩陣。通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合影像分類圖與土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣的分析結(jié)果表明，26 a間永定區(qū)林地、建設(shè)用地、水體和裸土分別增加了286.53 km2，80.34 km2，25.76 km2和17.40 km2，其他地類、耕地及灌木/草地分別減少了267.45 km2，129.87 km2及12.13 km2。對(duì)遺產(chǎn)地內(nèi)部及周邊區(qū)域的湖高區(qū)變化具體分析如下：

1)林地。26 a間增加了8.55 km2，年均增長(zhǎng)率為 0.57%，除2002—2009年間出現(xiàn)大量增加外，其他年間都有少量減少，說(shuō)明永定客家土樓申遺前、后的環(huán)境整治取得了很大成效。增加的林地均集中在中、高海拔區(qū)，主要由其他地類和灌木/草地轉(zhuǎn)化而來(lái)； 減少的林地主要因材木采伐而退化為灌木/草地，或被開墾為果園地、耕地，或被建設(shè)用地占用。

2)灌木/草地。呈減→增→減→增的趨勢(shì)，總體上有大幅增加。增長(zhǎng)較快的時(shí)期在1996—2002年間及2009—2014年間，減少最快的時(shí)期為2002—2009年間。灌木/草地增加的主要來(lái)源為耕地及其他地類，減少的灌木/草地均大部分轉(zhuǎn)化為林地，進(jìn)一步說(shuō)明了申遺前、后環(huán)境整治的有效性。

3)耕地。26 a間減少了9.23 km2，年均減少率為3.39%。經(jīng)歷了1988—1996年的增長(zhǎng)后，呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)。減少最多的發(fā)生在2002—2009年間，說(shuō)明這個(gè)時(shí)期的退耕還林工作取得了實(shí)際成效。增加的耕地主要來(lái)源于建設(shè)用地附近的林草地(包括林地、灌木及草地)，減少的耕地主要轉(zhuǎn)化為灌木/草地及建設(shè)用地； 轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的耕地大部分靠近城鎮(zhèn)，轉(zhuǎn)化為灌木/草地的耕地大部分分布在坡耕地上。

4)建設(shè)用地。26 a間增加了5.75 km2，年均增長(zhǎng)率為5.15%，呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。增加的建設(shè)用地主要由耕地和林草地轉(zhuǎn)化而來(lái)，且多在原有的城鎮(zhèn)用地基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展； 減少的建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)化為耕地、灌木/草地等。

5)其他地類。26 a間減少了27.31 km2，年均減少率為5.08%。通過(guò)分析各個(gè)時(shí)段的變化可以看出，其他地類在1996—2002年與2009—2014年間減少最多，而在2002—2009年間出現(xiàn)少量增長(zhǎng)。增加的其他地類主要來(lái)源與靠近居民地的林草地及耕地； 減少的其他地類主要分布在中、高海拔地區(qū)，轉(zhuǎn)化為林草地及耕地。

6)水體和裸土。水體變化主要隨河流水位的變化而略有變化。裸土在總體上呈微量增加趨勢(shì)，主要由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)建設(shè)用地需求的加大，導(dǎo)致在建設(shè)用地周圍出現(xiàn)部分裸露地。

3.2 生態(tài)環(huán)境狀況變化分析

為了定量地反映研究區(qū)1988—2014年26 a間的生態(tài)變化，統(tǒng)計(jì)了全區(qū)和湖高區(qū)的5個(gè)年份的Wet，NDVI，NDSI和LST 4個(gè)分量及RSEI(表2)。分析表2可知，永定區(qū)的RSEI均值1988—1996年間下降，之后逐步上升，說(shuō)明全區(qū)1996年后的生態(tài)環(huán)境得到不斷改善。具體分析湖高區(qū)，RSEI均值從1988年的0.577 0下降到1996年的0.507 1，而在1996—2002年間基本維持不變，2002年后逐步提升，到2009年基本恢復(fù)到1988年水平，再到2014年達(dá)到0.660，比2009年大幅上升16.68%，說(shuō)明湖高區(qū)遺產(chǎn)地內(nèi)部及周邊生態(tài)環(huán)境在2002年后不斷得到改善，2009年后改善更加明顯。結(jié)合圖2和圖3進(jìn)一步分析各分量及RSEI與土地覆蓋變化的關(guān)系，可以看出：

表2 5個(gè)年份4個(gè)分量及RSEI的均值變化Tab.2 Changes for mean values of four components and RSEI in five years

1)從各分量對(duì)PC1的貢獻(xiàn)度來(lái)看，與生態(tài)環(huán)境正相關(guān)的NDVI及WET為正值，與生態(tài)環(huán)境負(fù)相關(guān)的NDSI及LST為負(fù)值； 通過(guò)定量計(jì)算，RSEI與4個(gè)分量的平均相關(guān)系數(shù)達(dá)0.83，比4個(gè)分量間平均相關(guān)系數(shù)最高的NDSI的0.70增加了18.57%，比最低的LST的0.54增加了53.70%，從而有力地驗(yàn)證了用RSEI進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的合理性。

2)在土地覆蓋類型與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系上，生態(tài)環(huán)境好的主要為植被覆蓋度高的林地和其他地類中的果園，生態(tài)環(huán)境較好的主要為灌木/草地和其他地類中的退化區(qū)域，生態(tài)環(huán)境一般的主要為耕地，生態(tài)環(huán)境差的主要為裸土和建設(shè)用地區(qū)域。生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣與土地覆蓋類型的布局基本符合。

3)濕度和綠度2個(gè)分量值呈現(xiàn)減→減→增→增的變化趨勢(shì)。1988—1996年期間正是由于對(duì)濕度和綠度分量有正面影響的林草地和其他地類中的果茶園地總體減少，而起相對(duì)負(fù)面影響的裸土、耕地和其他地類中的退化地總體增加，導(dǎo)致這一時(shí)期的RSEI也同步減少； 而在1996—2014年間，其他地類中的退化地、耕地或者灌木/草地大量減少，但絕大部分轉(zhuǎn)化為對(duì)濕度和綠度更有利的林草地或果茶園地，因而使RSEI也同步增加。

4)NDSI分量值呈現(xiàn)增→減→增→減趨勢(shì)。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)與NDSI正相關(guān)的耕地、建設(shè)用地和其他地類的綜合面積總體上也呈現(xiàn)出增―減―增―減的趨勢(shì)，這也是導(dǎo)致從1988—1996年間RSEI值降幅較大的直接原因，而1996年后沒(méi)有對(duì)NDSI造成太大影響的原因是由于占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的林草地的大量增長(zhǎng)。

5)LST分量值變化規(guī)律性不是很明顯，這主要由于該分量與其他分量平均相關(guān)性最低，對(duì)RSEI的影響(荷載值)普遍最小，且對(duì)RSEI值影響最大的建設(shè)用地和裸土在各年份地類中占比較小。

為了直觀、立體地表達(dá)生態(tài)環(huán)境狀況的時(shí)空變化，制作了研究區(qū)的5期生態(tài)等級(jí)變化檢測(cè)圖，如圖4所示。

(a) 1988—1996年(b) 1996—2002年(c) 2002—2009年(d) 2009—2014年

圖4永定區(qū)和湖高區(qū)RSEI變化檢測(cè)圖

Fig.4ImagesofRSEIchangedetectioninYongdingdistrictandHugaoregion

統(tǒng)計(jì)分析表明，除1988—1996年間生態(tài)狀況變好的區(qū)域比變差的區(qū)域少外，其他各時(shí)段生態(tài)狀況變好的區(qū)域都多于變差的區(qū)域，即1996年后生態(tài)環(huán)境狀況在整體上是逐漸向好的方向發(fā)展的。特別值得注意的是重點(diǎn)研究區(qū)湖高區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的后期變好趨勢(shì)更加明顯。進(jìn)一步分析表明，無(wú)論是變好還是變差，隨著生態(tài)等級(jí)的增加，級(jí)差加大呈明顯遞減性，也表明生態(tài)環(huán)境變化需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，即在生態(tài)環(huán)境治理過(guò)程中要堅(jiān)持連續(xù)性和長(zhǎng)期性。

結(jié)合土地覆蓋變化檢測(cè)進(jìn)行空間分析可以看出，生態(tài)質(zhì)量變好的區(qū)域位于坡耕地、原有中高海拔退化地、開墾地以及灌木/草地轉(zhuǎn)化為林地的區(qū)域； 生態(tài)質(zhì)量變差區(qū)域則集中在林草地轉(zhuǎn)化為耕地、退化及開墾地區(qū)域，以及城鎮(zhèn)周邊擴(kuò)展區(qū)域。

4 結(jié)論

本文針對(duì)永定區(qū)遺產(chǎn)地土地覆蓋及生態(tài)變化分析需求，利用遙感變化檢測(cè)及遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對(duì)遺產(chǎn)地所在區(qū)及規(guī)劃保護(hù)區(qū)進(jìn)行相關(guān)分析與評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

1)永定全區(qū)及湖高區(qū)土地覆蓋類型在研究期內(nèi)均發(fā)生了很大變化。變化較明顯區(qū)域?yàn)楹０屋^高的退化地、坡耕地及低山地區(qū)，即封山造林影響區(qū)及人類活動(dòng)頻繁區(qū)； 而中、高山區(qū)及坡度較大不適合耕種地區(qū)受人類活動(dòng)影響較小，土地覆蓋類型變化不明顯。面積變化最大的是林草地，其次是退化地和開墾地。

2)永定全區(qū)及湖高區(qū)的RSEI值均呈現(xiàn)先下降、后逐步提升的態(tài)勢(shì)，即生態(tài)環(huán)境由1988—1996年的變差到1996年后的逐步改善。

3)生態(tài)環(huán)境狀況與土地覆蓋類型緊密相關(guān)。在1988—2014年的26 a間，1988—1996年研究區(qū)林草地退化或開墾為耕地導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，其后隨著申遺工作的開展，生態(tài)環(huán)境整治力度的加大，對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起積極影響作用的林草地大面積增加，使得1996年后生態(tài)環(huán)境狀況不斷改善，永定全區(qū)及湖高區(qū)生態(tài)質(zhì)量均得到大幅提升，湖高區(qū)生態(tài)質(zhì)量的后期改善則更加明顯。

4)生態(tài)環(huán)境改善不可能一蹴而就，區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理與維護(hù)貴在堅(jiān)持連續(xù)性與長(zhǎng)期性。

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