基于机器学习的普达措国家公园生态资源资产定价研究.pdf

第 卷第 期 年 月云 南 地 理 环 境 研 究 收稿日期:修订日期:.基金项目:国家自然科学基金“孟中缅印经济走廊公路网时空风险评估与归因”()国家自然科学基金“民族山区路网脆弱性时空特征研究 以云南为例”()云南省国有自然资源资产权益管理试点技术优化及研究内容扩展项目“普达措国家公园土地生态服务价值测算研究”().作者简介:何 锋()男 云南省红河州人 副教授 博士 研究方向为土地系统与遥感定量化、土地经济与管理 通信作者:魏晓燕()女 新疆维吾尔自治区五家渠市人 高级工程师 博士 研究方向为空间分析、路网分析的应用 基于机器学习的普达措国家公园生态资源资产定价研究何 锋 魏晓燕 周峻松 云南财经大学 物流与管理工程学院 云南 昆明 云南省测绘资料档案馆(云南省基础地理信息中心)云南 昆明 摘要:阐述了普达措国家公园生态产品的内涵 对国家公园生态系统服务价值评估大数据的维度分析、空间分析和属性分析方法进行说明 并基于机器学习提出一种面向国家公园生态系统服务价值评估的方法:基于国家公园维度空间属性大数据耦合的分析框架 进而将生态产品转化为生态价值 探讨了如何有效地整合保护与经济发展之间的关系 研究结果表明:优化模型的性能对比传统模型有了极大的提升 运行速度提高 对于生态资源的识别准确率提高至 普达措国家公园生态产品 年总价值为 亿元/单位面积价值量 元/()价值组成中 固碳释氧功能价值最大 占总价值的 其次是物种保护价值 占总价值的 而提供林产品价值和景观游憩价值分别仅占总价值的 和 关键词:机器学习 生态资源 资产定价模式中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言随着全球生态环境不断恶化 越来越多的国家开始重视生态系统服务的价值评估 旨在实现生态保护和经济发展的双赢 然而 传统的评估手段却存在诸多不足 难以准确量化国家公园的生态系统价值 因此机器学习的手段被应用于此 通过机器学习的模型对生态资源进行识别分析 将生态产品转换为生态价值供人们参考对于生态资源资产的研究中 等人以自然资源资本化理论、委托代理理论、产权理论为基础 归纳森林资源资本化理论逻辑及价值实现路径 对森林生态银行森林资源资本化转化机理进行探讨 进一步结合森林生态银行森林资源资本化依托项目的实际情况 对项目价值实现潜力进行测算 识别出森林生态银行森林资源资本化项目关键参与主体为林农、企业、政府 进而 结合演化博弈理论对森林、生态、银行三方主体演化策略进行分析 得出现阶段林农、企业、政府三方合作为最优策略稳定点之一 而张婕等人总结了生态资源资本化运营的相关理论 从资源、资产和资本之间的转化出发 研究了城市生态资源资本化的项目设计 并探讨了森林城市建设下生态资源资本化运营模式 他们在项目前期就确定了项目交易范围、合作期限、融资结构和风险分配机制 同时还划分了城市生态资源项目运营的不同模式及盈利方式 为了建立以生态资源生态服务价值为基础的项目评估模型 他们首先对项目运营模式进行确立 然后对其进行验证 等人提出了林纸一体化企业()的基本前提和一云南地理环境研究第 卷般原则、基本要素及其框架结构 为研究奠定基础 该研究还确立了森林资源资产的概念 并确定了林纸一体化企业森林资源资产的要素、计量方法以及会计业务处理方法 同时 等人还设计了林纸一体化企业森林资源资产信息披露的内容和方式 并提出了规范性要求基于传统的研究 首先解释了普达措国家公园生态产品的含义以及总结了对国家公园生态系统服务价值评估所采用的大数据维度、空间和属性分析方法 然后 通过利用机器学习技术 提出了一种面向国家公园生态系统服务价值评估的国家公园维度、空间、属性大数据耦合分析框架 并将生态产品转化为生态价值 探讨如何有效地整合保护和经济发展之间的关系 机器学习背景下普达措国家公园生态资源资产定价研究 普达措国家公园及国家公园生态系统服务价值评估 国家公园是指由政府划定和管理的 具有重要自然、生态、文化和科学价值的特定地域范围 国家公园旨在维护和保护自然环境和生物多样性 并促进可持续利用和保护区域内的自然资源 国家公园通常设立于独特的自然景观和生态系统中 涵盖了多种自然和文化资源 同时也为游客提供进行休闲、观光和教育活动的场所普达措国家公园 位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉市建塘镇红坡村 处于滇西北“三江并流”世界自然遗产中心地带 距香格里拉城区 总面积约 普达措国家公园范围内最高点海拔 最低点海拔 有多处断层崖、林间小涧、深沟峡谷等独特小景交错分布 包含了较为原始完整的森林灌丛、高山草甸、湿地湖泊、地质遗迹、河流峡谷生态系统等 普达措国家公园涵盖着具有独特的文化和传统生活方式的藏族等少数民族聚居的地区 公园内的村庄和社区通过与自然环境和谐相处 在保护区管理中发挥着重要作用 并参与和支持当地社区可持续发展的策划和实施 普达措国家公园吸引了大量的游客前来体验独特的自然和文化景观 公园提供了多种旅游活动 如徒步旅行、探险以及生态观测等 带动了当地的经济发展和就业机会 此外 农牧业也是当地居民的重要收入来源 普达措国家公园生态产品是指在公园内能够获取的自然资源和文化资源具有生态、文化与市场价值 可用于满足人们的生产、生活和旅游需求 普达措国家公园生态产品的主要有 类 分别是管制木材、特色农产品、草药以及蜂蜜 除此之外 普达措国家公园还有其他生态产品 如水果、蘑菇、野味等等 这些生态产品在满足人们生活和旅游需求的同时 也能够促进更好的生态环境和文化保护 增加居民和旅游业的收益 形成循环发展 然而 随着旅游业的不断发展和人类活动的增加 该地区的生态环境面临着越来越大的压力 因此 对该地区的生态系统服务价值进行评估 有助于更好地保护该地区的自然资源和生态环境生态系统服务是指自然生态系统为人类社会提供的各种经济和文化价值 普达措国家公园作为一个生态系统 为人类提供了许多重要的生态系统服务 如水源涵养、土壤保持、气候调节等 这些生态系统服务往往都具有重要的意义 但它们的价值往往被忽视或低估 国家公园生态系统服务价值评估需要考虑多个方面 包括维度、空间和属性等 维度是指国家公园生态系统服务所覆盖的领域和范围 通常包括供应、需求和可持续性等几个方面 空间分析是指国家公园生态系统服务的地理范围和分布规律 主要考虑生态系统的时空演化特征和空间分布特征 包括重要性、稳定性和脆弱性等 属性分析是对国家公园生态系统服务的评价维度进行具体分析和量化 并分析不同因素之间的关系 通过对普达措国家公园的生态系统服务价值进行评估 可以更好地了解该地区的自然资源和生态环境的重要性(图)通过以上的维度分析、空间分析和属性分析方法的总结概括 国家公园生态系统服务价值评估大数据可以进行综合评估 从而为国家公园生态系统保护和利用提供科学的决策支持 对普达措国家公园的生态系统服务价值进行评估还可以为政策制定和经济决策提供重要的信息 这将有助于促进旅游业的可持续发展 并为当地社区和游客提供更好的旅游体验第 期何 锋等:基于机器学习的普达措国家公园生态资源资产定价研究图 国家公园生态系统服务价值评估 机器学习在国家公园生态系统服务价值评估中的应用 机器学习是一种人工智能领域的技术 它使计算机系统通过经验数据和自动学习算法自主地改进性能 其可以让计算机自己从数据中发现模式并根据这些模式来做出预测和决策 这种技术被广泛应用于自然语言处理、图像识别、语音识别、广告推荐等各种应用场景 主要技术包括数据准备、特征工程、模型构建及训练、模型评估和优化等机器学习在生态系统服务价值评估中的应用由于其可自动处理和分析数据的能力 已经成为一个越来越被广泛关注的领域 它在国家公园生态系统服务价值评估中的具体应用如图 机器学习是一种在当今信息时代中被广泛应用的分析工具和方法 作为一种能够通过大数据分析和处理来自动提取规律和模式的技术 机器学习已经渗透到了各个领域 其中 国家公园生态系统服务价值评估也是可以应用机器学习技术的一个领域 在生态保护和可持续发展的众多领域中 生态系统服务价值评估是一个重要的领域 可以为公园管理者提供科学依据和决策参考 以更好地实现生态保护和可持续发展的目标 通过机器学习技术 可以更加准确地分析公园内生态服务的价值 为决策者提供更准确和有效的信息和决策参考 基于机器学习的生态资源资产定价模型及评估体系 基于机器学习 建立一个面向国家公园生态系统服务价值评估的国家公园维度空间属性大数据耦合分析框架(图)云南地理环境研究第 卷图 机器学习在国家公园生态系统服务价值评估中的应用 图 国家公园生态系统服务价值评估框架 卷积神经网络可以处理复杂的图像识别任务这就是为什么它被广泛应用于计算机视觉领域 在这个过程中 特征的选择是通过对图像的像素点的处理、汇集和组织成多个层次来完成的 当它被应用于森林的植被、物种等的识别统计任务时 它可以处理大量高清真实环境下的图像数据 并利用先进的图像识别模型来识别各种植物和动物 神经网络的层次结构使得特征可以通过重复的特征提取过程 越来越针对特定的对象或事物进行识别当它获取到足够的数据时 计算机将能够识别到更加微小的细节 从而更加准确地区分各种不同的植被和物种 这种技术的应用为生物多样性的监测和保护提供了更加高效和精准的手段 图像识别中卷积神经网络的结构如图 图 卷积神经网络结构 第 期何 锋等:基于机器学习的普达措国家公园生态资源资产定价研究卷积层的主要作用是提取图像特征 其中包含多个特征通道 为了降低模型参数数量 同一特征图上的神经元共享卷积核的权重 每个卷积核可以提取不同的特征和细节 而它输出的结果就是前一层多个特征图抽象组合的结果 公式如下:()()式中:为第 层的输入 为第 层的第 个特征图 为非线性激活函数 为卷积核类型 为卷积操作 为卷积层的偏置项 卷积后数据特征图大小的计算公式为:()式中:为卷积后数据特征图大小 为输入特征图的尺寸信息 为卷积核的尺寸信息 为步长 为填充大小 优化后的模型如图 图 优化后的图像特征识别模型 该模型有两个优点 一是具有较高的图像识别与检索性能 二是该架构具有高的可扩展性和可复用性 可以更好的满足使用的需求 而对于生态资源资产评估 分为直接经济价值和间接经济价值两类(表)表 生态资源资产价值评估项目 直接经济价值间接经济价值提供林产品价值 景观游憩价值涵养水源价值 保育土壤价值固碳释氧价值 净化大气价值养分积累价值 物种保护价值 生态资源资产的直接经济价值是指带来直接经济利益的生态资源产品价值 这些产品的市场价格可以用来估计直接经济价值 从而提供直接的经济利益流入 主要体现在提供林产品价值和景观游憩价值两个方面 林产品可分为林木产品和林副产品 评估公式如下:()()式中:为森林年林木价值 为林木产品的均价 为林木产品的年采伐量 为森林年林副价值 为林副产品的均价 为林副产品的年产量 而景观游憩价值可依据门票收入反映其价值生态资源资产的间接经济价值是指那些难以市场化的交易 但通过媒介的方式使得利益流入生态系统服务的价值 这些服务的价值评价方法需要根据各功能的表现特征来确定 无法提供直接的经济利益流入 普达措森林生态资源资产服务功能的间接经济价值主要有 类 首先是涵养水源价值 选择蓄水和净化水质 项指标来反映公式如下:()云南地理环境研究第 卷 ()式中:为森林年蓄水价值 为水库建设单位成本 为与裸地相比 森林生态系统蓄积降水的年增加量 为森林年净化价值 为自来水净化费用保育土壤价值选择固土价值和保肥价值 项指标来反映 公式如下:/()()/()(/)()式中:为森林年固土价值 为林业年均收益为森林年固土量 为泥沙的平均容重 为森林表土土壤平均厚度 为流失的泥沙淤积于水库、江河、湖泊比例 为森林年保肥价值、为土壤中氮、磷、钾元素的平均含量 为磷酸二铵含氮量 为磷酸二铵含磷量 为氯化钾含钾量、为磷酸二铵、氯化钾的市场价格固碳释氧价值选择固碳价值和释氧价值来反映 公式如下:()()式中:为森林年固碳价值 为碳排放价格为森林的年均净生产力 为森林年释氧价值为氧气价格净化大气价值选取吸收大气污染物质价值和阻滞降尘价值 项指标来反映 公式如下:()()式中:为每年吸收大气污染物质价值、为二氧化硫、氟化物和氮氧化物的消减成本、为二氧化硫、氟化物和氮氧化物的年吸收量 为森林面积 为森林年阻滞降尘价值 为降尘清理费用 为森林的年滞尘量养分积累价值评估公式如下:(/)()式中:为每年养分积累价值、为林木中氮、磷、钾元素的平均含量最后就是物种保护价值 采用成果参照法对该类价值进行评估 公式如下:()式中:为森林年物种保护价值 为单位面积森林年物种保护价值 机器学习下普达措国家公园生态资源资产定价评估与分析 优化物种、植被识别模型性能对比与分析实验选择普达措国家公园生态资源数据集 可以 从 普 达 措 国 家 公 园 管 理 局 的 官 方 网 站()上获取该数据集 并在数据或资源部分找到相关链接以下载数据集 该数据集包含了普达措国家公园内的生态资源信息 如植被类型、动物数量、景观等级等 包括原始采集数据和已处理的生态资源特征数据 涵盖了多个子区域和各类生态要素 研究选择两种传统的识别模型进行横向对比实验 识别模型分别为 ()和 ()实验环境如表 表 实验环境 实验设备设备配置服务器 运行内存 磁盘 操作系统 对比指标选择模型的运行速度以及它们识别生态资源的识别准确率 实验选择植被类数据集()和野生动物类数据集 ()从数据集中分别选择 张图像进行实验 实验结果如图 第 期何 锋等:基于机器学习的普达措国家公园生态资源资产定价研究图 不同模型性能对比 从图 中可以发现 优化模型在运行时间和识别准确率方面均表现优异 具体来说 相较于传统模型 优化模型的运行速度有了 的提升 这意味着在同等时间内能够处理更多的数据 提高生态资源的识别效率 此外 优化模型的识别准确率也非常高 平均可达 表明该模型在生态资源的分类任务上表现非常出色 通过研究可以发现优化深度学习模型在生态资源识别与分类的任务中十分重要 然而也需要注意到 理论模型的研究仅仅是开发更多更有效的算法之一 更为重要的是将这些算法应用在实际场景中 并与生态科学家和保护工作者进行积极的交流和协作 只有这样才能真正地保护好生态环境和资源 普达措国家公园生态资源资产定价评估与分析普达措国家公园属于禁止进行任何采伐和砍伐等破坏性活动的保护区 旨在保护当地的自然生态环境和文化遗产 根据 年中国国家统计局发布的社会公共数据(表)对直接经济价值进行估算根据普达措国家公园官方网站以及地理信息系统数据的信息得知 普达措国家公园 年门票价格为 元/人 日均客流量大约为 万人普达措国家公园占地面积为 森林覆盖率达到 以上 年均蒸发量为 表 社会公共数据 名称数据水库建设单位成本 元/自来水净化费用 元/有机质价格 元/固碳价格 元/氧气价格 元/磷酸二铵价格 元/氯化钾价格 元/磷酸二铵含氮量磷酸二铵含磷量 氯化钾含钾量二氧化硫治理费 元/氟化物治理费 元/氮氧化物治理费 元/降尘清理费 元/年均降水量为 土壤的平均容重为 /耕作土壤的平均厚度为 普达措森林土壤中氮、磷、钾元素的平均质量分数分别取、根据以上信息结合本文模型和公式进行评估 结果如表 云南地理环境研究第 卷表 普达措国家公园生态资源资产价值评估结果 评估项目评估结果/亿元比例/林产品价值 景观游憩价值 涵养水源价值 保育土壤价值 固碳释氧价值 净化大气价值 养分积累价值 物种保护价值 表 数据显示 普达措国家公园生态产品在 年的总价值为 亿元/而单位面积价值量为 元/()该国家公园的生态资源资产价值构成中 固碳释氧功能价值占总价值的 物种保护价值占 而提供林产品价值和景观游憩价值仅占总价值的 和 这表明普达措国家公园的主要价值在于维护其重要的生态系统功能 尤其是通过固碳释氧和物种保护来保护该地区的生态系统 结论与讨论随着全球生态环境的不断恶化 越来越多的国家开始关注生态系统服务的价值评估 以实现生态保护和经济发展的双赢 所以本文研究通过提出一种面向国家公园生态系统服务价值评估的国家公园维度空间属性大数据耦合分析框架 并结合机器学习技术对普达措国家公园生态产品的价值进行了评估 本文研究发现该优化模型的性能优于传统模型 并且运行速度提高 对于生态资源的识别准确率提高至 同时通过评估体系进行评估发现 普达措国家公园生态产品的 年总价值为 亿元/单位面积价值量为 元/()价值组成中 林产品价值和景 观 游 憩 价 值 分 别 仅 占 总 价 值 的 和 因此 普达措国家公园具有重要的生态系统服务价值 这些价值主要来自其生物多样性、碳汇、水源涵养、景观美化等方面 此外 按照贡献价值大小对各项评价指标排列发现 普达措国家公园的主要价值来自于其生态系统的稳定性和功能完整性 其中固碳释氧和物种保护是该公园最重要的生态功能 此外 涵养水源和养分积累也是该公园价值的重要组成部分 因此 这个国家公园的管理者应该重视这些生态系统价值 并采取相应的措施来保护和维护其完整性和功能性 这不仅可以保护普达措国家公园的生态系统 而且还可以维护区域和全球生态系统的稳定性和可持续性本文研究为评估国家公园生态系统服务价值提供了一种新的思路和方法 并为国家公园生态保护和经济发展之间的权衡提供了一些参考 同时本文研究还为相关政策的制定提供了重要的参考依据未来需要更广泛地应用这种基于大数据和机器学习技术的评估方法 为建设绿色、低碳发展的生态文明提供强有力的支撑 本文研究也有诸多不足 研究只针对静态评估下生态资源资产的价值进行了分析 未考虑到生态资源资产在人类活动影响下价值的动态变化过程 并且研究也没有进行差异化评估分析 这样会使得评估结果出现大的误差 之后的研究中会建立出更为全面的评估模型 提高其识别准确率 本研究为生态资源资产定价提供了一种新的方法 并且可以为生态经济学、资源管理和环境保护等研究领域提供借鉴和参考 本研究的成果可应用于普达措国家公园及其他自然保护区的生态资源管理中 帮助制定合理的保护政策、评估生态环境的经济价值 并为决策者提供科学依据参考文献:王京彬 卫晓锋 张会琼 等 基于地质建造的生态地质调查方法 以河北省承德市国家生态文明示范区综合地质调查为例.中国地质 ():许杨 纪道斌 何金艳 等 基于生态修复治理下的茅洲河流域生态分区.三峡大学学报(自然科学版)():.():第 期何 锋等:基于机器学习的普达措国家公园生态资源资产定价研究 .():张婕 刘玉洁 潘韬 等 自然资源资产负债表编制中生态损益核算.自然资源学报 ():.():杨昔 喻建华 乔亮亮 自然资源资产价值评估初探.中国国土资源经济 ():叶有华 杨智中 李思怡 等 生物入侵对自然资源资产的影响及其在自然资源资产负债表编制中的应用.生态环境学报 ():.():李思程 蔡乾坤 刘文飞 等 杉木人工林表层土壤碳氮磷储量及化学计量特征对长期氮添加的响应.云南大学学报(自然科学版):.():黄晓荣 秦长海 郭碧莹 等 基于能值分析的价值型水资源资产负债表编制.长江流域资源与环境 ():高冰 王军 李名威 白洋淀湿地生态系统服务价值评价 基于白然资源资产负债表编制视角.林业与生态科学 ():.():孙自永 王俊友 葛孟琰 等 基于水稳定同位素的地下水型陆地植被识别:研究进展 面临挑战及未来研究展望.地质科技通报 ():.():赵晓燕 谈树成 李永平 基于斜坡单元与组合赋权法的东川区地质灾害危险性评价.云南大学学报(自然科学版)():王晓丽 杨杰 吴波 等 氮 磷配施对直干桉苗木生长和养分含量的影响.云南大学学报(自然科学版)():.():黄健 吴达胜 方陆明 基于多源数据及三层模型的小班林型识别.南京林业大学学报(自然科学版)():刘星星 邓杰航 徐国涛 等 基于山火时空特性的深度学习火点识别模型.():陈国龙 杨瑞霞 王普 等 近 三北地区植被资源时空变化特征探究.云南大学学报(自然科学版)():唐菁敏 曲文博 苏慧慧 等 一种基于帝企鹅差分算法的 覆盖优化.云南大学学报(自然科学版)():.():尚白军 朱家龙 周智彬 等 近 年莫索湾垦区 团植被覆盖度时空变化及现状评价.云南大学学报(自然科学版)():.():云南地理环境研究第 卷 徐姗姗 吕净妍 陈芳媛 深度卷积神经网络的遥感植被检测方法.南京林业大学学报(自然科学版)():潘健峰 马月伟 陈艳 等 社会 生态耦合分析视角下普达措国家公园生物多样性价值评估.生态与农村环境学报 ():.():杨超 杨素雨 陶云 等 云南寒潮的气候特征及其不同路径的大气环流差异.云南大学学报(自然科学版)():毛鸿欣 贾科利 张旭 基于实测高光谱和 影像的银川平原土壤盐分反演.云南大学学报(自然科学版)():.():刘静佳 基于 量表的国家公园环境教育需求研究 以普达措国家公园为例.林业与生态科学 ():和春兰 费丽娜 沈映政 大理市土地利用时空变化及其生态环境效应研究.云南地理环境研究 ():():/().: