未確知聚類在蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用

葛瑩瑩，劉偉

（河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

蔬菜在生長過程中，主要從土壤中汲取養(yǎng)分，一旦土壤被污染，那么種植出來的蔬菜必然也不會是健康蔬菜。因此，為了保證蔬菜的質(zhì)量安全，保護(hù)人類的生命健康，需要及時客觀地對蔬菜產(chǎn)地污染程度進(jìn)行評價，以便及時采取措施對土壤污染進(jìn)行治理。隨著我國城鄉(xiāng)工業(yè)化程度的不斷提高，土壤的污染源主要有兩個:一是工業(yè)中“三廢”的排放以及城鎮(zhèn)生活垃圾的增加;二是污泥農(nóng)用和蔬菜種植過程中使用有機(jī)肥、含重金屬的農(nóng)藥以及化肥的不合理使用等。在各類污染物中，蔬菜產(chǎn)地污染的主要來源是土壤重金屬污染，其中，Hg、Cd、Cr、Pb、Zn、As、Cu、Co 等是最主要的重金屬污染物［1］。

近年來，土壤重金屬污染的評價方法主要有模糊數(shù)學(xué)綜合評判法［2］、改進(jìn)層次法［3］、灰色聚類法［4］、物元分析法［5］等等，但各有優(yōu)勢及不足。未確知聚類是一種基于未確知集合的無監(jiān)督分類，是針對解決不確定性問題而提出的，已成功的應(yīng)用于煤礦礦井工作面瓦斯涌出量的分類評價以及井下空氣質(zhì)量的評價中。因此，本研究將針對以上方法的不足，且考慮到其評價的不確定性，將未確知聚類應(yīng)用到蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價中，對江蘇省南京市六合區(qū)六個鄉(xiāng)的土壤質(zhì)量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行實例研究［6］，最后得到新的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)以及對應(yīng)的評價準(zhǔn)則。

1 未確知聚類

未確知聚類［7］是一種基于未確知集合的無監(jiān)督分類，它不同于一般的聚類分析，而是一種不確定的分類方法。對于任意給定集合U，數(shù)據(jù)樣本個數(shù)為N，指標(biāo)向量長度為d，擬將其分為C類，Γk（k=1，2，…，p）是第k類，那么U 中任意對象xi都以測度 μΓk（xi）屬于 Γk類，μΓk（xi）是［0，1］區(qū)間中的實數(shù)，且滿足

1.1 未確知測度的確定

式中ε為控制常數(shù)，作用是調(diào)整當(dāng)Dik過小時對隸屬度的影響;而各種特征的分類權(quán)重ωi的求解方式如下:

1.2 類中心的確定

在d維特征空間中，xi關(guān)于Γk類的基本隸屬度μik可以被當(dāng)做點質(zhì)量賦予樣本點xi，這樣就能得到 N 個質(zhì)點構(gòu)成的質(zhì)點組{（x1，μ1k），（x2，μ2k），…，（xN，μN(yùn)k）}，下一步可依據(jù)物理方法確定其質(zhì)心，新類中心即為

2 實例研究

一般來說，土壤重金屬指的是比重大于或等于5.0 g/cm3的重金屬（如 Cr、Cd、Pb、Cu、Zn），土壤重金屬污染是指由于人類活動將重金屬污染加入到土壤中，致使土壤重金屬含量明顯高于原有含量，并造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象［1］?？紤]到數(shù)據(jù)獲取的難易程度，文中僅選取Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr6種土壤中最常見的重金屬污染物為評價因子，根據(jù)我國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB156182－1995）對土壤各采樣點進(jìn)行分類［8－9］，具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表 1。I級標(biāo)準(zhǔn)為清潔，即保護(hù)區(qū)域自然生態(tài)、維持自然背景的土壤質(zhì)量的限制值;II級標(biāo)準(zhǔn)輕度污染，即為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值;III級標(biāo)準(zhǔn)為重度污染，即保障農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值［10］。

表1 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（mg/Kg）Tab.1 Environmental quality standard for soil（unit:mg/Kg）

筆者借助參考文獻(xiàn)［11］中的數(shù)據(jù)，以江蘇省南京市六合區(qū)6個鄉(xiāng)的土壤環(huán)境質(zhì)量為研究對象［12］，利用未確知聚類對其分類。其中，各采樣點土壤利用方式為蔬菜用地，主要污染類型為農(nóng)藥化肥污染，具體數(shù)據(jù)見表2。

針對表2中的實測數(shù)據(jù)，對未確知聚類算法運(yùn)用Matlab7.0編程，將樣本分為三類，分類精度ε=0.001，最終得到的樣本分類結(jié)果及隸屬度如表3所示，各類的類中心見表4。表3顯示，樣本6屬于第 I類;樣本2，3，5屬于第 II類;樣本1，4屬于第III類。

表2 土壤各重金屬元素含量的分析數(shù)據(jù)（mg/Kg）Tab.2 Content of heavy metal elements in soil samples（unit:mg/Kg）

表3 樣本的分類結(jié)果Tab.3 The classification results of the sample

表4 各類的類中心Tab.4 The centers of the clusters

3 實驗結(jié)果分析

針對得到的實驗結(jié)果，主要從類中心、隸屬度以及分類結(jié)果三方面進(jìn)行分析。

1）從類中心（表4）來看，很容易發(fā)現(xiàn)，在6種重金屬污染物中，只有As含量是越高越好，其余五種均是越低越好，這與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（表1）中是一致的，說明未確知聚類能夠應(yīng)用到土壤環(huán)境質(zhì)量評價中。

2）從各樣本點以及各類的隸屬度（表3）來看，當(dāng)某樣本點處于某兩類之間，其隸屬度相差并不太大，或者說很難區(qū)分，比如樣本點2，對I類和II類隸屬度相差只有0.000 6，是很微小的，這是因為在求yii－mki時總體相差并不大，唯一不同的是各指標(biāo)權(quán)重ωi的取值不同，才導(dǎo)致其屬于各類的隸屬度有微小偏差。

3）從分類結(jié)果上來看，樣本6屬于第I類;樣本2，3，5 屬于第 II類;樣本1，4 屬于第 III類，與當(dāng)?shù)貙嶋H情況一致，證明未確知聚類能夠?qū)ν寥拉h(huán)境質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評價。同時，未確知聚類不僅給出了分類結(jié)果，也給出了各樣本相對于各類的隸屬度，這可以為下一步改善蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量提供一個指導(dǎo)方向。

4 結(jié)語

分析實驗結(jié)果，與實際情況相符，證明此方法能夠在蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價中應(yīng)用，且該算法同時能夠保證蔬菜產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評價更加精準(zhǔn)化和定量化。將未確知聚類應(yīng)用到土壤環(huán)境質(zhì)量評價中，不僅拓寬了未確知聚類算法的應(yīng)用領(lǐng)域，同時也為土壤環(huán)境質(zhì)量評價提供了一種新的思路。

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