內蒙古草原核心保護功能區(qū)的劃定與分析
——基于支持向量機方法

謝天賜，馬 林

(大連民族大學 經濟管理學院，遼寧 大連 116605)

“十三五”以來，生態(tài)文明建設上升為國家戰(zhàn)略，習近平總書記多次強調，“綠水青山就是金山銀山”，要深入貫徹習近平總書記系列重要講話精神和治國理政新理念新思想新戰(zhàn)略，下定決心走出一條經濟發(fā)展與環(huán)境改善的雙贏之路。環(huán)境保護部在2016年11月發(fā)布的《全國生態(tài)保護“十三五”規(guī)劃綱要》[1]中提出推動建立和完善生態(tài)保護紅線管控措施，到2020年基本建立生態(tài)保護紅線制度。草原是中國最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是最重要的自然資源之一，雖然過去保護草原的措施取得了一定的成效，但是由于沒有明確的草原保護紅線作為最根本的草原保護指標，全國草原生態(tài)總體惡化局面尚未根本扭轉，中度和重度退化面積仍占1/3以上，草原生態(tài)仍很脆弱[2]。因此，盡快的確立草原保護紅線及其內部包含的三大核心保護功能區(qū)是推進草原文明建設、實現(xiàn)綠色發(fā)展、保障國家草原安全的重要任務。

一、內蒙古草原的三大生態(tài)功能和“一線三區(qū)”

草原覆蓋著地球上許多區(qū)域，它夾雜在地球上森林、荒漠和冰原之間廣闊的中間地帶，廣泛的空間分布讓草原成為陸地上最大的生態(tài)保護屏障。本文以內蒙古草原作為研究基礎，總結了草原最主要的三大生態(tài)功能：水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和防風固沙功能，并提出“一線三區(qū)”來保障草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1.內蒙古草原的三大生態(tài)功能

(1)水源涵養(yǎng)功能[3]。草本植物根系發(fā)達，縱橫交錯，擁有緊密的根網(wǎng)，可以疏松土壤，保持土壤的高透水性和高滲透速度，從而加大了水流滲透量和蓄水能力，能夠充分地截留降水和鎖住地表水分。草原植被覆蓋住土壤的時候同時也會減少太陽直接對地面的照射，減小水量的蒸發(fā)。

(2)水土保持功能。草本植物貼地面生長，能很好地覆蓋地面，繁茂的莖葉可以遮擋風雨從而避免暴雨直接擊打地面。草本植物根系較發(fā)達，能深深地植入土壤中，加大地面糙率，阻緩徑流，攔截泥沙，牢牢地將土壤固定。同時，草本植物遺留在地面的枯枝敗葉和地下的殘根都能給土壤帶來豐富的有機物，這些有機物在時間推移中會分解形成腐殖質，可以幫助增加讓空氣和水進入的空隙，于是滲透的速率加快了，滲透的雨水增多了，地表徑流相對減少，徑流對土壤的侵蝕也就減小了。所以草本植物在活著的時候或者是死去了變成腐殖質，都會大大的改善土壤，加強水土保持的能力。

(3)防風固沙功能。草本植物是蒸騰少、耗水量少、最適于干旱區(qū)生長的植被類型之一。在沙地里面，防治荒漠化的技術措施中植物治沙是最有效的，草本植物是綠色植被的先鋒，因為干旱、風沙、林木生長困難，而草本植物卻較易生長，草本植被可以增加下墊面的粗糙程度，降低近地表風速，從而可以減少風蝕作用。

2.內蒙古草原的“一線三區(qū)”

(1)草原的“一線”是指草原保護紅線[4]。草原保護紅線從理論上看是為保持草原基本生態(tài)功能、所必須恪守的最小草原面積，是保障和維護國家陸地生態(tài)安全的底線和生命線，紅線有著促進城市健康有序發(fā)展、綠色發(fā)展，維護區(qū)域生態(tài)安全的作用。從技術劃分上看草原保護紅線是“三區(qū)”的邊界線，紅線外的區(qū)域因為草原退化嚴重，已經喪失了相應的生態(tài)功能，紅線內包圍著的草原生態(tài)功能保留完整。

(2)草原的“三區(qū)”是指草原保護紅線內部的三大核心保護功能區(qū)。與草原的三大生態(tài)功能相對應，分別是水源涵養(yǎng)功能區(qū)，水土保持功能區(qū)和防風固沙功能區(qū)。結合草原退化指標劃出三大核心保護功能區(qū)的范圍，保障各區(qū)域內自身的草原生態(tài)功能得以發(fā)揮其最大作用?！叭齾^(qū)”的劃分明確了草原三大生態(tài)功能所對應的區(qū)域范圍，方便人們根據(jù)不同區(qū)域采取不同的管理措施從而讓草原生態(tài)功能的作用得以最大發(fā)揮。

3.內蒙古草原的三大生態(tài)功能和內蒙古草原的“一線三區(qū)”之間的關系

(1)內蒙古草原三大生態(tài)功能是劃分內蒙古草原的“一線三區(qū)”的重要依據(jù)

以內蒙古草原自身固有的三大生態(tài)功能作為客觀出發(fā)點將草原劃分成三個草原生態(tài)功能區(qū)域，并依據(jù)國家環(huán)保部文件《生態(tài)保護紅線技術劃定指南》[5]提取出每個草原生態(tài)功能的指標并進行數(shù)據(jù)處理后劃分出三大草原保護功能區(qū)。結合草原退化指標，去除掉草原保護功能已經退化的區(qū)域后剩下的區(qū)域則是三大核心保護功能區(qū)，核心保護功能區(qū)的邊界線就是草原保護紅線。習近平總書記多次強調必須走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的道路，劃定“一線三區(qū)”的指標從草原的三大生態(tài)功能中來，做到了走尊重自然規(guī)律和符合科學依據(jù)的生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的道路。

(2)內蒙古草原的“一線三區(qū)”是內蒙古草原三大生態(tài)功能的根本保障

草原最主要的大三生態(tài)功能是別的植物難以代替的，管理好草原就可以最大程度的保障陸地自然界生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。本文提出并劃定內蒙古草原保護紅線及其內部的草原三大核心保護功能區(qū)彌補了草原保護問題里最根本的底線問題，以最直接明了的“一線”保護草原面積不再減小從而使草原的三大生態(tài)功能的得以保障。以“三區(qū)”明確劃定紅線內核心保護區(qū)分布情況指導人們針對不同的區(qū)域情況采取不同的管理措施，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展，既保證當代草原人民的利益又能滿足后代草原人民的需求。

二、支持向量機概述

支持向量機(Support Vector Machine)是一個有監(jiān)督的學習模型，常用來進行模式識別、分類以及回歸分析。Vapnik和Cortes[6]在1995年首先提出此方法，此方法是建立在統(tǒng)計學習理論的VC 維理論和結構風險最小原理基礎上的，通過學習給定的訓練樣本求出輸入輸出之間的關系，以期獲得最好的學習效果來推廣輸入輸出的關系。它在解決小樣本、非線性及高維模式識別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，并已被證明是優(yōu)于其它遵循傳統(tǒng)經驗風險最小化原則的技術。

1.VC維和結構風險

VC維[7]是對函數(shù)類的一種度量，反映了函數(shù)集的學習能力，VC維越大則機器學習難度越大。對于一個給定集合S={x1, ... ,xd}，如果一個假設類H能夠實現(xiàn)集合S中所有元素的任意一種標記方式，則稱H能夠分散S。H的VC維表示為VC(H)，指能夠被H分散的最大集合的大小。若H能分散任意大小的集合，那么VC(H)為無窮大。目前還沒有通用的關于任意函數(shù)集VC維計算的理論,只對一些特殊的函數(shù)集知道其VC維，比如在n維實數(shù)空間中線性分類器和線性實函數(shù)的VC維是n+1。機器學習本質上是一種對問題真實模型的逼近，這個與問題真實解之間的誤差的積累叫做風險。統(tǒng)計學習理論引入了一種新的策略：即把函數(shù)集構造為1個函數(shù)子集序列,使各個子集按照VC維的大小排列,在每個子集中尋找最小經驗風險,在子集間折衷考慮經驗風險和置信范圍,以取得實際風險的最小。這種思想成為結構化風險：就是指真實風險應該由兩部分組成，一是經驗風險，代表了訓練誤差；二是置信風險。第二部分是沒有辦法精確計算的，它和學習機器的VC維及訓練樣本數(shù)有關,只能給出一個估計的區(qū)間。泛化誤差界的公式為：R(w)≤Remp(w)+Ф(n/h)。公式中R(w)就是真實風險，Remp(w)就是經驗風險，Ф(n/h)就是置信風險。統(tǒng)計學習的目標從經驗風險最小化變?yōu)榱藢で蠼涷烇L險與置信風險的和最小，即結構風險最小。SVM正是這樣一種努力最小化結構風險的算法。

2.線性分類

線性函數(shù)在一維空間里是一個點，在二維空間里是一條直線，三維空間里是一個平面，如果一個線性函數(shù)能夠將樣本完全正確的分開，則稱這些數(shù)據(jù)是線性可分的，否則稱為非線性可分的。

對于線性可分的情形可設[(xi，yi) ，i = 1，…，N]為N個樣本點，其中yi=1或-1，表示xi所屬的類。分類線性方程[8]為

f(x)=w·x+b=0

(1)

即：wx1+b≥1時，y1=f(x1)=1 ；wx1+b≤1時，y1=f(x1)=-1 。

而滿足最優(yōu)值的分類線可以將不同的類劃分開，并且使得分類間隔最大，即兩類樣本同時滿足 |f(x)|≥1時，分類間隔為

(2)

而間隔最大值為

(3)

使得 yi[( w·x)+ b]-1≥0，i =1，…，N 滿足 yi[(w·x)+ b-1=0的訓練樣本叫支持向量。通過構造函數(shù)轉為二次規(guī)劃問題

(4)

函數(shù)L的乘數(shù)a=( a1，a2…，aN) 。式(3)的最小值為式(4)的鞍點，可通過L對w和a的偏導數(shù)運算轉化為(3)的對偶問題，求函數(shù)Ф(a)的極大值

(5)

約束條件為

(6)

若為其最優(yōu)解，則

(7)

從而最優(yōu)分類函數(shù)為

(8)

三、內蒙古草原的三大核心保護功能區(qū)的劃分過程和結果

本研究以草原保護紅線劃定作為出發(fā)點，挑選出內蒙古三個具有典型代表性的草原區(qū)，并結合近幾年提出的草原保護紅線的思想理論，最終采用了機器學習里面一個成熟和主流的方法——支持向量機，為草原核心保護功能區(qū)的早日確立做出科學的劃分依據(jù)。此過程主要在介紹了三個研究區(qū)概況后，確立各區(qū)的特征值；轉化數(shù)據(jù)格式和訓練數(shù)據(jù)樣本；預測結果三個部分組成。

1.確定指標

根據(jù)環(huán)保部2015年發(fā)布的《生態(tài)保護紅線劃定技術指南》中規(guī)定的三個功能區(qū)所需要的指標。水源涵養(yǎng)區(qū)：土壤類型，草原類型，草原覆蓋度，降水量和草原生物量。水土保持區(qū)：土壤類型，草原類型，草原覆蓋度，降水量和草原生物量，年均溫，草地坡度和坡向及草原退化面積。防風固沙區(qū)：草原類型，土壤類型，草原覆蓋度和風速。對指標進行整理歸類見表1。

表1 三個典型草原生態(tài)區(qū)指標分類

2.轉化數(shù)據(jù)格式和訓練數(shù)據(jù)樣本

轉化數(shù)據(jù)格式：Arcgis是一個用來收集、組織、管理、分析、交流和發(fā)布、處理地理信息的地理信息系統(tǒng)，用Arcgis將草勘院通過遙感監(jiān)控獲取的矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)轉化成Matlab能讀取的Tiff格式的圖片數(shù)據(jù)，每一個特征值都有一個對應的Tiff圖片數(shù)據(jù)。再用Matlab將每一個Tiff格式的圖片數(shù)據(jù)轉化成一列相對應的excel表格作為模型訓練的一個特征值。

訓練數(shù)據(jù)樣本：第一步，把每一個功能區(qū)所需的指標都轉化成一一對應的excel表格后，同一個區(qū)域的指標組合成一張excel表，然后將草勘院專家給的標準也轉化成excel表的一列，這樣指標和標準組合在一起形成一張完整的數(shù)據(jù)表；第二步，把excel表的前2000行數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù)，后20533行數(shù)據(jù)作為預測數(shù)據(jù)，將訓練數(shù)據(jù)放進支持向量機模型里面正確率可達到90%以上；第三步，將后20533行數(shù)據(jù)和前2000行數(shù)據(jù)同時放進支持向量機模型里面后得出預測標準，再放進Matlab里面轉化成Tiff圖像，形成最后看到的功能區(qū)分布結果，以黑色部分代表功能區(qū)，白色部分代表非功能區(qū)。

3.預測結果

三個地區(qū)的預測結果如圖1，圖2，圖3。黑色的代表生態(tài)功能區(qū)的分布，白色的代表非生態(tài)功能區(qū)的分布。

(1)呼倫貝爾——水源涵養(yǎng)區(qū)。內蒙古自治區(qū)下轄地級市，以呼倫湖和貝爾湖得名，總面積26.2萬平方公里，地處東經115°31′～126°04′、北緯47°05′～53°20′之間。東鄰黑龍江省，西、北與蒙古國、俄羅斯相接壤，是中俄蒙三國的交界地帶。呼倫貝爾地處溫帶北部，主要是溫帶大陸性氣候和溫帶季風性氣候，氣候特點是冬季寒冷漫長，夏季炎熱短促；日照豐富，溫差大，降水量差異大，降水期多集中在7-8月。呼倫貝爾大草原是世界三大草原之一，是中國保存完好的草原，所以得天獨厚的地理位置和保存現(xiàn)狀讓呼倫貝爾大草原作為訓練水源涵養(yǎng)區(qū)的典型草原區(qū)。

圖1 呼倫貝爾水源涵養(yǎng)區(qū)預測結果

(2)鄂爾多斯——水土保持區(qū)。內蒙古自治區(qū)下轄地級市，總面積8.6752萬平方公里，地處東經106°42′40〞-111°27′20〞，北緯37°35′24″-40°51′40〞之間。東、南、西與晉、陜、寧接壤，北及東北與自治區(qū)最大城市包頭以及首府呼和浩特隔河相望。鄂爾多斯市屬北溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，冬夏溫差巨大，日最高氣溫38℃，日最低氣溫-31.4℃。年平均降水348.3毫米，降水多集中于7、8、9三個月，占全年降水量的70%左右。鄂爾多斯包含了各種干旱和濕潤的草原，所以選擇鄂爾多斯作為訓練水土保持區(qū)的典型草原區(qū)。

圖2 鄂爾多斯水土保持區(qū)預測結果

(3)正藍旗——防風固沙區(qū)。內蒙古自治區(qū)下轄地級市錫林郭勒市的下屬縣，位于錫林郭勒市的南端，全旗總面積1.0182萬平方公里。地處東經116°02′，北緯42°25′，日最高氣溫35.9℃，最低氣溫-36.6℃。年平均降雨量為365.1毫米，而且主要集中在7、8、9月份，約占全年降雨量的80%-90%。除了夏季，全年降水比較少，蒸發(fā)量大，所以選取正藍旗作為訓練防風固沙區(qū)的典型草原區(qū)。

圖3 正藍旗防風固沙區(qū)預測結果

四、“一線三區(qū)” 分析結論

1.從理論上劃分出三大生態(tài)保護功能區(qū)

根據(jù)國家環(huán)保部發(fā)布的《生態(tài)保護紅線技術劃定指南》中生態(tài)保護重要性評估指標的分類，把草原三個區(qū)需要的數(shù)據(jù)進行格式轉換的預處理后應用支持向量機的方法將三個不同區(qū)域的指標進行自動分類，最終劃分出三個草原核心保護功能區(qū)的區(qū)域范圍。以上數(shù)據(jù)是基于三個典型草原區(qū)域的，還有待推廣到全內蒙古劃出全內蒙古的三大核心保護功能區(qū)。從降水，草原覆蓋度和土壤類型這幾個重要指標可以推斷出全內蒙古的水源涵養(yǎng)區(qū)應該多分布在內蒙古東部降水多的地方；防風固沙區(qū)應該多分布在內蒙古的西部深居內陸降水少的地方；水土保持區(qū)在水源涵養(yǎng)區(qū)和防風固沙區(qū)兩個之間。

2.從支持向量機方法應用中得出的預測準確率結果以及結果分析

數(shù)據(jù)中1表示“是”，0表示“非”，也就是說處理過程中1代表“是功能區(qū)”，0代表“不是功能區(qū)”。第二排的precison=預測1的命中次數(shù)/預測1的次數(shù)，三個區(qū)的precision都基本上在94%以上，recall=預測1的命中次數(shù)/預測1的總數(shù)，三個區(qū)的recall都基本上在89%以上，fi-score表示總體準確率的穩(wěn)定性，三個區(qū)的fi-score都基本上在94%以上，support表示支持向量的個數(shù)，最后一排是綜合預測準確率的值，準確率都基本在92%以上，從數(shù)據(jù)結果看可以證明支持向量機方法能夠合理的劃分三大核心保護功能區(qū)分布狀況。如圖4，圖5，圖6。

圖4 水源涵養(yǎng)區(qū)預測結果數(shù)據(jù)

圖5 水土保持區(qū)預測結果數(shù)據(jù)

圖6 防風固沙區(qū)預測結果數(shù)據(jù)

3.內蒙古的“一線”是草原生態(tài)的底線

草原保護紅線就像耕地紅線一樣有一個底線不能越過，但是草原保護紅線與耕地紅線的最大差異是耕地紅線強調不能低于一個總量值[9]，而草原由于自身分布的廣泛性具有不同的地域性，所以不同地區(qū)的紅線范圍也各有差異?！耙痪€”

是全面建立草原生態(tài)保護制度的龍頭和保障，是保證草原生態(tài)優(yōu)先、發(fā)揮屏障功能和實現(xiàn)草原永續(xù)利用的必備條件。

4.內蒙古的“三區(qū)”是草原生態(tài)的分區(qū)管理保障

草原核心保護區(qū)中每一個區(qū)域在草原覆蓋率、降水量、退化狀況等方面都有各自不同的特點，應遵從自然優(yōu)先原則，遵循自然規(guī)律[10]。水源涵養(yǎng)區(qū)的降水量充足，適合草原生長，這塊區(qū)域禁止破壞性工業(yè)和過度放牧，以草原自身恢復能力為主，人工管理為輔。水土保持區(qū)降水量較少，草原覆蓋率較低，是容易受到破壞的區(qū)域，加強保護管理措施和適當減輕對草原的占用從而保障不破壞草原生態(tài)環(huán)境。防風固沙區(qū)多是草原退化較嚴重的區(qū)域，增加人工種植耐旱的草本植物，盡量的把草原控制在一定范圍內不再減小。