基于二元语义和区间FCM 的森林公园生态安全评价方法研究

2014-10-10汪朝辉

河北经贸大学学报(综合版) 2014年2期

汪朝辉

（湖南工业大学商学院，湖南株洲 412007）

一、引言

生态安全是国家安全的热门问题。20世纪70年代国外已经开始了生态安全的研究，国内也已把生态安全的理论与方法应用到城市、省、海岸带、风景区、旅游地、小城镇、脆弱农业区、矿区等宏观层面。微观层次更是渗透到包括农业、水资源、土地、湿地、草地、森林、能源利用、食品、纺织品和国际贸易等各个方面。森林公园具备优美的森林景观资源和优良的生态环境资源，是生态旅游的主要场所和我国主要的旅游目的地。本文选取未被国内外学术界重视却对生态环境有着特殊依赖的森林公园的生态安全评价作为研究内容，旨在建立能够实施森林旅游可持续发展战略的技术性工具，为森林公园可持续发展的生态安全管理提供借鉴和指导。

关于生态安全评价模型的研究，国外学者主要对个体与群落尺度上的模型[1]；生态系统尺度上的LERAM模型，SIMPLE综合模型，GAP类型等模型[2]；生境及区域尺度上的用于生境评价的生境稳定指数模型[3]；景观尺度的BACHMAP模型，ECOLECON模型以及基于GIS的DISPATCH等生态数学模型展开了相关研究，生态模型评价不同尺度的生态安全问题将成为未来重要的发展方向。

国内学者的研究主要是针对区域评价指标PSR概念模型框架展开的，目前最常用与常见的方法如层次分析法[4]、综合指数法[5]、灰色关联法[6]、主成分投影法[7]、模糊综合法[8]、物元评判法[9]、优度评价法[10]及复合模型等，但他们各有其优缺点；另外，对于安全度等级的划分目前还无统一标准，主观性和随意性较大，评价结果有效性差。由于森林公园生态安全历史数据较少，有不少数据要通过调查获得，同时其评价数据有定量数据，也有定性数据，主要分为三类：实数、区间数、语言值。实数可以看成区间数的特例，而语言数也可以转化为区间数，并且区间数FCM评价方法在水质综合评价中已开展了相关研究[11]，区间二元语义的决策方法和FCM进行分类的研究已有报道[12][13]。为此本文提出了基于二元语义的区间FCM生态安全评价方法，以满足森林公园生态安全评价目的的需要。

二、二元语义和区间数方法

（一）二元语义及相关算子

设语言评价等级为H=｛H0，H1，H2，…，H2t｝，并且H有以下属性：

有序性：当 i＞j，Hi＞Hj。

可逆性：存在一个逆运算算子“Neg”，当i+j=2t时，有Hi=Neg（Hj）。

极值运算：当i≥j，极大值Max（Hi，Hj）=Hi，极小值Min（Hi，Hj）=Hj。

二元语义采用（Hi，αi）来表示决策者的语言评价信息，其中Hi表示语言评价集中的一个语言评价等级，αi表示决策者给出的语言评价信息相对于语言评价等级 Hi的偏差，αi∈[-0.5，0.5）[336-339]。

定义1 设Hi∈H，则其相应的二元语义可通过下列转换函数φ得到：

定义2 设语言评价集H=｛H0，H1，H2，…，H2t｝，θ∈[0，2t]表示语言符号运算的结果，则与θ相应的二元语义可由Δ函数得到：

其中，Round表示“四舍五入”取整运算。

定义3 设语言评价集H=｛H0，H1，H2，…，H2t｝，（Hi，αi）为一个二元语义，则存在一个逆函数Δ-1，使二元语义可转化为相应的数值θ∈[0，2t]，即：

定义4 设（Hi，αi），（Hj，αr）为任意两个二元语义，如果i＞j，有（Hi，αl）＞（Hj，αr），这里符号“＞”表示“优于”。

如果i=j，则存在以下三种情形：

如果αl＞αr，则（Hi，αl）＞（Hj，αr）。

如果αl=αr，则（Hi，αl）=（Hj，αr），这里符号“=”表示“等于”。

如果αl＜αr，则（Hi，αl）＜（Hj，αr），这里符号“＜”表示“劣于”。

（二）区间数

定义5 设R是实数域，称闭区间[a1，b1]为区间数，其中a1为区间数的下确界，b1为区间数的上确界，a1，b1∈R，a1≤b1。

dλ（1，2）=（1-λ）｜a1-a2｜+λ（｜b1-b2｜）

其中λ∈[0，1]表示决策者的风险态度，当λ＞0.5时，决策者是追求风险的，当λ＜0.5时，决策者是厌恶风险的，当λ=0.5时，决策者是风险中性的，此时有：

三、基于二元语义和区间FCM的森林公园生态安全评价方法

设森林公园生态安全的分类指标有t个，记为C1，C2，…Ct，m 个待分类的森林公园，记为 A=｛a1，a2，…，am｝，ai在指标 Cj的值为 aij=[a-ij，a+ij]，且指标 Cj权系数为ωj，决策者拟将森林公园分成n类E1，E2，…，En（E1＞E2＞…＞En），其分类值为：b1j，b2j，…，bnj，满足 b0j＞b1j＞b2j＞…bnj＞bNj。要确定各森林公园生态安全的类别。

基于二元语义和FCM的森林公园生态安全评价步骤：

步骤1：利用FCM聚类方法将区间值转化为语言值。

假定将森林公园的评价等级分为2n+1，对每一个指标采用FCM方法将其分为2n+1个类，其方法如下：

（1）初值的确定

（2）计算U(0)

（3）计算V(l+1)

得到新的聚类中心，不妨假设为bi(l+1)（i=1，2，…，2n+1）。

（4）计算U(l+1)

（5）计算J（U(l)，V(l)）和J（U(l+1)，V(l+1)），并判断是否结束

其中

（6）确定分类

根据最大隶属度原则，对方案集进行分类。

步骤2：将语言值转化为二元语义。

对于评价信息可能介于两个语言等级之间的情况，用符号 Hi+a来表示，其中 α∈（0，1），它表示介于Hi和Hi+1之间，且相对于Hi的偏差程度为α，相对于Hi+1的偏差程度为1-α。

各语言评价等级 H0，H1，H2，…，H2n所对应的二元语义为：（H0，0），（H1，0），（H2，0），…，（H2n，0），它们对应的数值为：Δ-1（H0，0），Δ-1（H1，0），Δ-1（H2，0），…，Δ-1（H2n，0）

如果为某个语言值，则按上述方法可转化为数值。

如果为Hi+α，则利用Δ-1函数将其转化为数值。

可记方案的评价矩阵为C=（cil）m×t。

步骤3：对方案进行指标集成。

方案的综合评价值如下：

步骤4：将方案集成结果转换为二元语义。

利用Δ函数将方案综合评价值Di转换为二元语义Δ（d（ai））。

步骤5：利用二元语义的有序性对方案进行排序。

四、实例计算

借鉴其他学者有关生态安全评价指标的研究成果，广泛征求各专家学者、森林旅游管理者和旅游管理者的建议，根据生态安全评价指标体系构建的原则，结合森林公园的独特性，设计森林公园生态安全评价指标体系问卷。最后采用主成分分析法，对问卷数据进行统计分析，得到以下评价指标：客流量增长率、旅游从业人员增长率、当地居民人口增长率、旅游用地利用强度、生态用地减少率、大气污染综合指数、水体污染负荷、固体废物污染负荷、旅游环境容量利用强度、森林植被减少率、区域开发指数、生态系统干扰强度、森林火灾频度、气象灾害频度、大气质量、水环境质量、环境噪声、森林覆盖率、生物物种多样性、生态系统健康状况、当地居民素质、旅游者素质、旅游从业人员素质、旅游收入对GDP的贡献率、生态环境建设投入强度、废气处理率、废水处理率、废物处理率、旅游立法完善程度、旅游管理者执法力度。

选取有代表性的5个国家森林公园作为本论文的研究对象，5个国家级森林公园分别来自湖南、广东和江西三省，在当地乃至全国都有一定的知名度和典型性，分别记为 a1、a2、a3、a4和 a5。后 5 个公园（a6-a10）数据是在为确定评价结果可靠由专家确定的。具体分析数据如表1所示，其中C1～C14为成本型指标，其余指标为效益型指标。根据需要将各方案分为“很不安全，不安全，比较安全，安全，很安全”5 个级别，记为 H0，H1，H2，H3，H4，确定各方案所属类别。

利用基于区间FCM和二元语义的方法进行评价得到的分类阈值如表2。

对第1个指标到第14个指标：

当方案在指标Cj的值aij≥d1时，方案属于H0；

当方案在指标 Cj的值 d2≤aij＜d1时，方案属于H1；

当方案在指标 Cj的值 d3≤aij＜d2时，方案属于H2；

当方案在指标 Cj的值 d4≤aij＜d3时，方案属于H3；

当方案在指标Cj的值aij＜d4时，方案属于H4；

对第15个到16个指标，第18个到第30个指标：

当方案在指标Cj的值aij≤d1时，方案属于H0；

当方案在指标 Cj的值 d1＜aij≤d2时，方案属于H1；

当方案在指标 Cj的值 d2＜aij≤d3时，方案属于H2；

当方案在指标 Cj的值 d3＜aij≤d4时，方案属于H3；

当方案在指标Cj的值aij＞d4时，方案属于H4；

对第17个指标：

当方案在指标Cj的值aij≤d1时，方案属于H4；

当方案在指标 Cj的值 d1＜aij≤d2时，方案属于H3；

当方案在指标 Cj的值 d2＜aij≤d3时，方案属于H2；

当方案在指标 Cj的值 d3＜aij≤d4时，方案属于H1；

当方案在指标Cj的值aij＞d4时，方案属于H0；

表1 各方案的指标

表2 分类阈值表

利用FCM和二元语义方法得到各方案的排序向量为：2.240 8，2.896 3，2.825 6，2.443 8，2.767 1，0.268 5，1.286 4，2.028 6，2.849 1，3.621 3。

各方案的二元语义值分别为：（H2，0.240 8），（H3，-0.103 7），（H3，-0.174 4），（H2，0.443 8），（H3，0.232 9），（H0，0.268 5），（H1，0.286 4），（H2，0.028 6），（H3，0.150 9），（H4，0.0378 7），

对上述值进行归一化处理得到各方案的生态安全评价值为：0.562，0.724 075，0.706 4，0.610 9，0.691 775，0.067 125，0.321 6，0.507 15，0.712 275，0.905 325。

各方案的所属类别为：a1∈H2，a2∈H3，a3∈H3，a4∈H2，a5∈H3，a6∈H0，a7∈H1，a8∈H2，a9∈H3，a10∈H4。

各方案的排序为：a6＜a7＜a8＜a1＜a4＜a5＜a3＜a9＜a2＜a10。

五、结论

本文通过引入区间值，将实数看成区间数的特例，语言值也转化为区间数，解决了森林公园生态安全评价中定性数据难以处理的问题，利用二元语义FCM评价方法使得生态安全评价的排序更加客观。通过实例计算，表明基于二元语义的区间FCM评价方法在森林公园生态安全评价中的应用是有效的和可行的，其评价结果客观合理，在旅游区的生态评价实践中具有一定的推广性。

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