全域旅游空間潛力預(yù)測(cè)，讓AI助力鄉(xiāng)村振興

注：本文為刪減版，不可直接引用。原中英文全文刊發(fā)于《景觀設(shè)計(jì)學(xué)》（Landscape Architecture Frontiers）2022年第5期"生態(tài)系統(tǒng)文化服務(wù)與景觀實(shí)踐"。獲取全文免費(fèi)下載鏈接請(qǐng)點(diǎn)擊https://journal.hep.com.cn/laf/EN/10.15302/J-LAF-1-020073；參考引用格式見文末。

“全域旅游”導(dǎo)向下鄂西游憩服務(wù)的空間潛力預(yù)測(cè)研究——基于集成模型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法

Spatial Potential of Recreational Services in Western Hubei Region in Light of the “All-for-One Tourism” Development

—A Machine Learning Approach Based on Ensemble Model

1 華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2 自然資源部城市仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 華中科技大學(xué)建成遺產(chǎn)研究中心

4 北京建筑大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

背景概述

全域旅游指把整個(gè)區(qū)域作為旅游區(qū)考慮，推動(dòng)旅游和全產(chǎn)業(yè)融合，以知名景點(diǎn)景區(qū)、鄉(xiāng)村旅游熱點(diǎn)帶動(dòng)相關(guān)片區(qū)發(fā)展，全面激活游憩服務(wù)潛力。全域旅游發(fā)展并不是均勻發(fā)力，重點(diǎn)發(fā)展區(qū)的選位和資源投入需要科學(xué)決策。實(shí)踐中需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源、人文資源、基礎(chǔ)設(shè)施等稟賦，識(shí)別出具有較高游憩服務(wù)潛力的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)展，并借此考慮不同區(qū)位的開發(fā)成效，制定優(yōu)先發(fā)展策略。然而，現(xiàn)有研究較少?gòu)倪B續(xù)空間中對(duì)當(dāng)?shù)鬲?dú)特的生態(tài)－文化旅游資源和潛力進(jìn)行量化和可視化。這些研究的缺失也阻礙了精細(xì)化城鄉(xiāng)融合發(fā)展策略的制定。生態(tài)系統(tǒng)文化服務(wù)理論（cultural ecosystem services，CES）為識(shí)別、量化和評(píng)估當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)-文化資源提供了支持框架，但在實(shí)踐中也需要克服鄉(xiāng)村及荒野片區(qū)數(shù)據(jù)匱乏、建模難以體現(xiàn)本地偏好、傳統(tǒng)打分法存在的不確定性等問(wèn)題。

本研究旨在運(yùn)用CES游憩潛力空間測(cè)定的方法論，搭建基于多源數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的空間分析框架，從而進(jìn)行區(qū)域尺度游憩潛力的預(yù)測(cè)。研究將“游憩服務(wù)潛力”（recreation potential）界定為自然環(huán)境提供游憩活動(dòng)或體驗(yàn)的可能性。本文研究目標(biāo)為：1）根據(jù)本地受認(rèn)可的游憩服務(wù)熱點(diǎn)預(yù)測(cè)全域連續(xù)空間的游憩服務(wù)潛力；2）從環(huán)境特征數(shù)值關(guān)系的角度理解區(qū)域游憩服務(wù)的空間規(guī)律。

文獻(xiàn)綜述

CES是指人類通過(guò)與自然接觸所能得到的非物質(zhì)類福祉，包括游憩、審美體驗(yàn)、精神感知、宗教、教育、治愈、啟發(fā)創(chuàng)造等。近年來(lái)，有研究開始使用物種分布模型（Species Distribution Modeling，SDM）進(jìn)行區(qū)域尺度社會(huì)文化現(xiàn)象的空間預(yù)測(cè)，取得了良好成效。SDM主要是將生物的觀測(cè)記錄點(diǎn)信息和環(huán)境特征建立聯(lián)系，可通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法擬合模型并生成連續(xù)空間下的預(yù)測(cè)結(jié)果。在相關(guān)研究中，使用SDM進(jìn)行預(yù)測(cè)的理論依據(jù)是地理環(huán)境因素仍可以作為代理變量從不同角度反映人文因素。

現(xiàn)有區(qū)域尺度的研究中常用的疊加法和多準(zhǔn)則分析法在設(shè)定不同影響因素的權(quán)重時(shí)較為主觀，缺乏復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)證研究，而專家打分法也會(huì)引入不確定性因素。其次，現(xiàn)有建模研究較少挖掘本地游憩服務(wù)點(diǎn)，導(dǎo)致地域性難以體現(xiàn)。最后，數(shù)據(jù)樣本較為稀缺的荒野等連續(xù)空間較少被納入研究。

研究資料與方法

研究場(chǎng)地位于湖北西部——鄂西區(qū)域全境，覆蓋人口超2730萬(wàn)，主要為山地。鄂西既是CES多樣且豐富的地區(qū)，也是發(fā)展旅游扶貧的重點(diǎn)區(qū)域。

研究場(chǎng)地內(nèi)受認(rèn)證的游憩服務(wù)發(fā)生點(diǎn) ? 文晨，茶靜，徐利權(quán)，徐海韻

鄂西游憩服務(wù)點(diǎn)示例 ? Rural Construction Center of Hubei Province (RCC-HB)

研究采用機(jī)器學(xué)習(xí)的建模框架，將現(xiàn)有受認(rèn)證的游憩服務(wù)離散點(diǎn)位作為發(fā)生觀測(cè)，將鄂西地區(qū)內(nèi)的社會(huì)－生態(tài)多源數(shù)據(jù)作為環(huán)境特征。

發(fā)生數(shù)據(jù)集在本研究中指已產(chǎn)生游憩服務(wù)的點(diǎn)位。研究選擇了三類游憩服務(wù)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建發(fā)生數(shù)據(jù)集：1）國(guó)家A級(jí)旅游景點(diǎn)景區(qū)和湖北省精品旅游線路中所涉景點(diǎn)；2）國(guó)家級(jí)傳統(tǒng)村落；3）社交網(wǎng)絡(luò)微博熱門打卡地點(diǎn)。這些游憩服務(wù)熱點(diǎn)代表了受官方認(rèn)證或市場(chǎng)認(rèn)可的游憩服務(wù)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高德API地理編碼獲取上述游憩服務(wù)熱點(diǎn)的空間坐標(biāo)；在預(yù)處理中，發(fā)現(xiàn)所獲得的微博簽到數(shù)據(jù)與區(qū)域人口分布高度相關(guān)，存在僅代表居住點(diǎn)的問(wèn)題，所以剔除了所有主城區(qū)范圍內(nèi)的打卡數(shù)據(jù)，僅保留了鄉(xiāng)鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村的熱門簽到點(diǎn)位。最終得到336個(gè)空間點(diǎn)位。

研究團(tuán)隊(duì)參考了現(xiàn)有CES文獻(xiàn)中有關(guān)游憩潛力建模的研究（表1），將土地覆蓋、地形地貌、景觀構(gòu)成、氣候、交通便利等16個(gè)變量作為本研究的環(huán)境特征類別。

研究將土地利用類型轉(zhuǎn)化為了四類用地（林地、建成區(qū)、農(nóng)田、水體）的構(gòu)成比例值，使用了“移動(dòng)視窗”的方法計(jì)算了每一個(gè)像元鄰域內(nèi)的全局景觀指數(shù)，選取了JOINENT（景觀聯(lián)合熵值）和SHDI（香農(nóng)多樣性指數(shù)）兩個(gè)指標(biāo)來(lái)量化多樣性和復(fù)雜性特征。研究將環(huán)境特征數(shù)據(jù)集的空間分辨率統(tǒng)一為1000m。此后，提取336個(gè)已知游憩服務(wù)發(fā)生點(diǎn)的所有環(huán)境特征數(shù)值。

SDM模型能夠通過(guò)學(xué)習(xí)已知游憩服務(wù)熱點(diǎn)的環(huán)境特征（自變量），并將預(yù)測(cè)概率推廣至全域。本研究數(shù)據(jù)分析過(guò)程使用了編程語(yǔ)言R和Python；并借助QGIS進(jìn)行可視化。

在預(yù)處理階段，確認(rèn)預(yù)測(cè)范圍為鄂西全域，并使用環(huán)境過(guò)濾法來(lái)預(yù)篩選預(yù)測(cè)范圍內(nèi)的發(fā)生數(shù)據(jù)集。輸入數(shù)據(jù)后，算法針對(duì)潛在共線性問(wèn)題，隨機(jī)生成了偽缺失數(shù)據(jù)集，并使用了主成分分析的方法進(jìn)行降維。

研究使用了空間塊劃分法對(duì)336個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的拆分。具體將數(shù)據(jù)集分為四個(gè)塊（“空間折疊”），其中三個(gè)塊用作訓(xùn)練集，另一個(gè)塊用作驗(yàn)證集；而后循環(huán)將每個(gè)塊作為驗(yàn)證集。

研究構(gòu)建了納入了不同環(huán)境特征變量的三組模型（表2），通過(guò)比較最終的模型預(yù)測(cè)性能來(lái)分析不同環(huán)境特征對(duì)于預(yù)測(cè)游憩服務(wù)潛力的顯著程度。

研究使用最大熵模型（MEM）、高斯過(guò)程模型（GAU）、廣義線性模型（GLM）、隨機(jī)森林（RF）四類算法進(jìn)行建模，此后采用基于集成模型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，將以上算法合并，達(dá)到全局更優(yōu)的預(yù)測(cè)效果。研究首先對(duì)不同單獨(dú)算法的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，權(quán)重的依據(jù)是各模型的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括TSS（真實(shí)技巧統(tǒng)計(jì)值）、AUC（ROC曲線下面積）和JACCARD（杰卡德相似系數(shù)）調(diào)試完畢的模型將用于預(yù)測(cè)鄂西游憩服務(wù)潛力的空間概率，并完成相應(yīng)的游憩潛力制圖。

研究結(jié)果

通過(guò)樣本點(diǎn)環(huán)境特征分析可知，游憩服務(wù)發(fā)生點(diǎn)的各個(gè)環(huán)境特征變量在多個(gè)環(huán)境特征中具有明顯的聚集效應(yīng)。游憩服務(wù)發(fā)生點(diǎn)所處位置的平均海拔為591m，平均坡度為3.85°；所屬公里網(wǎng)格的林地占比超過(guò)50%，建成區(qū)占比7.8%，農(nóng)田占比17.7%；距離最近的城鎮(zhèn)約22km，距離最近的湖泊和河流約7.6km。鄂西生態(tài)狀態(tài)較好，體現(xiàn)為NDVI和EVI指數(shù)在全域范圍均較高；其中海拔較低和相對(duì)平坦的市域范圍農(nóng)田占比高，水網(wǎng)發(fā)達(dá)；通過(guò)景觀指數(shù)，識(shí)別出若干帶狀區(qū)域具有較高的景觀多樣性和復(fù)雜度。

環(huán)境特征的空間建模結(jié)果 ? 文晨，茶靜，徐利權(quán)，徐海韻

環(huán)境特征的數(shù)值分布 ? 文晨，茶靜，徐利權(quán)，徐海韻

研究使用10個(gè)主成分提取了原始數(shù)據(jù)中累計(jì)達(dá)95%的可解釋變異，并作為自變量參與模型構(gòu)建。在三組模型中，納入了所有環(huán)境特征變量的模型三性能表現(xiàn)最好，將以此作為空間可視化的對(duì)象。

基于不同算法的游憩服務(wù)潛力預(yù)測(cè)結(jié)果 ? 文晨，茶靜，徐利權(quán)，徐海韻

基于模型三的全域游憩潛力的預(yù)測(cè)概率地圖和二元適應(yīng)性地圖 ? 文晨，茶靜，徐利權(quán)，徐海韻

不同算法下的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，隨機(jī)森林模型預(yù)測(cè)的高游憩服務(wù)潛力區(qū)域相對(duì)較少，主要體現(xiàn)為以西北－東南向的兩個(gè)帶狀區(qū)域及周邊的星點(diǎn)區(qū)域。其他三個(gè)模型也識(shí)別出了長(zhǎng)江沿岸和這兩個(gè)帶狀區(qū)域，但又額外識(shí)別出大量山地地區(qū)。

在運(yùn)用相同環(huán)境特征數(shù)據(jù)集的情況下，三個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果略有差異。以AUC和JACCARD來(lái)看，三個(gè)模型差異較小，顯示了較好的模型表現(xiàn)；但以TSS來(lái)看，各模型表現(xiàn)差異較大，仍有隨機(jī)性。

集成模型能夠提高整體的模型表現(xiàn)，提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率（表3）。結(jié)果顯示，最高游憩服務(wù)潛力地區(qū)較為分散，但是西部地區(qū)的整體游憩服務(wù)潛力較高，而且一些明顯條帶狀區(qū)域具備連片條件。另外精細(xì)識(shí)別出了位于長(zhǎng)江水系與荊山等山脈交匯處的高游憩服務(wù)潛力區(qū)域。

討 論

本研究通過(guò)現(xiàn)有游憩服務(wù)熱點(diǎn)的環(huán)境特征作為機(jī)器學(xué)習(xí)的模型參數(shù)，既能夠從數(shù)值角度理解游憩服務(wù)潛力規(guī)律，又能克服專家打分的主觀性，提供了一種區(qū)域尺度游憩服務(wù)潛力評(píng)估的新路徑。

在實(shí)證研究中，本案例的樣本點(diǎn)代表了區(qū)域尺度下的常見旅游目的地，體現(xiàn)了復(fù)合的群體偏好，回應(yīng)了CES在相應(yīng)空間研究中關(guān)于偏好的難點(diǎn)。

在技術(shù)方法論上，本研究分步驟地納入了不同類別的環(huán)境特征變量，以剖析不同變量的預(yù)測(cè)能力。結(jié)果表明，在用地構(gòu)成、地形等環(huán)境特征變量之上，加入水域和城鎮(zhèn)的鄰近度、景觀指數(shù)、光譜指數(shù)、氣候等變量能提升模型在研究場(chǎng)地的預(yù)測(cè)表現(xiàn)（表4）。鑒于游憩服務(wù)是復(fù)雜的社會(huì)－生態(tài)現(xiàn)象，應(yīng)預(yù)先調(diào)查現(xiàn)有游憩服務(wù)熱點(diǎn)具有何種吸引力特征，針對(duì)不同的研究場(chǎng)地和目的構(gòu)建數(shù)據(jù)集。

其次，本研究提出的技術(shù)路線能夠在區(qū)域尺度產(chǎn)生連續(xù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，不依賴特定統(tǒng)計(jì)單元（如行政區(qū)或特定景區(qū)）。因此，適用于邊界難以確定的鄉(xiāng)村和荒野地區(qū)。

本研究提供了鄂西地區(qū)連續(xù)空間中游憩服務(wù)潛力的預(yù)測(cè)結(jié)果。其中部分區(qū)位呈現(xiàn)出的空間模式與一些現(xiàn)有研究結(jié)果相一致。同時(shí)，本研究回應(yīng)了全域旅游對(duì)景區(qū)周邊和景點(diǎn)之間的關(guān)切，并進(jìn)一步細(xì)化了游憩服務(wù)潛力的內(nèi)部差異，使預(yù)測(cè)更有空間區(qū)分度和實(shí)用性。

本研究在實(shí)踐中具有以下兩大優(yōu)勢(shì)。其一，基于GIS的空間建模和評(píng)價(jià)能夠在連續(xù)地理空間中識(shí)別出具有不同游憩服務(wù)潛力的區(qū)域，并克服數(shù)據(jù)樣本不平衡的問(wèn)題。其二，在實(shí)際應(yīng)用中，全域旅游的開發(fā)可分步驟、有計(jì)劃地連點(diǎn)成片。通過(guò)識(shí)別高游憩服務(wù)潛力區(qū)域間的空間關(guān)系，分析出連片發(fā)展的挑戰(zhàn)和障礙。

然而，模型結(jié)果在運(yùn)用過(guò)程中也存在限制。例如，模型的構(gòu)建依托輸入數(shù)據(jù)的類別、時(shí)間點(diǎn)，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此需要根據(jù)實(shí)證調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)構(gòu)建數(shù)據(jù)集，并以較新和較高分辨率的形式發(fā)展成指標(biāo)變量。其次，當(dāng)嘗試將結(jié)果用于較小尺度的分析時(shí)，應(yīng)警惕跨尺度帶來(lái)的不確定性。因此，建模研究不能取代現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。在規(guī)劃實(shí)踐中，應(yīng)把建模結(jié)果當(dāng)作空間定位的參考。

本研究主要有兩點(diǎn)不足。首先，很多人文因素難以直接量化。作者曾嘗試納入社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和少數(shù)民族分布等，但是仍受制于數(shù)據(jù)不足和無(wú)法精確空間化的掣肘。研究區(qū)域內(nèi)的有效微博簽到數(shù)據(jù)較少。其次，遵循SDM模型的數(shù)據(jù)要求，未區(qū)分不同游憩服務(wù)熱點(diǎn)的質(zhì)性差異。在SDM模型框架下，如何分析多類別社會(huì)事件的發(fā)生并將結(jié)果聚合，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

結(jié) 論

本研究運(yùn)用基于集成模型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，基于SDM模型提出全域旅游視角下區(qū)域游憩服務(wù)空間潛力預(yù)測(cè)的新研究路徑。結(jié)果表明，集成模型的預(yù)測(cè)表現(xiàn)較好，在數(shù)據(jù)測(cè)試集中也有較高準(zhǔn)確率。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用不同算法可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果的不同。而集成模型提供了一種避免“將雞蛋放在一個(gè)籃子里”的預(yù)測(cè)方法，具有實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

鄂西地區(qū)的研究結(jié)果表明，區(qū)域尺度的綜合游憩服務(wù)潛力預(yù)測(cè)結(jié)果與用地類型、景觀構(gòu)成、氣候要素、交通便利等因素相關(guān)，但其評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建應(yīng)充分考慮已受官方認(rèn)證或市場(chǎng)認(rèn)可的文化游憩服務(wù)熱點(diǎn)，將通過(guò)熱點(diǎn)“學(xué)習(xí)”到的環(huán)境特征推廣到全域，能更好地指導(dǎo)“連點(diǎn)成片”，并通過(guò)可達(dá)性分析聚焦關(guān)鍵空間位置，助力區(qū)域發(fā)展。

編輯 | 田樂

制作 | 高雨婷