基于遗产校正数据集与嵌套累积缓冲区的线性遗产景观破碎化时空演化及驱动机制——以扬州古运河为例

《Land》：Spatio-Temporal Evolution and Driving Mechanisms of Linear Heritage Landscape Fragmentation Based on Heritage-Corrected Datasets: A Case Study of Nested Cumulative Buffer Zones of the Yangzhou Ancient Grand Canal

　　

中文翻译 城市化驱动的景观破碎化削弱了线性运河遗产的空间连续性与文化完整性。传统土地覆盖数据集常将遗产斑块归入一般土地利用类别，导致破碎化评估存在系统性偏差。此外，采用单一缓冲区边界进行分析无法捕捉遗产廊道沿线随尺度变化的梯度特征。本研究以扬州古运河（大运河世界遗产中具有代表性的活态区段）为对象，通过将遗产区域定义为独立土地利用类别，构建了遗产校正的七类土地利用栅格数据集。利用覆盖2000—2025年的多时相数据集，研究人员创建了三个嵌套累积缓冲区（0–200 m、0–1000 m、0–2000 m），并在Fragstats 4.2中计算了六项景观破碎化指标。研究人员通过最小—最大归一化与熵权法构建了综合遗产景观破碎化指数（CHFI），并应用地理探测器（Geodetector）模型量化了多个缓冲区尺度下的单因子解释力与交互驱动效应。结果表明，2010年是破碎化动态的关键转折点：2010年之前破碎化有所缓解，此后持续加剧。破碎化风险集中于0–200 m近岸核心区；随着缓冲区从0–200 m扩展至0–1000 m，综合指数被稀释，但此后趋于稳定。破碎化呈现由植被与不透水面条件塑造的双核心驱动模式；植被覆盖度（FVC）是所有尺度与时段中最稳定的主导因子。近岸区受高程与距河道距离梯度的共同影响，而外围缓冲区主要受植被条件控制。所有因子交互均产生增强型解释力。2010年后，近岸区经历了向强多因子耦合的相位转变。破碎化热点逐渐与遗产点位置脱钩，表明遗产相关压力主要通过因子组合效应而非遗产点本身的直接影响发挥作用。本研究为城市运河遗产提供了精细化的分析框架，并为循证保护与活态遗产复兴提供支持。

论文解读

一、研究背景与问题

线性文化遗产具有独特的空间特征，在活态遗产保护、城市更新与生态文明建设中具有独特价值。与离散的点状遗产不同，运河线性遗产覆盖广阔区域，人文与自然景观交织，系统状态动态变化，其空间连续性直接决定遗产的真实性与长期存续能力。在快速城市化、旅游扩张与城市更新的压力下，大量运河遗产廊道面临日益加剧的破碎化问题：空间肌理被割裂、景观异质性升高、廊道连通性下降，严重阻碍遗产保护与可持续发展。

现有研究存在三个关键缺口。第一，针对城市内陆运河遗产的精细尺度时空分析稀缺，鲜有面向建成环境的专门分析框架。第二，遗产斑块极少被单独分离出来进行破碎化计算，传统生态学分析无法区分一般性景观破碎化与遗产廊道内文化完整性的独特侵蚀，造成系统性评估偏差。第三，多数时间序列分析采用单一空间边界，忽视多环缓冲区带来的尺度效应，单一尺度的统计可能掩盖近岸核心遗产区的严重破碎化，也无法捕捉随缓冲区距离变化的梯度特征。

扬州古运河作为大运河世界遗产的核心河段，承载两千余年的漕运、盐商与民俗文化，连接古桥、渡口、堤坝、历史街区与园林遗迹，是江南地区典型的活态线性遗产景观。近年来，城市扩张、旅游导向开发、历史街区更新与交通基础设施升级改变了滨水土地利用，连续遗产廊道日益被建成区、硬质地面与断裂路网所切割，斑块破碎化、连通性下降与新旧景观冲突等问题威胁遗产完整性。然而，现有研究集中于历史考证、旅游规划与景观设计，缺乏基于遥感的长时序定量研究，其时空特征、空间分异与多因子驱动机制尚待深入探索。

二、研究设计与技术方法

研究人员以扬州古运河遗产景观带为研究区，基于2000—2025年多时相遥感影像、土地利用与统计数据，采用景观格局指数、空间叠加分析与地理探测器（Geodetector）模型开展研究。主要技术方法包括：

遗产校正数据集构建：以遗产点坐标为基准，利用历史高分辨率Google Earth影像人工目视数字化遗产边界，生成遗产多边形矢量并转为30 m栅格，通过条件运算实现优先级重分类，将遗产边界内像元赋值为类别7（遗产用地），将原始六类土地利用扩展为七类复合土地利用系统，生成各时期遗产校正栅格。

多尺度嵌套缓冲区分析：沿扬州古运河滨水带创建0–200 m、0–1000 m、0–2000 m三个嵌套累积缓冲区，通过掩膜提取生成12个复合栅格子集（3个缓冲区×4个时期），在Fragstats 4.2中分带计算斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、平均斑块面积（AREA_MN）、景观分割指数（DIVISION）、边缘密度（ED）与聚集度指数（AI）六项景观破碎化指标。

综合指数构建：采用最小—最大归一化消除量纲差异，结合熵权法确定客观权重，加权求和构建综合遗产景观破碎化指数（CHFI），取值范围0–1，数值越高表示破碎化越严重。

地理探测器分析：以CHFI为因变量，选取高程（ELEV）、距河道距离（RIVD）、植被覆盖度（FVC）、夜间灯光强度（NTL）、人口密度（POP）、不透水面比例（ISA）与遗产点核密度（HERI）七项驱动因子，采用自然断点法将连续变量离散化为五类，对三个嵌套缓冲区、四个时期共12组数据分别运行因子探测器与交互探测器。

三、研究结果

3.1 遗产校正数据集下单项破碎化指标的时空格局

时间上，廊道破碎化呈明显两阶段轨迹，2010年为关键转折点。2000—2010年间，NP、PD和ED下降，AREA_MN和AI上升，滨水整治与针对性遗产修复整合了分散斑块，暂时缓解了整体破碎化。2010年后，NP、PD、ED和DIVISION持续上升，AREA_MN和AI持续下降，城市更新、滨水商业开发与路网扩张将连续滨水遗产景观分割为更小、结构更复杂的斑块，纵向连通性逐渐退化。空间上，破碎化风险集中于近岸区，0–200 m缓冲区破碎化最严重，扩展至0–1000 m后指标因周边较完整景观的稀释作用而下降，进一步扩展至0–2000 m后继续下降，说明仅基于全域缓冲区的统计会掩盖遗产密集近岸区的严重破碎化。

3.2 CHFI的时空变化及与单项指标的交叉验证

CHFI的时间演化与单项指标一致，呈以2010年为转折点的两阶段变化。2000—2010年各缓冲区CHFI均下降，0–200 m近岸区降幅最明显；2010年后各缓冲区CHFI持续上升，0–200 m核心遗产区增幅最突出。空间上，CHFI在0–200 m近岸区最高，0–1000 m缓冲区最低，0–2000 m缓冲区略有回升，下降仅发生在缓冲区扩展的第一步，幅度为27%–64%。交叉验证表明CHFI与ED、DIVISION、PD等关键单项指标在时间转折点与空间梯度上高度一致，验证了熵权综合指数的可靠性，但CHFI可能掩盖NP持续增加等细尺度景观细节，需结合单项指标识别结构性损伤。

3.3 基于地理探测器的驱动因子分析

因子探测器结果：FVC与ISA是仅有的两个在所有12组中均排名前三的因子，FVC在11组中排名第一，形成"绿色覆盖—不透水面"双核心控制格局。解释力呈三级梯度：第一梯队为FVC（平均q=0.441）与ISA（平均q=0.284）；第二梯队为POP与ELEV（平均q=0.204）；第三梯队为NTL、RIVD与HERI（平均q=0.097–0.134）。驱动因子存在明显尺度转换：0–200 m近岸区ELEV平均q达0.319，是唯一可与FVC（q=0.372）相比的因子，随缓冲区扩大其解释力从0.319降至0.110，主导权完全转移至FVC；RIVD是唯一解释力随缓冲区扩大而上升的因子，从0.096升至0.133。时间上，FVC、ELEV与ISA等固有地表变量解释力保持稳定，而POP（?31.48%）、NTL（?31.46%）与HERI（?51.88%）等人类活动强度代理变量系统性下降，HERI的q值下降完全由因变量破碎化格局变化驱动，表明破碎化热点逐渐与遗产点空间分布脱钩。FVC时间稳定性最高，变异系数仅0.141。

交互探测器结果：全部252对因子组合均产生增强效应，其中双因子增强166对（65.87%），非线性增强86对（34.13%）。单因子解释力上限约为0.508，而因子组合最高可达0.618，说明破碎化的解释上限只能通过因子组合逼近。FVC是交互网络的核心枢纽，12组最强交互对全部包含FVC，36个前三交互对中34对涉及FVC（94.44%）。增强机制呈现明显尺度差异：0–200 m近岸区非线性增强占比51.19%，中、外缓冲区分别降至26.19%和25.00%；近岸区交互效应相对最佳单因子的提升幅度达32.11%–70.05%，远高于中缓冲区（17.93%–30.82%）与外缓冲区（18.92%–27.40%）。RIVD×FVC是大尺度最稳定的强交互组合，在0–2000 m缓冲区全部四个时期及0–1000 m缓冲区的2010和2020年均居首位。耦合强度存在时间相位转变：非线性增强占比从2000年的14.29%升至2010年后的38.10%–42.86%；0–200 m近岸区2000年全部21对因子组合均为双因子增强，2010年后非线性增强跃升至61.90%–71.43%，表明2000—2010年是近岸驱动机制从相对独立作用向强多因子耦合转变的相位转折点。

综合解释：破碎化受"植被—硬质表面"双核心系统稳定控制；驱动力沿河缓冲区梯度呈现明显尺度转换，近岸区由ELEV与RIVD联合控制，外围区由FVC主导；破碎化主要通过强耦合与阈值型响应发挥作用，84个分层响应案例中64.3%呈单峰（阈值）模式，FVC在全部12组中均呈单峰响应；近岸区因子耦合强度在2000—2010年间经历相位式放大，单因子模型对近岸遗产区破碎化的解释能力随时间收窄。

四、讨论与结论

讨论部分：与传统土地覆盖数据集相比，遗产校正数据集能检测到集中于0–200 m近岸区的CHFI升高信号，而常规数据集会掩盖这一破碎化信号。与农村运河段研究普遍报告破碎化持续恶化不同，扬州古运河呈现非单调演化轨迹：2010年前局部滨水修复部分缓解了破碎化，2010年后滨水导向的城市更新逆转了这一改善。嵌套累积缓冲区与独立环带缓冲区需加以区分：嵌套方案是遗产边界向外所有景观斑块的并集，更符合保护实践以距离阈值划定管控区的逻辑，但嵌套会使三个区域非独立样本，且宽区吸收近岸核心区会压缩区间对比度，使表观梯度衰减22.7%。遗产点核密度（HERI）单独解释力有限，遗产点位置并不直接产生破碎化热点，遗产相关空间压力主要通过多因子耦合发挥作用，2010年后破碎化热点逐渐与遗产点布局脱钩，周边基质景观变化比遗产点本身更值得关注。研究存在局限性：遗产边界解译存在位置不确定性，地理探测器输出反映统计相关而非严格因果，部分潜在驱动因子因数据可得性被排除，扬州案例结论不能直接推广至其他城市运河遗产。

结论部分：（1）扬州古运河遗产廊道破碎化呈以2010年为转折点的明显两阶段变化，2010年前破碎化部分缓解，2010年后持续加剧；空间上破碎化风险集中于0–200 m近岸区，单一全域缓冲区统计可能掩盖近岸严重景观退化。（2）遗产景观破碎化遵循"植被—硬质表面"双核心驱动模式，FVC是跨尺度跨时段最稳定的主导因子（变异系数=0.14）；驱动力呈明显尺度转换特征，近岸区由ELEV与RIVD联合控制，外围区主要由植被条件主导。（3）所有因子交互均呈增强效应，近岸区非线性增强突出（51.2%）；2010年前后发生耦合强度相位转变，近岸驱动过程从相对独立的因子作用转向强多因子耦合；破碎化热点逐渐与遗产点空间分布脱钩，表明遗产相关影响主要通过因子组合效应而非遗产点单独效应发挥作用。这些多尺度发现为扬州古运河遗产廊道的针对性景观保护提供了实证依据。