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2015 , Vol. 17 >Issue 8: 963 - 968

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2015.00963

新疆吐鲁番地区土遗址及其环境变化空间信息分析

  • 江红南 , 1 ,
  • 张永兵 , 2**, * ,
  • 徐佑成 2 ,
  • 孟优 1
展开
  • 1. 新疆大学干旱生态环境研究所,乌鲁木齐 830046
  • 2. 吐鲁番地区文物局,吐鲁番 838000
*通讯作者：张永兵(1961-),男,副研究员,研究方向为文物考古。E-mail:

作者简介：江红南(1980-),男,讲师,研究方向为摄影测量与遥感。E-mail:

收稿日期: 2014-09-22

  要求修回日期: 2015-01-05

  网络出版日期: 2015-08-05

基金资助

国家社会科学研究基金项目(10XKG0006)

吐鲁番学研究院课题(TX2012-017)

收起

Analysis of Spatial-Temporal Change of Earthen Sites and Their Environment Based on Spatial Information Technology in Turpan Region, Xinjiang

  • JIANG Hongnan , 1 ,
  • ZHANG Yongbing , 2, * ,
  • XU Youcheng 2 ,
  • MENG You 1
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  • 1. Institute for Ecology and Environment in Arid Lands, Xinjiang University, Urumqi 830046, China
  • 2. Turpan Cultural Relics Bureau, Turpan 838000, China
*Corresponding author: ZHANG Yongbing, E-mail:

Received date: 2014-09-22

  Request revised date: 2015-01-05

  Online published: 2015-08-05

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

新疆吐鲁番地区的土遗址数量较多,且具有重要历史文化价值,故对土遗址及其环境的时空变化研究具有重要意义。目前,对大型土遗址的发现保护多利用考古、实地调查和空间信息技术等方法。鉴此,本文分析了吐鲁番地区土遗址及其内外部环境的变化。研究结果表明,20世纪60年代至2010年间该区域土遗址本体及其内部环境发生了较大变化,其主要影响因素是病害发育和人为破坏。病害主要为裂隙与坍塌、风害、酥碱病害、水蚀、表层剥落、生物病害等,其中,普遍的病害是裂隙与坍塌和风害。1990-2010年,研究区土遗址外部地表环境发生了较大变化,耕地和居民地明显增加,草地和未利用地明显减少,尤其是交河故城和高昌故城这2个世界文化遗产区域发生的变化更明显。土遗址周围的人类活动强度在增加,绿洲内部土遗址的外部环境较绿洲边缘或外部更加剧烈;内部的土遗址更容易受到人类活动的影响,而外部环境变化的主要影响因素是人类的耕地和居民地开发活动。

关键词： 土遗址; 时空变化; 环境; 影响因素; 空间信息技术

本文引用格式

江红南 , 张永兵 , 徐佑成 , 孟优 . 新疆吐鲁番地区土遗址及其环境变化空间信息分析[J]. 地球信息科学学报, 2015 , 17(8) : 963 -968 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2015.00963

Abstract

There are a large number of earthen sites that have important historical and cultural values in Turpan region, Xinjiang. It is very meaningful to study the spatial-temporal change of earthen sites and their environment. Aiming at the exploration of earthen sites conservation, using methods of archaeology and field investigation, remote sensing (RS), geographic information system (GIS), and global positioning system (GPS) techniques, we analyzed the spatial-temporal change of earthen sites and their internal-external environment. The results showed that the persistence of the earthen sites has a close relationship with the regional environment, that the regional environment has an influence on the persistence of earthen sites. The earthen sites and their internal environment had changed greatly from the 1960s to 2010. We found that the main driving forces of earthen sites and their internal environment change were diseases and human destructions. The main forms of diseases in earthen sites are fracture and collapse, wind erosion, water erosion, alkali disease, surface peeling, and biological erosion. Among the above factors, fracture, collapse and wind erosion are the dominant forms. From 1990 to 2010, great changes in the external environment of earthen sites had taken place in the study area. The cultivated land and residential land had increased significantly, while the grassland and unused land had decreased obviously. The changes in the external environment were especially obvious around Jiaohe and Gaochang ruins, while the intensity of human activities around these earthen sites had increased. The changes in surface environment types of earthen sites in different regions were different. The changes in environment types of earthen sites that located in the interior of oasis were more intense than those located at the edge of oasis; earthen sites that located in the interior of oasis are more vulnerable to the impacts of human activities. The development of cultivated land and residential land were the main driving forces of the external environment change of earthen sites, thus it is necessary to limit human activities for the purpose of earthen sites conservation.

Key words： earthen sites; spatial-temporal change; environment; effect factors; spatial information technology

1 引言

土遗址是人类历史上以土为主要材料而建造的具有历史、艺术和科学价值的文化遗产,其自身物理力学性质和建造工艺决定了它的脆弱性。中国绝大多数土遗址病害普遍发育,急需实施保护[1]。科学的土遗址保护技术研究始于20世纪60年代后[2-7],国内20世纪80年代末才开始在少数几个地方进行试验研究[8-9]。土遗址保护工作是中国文物保护的重要组成部分,土遗址主要分布在中国中西部生态环境脆弱地区,土遗址本身的性质和所处的环境决定其更容易遭受破坏。目前,大遗址的内涵不仅包括文物单位个体,还包括与地理环境相关的遗址及包含有文物、建筑群的遗址群体综合系统。大遗址保护包含了整体遗址环境的保护。中国土遗址保护研究虽然取得了很大的进步,但土遗址保护的科学体系还没有完全建立,缺少将遗址本体和其依存的环境进行整体研究的技术方法与思路,土遗址考古与保护信息化水平低[10]。相对于其他文化遗产保护而言,中国的土遗址保护还处于起步阶段,需要针对土遗址保护中存在的主要问题进行研究。鉴此,本文基于空间信息技术对遗址本体和其依存的环境进行整体研究,探讨大型土遗址保护的问题。

2 研究区地理背景与数据源

新疆吐鲁番地区是世界四大文明的交汇地,是西域古老的历史文化、民风民俗和独特自然环境的最具综合性、典型性、代表性的地区。截止2008年12月吐鲁番地区有全国重点文物保护单位8处,自治区文物保护单位23处,有价值文物点189处,其中,大部分为土遗址,著名的遗址有高昌故城、交河故城、坎儿井、吐峪沟、柳中古城等。该区域的土遗址考古与保护研究在全国的考古研究中有着举足轻重的影响,由于吐鲁番大地区的文化遗址大部分为土遗址且区域生态环境脆弱,土遗址损坏严重。
研究数据包括研究区考古资料及其主要遗址1990年和2010年9月的TM和ETM多光谱遥感影像（均为晴空资料,云量小于5%）,20世纪60年代土遗址航拍影像（其空间分辨率为2 m）,2010年间的QuickBird遥感影像（多光谱和全色波段）,以及1:5万地形图、土地利用图和实地考查数据等。将考古资料进行了整理及图像处理（辐射校正、几何校正、图像剪裁、图像增强、数据融合等）后,根据遗址周围环境情况以及吐鲁番地区自然、社会经济特点,利用遥感影像提取了耕地、草地、居民用地、水体和未利用地。同时,利用混淆矩阵、Kappa系数等精度指标对结果进行评价,2期影像分类总精度均在90%以上,Kappa系数均在0.8以上,满足数据分析精度要求。

3 吐鲁番地区土遗址及其环境的空间信息分析

根据研究区土遗址实际情况,将遗址环境分为遗产区内部环境和遗产区外部环境。为了分析土遗址本体及其内部环境变化的影响因素,2012年10月和2013年6月在该区域调查了土遗址病害状况。同时,利用20世纪60年代航摄影像和2010年间的QuickBird影像,根据土遗址和影像特征及解译标志,进行图像目视解译。分析了高昌故城、阔坦吐尔古城和柳中古城等面积较大的土遗址本体及其内部环境的时空变化。

3.1 吐鲁番地区土遗址区域划分

根据吐鲁番地区土遗址分布状况、遗址保护规划和遗址本体及其所依附和体现其文化背景的环境整体保护的原则,将吐鲁番地区的土遗址划分为7个区域：高昌故城、交河故城、阔坦吐尔古城、苏公塔、让布公商城址、阿萨协亥尔古城和吐屿沟。高昌故城区域包含了与高昌故城有密切关联的火焰山相关山体和木头沟等环境要素,以及可为高昌故城价值特征提供潜在支撑的古墓葬、石窟寺等遗址遗迹,既保持并凸显高昌故城与火焰山的历史空间特征,又保持背倚火焰山的独特荒漠绿洲古城景观特征的视域空间。交河故城区域保障了交河故城城址、沟北墓地与所在台地及头道沟的关系和整体感觉不受村庄发展建设的负面影响;其他的遗址目前没有设定明显的保护区,且面积较小,作为点目标。故此,利用地理信息系统的空间缓冲区分析方法提取土遗址遗产区外地表环境类型[11],研究了1990年和2010年吐鲁番地区土遗址遗产区外周围半径5 km内的地表环境类型空间格局及其变化,旨在分析自然和人类活动对土遗址的潜在影响。半径5 km的范围确定的原则是保证交河故城和高昌故城除遗产区外的保护缓冲区全部划在了该范围并比保护缓冲区范围适当扩大,并且使各个遗址之间的研究范围不发生大量的重叠。对此经多次试验发现5 km是适中的拟定距离范围。以7个土遗址为中心,半径5 km范围内的其他土遗址都划为该区域。本研究共涉及土遗址18个,涵盖了吐鲁番地区具有代表性的土遗址。吐鲁番地区土遗址遗产区外部半径5 km缓冲区分布结果如图1所示。
Fig. 1 Regional division of earthen sites in Turpan

图1 吐鲁番地区土遗址区域划分示意图

对于土遗址遗产区外部环境的时间变化特征,利用景观类型总面积变化、分区域景观类型面积变化和年综合变化率,分析了地表环境类型变化的速度[12-15]。

3.2 大型土遗址本体及其内部环境时空变化

3.2.1 高昌故城遗址时空变化
对比高昌故城20世纪60年代和2008年的图像可看出（图2）,高昌故城内部变化较大,多处建筑遗迹发生坍塌。在20世纪60年代,遗西北和中部大部分的区域为农田,由于近年强调对遗址的保护,从2008年影像上看出这些农田已被废弃,说明研究时间内,对该遗址的保护力度较弱。高昌故城城址周边以村庄建设及农业用地为主,外城墙周边尚有少量民居,对城址各类遗迹存在潜在威胁。
Fig. 2 Remote sensing images of Gaochang ruins

图2 高昌故城遥感影像

3.2.2 阔坦吐尔古城遗址时空变化
对比阔坦吐尔古城20世纪60年代和2008年的图像看出（图3）,阔坦吐尔古城内部发生了明显的沙砾化,20世纪60年代遗址内被风吹蚀形成的最长的沙丘不到遗址的二分之一,而在2008年已经接近贯穿整个遗址,这是由于阔坦吐尔古城地处戈壁风区,其内部植被极少,携带的沙砾大风受到遗址的阻挡,沙砾在遗址一侧不断沉积,遗址内部形成了明显的风蚀地貌,60年代的航摄图像上遗址还能被明显识别,而在2008年遥感影像上可看出非常明显的风蚀沟和沙丘,整个遗址已被沙丘包围,尤其是东南侧最为严重,遗址建筑和沙丘已经连为一体。从20世纪60年代到2008年,遗址坍塌明显,某些在20世纪60年代的建筑,2008年已基本消失,如古城角落处的建筑。
Fig. 3 Remote sensing images of Kuotantur ruins

图3 阔坦吐尔古城遥感影像

3.2.3 柳中城遗址时空变化
从20世纪60年代和2010年的图像得到的柳中城时空变化图（图4）可看到,60年代柳中城城址形迹清晰可见,呈长方形,东西长约2 km,南北长约1 km,保存较好,城内有大量民居建筑,遗址外面分布有大量农田与河道。经过50多年的发展,受道路、城镇建设等影响,其遗址外城城墙几乎损坏殆尽,城内其他遗址从地表看已基本无存,仅剩紧靠西面呈南北方向的2处墙址。城内现代的房屋建筑向四面发展,以北面与东面最为显著,还修建了公路。柳中城损坏严重,整体上保存较差,遗存内容相对单一,已不能传达早期城市布局及文化内涵。相对于高昌故城等,柳中城受人为因素的破坏最大。
Fig. 4 Change of Liuzhong ruins from the 1960s to 2010

图4 20世纪60年代至2010年柳中城遗址变化

3.2.4 土遗址及其内部环境变化影响因素
通过以上典型土遗址的时空变化分析,结合实地调查得出吐鲁番地区土遗址本体及其内部环境时空变化的影响因素,主要为病害发育和人为因素。病害具体为裂隙与坍塌、风害、酥碱病害、水蚀、表层剥落、生物病害、沙化等,普遍的病害是裂隙与坍塌和风害,这与有关的研究类似[16-17],病害与区域环境有很大关系[18],但这些病害往往综合作用于遗址病害发展过程,从而加速了遗址的消亡。此外,人为因素也对土遗址产生了一定不利的影响,对于某些土遗址,人为因素的破坏是主要因素,如柳中古城内大部分被现代民居占据,某些城址被居民改造成自家院落,外城城墙几乎被损毁殆尽,已不能体现古城的原始形迹,而分布在农业灌溉区的坎儿井受农业灌溉的影响也很大。
3.2.5 土遗址遗产区外部环境时空变化及其影响因素
（1）地表环境类型面积变化
从表1可看出,1990-2010年间,对于耕地,除苏公塔区域外的其他区域都出现了明显增长,增长最大的是高昌故城和交河故城这2个重要遗址区域,分别增长了2866.90 hm2和568.57 hm2,增长率分别为72.41%和24.36%;对于居民用地,7个区域都出现了不同程度的增长,增长较多的是高昌故城、交河故城和苏公塔区域,分别增长了228.31 hm2、150.59 hm2和260.70 hm2,增长率分别为81.43%、204.11%和34.24%;对于草地,阔坦吐尔古城和阿萨协亥尔古城区域出现了增长,其他的区域均表现为减少,减少最多的区域是高昌故城和让布公商城址遗址区域,分别减少了378 hm2和228.24 hm2;对于水体,交河故城和阔坦吐尔古城区域出现了增长,阿萨协亥尔古城区域没有变化,其他区域都是减少,这与交河故城附近修建水库和阔坦吐尔古城附近耕地开发修建水渠等蓄水有关;对于未利用地,让布公商城址区域出现了增长,而其他的区域减少,让布公商城址区域未利用地的增加,主要由于草地的减少引起。同时,各个区域的未利用地的面积都最大,说明各个区域的景观基质主要是未利用地。
Tab. 1 The area of different environment types around each earthen site in different periods（hm2）

表1 不同时期不同土遗址周围各地表环境类型面积（hm2）

地表类型 年份 阔坦吐尔古城 交河故城 苏公塔 让布公商城址 高昌故城 吐峪沟遗址 阿萨协亥尔古城
耕地 1990 19.80 2334.47 3692.12 3438.37 3959.24 206.64 0.00
2010 67.14 2903.04 3526.29 3593.16 6826.14 264.06 3.15
居民用地 1990 0.00 73.78 761.34 210.57 280.37 95.40 0.00
2010 0.00 224.37 1022.04 231.21 508.68 103.70 0.00
草地 1990 1952.01 157.68 150.84 430.65 441.90 35.82 37.17
2010 2336.12 124.74 81.90 202.41 63.90 0.18 138.33
水体 1990 0.00 30.60 0.63 1.44 41.22 0.18 0.00
2010 10.00 45.00 0.00 0.00 23.94 0.00 0.00
未利用地 1990 9085.32 4581.58 3252.88 4277.55 15 880.81 7522.65 11 240.90
2010 8643.87 3880.96 3227.58 4331.97 13 180.88 7492.75 11 136.42
从表2可看出,1990-2010年间,土遗址周围代表人类影响力的耕地和居民用地增长较大,分别增长了3532.34 hm2和668.54 hm2,增长率分别为25.88%和47.03%,草地和未利用地分别减少了258.49 hm2和3947.26 hm2,减少率分别为8.06%和7.07%,水体增加了4.87 hm2,增长率为6.57%。
Tab. 2 The total area of different environment types around earthen sites（hm2）

表2 土遗址周围各种地表环境类型面积（hm2）

年份 地表类型
耕地 居民用地 草地 水体 未利用地
1990 13 650.64 1421.46 3206.07 74.07 55 841.69
2010 17 182.98 2090.00 2947.58 78.94 51 894.43
（2）地表环境类型综合变化速度
从表3看出,1990-2010年间,土遗址地表环境所有类型年综合变化率为0.306,高昌故城区域周围地表环境所有类型年综合变化率最大,为0.734,阿萨协亥尔古城周围地表环境所有类型年综合变化率最小,为0.046,其他区域按从大到小顺序排列为交河故城区域、阔坦吐尔古城区域、苏公塔区域、让布公商城址区域和吐峪沟遗址,其周围地表环境所有类型年综合变化率依次为0.472、0.199、0.166、0.137和0.049。而吐峪沟遗址和阿萨协亥尔古城区域分布在绿洲的边缘,其他土遗址更靠近绿洲中心,可见分布在绿洲内部的遗址,其周围地表环境变化明显大于绿洲边缘和外围,说明人类的活动主要位于绿洲内部,位于绿洲内部的土遗址更易受到人类活动的影响。
Tab. 3 Comprehensive change rate on environment types of each earthen site

表3 不同土遗址区域周围地表环境类型年综合变化率

时段（年） 土遗址综合变化 阔坦吐尔古城 交河故城区域 苏公塔区域 让布公商城址区域 高昌故城区域 吐峪沟遗址 阿萨协亥尔古城
1990-2010 0.306 0.199 0.472 0.166 0.137 0.734 0.049 0.046
（3）吐鲁番地区地表环境类型变化
从表4可看出,1990-2010年间吐鲁番地区各种地表类型发生了明显的变化,耕地和居民用地增加明显,分别增长了4.451%和0.368%,而水体和未利用地明显减少,说明1990-2010年间吐鲁番地区的耕地和居民地开发明显增强,进而对土遗址的潜在影响增加,这对分布在耕地附近的土遗址影响更为明显,例如农业灌溉对遍布于绿洲且缺少有效保护的坎儿井的破坏非常明显,吐鲁番地区2003年存坎儿井1091条,其中,有水坎儿井404条,2009年有坎儿井1108条,有水坎儿井减到277条,6年减少了126条,年均减少21条。这是因为灌溉耕地引取地表水和大量打机电井,造成地下水位下降,加上维护措施不到位,坎儿井大量干涸萎缩。与表2比较可看出,7个区域土遗址周围地表环境类型中耕地和居民用地的增长率显著高于其在整个区域的增长率,在整个区域水体总面积减少,而土遗址周围的水体总面积却在增加,1990-2010年,人类的耕地和居民地开发活动主要位于土遗址周围,土遗址保护需要加以考虑。
Tab. 4 The percentage of each environment type in the Turpan region from 1990 to 2010（%）

表4 1990-2010年间吐鲁番地区地表环境类型面积百分比（%）

年份 地表类型
耕地 居民用地 草地 水体 未利用地
1990 8.332 0.605 2.747 1.819 86.496
2010 12.783 0.973 3.460 0.399 82.385
综上,该区域土遗址遗产区外部地表环境时空变化,主要受人类耕地和居民地的开发活动影响。

4 结论

（1）土遗址是人类在一定历史自然环境条件下生产生活活动的遗迹。土遗址的存在与其所处的环境密切相关,这些环境条件作用于土遗址,对土遗址的持续存在影响。因此,土遗址的保护要充分考虑其所在的环境特征和环境的变化规律,根据环境特征和变化规律制订合理的保护措施,在对土遗址本体进行保护时,要注重对其所依存条件和体现其文化特征的环境条件加以保护。
（2）典型土遗址及其内部环境时空变化分析得出,影响该区域土遗址本体及其内部环境变化的因素,是各种病害发育和人为破坏。吐鲁番地区土遗址的主要病害是裂隙与坍塌和风害,这与土遗址的性质和区域环境特征紧密相关,其他的病害有酥碱病害、水蚀、表层剥落、生物病害,这些病害常常综合作用于对土遗址,因此,该区域土遗址保护需根据土遗址的性质和区域特征进行因地制宜的保护,并制定有关保护措施规范人类的行为。
（3）1990-2010年间,土遗址遗产区附近的环境发生了较大变化,人类的耕地和居民地开发活动主要位于土遗址附近,各个区域附近的地表环境类型变化稍有不同,主要受人类的耕地和居民地开发影响,交河故城和高昌故城这2个重要遗址周围环境发生的变化更加明显,绿洲内部的土遗址环境类型变化较绿洲边缘或外部的剧烈。从土遗址周围的各个环境类型变化来看,未利用地和草地在减少,而耕地和居民地在增加,即未利用地和草地的减少是由于人们的耕地开发和居住地扩展引起的,这些说明土遗址周围的人类活动强度是增加的,而人类的这些农业和居住用地等土地开发活动也影响到区域自然环境因素,如风速、降水和水体分布等,进而影响土遗址病害的发展,其中的关系需进一步研究[19]。因此,土遗址周围人类活动的增强会直接或间接地影响土遗址安全,需从遗址保护的角度规范人类的活动,延缓土遗址的消亡过程。
（4）将空间信息技术与传统的考古和野外调查方法结合分析,为大型土遗址的识别研究与科学保护提供了有效的技术和方法[20]。

The authors have declared that no competing interests exist.

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