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森林为人类社会提供多种效益,其中基于森林的休闲活动是重要的文化生态系统服务(Cultural Ecosystem Services, CES)。本研究利用横跨欧洲的代表性调查数据、公开的空间显式森林属性数据(如树种分布、立木蓄积量、林龄、
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森林为人类社会提供多种效益,其中基于森林的休闲活动是重要的文化生态系统服务(Cultural Ecosystem Services, CES)。本研究利用横跨欧洲的代表性调查数据、公开的空间显式森林属性数据(如树种分布、立木蓄积量、林龄、管理强度、道路密度、距城市距离等)以及卫星遥感影像,通过深度学习等机器学习方法,对全欧洲的森林休闲模式进行空间外推与建模。研究发现,约41%的欧洲人每周至少访问森林一次;欧洲中部地区森林访问频率最高,南欧和东南欧最低。模型结果表明,较高的地上生物量和较老的林龄与更高的访问频率显著相关,而立木蓄积量、降雨量和冷杉存在性具有中等正向效应;经度增加、离城市更远和更高的管理强度则与访问频率呈负相关。平均前往森林的旅行时间约70分钟,从北到南大致递减。在访问动机中,遛狗最重要,其次是体育锻炼和享受森林气候及美学价值。游客最看重的积极特征是清洁度和非铺装小路的存在,而最显著的负面特征是安全感缺乏。研究还识别出多个影响休闲模式的关键驱动因素,并指出森林结构和管理强度对休闲利用具有重要影响。该研究首次在全欧洲尺度上以统计验证的方式(通过平均误差和拟合优度指标)刻画了森林休闲的空间格局,为将文化生态系统服务纳入政策和规划提供了方法论支撑和实证基础。
### 论文解读文章
#### 1. 研究背景与问题
森林为人类社会提供了多样化的生态系统服务(Ecosystem Services, ES),其中森林休闲作为一种突出的文化生态系统服务,对促进人类身心健康、提升生活质量以及推动经济发展具有重要意义。然而,在欧盟的政策框架中,文化生态系统服务的制图与评估明显滞后于调节服务和支持服务,尽管欧盟生态系统及其服务测绘与评估框架(MAES)已推动相关工作的开展,但文化服务的空间表征仍显著不足。造成这一现状的原因包括:文化服务的评估需综合生态、社会、行为等多维视角,大规模评估往往依赖调查数据,但现有调查数据普遍缺乏欧洲尺度的代表性和统一性;此外,既有的森林休闲空间化方法多基于国家或案例区调查,采用确定性数学模型建立森林属性与休闲之间的关系,缺乏拟合优度检验和效应量度量,难以评估模型外推的可靠性。由于存在这些方法学局限,文化生态系统服务尤其是森林休闲难以有效纳入决策和规划过程。因此,亟需一种基于统一、代表性数据且能够提供统计验证的欧洲尺度森林休闲空间建模方法。
#### 2. 研究内容与意义
研究人员提出了一种集成欧洲尺度代表性调查、全公开空间显式森林数据以及卫星遥感影像的机器学习建模框架,对欧洲所有森林的休闲模式进行空间外推。该研究首先使用一份于2023年在欧洲28国开展的、由民调机构实施的具有年龄、性别和收入阶层代表性的调查数据,受访者需在地图上标识其常去或熟悉的森林/公园位置,并对访问频率、旅行时间、休闲动机、积极和消极特征等问题进行回答。随后,研究人员将近万份有效地理定位响应与1 km × 1 km分辨率下的多源空间变量(包括森林结构、树种组成、地形、气候、管理强度、保护状态、道路密度、距城市距离等)以及四种不同的位置嵌入向量(包括SatCLIP、Geoclip、Sentinel-2镶嵌影像和Copernicus S2_SR_HARMONIZED冬夏双季影像的深度学习向量)相关联,通过深度神经网络(Tensorflow)对每个调查问题分别构建模型,采用80/10/10的训练-验证-测试分割进行超参数调优,并以平均绝对误差作为模型选择依据。最终,最优模型被应用于欧洲约150万个1 km × 1 km森林栅格单元,实现了全欧洲尺度的森林休闲模式外推。此外,研究人员还采用因子分析(Factor Analysis)和协方差分析(ANCOVA)来识别潜在维度以及各森林属性的相对效应量(部分η2)。
该研究的主要意义在于:首次在全欧洲范围内采用真正具有统计代表性的调查数据和多源高分辨率空间数据,以机器学习方法取代传统的确定性公式,从而能够通过平均绝对误差等指标对模型外推的精度进行量化评估;同时统一了评估方法论,并量化了不同森林属性对休闲模式的相对贡献,为文化生态系统服务的空间制图提供了可复制、可验证的方法范式。
#### 3. 主要关键技术方法
研究人员利用的数据源包括一项分布欧洲28国、每国至少400份有效随机样本的调查问卷,受访者在地图上指出常去的森林/公园点位;还整合了所有公开的森林空间显式数据(如地上生物量、树种分布、林龄、管理强度等)以及卫星影像(Sentinel-2、Copernicus S2_SR_HARMONIZED)。核心技术方法包括:其一,Deep Neural Network(深度神经网络)外推模型,通过Tensorflow功能API构建多输入分支,结合连续变量、分类变量和位置嵌入向量,对不同调查问题分别训练模型,并采用Adam优化器、批归一化、dropout等策略优化性能;其二,位置嵌入向量生成,采用SatCLIP、Geoclip以及预训练ResNet18对卫星影像进行特征提取,将每个地点的空间上下文编码为向量;其三,Multivariate Imputation by Chained Equations(链式方程多元插补)用于缺失值估计;其四,Factor Analysis(因子分析)和ANCOVA用于探索潜在结构并计算效应量(η2_p)。
#### 4. 主要研究结果
##### 4.1 森林访问频率
基于外推结果,欧洲平均41%的人口每周访问森林一次,中欧国家访问频率最高(如列支敦士登每周4-6次,斯洛文尼亚、卢森堡、捷克等每周2-3次),南欧和东南欧最低(如北马其顿、希腊、罗马尼亚等每月约1次)。森林结构特征显著影响访问频率:较高的地上生物量和较老的林龄与更高的访问频率相关;立木蓄积量、降雨量和冷杉存在性具有中等正向效应,而经度增加、距离城市更远和更高的管理强度则降低访问频率。
##### 4.2 前往森林的旅行时间
欧洲平均旅行时间约70分钟,南北梯度明显:斯堪的纳维亚半岛最短(芬兰、瑞典约40分钟),斯洛伐克、塞尔维亚和保加利亚最长(94、91、87分钟)。较老的林龄和较高的地上生物量对应更长的旅行时间(大效应量),而苏格兰松的存在与更短旅行时间相关(大效应量)。
##### 4.3 森林访问的动机
在所有访问原因中,遛狗最为重要(均值0.48),其次是体育锻炼(0.45)、享受森林气候(0.43)和美学欣赏(0.42),社交活动和带孩子出游相对不重要。因子分析显示除遛狗外,其余动机高度聚合于单一因子。遛狗在欧洲分布均匀,而其他动机的多样性在南欧更高。经度增加和桉树存在性显著提高动机多样性,而高私有林比例和云杉占比则降低多样性。
##### 4.4 森林的积极休闲特征
清洁度(均值0.67)和存在非铺装小路(0.63)是游客最看重的特征,而水体、野餐地点和长椅等基础设施被置于最不重要的位置。因子分析提取出两个特征值大于1的因子(11.37和1.73),可综合为一个累积积极特征度量。这一指数从北欧向东南欧递增;阔叶树种特别是夏橡和山毛榉具有中等正向效应,而云杉的存在具有较大的负向效应。
##### 4.5 森林的消极休闲特征
最重要负面特征是“感觉不安全”(均值0.25),其次是“放弃土地利用机会”(0.23)和“挡风导致空气污染”(0.21)。因子分析同样支持将所有消极特征聚合为单一综合变量。这些负面特征在中欧比其他区域更为突出;地上生物量增加具有大效应量的正向作用,云杉和苏格兰松的存在为中等正向效应。
#### 5. 讨论与结论总结
在讨论部分,研究人员指出大多数主要发现与既有文献一致,如距城市越近访问频率越高、偏好更“自然”的森林、阔叶树优于针叶树的混合证据、北欧旅行时间更短以及非铺装小路和安全感的重要性。与文献存在最大差异的是访问动机排名:本研究中遛狗居首,而在以往文献中心理放松和休闲通常更突出。研究还坦诚讨论了若干局限性:如调查设计偏向城市/公园型森林、未涵盖采集野生林产品和狩猎等活动、外推模型具有较大的平均绝对误差(如旅行时间误差16分钟),以及外推结果趋中导致方差收缩,减少了区域间差异。但研究人员通过模拟证明,在洲际尺度上,均值的估计误差可控制在0.5%以内,优于社会科学常用的5%标准,说明结果稳健。研究强调其分析单元是“森林”而非“人”,结果解释为欧洲不同森林被访问和感知的空间模式,而非欧洲人的休闲行为本身。
研究结论部分可概括为:接近一半的欧洲成年人每周至少进行一次森林休闲,森林休闲在中欧最受欢迎;人们倾向于访问更古老、管理强度较低且靠近城市的森林;前往森林的平均旅行时间约一小时,北欧人旅行时间更短且访问动机较为单一;访问森林最主要的动机是遛狗,其次是体育锻炼;游客最重视清洁度和非铺装小路,最担忧安全感问题;中欧人对森林的负面感知比其他区域更强烈;对阔叶林的偏好存在但不明确。这些发现首次在欧洲尺度上以统计验证的方式证实了既有小尺度研究的结果,为将森林休闲文化生态系统服务纳入土地利用规划和林业政策提供了坚实的证据基础。所有数据和代码均已公开,以促进该领域的后续研究。