基于SVM模型的生态系统服务评估与预测

张 琳

（宁夏环境科学研究院（有限责任公司），宁夏银川 750011）

生态系统服务是自然生态系统及其组成物种，为维持和实现人类正常生活需要，而提供的必要生命支持产品或服务[1]。土地资源是生态环境资源的重要组成部分，单个土地利用开发项目看似对生态环境的总能力影响轻微，但其累积效果将严重影响生物多样性，导致生态环境退化。目前，大多数土地利用项目仅从显性投入与收益评估其价值，没有考虑生态系统服务等隐性因素的影响[2-3]。本文针对上述问题建立数学模型，将环境成本考虑在内，评估土地开发项目的真实价值，为有关部门规划建设土地开发利用项目提供依据和建议。

1 生态服务分析

1.1 生态服务系统

千年生态系统评价分类方法是将生态系统服务分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4类9项[4-5]。本文在参考已有研究成果的基础上，结合生态系统特征、结构和生态过程特点，将生态系统服务功能拓展为4类11项指标。

（1）熵权法[6]

生态服务系统11项指标描述了土地利用开发项目的环境成本，其中既有成本指标，也有效率指标。考虑到各指标数据单位不一、数量级差别较大，采取0-1变换的方法进行归一化。见式（1）。

在对数据标准化之后，使用yij描述生态系统服务，进而可得到供给服务、调节服务、支撑服务、文化服务4个综合评价指标，本文将其简化为PSI、RSI、BSI和CSI，具体如式（2）所示。

（2）变异系数法[6]

变异系数法是利用各指标所包含信息计算权重的方法。考虑到PSIj、RSIj、BSIj和CSIj4个综合指标的单位与均值之间有差异，故用标准差与均值之比来比较变化的程度，计算各综合指标权重及生态系统服务指标ESI，如式（3）所示。

以宁夏回族自治区2021年统计年鉴为依据[7-8]，计算各指标权重，如表1所示。

表1 各指标权重值

1.2 强度评价

使用层次聚类方法[6]，将生态系统服务功能强度划分为高、中、低3个层次，利用生态系统服务评价体系对4个不同规模的土地利用项目进行评价，验证模型的鲁棒性和评价体系的科学性。利用建立的生态服务价值评价体系对4种类型项目进行评估，评估结果见表2。

表2 4种类型项目评估结果

由于项目C涉及管道保护结构工程、管道穿越工程和线路附属工程，工程建设复杂，施工周期长，技术要求高，它对环境的影响最大，生态系统服务强度强；项目D主要涉及房屋建设，其对环境的影响相对较小，生态系统服务强度较弱，符合实际情况。

2 生态系统服务价值评估模型

2.1 成本效益分析[6]

2.1.1 成本分析

成本分析包括内部成本和外部成本。当与土地有关的生产资源因土地开发而受损时，外部成本可以通过该资源生产力的损失来估计，通过式（3）计算项目A的生态系统服务指数随时间的变化，将项目A的建设成本Co与ESI的离散点进行拟合，如图1所示。

图1 ESI与原始成本散点图和拟合曲线

由图1可知，生态系统服务与原始成本近似符合logistic增长曲线的趋势，拟合结果也由式（3）证明了这一点。在原始成本积累阶段，由于此时所需的成本较小，生物圈的整体运行能力无关紧要，因此ESI增长缓慢。当生态系统本身超出范围时，原始成本继续增加，对生物多样性和环境退化的影响将使原始成本迅速增加。当原始成本增加到一定程度时，此时生态系统对已经存在的影响具有一定的适应性，因此生态系统服务的变化趋于缓慢。

利用MATLAB R2010b软件进行曲线拟合[8]，R=0.956，拟合曲线如式（4）所示。

2.1.2 效益-成本比率

土地资源开发利用一般可获得两种效益，内部效益是指土地开发利用后直接通过市场价格可以估算出的效益，是土地利用规划的直接结果；外部效益是指土地开发利用活动对周边资源、环境和经济活动产生的有益影响。为了探究土地利用项目的真实效益-成本情况，使用效益-成本比率来描述是否考虑生态服务对项目的影响。本文以项目D为例，作出收益-成本比率散点图，如图2所示。

图2 收益-成本比率散点图（1995—2021年）

从图2可以看出，在不考虑生态系统服务成本的情况下，现有项目的效益先增后降。但是，如果企业考虑生态系统服务，虽然在前期增长趋势相对缓慢，但项目的效益会随着时间的推移逐渐增加，增长趋势将持续很长一段时间。

2.2 基于SVM方法的收益-成本比率预测[8]

为了定量预测收益-成本比率曲线的变化趋势，使用支持向量机（SVM）方法，对图2中两条曲线的数据进行预测。支持向量机允许通过Mercer核算子K将空间M中的原始训练数据投影到高维特征空间F。最优超平面的形式如式（5）所示。

引入不敏感损耗函数ε，利用色散分析求解最优超平面。为了防止个体数据对模型偏差的影响，引入了松弛变量ξ和松弛变量ξ*。引入惩罚因子D对偏离模型的样本数据进行惩罚，因此最优超平面可转换为求解最小问题。本文采用多项式核K(u,v)=(u·v+1)h来建立预测模型，如式（6）所示。

基于支持向量机进行回归分析，以1995—2021年的效费比数据为训练样本，预测2022—2035年效费比变化，如图3所示。

图3 项目D效益-成本率实际值（1995—2021）和预测值（2022—2035）曲线图

从图3可以看出，不考虑生态系统服务的项目D的效费比随着时间的增加呈现先增加后降低的趋势，虽然这样的项目在开始时利润增长较快，但是随着时间的推移，收益开始急剧下降。而项目D基于对生态系统服务成本的考虑，即使一开始的利润增长速度缓慢，但随着时间的推移，收益一直在缓慢增加。在预计的近20a中，这一效益并未呈现下降趋势，而是稳步上升。可见，考虑生态系统服务可以有效地增加项目的生命周期，巩固现有状态，推迟衰退的到来。

2013年，不考虑生态系统服务功能的项目效费比达到峰值，因其对生态环境的破坏超出其承受能力而未能在适当的环境中实施，随着时间的推移，效益迅速下降。2029年，两条曲线相交，表示此时二者的效费比相等。此后，生态系统服务带来的效益大于未考虑生态系统服务项目的效益。2033年，不考虑生态系统服务会导致生态极大环境破坏，严重影响项目运行，使效费比达到0。

3 结论

将生态系统服务因素纳入土地利用项目规划建设，将增加其各类成本，从长远来看，这将使项目的生命周期和累积效益得到极大提升。因此，对于土地利用项目规划者和管理者而言，主管部门要搞好规划，结合本地区实际，合理制定闲置、低效建设用地使用计划，统筹安排各类建设用地，切实提高管控效果；设计部门要抓好论证，结合实际制定土地利用项目可持续发展措施，将生态系统服务因素作为一项强制性指标纳入规划之中，确保建设项目绿色、环保、可持续健康发展；监察部门要严格执法，灵活方式方法，对辖区内已开工建设的各类用地项目进行常态化检查抽查，发现并纠治项目建设过程中降低可持续发展措施建设标准、违规占用基本农田等问题。