基于SVM模型的生態系統服務評估與預測

張 琳

（寧夏環境科學研究院（有限責任公司），寧夏銀川 750011）

生態系統服務是自然生態系統及其組成物種，為維持和實現人類正常生活需要，而提供的必要生命支持產品或服務[1]。土地資源是生態環境資源的重要組成部分，單個土地利用開發項目看似對生態環境的總能力影響輕微，但其累積效果將嚴重影響生物多樣性，導致生態環境退化。目前，大多數土地利用項目僅從顯性投入與收益評估其價值，沒有考慮生態系統服務等隱性因素的影響[2-3]。本文針對上述問題建立數學模型，將環境成本考慮在內，評估土地開發項目的真實價值，為有關部門規劃建設土地開發利用項目提供依據和建議。

1 生態服務分析

1.1 生態服務系統

千年生態系統評價分類方法是將生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4類9項[4-5]。本文在參考已有研究成果的基礎上，結合生態系統特征、結構和生態過程特點，將生態系統服務功能拓展為4類11項指標。

（1）熵權法[6]

生態服務系統11項指標描述了土地利用開發項目的環境成本，其中既有成本指標，也有效率指標。考慮到各指標數據單位不一、數量級差別較大，采取0-1變換的方法進行歸一化。見式（1）。

在對數據標準化之后，使用yij描述生態系統服務，進而可得到供給服務、調節服務、支撐服務、文化服務4個綜合評價指標，本文將其簡化為PSI、RSI、BSI和CSI，具體如式（2）所示。

（2）變異系數法[6]

變異系數法是利用各指標所包含信息計算權重的方法。考慮到PSIj、RSIj、BSIj和CSIj4個綜合指標的單位與均值之間有差異，故用標準差與均值之比來比較變化的程度，計算各綜合指標權重及生態系統服務指標ESI，如式（3）所示。

以寧夏回族自治區2021年統計年鑒為依據[7-8]，計算各指標權重，如表1所示。

表1 各指標權重值

1.2 強度評價

使用層次聚類方法[6]，將生態系統服務功能強度劃分為高、中、低3個層次，利用生態系統服務評價體系對4個不同規模的土地利用項目進行評價，驗證模型的魯棒性和評價體系的科學性。利用建立的生態服務價值評價體系對4種類型項目進行評估，評估結果見表2。

表2 4種類型項目評估結果

由于項目C涉及管道保護結構工程、管道穿越工程和線路附屬工程，工程建設復雜，施工周期長，技術要求高，它對環境的影響最大，生態系統服務強度強；項目D主要涉及房屋建設，其對環境的影響相對較小，生態系統服務強度較弱，符合實際情況。

2 生態系統服務價值評估模型

2.1 成本效益分析[6]

2.1.1 成本分析

成本分析包括內部成本和外部成本。當與土地有關的生產資源因土地開發而受損時，外部成本可以通過該資源生產力的損失來估計，通過式（3）計算項目A的生態系統服務指數隨時間的變化，將項目A的建設成本Co與ESI的離散點進行擬合，如圖1所示。

圖1 ESI與原始成本散點圖和擬合曲線

由圖1可知，生態系統服務與原始成本近似符合logistic增長曲線的趨勢，擬合結果也由式（3）證明了這一點。在原始成本積累階段，由于此時所需的成本較小，生物圈的整體運行能力無關緊要，因此ESI增長緩慢。當生態系統本身超出范圍時，原始成本繼續增加，對生物多樣性和環境退化的影響將使原始成本迅速增加。當原始成本增加到一定程度時，此時生態系統對已經存在的影響具有一定的適應性，因此生態系統服務的變化趨于緩慢。

利用MATLAB R2010b軟件進行曲線擬合[8]，R=0.956，擬合曲線如式（4）所示。

2.1.2 效益-成本比率

土地資源開發利用一般可獲得兩種效益，內部效益是指土地開發利用后直接通過市場價格可以估算出的效益，是土地利用規劃的直接結果；外部效益是指土地開發利用活動對周邊資源、環境和經濟活動產生的有益影響。為了探究土地利用項目的真實效益-成本情況，使用效益-成本比率來描述是否考慮生態服務對項目的影響。本文以項目D為例，作出收益-成本比率散點圖，如圖2所示。

圖2 收益-成本比率散點圖（1995—2021年）

從圖2可以看出，在不考慮生態系統服務成本的情況下，現有項目的效益先增后降。但是，如果企業考慮生態系統服務，雖然在前期增長趨勢相對緩慢，但項目的效益會隨著時間的推移逐漸增加，增長趨勢將持續很長一段時間。

2.2 基于SVM方法的收益-成本比率預測[8]

為了定量預測收益-成本比率曲線的變化趨勢，使用支持向量機（SVM）方法，對圖2中兩條曲線的數據進行預測。支持向量機允許通過Mercer核算子K將空間M中的原始訓練數據投影到高維特征空間F。最優超平面的形式如式（5）所示。

引入不敏感損耗函數ε，利用色散分析求解最優超平面。為了防止個體數據對模型偏差的影響，引入了松弛變量ξ和松弛變量ξ*。引入懲罰因子D對偏離模型的樣本數據進行懲罰，因此最優超平面可轉換為求解最小問題。本文采用多項式核K(u,v)=(u·v+1)h來建立預測模型，如式（6）所示。

基于支持向量機進行回歸分析，以1995—2021年的效費比數據為訓練樣本，預測2022—2035年效費比變化，如圖3所示。

圖3 項目D效益-成本率實際值（1995—2021）和預測值（2022—2035）曲線圖

從圖3可以看出，不考慮生態系統服務的項目D的效費比隨著時間的增加呈現先增加后降低的趨勢，雖然這樣的項目在開始時利潤增長較快，但是隨著時間的推移，收益開始急劇下降。而項目D基于對生態系統服務成本的考慮，即使一開始的利潤增長速度緩慢，但隨著時間的推移，收益一直在緩慢增加。在預計的近20a中，這一效益并未呈現下降趨勢，而是穩步上升。可見，考慮生態系統服務可以有效地增加項目的生命周期，鞏固現有狀態，推遲衰退的到來。

2013年，不考慮生態系統服務功能的項目效費比達到峰值，因其對生態環境的破壞超出其承受能力而未能在適當的環境中實施，隨著時間的推移，效益迅速下降。2029年，兩條曲線相交，表示此時二者的效費比相等。此后，生態系統服務帶來的效益大于未考慮生態系統服務項目的效益。2033年，不考慮生態系統服務會導致生態極大環境破壞，嚴重影響項目運行，使效費比達到0。

3 結論

將生態系統服務因素納入土地利用項目規劃建設，將增加其各類成本，從長遠來看，這將使項目的生命周期和累積效益得到極大提升。因此，對于土地利用項目規劃者和管理者而言，主管部門要搞好規劃，結合本地區實際，合理制定閑置、低效建設用地使用計劃，統籌安排各類建設用地，切實提高管控效果；設計部門要抓好論證，結合實際制定土地利用項目可持續發展措施，將生態系統服務因素作為一項強制性指標納入規劃之中，確保建設項目綠色、環保、可持續健康發展；監察部門要嚴格執法，靈活方式方法，對轄區內已開工建設的各類用地項目進行常態化檢查抽查，發現并糾治項目建設過程中降低可持續發展措施建設標準、違規占用基本農田等問題。