基于最大熵机器学习模型的大熊猫栖息地适宜性研究_丁海华.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：基金项目：大熊猫国际合作项目（编号：林护发 号）作者简介：丁海华（），男，高级工程师，主要从事大熊猫及其栖息地保护和管理研究。通讯作者：何祥博（），男，正高级工程师，主要从事大熊猫主食竹复壮更新和栖息地保护管理研究。基于最大熵机器学习模型的大熊猫栖息地适宜性研究基于最大熵机器学习模型的大熊猫栖息地适宜性研究丁海华，高 洁，何祥博，汪铁军，周 刚，李 涛（陕西佛坪国家级自然保护区管理局，陕西 佛坪 ；陕西汉中朱鹮国家级自然保护区管理局，陕西 汉中 ；荷兰特温特大学 地理信息科学与对地观测学院，恩斯 赫德 ）摘要：采用最大熵机器学习模型（），结合随机森林模型（）生成的高精度竹林分布和盖度以及居民点距离、坡度等个环境因子对佛坪保护区进行了大熊猫栖息地适宜性评价。结果表明：采用 ，和 个预测精度评价指标，其平均精度分别为 、和 ，达到了良好的水平。结果显示佛坪保护区共有大熊猫适宜栖息地面积约 ，占保护区总面积，次适宜栖息地面积约 ，占保护区总面积的，不适宜栖息地面积 ，占保护区总面积的。贡献率前位的环境变量依次为距居民点距离、竹林盖度、距道路距离和坡度，其累计贡献率占所有环境因子总贡献率的 。大熊猫栖息地适宜性评价可为大熊猫保护区科学化、精细化、规范化管理提供重要的科学依据。关键词：最大熵机器学习模型；大熊猫；栖息地；适宜性中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；（），）：，：，（）；（）；，（），：；引言栖息地（），亦称生境，是物种进行生存和繁衍等活动必须的生物和非生物因素的综合。栖息地适宜性评价能够用来预测物种分布、数量及其栖息地的质量、范围等，已被广泛应用于濒危物种保护、保护区规划、入侵物种控制及人类活动和气候变化对生物分布区影响预测等领域。国内学者自 世纪 年代末已陆续开展并发表了不少有关大熊猫栖息地DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.026丁海华，等：基于最大熵机器学习模型的大熊猫栖息地适宜性研究生态文明建设：自然与生态适宜性评价的研究，主要采用了层次分析法、主成分分析法、资源选择函数法、景观连接度模糊赋值法等和栖息地适宜性模型。但是在这些研究中，竹子的空间分布和丰盛度作为大熊猫生存的最核心的生物因子往往没有被结合到这些评价体系中，影响了评价准确性和精度。本文采用最大熵机器学习模型（，简称 ），在随机森林模型（）对佛坪保护区竹林分布和盖度精确统计下进行大熊猫栖息地适宜性评价，预测精度达到优秀，为大熊猫栖息地保护管理和大熊猫容纳量计算提供了科学依据。研究区域佛坪自然保护区于 年成立，是以保护大熊猫及其栖息地为主的野生动物类型的国家级自然保护区，位于陕西省秦岭中段南坡佛坪县境内的西北部，地理坐标为北纬 ，东经 ，总面积 。保护区的西部、西北部、北部、东北部和东部依次分别与长青、黄柏塬、老县城、周至和观音山个国家级自然保护区相连，是秦岭大熊猫核心分布区。区内竹林分布的区域约为 ，占保护区总面积的 ；无竹林分布区约 ，占保护区总面积的 。据全国第四次大熊猫普查显示区内分布野生大熊猫 只（不含 岁幼体），密度居全国之首。研究方法本研究利用研究区域的大熊猫分布点位信息和与大熊猫栖息相关个环境因子数据，通过最大熵机器学习模型 来评价大熊猫栖息地适宜性。环境因子包括巴山木竹和秦岭箭竹的分布范围及盖度、海拔、坡度、坡向、地表粗糙度、距公路距离和距居民点距离等。大熊猫分布点大熊猫分布点（图）直接反映了大熊猫活动范围，是大熊猫栖息地适宜性评估的最重要指标。本研究大熊猫分布（实体、粪便、取食痕迹）点位信息分别来自于全国第四次大熊猫调查（年月份），佛坪保护区在 年期间开展的大熊猫常规监测，以及本项目在执行期间（年）所采集到的大熊猫出现点信息，共计 个。竹林分布范围及盖度竹林是大熊猫的食物来源，其分布范围和盖度直接反映大熊猫栖息地的优劣。本研究利用 个竹林样方调查数据、调查区域归一化植被指数（）和归一化植被水分指数（），结合随机森林机器学习模型对佛坪自然保护区的竹林分布范围及盖度进行了分类，总体分类精度为 ，系数为 （图）。图佛坪保护区及其周边地区大熊猫分布点图佛坪保护区竹林分布范围及盖度 地形因子地形因子，尤其是海拔、坡度、坡向、地表粗糙度影响大熊猫活动范围及主食竹分布范围，。本研究使用 空间分辨率（）的数字化高程模型，在 软件下生成佛坪保护区数字高程、坡度、坡向、地形粗糙度指数等数据。道路和居民点在区域尺度上，道路和居民点对不同生态系统的景观格局形成明显的切割作用，破坏了生态系统的完整性和连通性。在局部范围内，道路和居民点可以导致物种生境丧失和栖息地破碎 。本研究以佛坪保护区内及其周边公路和居民点为基础在 年 月绿 色 科 技（）第 期软件下生成了距道路距离和居民点距离分布数据。结果 模型预测结果的精度评价应用 模型对佛坪自然保护区的大熊猫栖息地适宜性进行了分析和预测，表显示了模型运行 次后所获得的预测精度，其中包括 、和 个预测精度评价指标，其平均精度分别为 、和 ，总体来看预测结果达到了良好的水平，尤其是从 的结果来看，模型预测精度达到了优秀且几乎完美的效果。表基于 模型的佛坪保护区大熊猫栖息地适宜性预测精度统计模型编号 平均 佛坪保护区适宜大熊猫栖息地的分布和面积 模型的预测结果用逻辑斯蒂的连续分布来显示大熊猫栖息地适宜性分布（图）。以适宜性指数值的高低来看，整个保护区呈现出个较为显著的适宜性区域，它们分别是以三官庙站为中心的区域，以中咀保护站为中心的中咀梁两侧的区域，岳坝保护站辖区的大茨沟、小茨沟和大城壕至黑龙潭一带，龙潭子保护站辖区的蔡家沟至店子坪区域，以及佛坪保护区北部主山脊一带。模型的预测结果用 值作为阈值把连续的结果转换成适宜、次适宜和不适宜的三类栖息地（图）。适宜栖息地中最适宜栖息地斑块的空间分布与长期的监测结果高度一致，为三官庙和中咀一带，其面积最大，空间连接性最佳；其次是岳坝和龙潭子保护站辖区，岳坝保护站辖区的适宜栖息地面积也比较大，但是相对比较破碎。龙潭子保护站辖区也存在着一定面积的适宜栖息地，面积较小，且与相邻的岳坝保护站辖区的栖息地连通性较差。不适宜的大熊猫栖息地主要集中在大古坪村、岳坝村以及龙潭子村相邻的保护区边界一带。预测结果显示佛坪保护区共有大熊猫适宜栖息地面积约 ，占保护区总面积，次适宜栖息地面积约 ，占保护区总面积的 ，不 适宜栖 息 地 面积 ，占保护区总面积的。影响大熊猫栖息地适宜性的主要环境变量利用 模型中的刀切法（）对变量的重要性进行检验，仅单独使用地表粗糙度、坡向或者森林高度，正规化训练增益的比例非常小，表明图佛坪保护区栖息地适宜性分布该环境变量对预测佛坪保护区的大熊猫栖息地适宜性的重要性较小。与此相反，正规化训练增益比例最高的分别是距居民点距离、距道路距离、海拔、竹林盖度和坡度（图）。各个环境因子的贡献率排名前名的环境变量依次为距居民点距离、竹林盖度、距道路距离和坡度，其累计贡献率占所有环境因子总贡献率的 （图）。上述分析可以看出，影响佛坪自然保护区大熊猫栖息地适宜性的主要环境因子为距居民点距离、距道路距离、竹林盖度和坡度。影响佛坪保护区大熊猫栖息地适宜性的主要环境因子具有一定特点和趋势（图）。在一定距离范围丁海华，等：基于最大熵机器学习模型的大熊猫栖息地适宜性研究生态文明建设：自然与生态图佛坪保护区大熊猫适宜栖息地分布内，佛坪保护区的大熊猫栖息地适宜性随着距离居民点和道路的距离的增加而增加，比如：在距居民点距离达到 左右的时候，佛坪保护区的大熊猫栖息地适宜性达到最高值，之后随着距离增加而有一定程度下降，在距居民点 以后，居民点不再对佛坪保护区的大熊猫栖息地适宜性造成显著影响。此外。在距道路距离达到 左右的时候，佛坪保护区的大熊猫栖息地适宜性也达到最高值，之后随着距离增加而有一定程度下降，但是基本保持稳定。竹种和竹林盖度对佛坪保护区的大熊猫栖息地适宜性也存在一定趋势，高盖度的巴山木竹林和高盖度的秦岭箭竹林是最适宜的栖息地，其次才是低盖度的巴山木竹林和秦岭箭竹林。而栖息地适宜性则是随着坡度的增加而成线性减弱。图 模型中对环境变量重要性的刀切法检验图 模型中各个环境因子的贡献率 讨论最大熵模型预测结果显示佛坪保护区共有大熊猫适宜和次适宜栖息地面积约 ，占保护区总面积的，不适宜栖息地面积 ，占保护区总面积的。该发现与传统认知有一定出入，因为全国第三次和第四次大熊猫调查结果认为佛坪保护区几乎全境范围都属于适宜的大熊猫栖息地。本研究发现，佛坪保护区辖区范围内的大部分高海拔区域（大熊猫夏季栖息地）属于次适宜的大熊猫栖息地，适宜大熊猫的夏季栖息地分布在相邻的老县城、黄柏塬和长青保护区内。因此做好佛坪、老县城、周至、黄柏塬和长青个保护区夏栖息地的连通性和整体保护，有利于秦岭野生大熊猫的繁衍壮大的。同时，佛坪保护区大熊猫普查时间不应安排在月份调查。最大熵模型的分析结果显示，影响佛坪保护区大熊猫栖息地适宜性的最重要的环境变量是距居民点的距离和距道路的距离，其次才是竹林盖度和坡度。这一结果进一步说明了永久居民点的分布和人类相关活动在佛坪保护区大熊猫栖息地适宜性上所 年 月绿 色 科 技（）第 期图影响佛坪保护区大熊猫栖息地适宜性的主要环境变量的响应曲线扮演的重要作用。因此减少人为干扰（比如修路、建房、开矿、生态旅游、农药使用、经济林种植等）和人为活动（如采笋、割竹、放牧、养狗等）强度是增加大熊猫适宜栖息地面积的根本，也是大熊猫保护的根本。参考文献：欧阳志云，刘建国，肖寒，等卧龙自然保护区大熊猫生境评价 生态学报，（）：肖燚，欧阳志云，朱春全，等岷山地区大熊猫生境评价与保护对策研究 生态学报，（）：徐卫华，欧阳志云，蒋泽银，等大相岭山系大熊猫生境评价与保护对策研究生物多样性，（）：张广文，唐中海，齐敦武，等大相岭北坡大熊猫生境适宜性评价兽类学报，（）：王建宏，蒲玫甘肃大熊猫生境质量评价动物学杂志，（）：刘雪华，集成的专家系统和神经网络应用于大熊猫生境评价应用生态学报 ，（）：王学志，徐卫华，欧阳志云，等生态位因子分析在大熊猫生境评价中的应用 生态学报，（）：廖颖，王心源，周俊明基于地理探测器的大熊猫生境适宜度评价模型及验证地球信息科学学报，（）：罗玫，王昊，吕植使用大熊猫数据评估 和 分布预 测 模 型 的 表 现 应 用 生 态 学 报，（）：刘新玉，党坤良，马亦生陕西佛坪国家级自然保护区生物多样性与大熊 猫 栖 息 地 研 究 杨 凌：西 北 农 林 科 技 大 学 出 版社，周灵国，张希明，酒强，等秦岭大熊猫（陕西省第四次大熊猫调查报告）西安：陕西科学技术出版社，吴庆明，王磊，朱瑞萍，等 基于 模型的丹顶鹤营巢生境适宜性分析 以扎龙保护区为例生态学报，（）：黎运喜，陈佑平，余凌帆，等基于 模型的二郎山廊道大熊猫栖息地适宜性评价四川动物，（）：乔麦菊，唐卓，施小刚，等基于 模型的卧龙国家级自然保护区雪豹（）适宜栖息地预测 四川林业科技，（）：，朱耿平，原雪姣，范靖宇，等 模型参数设置对其所模拟物种地理分布和生态位的影响 以茶翅蝽为例生物安全学报，（）：刘雪华，金学林秦岭南坡两个大熊猫活动密集区的生境特征及大熊猫 对 生 境 的 选 择 生 态 学 杂 志，（）：潘文石，高郑生，吕植秦岭大熊猫的自然庇护所北京：北京大学出版社，胡忠军，于长青，徐宏发，等道路对陆栖野生动物的生态学影响生态学杂志，（），李俊生，张晓岚，吴晓莆，等 道路交通的生态影响研究综述生态环境学报，（）：范俊韬，李俊生，全占军，等 洋太公路对秦岭大熊猫栖息地景观格局的影响生态学杂志，（）：刘兰妹，刘雪华，金学林，等秦岭地区大熊猫种群空间利用消长状态以及道路影响研究兽类学报，（）：唐小平，贾建生，王志臣，等全国第四次大熊猫调查方案设计及主要结果分析林业资源管理，（）：