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        基于元分析和集成學(xué)習(xí)的島嶼旅游與休閑海洋利用適宜性評估方法

        《Estuarine, Coastal and Shelf Science》:A Suitability Evaluation Method for Island Tourism and Recreational Sea Use Based on Meta-analysis and Ensemble Learning

        【字體: 時間:2026年03月01日 來源:Estuarine, Coastal and Shelf Science 2.6

        編輯推薦:

          海島旅游與娛樂海用適宜性評估框架創(chuàng)新研究,提出元分析集成學(xué)習(xí)新方法,構(gòu)建6主26次指標(biāo)體系,實證顯示準(zhǔn)確率超94%,揭示近岸適宜區(qū)與生態(tài)紅線限制區(qū)空間規(guī)律,為海洋空間規(guī)劃提供數(shù)據(jù)驅(qū)動解決方案。

          
        程 Zhu|李旭春|岳西和|王志杰|張建利|宋德瑞
        國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,大連,116023,中國

        摘要

        島嶼旅游業(yè)已成為海洋經(jīng)濟的重要驅(qū)動力,然而無序的發(fā)展對脆弱的沿海和海洋生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了威脅。為了支持可持續(xù)的空間規(guī)劃,本研究提出了一個新穎的適宜性評估(SE)框架,用于島嶼旅游和娛樂性海洋用途(TRSU),該框架結(jié)合了元分析(MA)和集成學(xué)習(xí)(EL)。通過元分析系統(tǒng)地構(gòu)建了一個評估指標(biāo)體系,確定了6個主要指標(biāo)和26個次要指標(biāo),涵蓋海洋用途、旅游和島嶼三個維度。限制性分區(qū)方法確保了政策的合規(guī)性,而在非限制區(qū)域則采用基于堆疊的集成模型進行細(xì)粒度適宜性分類。該方法使用中國的三個島嶼進行了實證驗證,結(jié)果顯示模型性能優(yōu)異,平均準(zhǔn)確率、精確度、召回率和F1分?jǐn)?shù)均超過0.94。空間分析表明,適宜區(qū)域主要位于海水質(zhì)量良好、基礎(chǔ)設(shè)施完善且海岸線類型適宜的近岸地區(qū),而不適宜區(qū)域則受到生態(tài)紅線或惡劣環(huán)境條件的限制。所提出的方法為TRSU評估的傳統(tǒng)方法提供了有價值的數(shù)據(jù)驅(qū)動補充,有助于制定明智的海洋空間規(guī)劃和實現(xiàn)可持續(xù)的島嶼發(fā)展。

        引言

        島嶼被定義為被海水環(huán)繞且在高潮時仍高于海平面的自然形成的陸地。近年來,島嶼旅游業(yè)在全球范圍內(nèi)迅速增長。例如,在馬爾代夫,島嶼旅游業(yè)對國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的貢獻超過30%;而在夏威夷,它已成為第二大產(chǎn)業(yè)[1]。在中國,五指山島、鼓浪嶼和舟山群島等地已成為具有特色的島嶼旅游目的地[2]。島嶼旅游業(yè)已成為海洋經(jīng)濟的主要驅(qū)動力,并對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。在這一領(lǐng)域中,島嶼旅游的海洋娛樂利用是指開發(fā)沿海和海洋資源,以支持觀光、休閑和海洋娛樂等活動。然而,無序和隨意的開發(fā)很容易對島嶼及其周邊水域的生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆轉(zhuǎn)的損害[3]。因此,確保島嶼地區(qū)海洋空間資源的可持續(xù)利用已成為一個緊迫的挑戰(zhàn)。適宜性評估(SE)是一個評估特定開發(fā)活動適當(dāng)程度的過程,并將其適宜性分為不同等級[4]。因此,對島嶼旅游的海洋娛樂利用進行適宜性評估對于合理規(guī)劃海洋資源以及促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
        SE最初廣泛應(yīng)用于土地利用研究,現(xiàn)有研究主要集中在棲息地[5]、[6]、城市發(fā)展[7]、[8]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[9]、[10]和居住環(huán)境[11]、[12]等方面。隨著人類活動不斷向海洋擴展,關(guān)于海洋用途(SU)的SE研究也應(yīng)運而生。SU的SE通常包括多類型評估和單類型評估。多類型評估通常采用綜合指標(biāo),考慮多種形式的SU[13]、[14]、[15]。雖然一些研究已經(jīng)納入了海洋娛樂用途的分區(qū)[16],但它們通常缺乏能夠捕捉這一領(lǐng)域獨特特征的指標(biāo)。在單類型評估方面,研究集中在工業(yè)[17]、[18]、港口[19]、[20]、漁業(yè)[21]、[22]、填海[23]、[24]和海洋娛樂用途[25]、[26]等方面,從而推動了這些海洋應(yīng)用的規(guī)劃和管理。
        與其他類型的SU相比,旅游和娛樂性SU(TRSU)對生態(tài)、資源和位置條件有更嚴(yán)格的要求[27]。其SE本質(zhì)上是復(fù)雜且多方面的。早期的方法主要依賴于定性分析[28],這些方法只能提供總體適宜性的大致了解,但缺乏精細(xì)的空間分辨率。對于定量評估,大多數(shù)現(xiàn)有研究采用了多標(biāo)準(zhǔn)決策分析框架[29]、[30],該框架涉及將多個選項分解為一組可測量的標(biāo)準(zhǔn)以方便評估。這一過程通常包括三個階段:選擇評估指標(biāo)、確定指標(biāo)權(quán)重和進行總體評估[31]。在指標(biāo)選擇方面,常用專家判斷[32]、[33]、[34]和德爾菲方法[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。例如,Wijaya等人[39]使用水透明度和珊瑚覆蓋率等指標(biāo)評估了印度尼西亞Saebus島的潛水旅游適宜性。Yuvaraj等人[40]利用德爾菲方法確定了海岸類型和交通節(jié)點的接近性等指標(biāo),并評估了印度金奈的海灘旅游適宜性。在確定指標(biāo)權(quán)重時,常采用專家判斷[41]、[42]、層次分析法(AHP)[43]、[44]、[45]、熵[31]和主成分分析(PCA)[47]等方法。例如,Aklar等人[48]使用手動分配的權(quán)重來評估Weh島海洋保護區(qū)的沿海旅游適宜性。Hermawan等人[49]應(yīng)用AHP評估了印度尼西亞Poso縣的海洋娛樂適宜性。Li等人[47]利用PCA和地理信息系統(tǒng)(GIS)分析了中國遼寧省的海洋娛樂適宜性空間分布。對于總體評估,采用了基于閾值的方法[50]、[51]和分類方法[52]、[53]。例如,Johan等人[54]定義了閾值,將Enggano島的生態(tài)旅游適宜性分為適宜、一般適宜和不適宜三類。Huang等人[52]采用自然斷裂分類法評估了毛里求斯的旅游發(fā)展適宜性。
        盡管這些方法對島嶼海洋娛樂適宜性的評估做出了重要貢獻,但當(dāng)前的評估系統(tǒng)在實際應(yīng)用中仍存在客觀性不足的問題。問題包括選定的指標(biāo)覆蓋不全面、指標(biāo)權(quán)重存在主觀偏差以及綜合評估中的不合理分類。這些問題可能導(dǎo)致后續(xù)實施和管理中的矛盾。近年來,元分析(MA)在醫(yī)學(xué)診斷[55]、氣候研究[56]和選址[57]、[58]等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。通過統(tǒng)計技術(shù)綜合現(xiàn)有研究的結(jié)果,MA有助于減輕主觀偏差。此外,人工智能(AI)方法也被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電開發(fā)[59]、棲息地評估[60]、[61]和生態(tài)農(nóng)業(yè)[62]、[63]的SE中。值得注意的是,Huang等人[30]應(yīng)用了四種機器學(xué)習(xí)方法來繪制張家界的生態(tài)旅游適宜性地圖,而Li等人[64]使用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)進行了冰雪旅游的智能適宜性評估。盡管這些方法顯示出有效性,但一個關(guān)鍵的未解決挑戰(zhàn)仍然存在:如何系統(tǒng)地整合島嶼、旅游和SU的特點,以確保科學(xué)的指標(biāo)選擇和客觀的SE。
        為了解決這些問題,本研究提出了一個適用于島嶼TRSU的SE框架,將MA與集成學(xué)習(xí)(EL)相結(jié)合。首先,通過大型語言模型(LLM)從相關(guān)文獻中提取關(guān)于島嶼、旅游和海洋SE的相關(guān)信息。其次,采用限制性分區(qū)和EL方法來實現(xiàn)全面的SE。最后,通過三個案例研究(長山島、舟山島和南澳島)進行實證驗證。本研究旨在證明所提出的框架為傳統(tǒng)方法(如AHP或德爾菲)提供了有價值的數(shù)據(jù)驅(qū)動補充,在空間復(fù)雜的區(qū)域提供了更深入的分析。

        研究區(qū)域

        研究區(qū)域

        本研究選擇了中國南北沿岸的三個典型島嶼作為研究地點。它們的地理位置如圖1所示。
        第一個研究地點是長山島(包括大長山島和小長山島),位于中國北部的黃海,隸屬于遼寧省大連市長海縣管轄。該地區(qū)具有受大陸和海洋因素共同影響的雙重氣候,年平均氣溫為9.9°C。

        方法

        本研究提出了一種基于MA和EL的島嶼TRSU SE方法。具體技術(shù)路線如圖2所示。首先,使用MA從現(xiàn)有相關(guān)文獻中整理出島嶼TRSU的SE指標(biāo)體系,然后根據(jù)每個指標(biāo)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)集。在評估階段,根據(jù)限制性指標(biāo)將研究區(qū)域劃分為限制區(qū)域和非限制區(qū)域,并使用EL方法對非限制區(qū)域的適宜性進行分類。

        相關(guān)性分析

        使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算評估指標(biāo)之間的數(shù)據(jù)相關(guān)性,相應(yīng)的熱圖如圖5所示。大多數(shù)指標(biāo)表現(xiàn)出中等或弱相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)介于-0.6和0.6之間),表明這些指標(biāo)可以從相對獨立的維度影響島嶼TRSU的適宜性,反映了指標(biāo)體系的多樣性。同時,某些指標(biāo)對之間存在強相關(guān)性。

        性能指標(biāo)的假設(shè)檢驗

        為了確定堆疊模型的性能提升是否具有統(tǒng)計學(xué)意義且不是由隨機方差造成的,對其性能指標(biāo)進行了假設(shè)檢驗。由于測試數(shù)據(jù)集不滿足正態(tài)性假設(shè),因此采用了單側(cè)Wilcoxon符號秩檢驗來評估堆疊模型是否比基礎(chǔ)模型取得了顯著更高的性能分?jǐn)?shù)。

        結(jié)論

        本研究通過提出一種結(jié)合MA和堆疊EL的智能評估框架,解決了TRSU的SE問題。與傳統(tǒng)的專家驅(qū)動方法不同,所提出的方法并不旨在完全消除專家判斷,而是通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)來規(guī)范和系統(tǒng)化專家知識,從而減少由于主觀權(quán)重和手動決策導(dǎo)致的不一致性。通過對三個案例的實證應(yīng)用

        CRediT作者貢獻聲明

        程 Zhu:撰寫——審閱與編輯,撰寫——初稿,方法論,資金獲取,正式分析,數(shù)據(jù)管理,概念化。宋德瑞:撰寫——審閱與編輯,監(jiān)督,項目管理,方法論,資金獲取,概念化。張建利:可視化,驗證,調(diào)查。王志杰:驗證,軟件,調(diào)查,數(shù)據(jù)管理。岳西和:監(jiān)督,資源獲取,資金獲取。李旭春:撰寫——初稿,

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的利益沖突或個人關(guān)系可能影響本文報告的工作。

        數(shù)據(jù)可用性

        數(shù)據(jù)可以從Zenodo網(wǎng)站獲取(https://doi.org/10.5281/zenodo.18441689),代碼可根據(jù)請求提供。

        利益沖突聲明

        ? 作者聲明他們沒有已知的利益沖突或個人關(guān)系可能影響本文報告的工作。

        致謝

        作者感謝編輯和審稿人的支持。本研究得到了中國國家重點研發(fā)計劃(2021YFF0704000)、科學(xué)技術(shù)部(中華人民共和國)、自然資源部的海洋空間資源管理技術(shù)重點實驗室(KF-2022-101, KF-2023-101)以及國家環(huán)境保護沿海生態(tài)系統(tǒng)重點實驗室(20240111)的支持。
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