内蒙古草原核心保护功能区的划定与分析——基于支持向量机方法

谢天赐，马 林

(大连民族大学 经济管理学院，辽宁 大连 116605)

“十三五”以来，生态文明建设上升为国家战略，习近平总书记多次强调，“绿水青山就是金山银山”，要深入贯彻习近平总书记系列重要讲话精神和治国理政新理念新思想新战略，下定决心走出一条经济发展与环境改善的双赢之路。环境保护部在2016年11月发布的《全国生态保护“十三五”规划纲要》[1]中提出推动建立和完善生态保护红线管控措施，到2020年基本建立生态保护红线制度。草原是中国最大的陆地生态系统，是最重要的自然资源之一，虽然过去保护草原的措施取得了一定的成效，但是由于没有明确的草原保护红线作为最根本的草原保护指标，全国草原生态总体恶化局面尚未根本扭转，中度和重度退化面积仍占1/3以上，草原生态仍很脆弱[2]。因此，尽快的确立草原保护红线及其内部包含的三大核心保护功能区是推进草原文明建设、实现绿色发展、保障国家草原安全的重要任务。

一、内蒙古草原的三大生态功能和“一线三区”

草原覆盖着地球上许多区域，它夹杂在地球上森林、荒漠和冰原之间广阔的中间地带，广泛的空间分布让草原成为陆地上最大的生态保护屏障。本文以内蒙古草原作为研究基础，总结了草原最主要的三大生态功能：水源涵养功能、水土保持功能和防风固沙功能，并提出“一线三区”来保障草原生态系统的稳定。

1.内蒙古草原的三大生态功能

(1)水源涵养功能[3]。草本植物根系发达，纵横交错，拥有紧密的根网，可以疏松土壤，保持土壤的高透水性和高渗透速度，从而加大了水流渗透量和蓄水能力，能够充分地截留降水和锁住地表水分。草原植被覆盖住土壤的时候同时也会减少太阳直接对地面的照射，减小水量的蒸发。

(2)水土保持功能。草本植物贴地面生长，能很好地覆盖地面，繁茂的茎叶可以遮挡风雨从而避免暴雨直接击打地面。草本植物根系较发达，能深深地植入土壤中，加大地面糙率，阻缓径流，拦截泥沙，牢牢地将土壤固定。同时，草本植物遗留在地面的枯枝败叶和地下的残根都能给土壤带来丰富的有机物，这些有机物在时间推移中会分解形成腐殖质，可以帮助增加让空气和水进入的空隙，于是渗透的速率加快了，渗透的雨水增多了，地表径流相对减少，径流对土壤的侵蚀也就减小了。所以草本植物在活着的时候或者是死去了变成腐殖质，都会大大的改善土壤，加强水土保持的能力。

(3)防风固沙功能。草本植物是蒸腾少、耗水量少、最适于干旱区生长的植被类型之一。在沙地里面，防治荒漠化的技术措施中植物治沙是最有效的，草本植物是绿色植被的先锋，因为干旱、风沙、林木生长困难，而草本植物却较易生长，草本植被可以增加下垫面的粗糙程度，降低近地表风速，从而可以减少风蚀作用。

2.内蒙古草原的“一线三区”

(1)草原的“一线”是指草原保护红线[4]。草原保护红线从理论上看是为保持草原基本生态功能、所必须恪守的最小草原面积，是保障和维护国家陆地生态安全的底线和生命线，红线有着促进城市健康有序发展、绿色发展，维护区域生态安全的作用。从技术划分上看草原保护红线是“三区”的边界线，红线外的区域因为草原退化严重，已经丧失了相应的生态功能，红线内包围着的草原生态功能保留完整。

(2)草原的“三区”是指草原保护红线内部的三大核心保护功能区。与草原的三大生态功能相对应，分别是水源涵养功能区，水土保持功能区和防风固沙功能区。结合草原退化指标划出三大核心保护功能区的范围，保障各区域内自身的草原生态功能得以发挥其最大作用。“三区”的划分明确了草原三大生态功能所对应的区域范围，方便人们根据不同区域采取不同的管理措施从而让草原生态功能的作用得以最大发挥。

3.内蒙古草原的三大生态功能和内蒙古草原的“一线三区”之间的关系

(1)内蒙古草原三大生态功能是划分内蒙古草原的“一线三区”的重要依据

以内蒙古草原自身固有的三大生态功能作为客观出发点将草原划分成三个草原生态功能区域，并依据国家环保部文件《生态保护红线技术划定指南》[5]提取出每个草原生态功能的指标并进行数据处理后划分出三大草原保护功能区。结合草原退化指标，去除掉草原保护功能已经退化的区域后剩下的区域则是三大核心保护功能区，核心保护功能区的边界线就是草原保护红线。习近平总书记多次强调必须走生态优先、绿色发展的道路，划定“一线三区”的指标从草原的三大生态功能中来，做到了走尊重自然规律和符合科学依据的生态优先、绿色发展的道路。

(2)内蒙古草原的“一线三区”是内蒙古草原三大生态功能的根本保障

草原最主要的大三生态功能是别的植物难以代替的，管理好草原就可以最大程度的保障陆地自然界生态系统的稳定。本文提出并划定内蒙古草原保护红线及其内部的草原三大核心保护功能区弥补了草原保护问题里最根本的底线问题，以最直接明了的“一线”保护草原面积不再减小从而使草原的三大生态功能的得以保障。以“三区”明确划定红线内核心保护区分布情况指导人们针对不同的区域情况采取不同的管理措施，实现人与自然的和谐发展，既保证当代草原人民的利益又能满足后代草原人民的需求。

二、支持向量机概述

支持向量机(Support Vector Machine)是一个有监督的学习模型，常用来进行模式识别、分类以及回归分析。Vapnik和Cortes[6]在1995年首先提出此方法，此方法是建立在统计学习理论的VC 维理论和结构风险最小原理基础上的，通过学习给定的训练样本求出输入输出之间的关系，以期获得最好的学习效果来推广输入输出的关系。它在解决小样本、非线性及高维模式识别中表现出许多特有的优势，并已被证明是优于其它遵循传统经验风险最小化原则的技术。

1.VC维和结构风险

VC维[7]是对函数类的一种度量，反映了函数集的学习能力，VC维越大则机器学习难度越大。对于一个给定集合S={x1, ... ,xd}，如果一个假设类H能够实现集合S中所有元素的任意一种标记方式，则称H能够分散S。H的VC维表示为VC(H)，指能够被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)为无穷大。目前还没有通用的关于任意函数集VC维计算的理论,只对一些特殊的函数集知道其VC维，比如在n维实数空间中线性分类器和线性实函数的VC维是n+1。机器学习本质上是一种对问题真实模型的逼近，这个与问题真实解之间的误差的积累叫做风险。统计学习理论引入了一种新的策略：即把函数集构造为1个函数子集序列,使各个子集按照VC维的大小排列,在每个子集中寻找最小经验风险,在子集间折衷考虑经验风险和置信范围,以取得实际风险的最小。这种思想成为结构化风险：就是指真实风险应该由两部分组成，一是经验风险，代表了训练误差；二是置信风险。第二部分是没有办法精确计算的，它和学习机器的VC维及训练样本数有关,只能给出一个估计的区间。泛化误差界的公式为：R(w)≤Remp(w)+Ф(n/h)。公式中R(w)就是真实风险，Remp(w)就是经验风险，Ф(n/h)就是置信风险。统计学习的目标从经验风险最小化变为了寻求经验风险与置信风险的和最小，即结构风险最小。SVM正是这样一种努力最小化结构风险的算法。

2.线性分类

线性函数在一维空间里是一个点，在二维空间里是一条直线，三维空间里是一个平面，如果一个线性函数能够将样本完全正确的分开，则称这些数据是线性可分的，否则称为非线性可分的。

对于线性可分的情形可设[(xi，yi) ，i = 1，…，N]为N个样本点，其中yi=1或-1，表示xi所属的类。分类线性方程[8]为

f(x)=w·x+b=0

(1)

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

而满足最优值的分类线可以将不同的类划分开，并且使得分类间隔最大，即两类样本同时满足 |f(x)|≥1时，分类间隔为

(2)

而间隔最大值为

(3)

使得 yi[( w·x)+ b]-1≥0，i =1，…，N 满足 yi[(w·x)+ b-1=0的训练样本叫支持向量。通过构造函数转为二次规划问题

(4)

函数L的乘数a=( a1，a2…，aN) 。式(3)的最小值为式(4)的鞍点，可通过L对w和a的偏导数运算转化为(3)的对偶问题，求函数Ф(a)的极大值

(5)

约束条件为

(6)

若为其最优解，则

(7)

从而最优分类函数为

(8)

三、内蒙古草原的三大核心保护功能区的划分过程和结果

本研究以草原保护红线划定作为出发点，挑选出内蒙古三个具有典型代表性的草原区，并结合近几年提出的草原保护红线的思想理论，最终采用了机器学习里面一个成熟和主流的方法——支持向量机，为草原核心保护功能区的早日确立做出科学的划分依据。此过程主要在介绍了三个研究区概况后，确立各区的特征值；转化数据格式和训练数据样本；预测结果三个部分组成。

1.确定指标

根据环保部2015年发布的《生态保护红线划定技术指南》中规定的三个功能区所需要的指标。水源涵养区：土壤类型，草原类型，草原覆盖度，降水量和草原生物量。水土保持区：土壤类型，草原类型，草原覆盖度，降水量和草原生物量，年均温，草地坡度和坡向及草原退化面积。防风固沙区：草原类型，土壤类型，草原覆盖度和风速。对指标进行整理归类见表1。

表1 三个典型草原生态区指标分类

2.转化数据格式和训练数据样本

转化数据格式：Arcgis是一个用来收集、组织、管理、分析、交流和发布、处理地理信息的地理信息系统，用Arcgis将草勘院通过遥感监控获取的矢量数据和栅格数据转化成Matlab能读取的Tiff格式的图片数据，每一个特征值都有一个对应的Tiff图片数据。再用Matlab将每一个Tiff格式的图片数据转化成一列相对应的excel表格作为模型训练的一个特征值。

训练数据样本：第一步，把每一个功能区所需的指标都转化成一一对应的excel表格后，同一个区域的指标组合成一张excel表，然后将草勘院专家给的标准也转化成excel表的一列，这样指标和标准组合在一起形成一张完整的数据表；第二步，把excel表的前2000行数据作为训练数据，后20533行数据作为预测数据，将训练数据放进支持向量机模型里面正确率可达到90%以上；第三步，将后20533行数据和前2000行数据同时放进支持向量机模型里面后得出预测标准，再放进Matlab里面转化成Tiff图像，形成最后看到的功能区分布结果，以黑色部分代表功能区，白色部分代表非功能区。

3.预测结果

三个地区的预测结果如图1，图2，图3。黑色的代表生态功能区的分布，白色的代表非生态功能区的分布。

(1)呼伦贝尔——水源涵养区。内蒙古自治区下辖地级市，以呼伦湖和贝尔湖得名，总面积26.2万平方公里，地处东经115°31′～126°04′、北纬47°05′～53°20′之间。东邻黑龙江省，西、北与蒙古国、俄罗斯相接壤，是中俄蒙三国的交界地带。呼伦贝尔地处温带北部，主要是温带大陆性气候和温带季风性气候，气候特点是冬季寒冷漫长，夏季炎热短促；日照丰富，温差大，降水量差异大，降水期多集中在7-8月。呼伦贝尔大草原是世界三大草原之一，是中国保存完好的草原，所以得天独厚的地理位置和保存现状让呼伦贝尔大草原作为训练水源涵养区的典型草原区。

图1 呼伦贝尔水源涵养区预测结果

(2)鄂尔多斯——水土保持区。内蒙古自治区下辖地级市，总面积8.6752万平方公里，地处东经106°42′40〞-111°27′20〞，北纬37°35′24″-40°51′40〞之间。东、南、西与晋、陕、宁接壤，北及东北与自治区最大城市包头以及首府呼和浩特隔河相望。鄂尔多斯市属北温带半干旱大陆性气候区，冬夏温差巨大，日最高气温38℃，日最低气温-31.4℃。年平均降水348.3毫米，降水多集中于7、8、9三个月，占全年降水量的70%左右。鄂尔多斯包含了各种干旱和湿润的草原，所以选择鄂尔多斯作为训练水土保持区的典型草原区。

图2 鄂尔多斯水土保持区预测结果

(3)正蓝旗——防风固沙区。内蒙古自治区下辖地级市锡林郭勒市的下属县，位于锡林郭勒市的南端，全旗总面积1.0182万平方公里。地处东经116°02′，北纬42°25′，日最高气温35.9℃，最低气温-36.6℃。年平均降雨量为365.1毫米，而且主要集中在7、8、9月份，约占全年降雨量的80%-90%。除了夏季，全年降水比较少，蒸发量大，所以选取正蓝旗作为训练防风固沙区的典型草原区。

图3 正蓝旗防风固沙区预测结果

四、“一线三区” 分析结论

1.从理论上划分出三大生态保护功能区

根据国家环保部发布的《生态保护红线技术划定指南》中生态保护重要性评估指标的分类，把草原三个区需要的数据进行格式转换的预处理后应用支持向量机的方法将三个不同区域的指标进行自动分类，最终划分出三个草原核心保护功能区的区域范围。以上数据是基于三个典型草原区域的，还有待推广到全内蒙古划出全内蒙古的三大核心保护功能区。从降水，草原覆盖度和土壤类型这几个重要指标可以推断出全内蒙古的水源涵养区应该多分布在内蒙古东部降水多的地方；防风固沙区应该多分布在内蒙古的西部深居内陆降水少的地方；水土保持区在水源涵养区和防风固沙区两个之间。

2.从支持向量机方法应用中得出的预测准确率结果以及结果分析

数据中1表示“是”，0表示“非”，也就是说处理过程中1代表“是功能区”，0代表“不是功能区”。第二排的precison=预测1的命中次数/预测1的次数，三个区的precision都基本上在94%以上，recall=预测1的命中次数/预测1的总数，三个区的recall都基本上在89%以上，fi-score表示总体准确率的稳定性，三个区的fi-score都基本上在94%以上，support表示支持向量的个数，最后一排是综合预测准确率的值，准确率都基本在92%以上，从数据结果看可以证明支持向量机方法能够合理的划分三大核心保护功能区分布状况。如图4，图5，图6。

图4 水源涵养区预测结果数据

图5 水土保持区预测结果数据

图6 防风固沙区预测结果数据

3.内蒙古的“一线”是草原生态的底线

草原保护红线就像耕地红线一样有一个底线不能越过，但是草原保护红线与耕地红线的最大差异是耕地红线强调不能低于一个总量值[9]，而草原由于自身分布的广泛性具有不同的地域性，所以不同地区的红线范围也各有差异。“一线”

是全面建立草原生态保护制度的龙头和保障，是保证草原生态优先、发挥屏障功能和实现草原永续利用的必备条件。

4.内蒙古的“三区”是草原生态的分区管理保障

草原核心保护区中每一个区域在草原覆盖率、降水量、退化状况等方面都有各自不同的特点，应遵从自然优先原则，遵循自然规律[10]。水源涵养区的降水量充足，适合草原生长，这块区域禁止破坏性工业和过度放牧，以草原自身恢复能力为主，人工管理为辅。水土保持区降水量较少，草原覆盖率较低，是容易受到破坏的区域，加强保护管理措施和适当减轻对草原的占用从而保障不破坏草原生态环境。防风固沙区多是草原退化较严重的区域，增加人工种植耐旱的草本植物，尽量的把草原控制在一定范围内不再减小。