区域生态安全综合评价模型分析_82 左伟.pdf

第2 5卷第2期2 0 05年04月地理科学SCIENT IA G EOG R A PHICASIN ICAVo l.25No.2APr.,2 005区域生态安全综合评价模型分析左伟,4,王桥2,王文杰2,吴秀芹,杨一鹏4,杨丽静4,朱晓华,(1.中国地图出版社,北京1以刃54;2.国家环境保护总局信息中心,北京10(刃29;3北京大学资源与环境地理学系,北京10 087 1;4.南京师范大学地理科学学院,江苏南京2 1以)97;5.中国科学院地理科学与资源研究所,北京10 010 1)摘要:区域生态安全评价需通过评价模型实现。而此类模型的构建则 要克服理论、技术、方法、数据等方面的巨大障碍。文章根据生态环境系统的本质特征,对层次分析方法、灰色系统方法、模糊数学方法、变权方法等常用区域生态安全评价模型进行优化的复合,以期获得更加贴近实际情况的评价结论。在此基础上,构建层次分析-变权一模糊-灰色关联复合模型,作为区域生态安全综合评价的评价模型。关键词:区域生态安全;综合评价;模型构建;模型优化;层次分析一变权一模糊一灰色关联复合模型中图分类号洲ITy 79/T代7 4十2文献标识码:A文章编号:10的一0 60 0(2(X)5)0 2一0 2 0 9一0 6区域生态安全评价是通过一系列的模型来实现的。这些模型包括评价概念框架和指标体系层次结构模型、专题因子转化分析模型、空间叠加与综合评价模型、G IS评价与实现模型、时间序列对比动态叠加分析模型等等。本文主要分析在遥感和GI S的方法和数据基础上,探讨区域生态安全综合评价模型的建立与优化、评价结果的尺度转换模型等。1环境生态领域广为采用 的评价模型由于区域生态安全综合评价是近年开展起来的,其研究方法及其评价模型尚无可资借鉴的成熟案例。笔者采取引用相通研究领域区域环境污染状况评价和 区域生态环境质量评价的成功模型,作为建造区域生态安全评价模型的基础,获取了满意的效果。在环境评价学科发展的历程中,也正是经过了从环境污染评价 的技术与方法模型向区域生态环境 质量评价技术与方法模型的移植。因此,通过对已有相邻研究领域方法模型的分析、扬弃和完善,以建立区域生态安全评价的模型,是行之有效的方法。在区域环境污染状况评价和区域生态环境质量评价研究中,常采用的评价模型分为单一评价模型 和复合评价模型两大类。其中单一评价模型主要有:层次分析法川;综合指数法川;模糊评价模型 z;灰色关联优 势度模型川;变权 评价模型等。复合评价模型有诸如加乘复合综合指数模型,多级模糊一灰色关联复合模型6,模糊-变权复合模型 v 等。这些模型是构建区域生态安全综合评价的基础。2区域生态安全评价优化模型(层次分析一变权-模糊一灰色关联复合模型)根据生态环境系统的本质特征,在分析现有评价模型的基础上,采取层次分析方法、灰色系统方法、模糊数学方法、变权方法等对区域生态安全综合评价模型进行最优化的复合,本文提出并采用层次分析一变权一模糊一灰色关联复合模型,以期获得更加贴近实际情况 的评价结果。2.1层次分析在评价概念模型的指导和框定下,层次分析法可 以有效地建立指标体系的层次结构,并且层次分析法中的指标因子标度比较方法,也是指标因子常规权重最有效的计算方法川。层次分析法(AH P法)作为对复杂现象的决策思维过程进行系统化、模型化、数量化的方法,也称多层次权重分析决策法。具体步骤川:(l)明确收稿日期:2。4一0 4一1 9;修订日期:2(X)4一1 0一0 7墓金项目:国家 自然科学基金项目(4 D30 lo o2)。作者简介:左伟(19 63一),男,江西星子县人,博士,副编审,主要从事R S和G IS与区域可持续发展、地图学理论与实践研究。E刚l:即渊eisinomalls.e om2 4卷划啊厄澎俐报冬问题;(2)建立层次结构;(3)定义标度;(4)构造判断矩阵;(5)层 次排序计算和一致性检验权重计算;(6)选择评价标准;(7)进行评价。层次分析 法 的关键步骤是步骤(2)和步骤(3),依此二步骤建立评价指标体系的层次化结构和按照指标间的相互重要性标度求算各指标的权重值。层次分析法最大优点是可建立概念清晰、层次分明、逻辑合理的指标体系层次结构,与其它方法(如专家法)结合使用,还可有效地建立指标因子的常权值分布。但该方法最大缺点是建立的常权值分布刚性太大,难以准确反映生态环境及生态安全评价领域的实际情况。此外,层次分析法对于评价标准和综合评价模型的建立,在环境生态领域过于简单和粗略,不能成为有效方法。2.2变权变权就是使得指标因子的常规权重,在一定的条件下,依据某一评价目的和评价意义,进行调整和改变。本文研究中的变权意义,是为了“惩罚”那些特别差的指标因子,而“惩罚”的方法即是将“差”的指标因子的权重调整,从而降低该评价单元的综合评价值。本文确定变权的方法如下:设常权向量为w=(。,。,二2。,w。),(常权向量可用层次分析法等方法有效获取,此处不予讨论。)只需给出状态变权向量就能确定变权向量,令状态变权向量S(X)=s,(X),52(X),s。(X),其中rZ一109_x:.x任0.“)“1,x J任L哟,IU式中,惩罚水平%(j 二1,2,m)根据评价因子对区域生态环境系统安全状态的影响情况而确定,由于各因子指标值经标准化后都成了0与1 0之间的数,故我们可以将a,a,。都取同一个值,在此都取2.0。得到变权向量:I V(X)=wl(X),wZ(X),w。(X)。其中:4.06.0指标因子标 准化值图1指标因子标准化值与状态变权向量值函数关系曲线Fig.1Fu n etio na lr e la t io ng旧ph O findexf aeto r ia lst a nda r diz edva lu ea nd,切tev硕a b lew eig htve ctor sw j(x)=拱业艺衅今(X)(2)由于lims j毛一心+。,故指标值越小,惩罚程度越大(图l)。2.3模糊评价用模糊评价模型对区域生态环境系统安全状况进行综合评价,引人隶属函数后,区域生态环境系统安全综合指数连续依赖于评价因子,而不是机械地分割,从而使评价结果更加切合实际情况。模糊综合评价是以模糊数学为基础,应用模糊关系合成的原理,将一些边界不清、不易定量 的因素定量化并进行综合评价的一种方法。即通过构造等级模糊子集把反映被评价事物的模糊指标进行量化(确定隶属度),然后利用模糊 变换的原理对各指标综 合。模糊综 合评价 流程 3 如下:(l)确定评价对象的因子论域;(2)确定评语等级论域;(3)进行单因素评价,建立模糊关系矩阵R;(4)确定评价因素的模糊权向量灰(5)利用合适的合成算子将A与各被评价事物的R合成得到各被评价事物的模糊综合评价结果向量B;(6)对模糊综合评价结果向量进行分析。其 中第3步和第5步为比较核心的两步。第3步为模糊单因素评价,本质上是求隶属度,在实际工作中往往要凭经验来选取合适的方法,并且工作量相 当大。第5步的合成本质上是对模糊单因素评价结果的综合,真正体现了模糊法综合评价。模糊综合评价方法应用于区域生态安全及区域生态环境质量综合评价的优点是,隶属度概念的引人,使得指标因子标准的划分和评价结果更加贴近实际情况;不足是该方法不能有效解决好指标体系和 因子权重的建立问题,特别是评价结果的表征形式,不利于人们对问题的认知、理解和深人分析,不利于将评价结果向公众宣传和向领导汇报。2.4灰色关联灰色关联分析是一 种 多因子统计分析方2期左伟等:区域生态安全综合评价模型分析法,它是以各因素的样本数据为依据用灰色关联度来描述因子间关系的强弱、大小和秩序的。如果样本数据列反映 出两因子变化的态势(方向、大小、速度等)基本一致,则它们之间的关联度较大;反之,关联度较小。灰色关联分析的核心是计算关联度,灰色关联分析的具体步骤如下:(l)确定分析系列;(2)对变量序列进行无量纲化;(3)求差序列、最大差和最小差;(4)计算关联系数;(5)计算关联度;(6)依关联度排序。灰色关联与模糊综合评价结合应用,较好地解决了模糊综合评价结果的表征 间题。其作用是充分利用模糊综合评价结果所提供的信息,通过建立关联序对(r,尸),将关联序对(r,尸)按尸从小到大、同一尸中按r从大到小排列,即得各评价单元评价结果的关联序。根据关联序,不仅能够明确区分不同质量等级的各评价单元,而且对处于同一质量等级的不同评价单元之间评价质量的优劣,也可以作出鲜明的划分冈。这样可以对评价结果进行深人细致的分析与评价,不仅解决了模糊综合评价模型应用可能出现的矛盾情况,且评价结果更加精确可靠,对指导环境管理工作也有较大的实用价值。3案例应用研究3.1研究区(重庆市忠县)概况忠县地处中国重庆市东北部,三峡库区腹地,10 7“3242即一108“14OOI,E、30“0 303”一30”3535即N(图2)。土地总面积2188.91km,。全县辖23个镇、19个乡、18个居民委员会、758个 村、734 6个村民小组。县城设在忠州镇。忠县属渝巴东北弧群褶皱带平行岭谷区,地形较 为 破碎和崎岖。全县水土流 失面积高达7 9.7%,高于三峡库区的总体平均水土流失比例5 8.2%,具有问题的典型性和强度的突出性;环境污染主要类型是农业生产而产生的面源性质的有机污染。三峡水库最终建成蓄水后,忠县水位线将从目前的1 17.sm上升到175.3m,淹没陆地53.7kmZ、人口 5.5万、城镇9座(其中县城一座)、交通线路9 3.6km、通信及广播线路61 0km,三峡建库从淹没损失及人口、社会经济迁建所带来的生态破坏冲击,忠县在沿江各县位于前列。3.2评价单元和评价指标体系的建立l)评价单元的建立:根据国内外区域生态研图2忠县研究区位置Fig.21,又a t io nofst udyinZho n群ia nCo un t y究、规划工作成果,区域生态评价单元选择上,主要有基于面状的矢量评价单元和点状的栅格评价单元二类。面状评价单元包括行政单元、小流域和景观单元等。本文研究中,根据矢量面状评价单元和栅格点状评价单元各自优缺点的特征,采用了二者相结合,使指标因子数据载体与分析评价单元分开的实现办法。即用栅格点状单元作为指标因子的数据载体和基本评价分析单元,用矢量面状单元作为综合评价分析单元,二者间用模型予以关联。据本文研究项目的目标,在研究区重庆市忠县的生态安全评价研究中,选择相应分辨率(2 5mx2 5m)格网作为基本评价分析单元8;以小流域作为综合评价分析单元图。2)评价指标体系和常权权重的建立:根据文献“,研究提出的区域生态环境系统安全评价指标体系选取的概念框架,用生态环境系统服务功能为理论依据和层次分析法作为方法论,考虑到评价的科学性要求和数据的可获取性,既保障评价指标体系的完备性,又力求避免各因子之间的重复性,同时考虑主要的指标群组可以从遥感数据或基础地理数据中实现,并且在专家群咨询指导意见的基础上,本 文选 取的区域生 态 系统安 全评价指标体系川如表1所示。指标及常权权重采取层次分析法与专家法相结合的方法 2予以确定并通过一致性检验。3.3基于小流域和不同模型的区域生态安全评价结果区域生态环境系统安全性状况及其改善与区域的自然生态过程、发生在区域内的社会人文经济2 12地理科学2 4卷表1区域生态环境系统安全评价指标体系Ta b】e11记f o rosto f花gio n a】e co l匆山se c u五t y目标层准则层备注生态环境系统安全状态指数(0.6一 21)、评价指标、评价指标、评价指标、评价指标、评价指标、评价指标、评价指标、评价指标析析析析析析析析分分分分分分分分分析、评价指标分析、评价指标分析、评价指标分析、评价指标分析、评价指标分析、评价指标区域生态环境系统安全综合指数(1.叨00)人文社会压力指数(o.26()1)分析、评价指标分析、评价指标分析、评价指标分析、评价指标分析、评价指标待扩展 因子待扩展因子环境污染压力指数(0.1278)人文社会响应指数指标层(常权权重)灾病指数1:气候灾害频度(洪涝、干早)(0.03 67)灾病指数2:地质灾害频度(泥石流、滑坡)(0.03 67)灾病指数3:地方病(0.0 184)地形地貌 l(海拔高度)(0.以28)地形地貌 2(坡度)(0.以90)第一性生产力(NDVI)(0.0 42 86)生 态环境系统弹性度(0.伪,3)土壤类型分布(0.03 06)水土流失强度(0.0 019)植被盖度(0.以90)景观多样性指数(0.0 551)高生态功能斑块指数l:破碎度(。.0 306)高生态功能斑块指数2:面积比例(0.03 06)高生态功能斑块指数3:密度(0.0 306)农业人口密度(0.052 0)交通线缓冲区分级(0.0 650)居民地缓冲区分级(0.0 650)淹没区缓冲区分级(0.02 61)人类干扰指数(0.05 20)环境人口负荷(含移民)(一)经济发展水平(人均CDP)(一)地表水体污染(。09 59)淹没损毁土地及耕地(0.0319)空气污染(一)地下水污染(一)噪声污染(一)视觉(景观)污染(一)污染损毁土地及耕地(一)压力调整指数(一)状态改善指数(一)分析、评价指标分析、评价指标待扩展 因子待扩展 因子待扩展因子待扩展因子待扩展因子待研究扩展待研究扩展“待扩展因子”为目前尚未有获取数据的有效方法,留待以后扩充;“待研究扩展”的因子属于人文社会响应准则层的二个因子,因数据获取及其量化都难以实现,而且常常引起争议,所以在本次评价模型中不予选择。活动密切相关,同时区域性特点也是生态环境系统安全等级空间分布的另一个主要方面。在基本分析单元评价成果的基础上,以小流域作综合分析单元作进一步的评价与分析,既可以从整体上去了解和宏观上去认识区域生态环境系统安全性的状态及其态势;也便于从遵从自然生态过程规律和社会人文经济发展活动对生态安全影响规律的基础上,设计并实施区域生态环境系统安全状态的改善措施。同时,我们把基于小流域的加算评价结果和乘算评价结果一并计算给出,以便对结果进行对比分析。l)基于小流域的生态环境系统安全综合评价指数计算模型:参照文献 13和文献1 4中的成熟方法,本文采用面积加权平均法进行小流域生态环境系统安全综合评价指数提取模型,也作为县域生态安全评价的尺度转换模型,计算公式如下:C乏A:xs二s(3)式中,C为第i个小流域评价区域的生态环境系统安全综合评价指数值;A为该小流域单元内每一个基本分析单元(像元)生态环境系统安全综合评价指数值;S为该综合指数值(A)相对应的像元数。2)基于小流域和多种评价模型的生态环境系统安全综合评价结果比较:据前述系列模型和方法,得出3个模型运算获取的忠县2XX)年基于小流域生态环境系统安全等级综合评价结果(表2、图3一5)。2期左伟等:区域生态安全综合评价模型分析213表2忠县甚于小流域和多模型的生态环境系统安全等级综合评价结果比较Talle2A Comparls onof卜ier a民hiealoomp飞hensiv eas辘s singr esultsf or即。一en vimnme n一alsys一emse e u rityba sedo nmini一water she dsa ndmu!ti一mo delsinZhon罗ianCounty流域图4忠县基于小流域乘算模型生态安全评价结果Fig.4Eeologiea lse curya ss es sing咄ultsbas edonmini一water shedsmutipliea tionmodelsinZ ho n乎ianCo untym m n n 皿1 1 1 n n 1 1 n n x1 11 1 1 11 1 1 mn ln l l扮 UnUll lU口J.仓nU nUnUt tU,矛0 0m1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 n 1 1 1 1 1 11 1 11 1 1 1 1 1nUT TU1 1 1 1 且n从1 1 1 1 n n 1 11 1 11 1 1 191 01 11 21 31 4巧1 61 71 81 92 02 12 22 3全县,。宾龙nf f江平均“注:表内I为生态环境 系统安全等级I,即重警状 态;n为生态环境系统安全等级1 1.即中警状态;1 1 1为生态环境系统安全等级m,即预警状态;W为生态环境系统安全等级W,即较安全状 态;V为生态环境系统安全等级V,即安全状态。图5忠县20(刃年基于小流域生态环境系统安全综合评价(变权模糊灰色模型)结果Fig.5Com pr ehensiv ea sse s sing(v硕a bleweigl一f u 二y脚ymo dels)姗ultsf o re e oe n vi咖ment司systemseeur ityba s edo nmini一wa ter shedsinZho n乎ia nCountyin20(X)图3忠县基于小流域加算模型生态安全评价结果Fig.3Eeologiealse e叻tya ss es singr e sultsbas edonmini一water shedsad ditio nmodelsinZhon群ia nCounty4结论与讨论l)通过模型实现了区域生态安全从像元级微观因子数值到小流域级中观评价结果的转化:这样既便于人们对评价结果的认知和理解,也符合生态安全问题的区域性及过程性特征。2)层次分析一变权一模糊一灰色关联复合模型为相对最佳评价模型:加算模型拉不开各评价单元之间评价结果的差距;乘算模型虽然可以适当拉开各评价单元之间评价结果的差距,但该模型所2 14地理科学24卷获得的结果刚性太大;层次分析一变权一模糊一灰色关联复合模型不但能够较好地拉开各评价单元之间评价结果的差距,而且结果的刚柔性适中,与实际状况也是最相符合的。3)层次分析一变权一模糊一灰色关联复合模型在数据处理和模型运行上难度大,对硬件资源配置的要求高:实际情况是,就忠县大小的研究区域,如果以2 5mx2 5m像素基本评价单元开始进行该模型的运行,在目前的普通数据库平台和流行的标准配置硬件平台上,几乎难以实现。本文研究采用先对指标因子数据作小流域集成,再直接对小流域评价单元进行模型运算。参考文献:l 毛文永.生态环境影响评价概论M北 京:中国环境科学出版杜,19 98.20 1一20 4.2谢季坚,刘承平.模糊数学方法及其应用M.武汉:华 中理工大学出版社,2仪力.1一5 7.【3胡永宏,贺思辉.综 合评 价 方法【M.北京:科学出版社,2仪刃.133135,17 0172.4 邓聚龙.灰色系统基本方法M.武汉:华中理工 大学出版社,1988.27一42.s 彭补拙.用动态的观点进行环境综合质量评价J.中国环境科学,199 6,1(1):16一19,6阎伍玖.区域农业生态环境质量综合评价方法与模型研究 J,环境科学研究,1999,1 2(3):4 9一5 2,【7胡月明,万洪富,吴志峰,等.基于 G IS的土壤质量模糊变权评价【J.土壤学报,20 01,3 8(3):2 66一27 4.8左伟,张桂兰,万必文,等.中尺度生 态评价研究栅格空间尺度的选择与确定【J l.测绘学报,20 03,3 2(3):26 7一27 1.9左伟,曹学章,李硕.基于数字地形分析 的小流域分割技术J.测绘通 报,2(X)3(5):525 4.仁r o左伟,周慧珍,王桥.区域生 态安全评价指标体系选取的概念框架研究J.土壤,2(X)3,35(I):2一7.【11 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l,te ehno logie al,met hodologie al,dat adif f ie ultie s.Ae e or dingt ot hees se nt ialeha r a ct eristiesofeeo盯st e m,t hevape rop6ma场eompou ndstheeompr e hen siveme delso freg ionaleeo l嗯ieals e-eur it yasses smentsu ehashier ar c hiea la n al ysis,g傲ysystem,f uz叮mat hematies,v如ableweig ht,e te.,t husa-ehie vingthea s s es singeonelu sionswhiehelo sel yr ef leetst her ealsituatio n s.I nt hispaPer,t heeompo sit emodelsof hie r ar c hie沮a na lysis一va r ia bleweight一f uZ Z y一g r ayeor relario nar eeonstr uetedandus edast hea s ses sing modelf orr eg io na leeolog iealseeur ity.T heea s es t udyher es ho wsthatt hisme del15t her elativ ebesto nef o rr eg iona le e olog-ie alseeur ityass es smentatt hee ur r entst a geandeo nditions.K eyw ord s:hierar chiedr egiona le cof og iea lse cur it y;eo mPr ehe ns iveass e ss menta na lysis一va r ia blew eig ht一f u卿一g沮yeo r r elat ioneomposi t e;modeleo nst r Uetio n;mo delo Pt im iz at io n;mo de ls