基于SVM模型的生態(tài)系統(tǒng)服務評估與預測

張 琳

（寧夏環(huán)境科學研究院（有限責任公司），寧夏銀川 750011）

生態(tài)系統(tǒng)服務是自然生態(tài)系統(tǒng)及其組成物種，為維持和實現(xiàn)人類正常生活需要，而提供的必要生命支持產(chǎn)品或服務[1]。土地資源是生態(tài)環(huán)境資源的重要組成部分，單個土地利用開發(fā)項目看似對生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境退化。目前，大多數(shù)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(tài)系統(tǒng)服務等隱性因素的影響[2-3]。本文針對上述問題建立數(shù)學模型，將環(huán)境成本考慮在內(nèi)，評估土地開發(fā)項目的真實價值，為有關(guān)部門規(guī)劃建設(shè)土地開發(fā)利用項目提供依據(jù)和建議。

1 生態(tài)服務分析

1.1 生態(tài)服務系統(tǒng)

千年生態(tài)系統(tǒng)評價分類方法是將生態(tài)系統(tǒng)服務分為供給服務、調(diào)節(jié)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(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)特征、結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程特點，將生態(tài)系統(tǒng)服務功能拓展為4類11項指標。

（1）熵權(quán)法[6]

生態(tài)服務系統(tǒng)11項指標描述了土地利用開發(fā)項目的環(huán)境成本，其中既有成本指標，也有效率指標。考慮到各指標數(shù)據(jù)單位不一、數(shù)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(shù)據(jù)標準化之后，使用yij描述生態(tài)系統(tǒng)服務，進而可得到供給服務、調(diào)節(jié)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(shù)法[6]

變異系數(shù)法是利用各指標所包含信息計算權(quán)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(quán)重及生態(tài)系統(tǒng)服務指標ESI，如式（3）所示。

以寧夏回族自治區(qū)2021年統(tǒng)計年鑒為依據(jù)[7-8]，計算各指標權(quán)重，如表1所示。

表1 各指標權(quán)重值

1.2 強度評價

使用層次聚類方法[6]，將生態(tài)系統(tǒng)服務功能強度劃分為高、中、低3個層次，利用生態(tài)系統(tǒng)服務評價體系對4個不同規(guī)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(tài)服務價值評價體系對4種類型項目進行評估，評估結(jié)果見表2。

表2 4種類型項目評估結(jié)果

由于項目C涉及管道保護結(jié)構(gòu)工程、管道穿越工程和線路附屬工程，工程建設(shè)復雜，施工周期長，技術(shù)要求高，它對環(huán)境的影響最大，生態(tài)系統(tǒng)服務強度強；項目D主要涉及房屋建設(shè)，其對環(huán)境的影響相對較小，生態(tài)系統(tǒng)服務強度較弱，符合實際情況。

2 生態(tài)系統(tǒng)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(nèi)部成本和外部成本。當與土地有關(guān)的生產(chǎn)資源因土地開發(fā)而受損時，外部成本可以通過該資源生產(chǎn)力的損失來估計，通過式（3）計算項目A的生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)隨時間的變化，將項目A的建設(shè)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(tài)系統(tǒng)服務與原始成本近似符合logistic增長曲線的趨勢，擬合結(jié)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(guān)緊要，因此ESI增長緩慢。當生態(tài)系統(tǒng)本身超出范圍時，原始成本繼續(xù)增加，對生物多樣性和環(huán)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(tài)系統(tǒng)對已經(jīng)存在的影響具有一定的適應性，因此生態(tài)系統(tǒng)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(fā)利用一般可獲得兩種效益，內(nèi)部效益是指土地開發(fā)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(guī)劃的直接結(jié)果；外部效益是指土地開發(fā)利用活動對周邊資源、環(huán)境和經(jīng)濟活動產(chǎn)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(tài)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(tài)系統(tǒng)服務成本的情況下，現(xiàn)有項目的效益先增后降。但是，如果企業(yè)考慮生態(tài)系統(tǒng)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(xù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)投影到高維特征空間F。最優(yōu)超平面的形式如式（5）所示。

引入不敏感損耗函數(shù)ε，利用色散分析求解最優(yōu)超平面。為了防止個體數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行懲罰，因此最優(yōu)超平面可轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(tài)系統(tǒng)服務的項目D的效費比隨著時間的增加呈現(xiàn)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(tài)系統(tǒng)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(xiàn)下降趨勢，而是穩(wěn)步上升?？梢姡紤]生態(tài)系統(tǒng)服務可以有效地增加項目的生命周期，鞏固現(xiàn)有狀態(tài)，推遲衰退的到來。

2013年，不考慮生態(tài)系統(tǒng)服務功能的項目效費比達到峰值，因其對生態(tài)環(huán)境的破壞超出其承受能力而未能在適當?shù)沫h(huán)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(tài)系統(tǒng)服務帶來的效益大于未考慮生態(tài)系統(tǒng)服務項目的效益。2033年，不考慮生態(tài)系統(tǒng)服務會導致生態(tài)極大環(huán)境破壞，嚴重影響項目運行，使效費比達到0。

3 結(jié)論

將生態(tài)系統(tǒng)服務因素納入土地利用項目規(guī)劃建設(shè)，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(guī)劃者和管理者而言，主管部門要搞好規(guī)劃，結(jié)合本地區(qū)實際，合理制定閑置、低效建設(shè)用地使用計劃，統(tǒng)籌安排各類建設(shè)用地，切實提高管控效果；設(shè)計部門要抓好論證，結(jié)合實際制定土地利用項目可持續(xù)發(fā)展措施，將生態(tài)系統(tǒng)服務因素作為一項強制性指標納入規(guī)劃之中，確保建設(shè)項目綠色、環(huán)保、可持續(xù)健康發(fā)展；監(jiān)察部門要嚴格執(zhí)法，靈活方式方法，對轄區(qū)內(nèi)已開工建設(shè)的各類用地項目進行常態(tài)化檢查抽查，發(fā)現(xiàn)并糾治項目建設(shè)過程中降低可持續(xù)發(fā)展措施建設(shè)標準、違規(guī)占用基本農(nóng)田等問題。