基于云模型與熵權(quán)法的安徽省土地生態(tài)安全評價研究①

黃木易，何 翔

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601）

基于云模型與熵權(quán)法的安徽省土地生態(tài)安全評價研究①

黃木易，何 翔

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230601）

土地生態(tài)環(huán)境條件是區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。本研究以安徽省為例，根據(jù)“自然-社會-經(jīng)濟(jì)”復(fù)合系統(tǒng)理論構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，應(yīng)用云理論，將正態(tài)云模型與熵權(quán)法引入安徽省土地生態(tài)安全評價研究中，揭示近10年來安徽省土地生態(tài)安全狀況、演變規(guī)律及障礙因子。研究結(jié)果表明：①2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態(tài)安全水平分別處于一般、良好和健康水平，土地生態(tài)安全狀況趨于良性發(fā)展；②基于綜合指數(shù)評價方法，2005年、2010年和2013年的土地生態(tài)安全水平評價結(jié)果分別為0.184 8、0.342 4和0.473 0，表明安徽省土地生態(tài)安全處于穩(wěn)步上升趨勢，與云模型評價結(jié)論一致；③指標(biāo)隸屬度分析顯示，2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態(tài)安全處于良好及以上水平的指標(biāo)分別為7個、13個和17個，處于上升趨勢；而一般及以下水平的指標(biāo)分別為16個、10個和6個，處于下降趨勢。因此，近10年來，安徽省土地生態(tài)系統(tǒng)整體狀況趨于良性發(fā)展，在一定程度上體現(xiàn)了生態(tài)文明建設(shè)對土地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化效應(yīng)。

正態(tài)云模型；熵權(quán)法；土地生態(tài)安全；安徽省

土地是人類生產(chǎn)和生活的重要資源和資產(chǎn)，是整個資源、環(huán)境的根基，居核心地位。土地生態(tài)系統(tǒng)也是整個生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，土地利用或配置是否合理，對整個資源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)有重大影響［1］。土地生態(tài)系統(tǒng)的安全對于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響很大［2］，人類面臨的許多生態(tài)環(huán)境問題其深層次的原因都與土地的利用有關(guān)?？梢哉f土地生態(tài)系統(tǒng)安全狀況是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。土地生態(tài)評價研究是一直是LUCC研究領(lǐng)域的熱點［3-9］。相關(guān)研究廣泛采用的評價方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評價和主成分分析等［10-11］，這類傳統(tǒng)的評價方法在一定程度上忽視了評價中存在的不確定性問題［12］。1993年，李德毅院士首次提到云的概念，并以此為基礎(chǔ)建立了定性定量之間轉(zhuǎn)換的不確定性轉(zhuǎn)換模型［13-14］。云模型在概念的不確定性分析上具有獨特優(yōu)勢，以及該模型能較好地體現(xiàn)評價中模糊性和隨機(jī)性問題，因此，引入云模型能有效解決土地生態(tài)安全評價過程中的不確定性轉(zhuǎn)換及隨機(jī)性和模糊性問題。云模型理論最初較多的應(yīng)用在復(fù)雜系統(tǒng)過程評估、系統(tǒng)性能測試、電子產(chǎn)品可靠性等方面［15-16］，近年來，該方法廣泛應(yīng)用在水質(zhì)評價［17］、環(huán)境評價［12］、生態(tài)安全評估［18-19］等研究中。

安徽省位于華東腹地，區(qū)域優(yōu)勢明顯。近年來，隨著中部崛起戰(zhàn)略的提出、皖江城市帶產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)的設(shè)立，安徽省的社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，2005年全省生產(chǎn)總值（GDP）為5 350.17億元，2013年達(dá)19 229.34億元，增長約2.6倍。另外，2014年12月29日，國家發(fā)展改革委等11個部委聯(lián)合印發(fā)了《國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點方案》，并將安徽列為國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點省，未來安徽省必將迎來新一輪的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化浪潮，區(qū)域經(jīng)濟(jì)高速增長將會對土地資源與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的沖擊。因此，作為全國生態(tài)省建設(shè)試點之一，安徽省在加強(qiáng)生態(tài)強(qiáng)省建設(shè)進(jìn)程中，面臨著區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的機(jī)遇，而如何協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)的關(guān)系是能否取得社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文基于“自然-社會-經(jīng)濟(jì)”復(fù)合系統(tǒng)理論，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，引入云理論對近10年來的安徽省土地生態(tài)安全系統(tǒng)進(jìn)行分析評估，揭示土地生態(tài)安全狀況、演變規(guī)律及障礙因子，研究結(jié)果在一定程度上可為安徽省未來生態(tài)保護(hù)、規(guī)劃和建設(shè)提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

本文在前人相關(guān)研究基礎(chǔ)上［3-9，20-22］，結(jié)合安徽省實際情況，根據(jù)“自然-社會-經(jīng)濟(jì)”復(fù)合系統(tǒng)理論，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系。研究所采用的數(shù)據(jù)來源主要為2006年、2011年和2014年《安徽省統(tǒng)計年鑒》、環(huán)境狀況公報等統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料。依據(jù)評價指標(biāo)體系，建立土地生態(tài)安全因素集，A=｛A1，A2，…，A23｝，將2005年、2010年、2013年的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見表1。

表1 土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系及權(quán)重Table1 Index system and weights of land ecological security evaluation

1.2 正態(tài)云模型與熵權(quán)法

正態(tài)云模型是定性定量轉(zhuǎn)換的不確定性轉(zhuǎn)換模型［13］。正態(tài)云的數(shù)字特征用3個數(shù)值來表征，分別為：期望（Expected value，Ex），其代表定性概念論域的中心值；熵（Entropy，En），其度量了定性概念在論域中可被接受的數(shù)值范圍；超熵（Hyper entropy，He）是關(guān)于熵的不確定性度量。它們反映了定性概念和定量特性。云的生成可以通過云發(fā)生器（Cloud generator，CG）進(jìn)行模擬產(chǎn)生，它是云生產(chǎn)的算法，其中正向云發(fā)生器是最基本的算法，它可以實現(xiàn)定性信息向定量范圍和分布規(guī)律的轉(zhuǎn)換。圖1是本研究基于Matlab7.0編程模擬的評價指標(biāo)正態(tài)云模型。

指標(biāo)因子權(quán)重的確定對評價結(jié)果至關(guān)重要。目前常用的方法主要有專家評分法、模糊綜合評判法、層次分析法、主成分分析法等。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，通過指標(biāo)信息熵值的大小進(jìn)行權(quán)重分配，從而克服了專家經(jīng)驗、視角等主觀性原因造成的權(quán)重不確定性。目前，相關(guān)研究中常采用熵權(quán)法進(jìn)行評價指標(biāo)權(quán)重的計算，主要計算步驟可參考相關(guān)文獻(xiàn)［19］。本文采用熵權(quán)法對標(biāo)準(zhǔn)化后的評價指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)計算，結(jié)果見表1。

圖1 恩格爾系數(shù)正態(tài)云模型Fig. 1 Normal cloud model of Engel’s coefficient

2 結(jié)果與分析

2.1 云模型參數(shù)確定及評價因子正態(tài)云模型生成

評價中的每個指標(biāo)所對應(yīng)的等級用正態(tài)云的隸屬度來判斷，即每個評價指標(biāo)將會生成一個正態(tài)云模型。在已經(jīng)確定了評價因子及其標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，某評價指標(biāo)可以通過其上、下邊界｛a1，a2，a3，a4，a5｝來確定云的3個數(shù)字特征，公式如下［17］：

式中：Bmin、Bmax分別表示評價指標(biāo)的最小與最大邊，k為常數(shù)，可根據(jù)變量的模糊閾度進(jìn)行調(diào)整，文中取經(jīng)驗值0.1。本文確定的云模型參數(shù)計算方法見表2。

表2 云模型的數(shù)字特征的確定方法Table2 Determination of cloud model digital characteristics

各個等級上、下限值分別用a1，a2，a3，a4，a5表示，即評價語集可表示為C=｛（a1+a2）/2，（a2+a3）/2，（a3+a4）/2，（a4+a5）/2｝。根據(jù)指標(biāo)的各等級上、下限值，依據(jù)上述公式，計算每個等級對應(yīng)的正態(tài)云模型特征值，用得到的正態(tài)云模型來決定23個指標(biāo)的各個等級。以恩格爾系數(shù)（C8）指標(biāo)為例，該評價指標(biāo)分成4個等級，即評價語集C=｛低，較低，較高，高｝，分別表示該指標(biāo)代表的恩格爾系數(shù)4個級別，其各級別｛低，較低，較高，高｝的上、下邊界值為｛ （60，50），（50，45），（45，40），（40，35）｝ （限于篇幅，其余指標(biāo)上、下邊界數(shù)值略）。按照云數(shù)字特征計算公式得到各指標(biāo)的正態(tài)云模型參數(shù)。本文基于Matlab7.0模擬該評價指標(biāo)的正態(tài)云，其隸屬度標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云模型分布見圖1所示。恩格爾系數(shù)正態(tài)云模型分布圖表示該指標(biāo)｛危險，一般，良好，健康｝等級分別對應(yīng)了｛低，較低，較高，高｝級別的隸屬度。

2.2 評價因子正態(tài)云模型隸屬度矩陣分析

通過對2005年、2010年、2013年安徽省土地生態(tài)安全評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)利用熵值法計算各個指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表1。利用評價權(quán)重集=｛0.002 5，0.000 6，0.187 6，0.012 8，0.011 0，0.019 6，0.033 7，0.003 2，0.199 5，0.008 1，0.173 6，0.157 8，0.000 1，0.003 0，0.079 5，0.000 6，0.002 2，0.006 5，0.032 1，0.061 2，0.000 1，0.001 5，0.003 2｝建立指標(biāo)的評價語集，將每個指標(biāo)分成4個等級，即評價語集C=｛危險，一般，良好，健康｝，分別表示該指標(biāo)代表的安徽省土地生態(tài)安全4個級別｛低，較低，較高，高｝。利用逆向發(fā)生器可計算得出這一指標(biāo)每個等級的正態(tài)云模型標(biāo)準(zhǔn)值。然后，計算各個年份對應(yīng)每個等級的隸屬度。本文基于Matlab7.0編程模擬各評價指標(biāo)的正態(tài)云，令N= 1 000，重復(fù)運(yùn)行正向正態(tài)云發(fā)生器1 000次，得到不同的隸屬度，然后計算均值作為土地生態(tài)安全評價指標(biāo)在某一等級下的隸屬度。23個指標(biāo)的模糊隸屬度矩陣見表3。

指標(biāo)隸屬度分析表明，2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態(tài)安全處于良好及以上水平的指標(biāo)分別為7個、13個和17個；而處于一般及以下水平的指標(biāo)分別為16個、10個和6個。近10年，安徽省良好及以上指標(biāo)處于上升趨勢，一般及以下水平指標(biāo)處于下降趨勢，土地生態(tài)安全系統(tǒng)整體表現(xiàn)較好。從2013年近期評價結(jié)果來看，處于健康水平的指標(biāo)共9個，其中5個位于土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全子系統(tǒng)中，3個位于土地自然生態(tài)安全系統(tǒng)中，1個位于土地社會生態(tài)安全子系統(tǒng)中。而危險指標(biāo)在各子系統(tǒng)中均有1個，分別為土地受自然災(zāi)害比重（A3）、單位面積農(nóng)用地薄膜使用量（B6）和人口自然增長率（C7），值得注意的是，這3個指標(biāo)從2005年到2013年，在近10年間呈現(xiàn)不斷惡化趨勢。保障土地生態(tài)安全，促進(jìn)土地資源可持續(xù)發(fā)展，必須加強(qiáng)土地災(zāi)害治理投入，減少農(nóng)用薄膜塑料用品或使用可降解農(nóng)用薄膜避免土地污染，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，適度控制人口增長、提高人口素質(zhì)，緩解區(qū)域人地矛盾。分析表明，目前安徽省土地生態(tài)系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全子系統(tǒng)較優(yōu)，在保持經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全前提下，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)自然和社會生態(tài)安全子系統(tǒng)的指標(biāo)建設(shè)，從而保障安徽省土地生態(tài)安全系統(tǒng)的全面提升與優(yōu)化。

2.3 土地生態(tài)安全綜合評價結(jié)果

將土地生態(tài)安全隸屬度矩陣與指標(biāo)權(quán)重集進(jìn)行模糊轉(zhuǎn)換［23］，得到土地生態(tài)安全的綜合評價結(jié)果。根據(jù)最大隸屬度原則，將評價結(jié)果隸屬度中最大值對應(yīng)的等級作為安徽省土地生態(tài)安全的水平，如表3所示。以2005年評價結(jié)果為例，｛危險，一般，良好，健康｝4個等級的隸屬度值分別為｛0.400 4，0.517 1，0.275 3，0.208 2｝，依據(jù)最大隸屬度原則，2005年安徽省土地生態(tài)安全級別為一般。依此類推，分別求得2010年、2013年安徽省土地生態(tài)安全水平，分別為良好和健康。

正態(tài)云模型評價結(jié)果表明，過去近10年，安徽省土地生態(tài)安全水平從一般上升為良好和健康，土地生態(tài)系統(tǒng)狀況得到改善。為了對比，本文也利用綜合指數(shù)法對各年份土地生態(tài)安全進(jìn)行了分析，采用公式：進(jìn)行土地生態(tài)安全綜合計算，式中：LESi為土地生態(tài)安全綜合指數(shù)值；ijX′為評價指標(biāo)層各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wij為評價指標(biāo)的權(quán)重。計算結(jié)果表明，安徽省2005年、2010年和2013年土地生態(tài)安全綜合指數(shù)值分別為0.184 8、0.342 4和0.473 0，表明近10年來，安徽省土地生態(tài)安全水平呈穩(wěn)步上升態(tài)勢，結(jié)果與云模型評價結(jié)論一致。生態(tài)系統(tǒng)具有重要的服務(wù)價值，是社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展評估研究的關(guān)鍵內(nèi)容［24］。因此，健康的土地生態(tài)系統(tǒng)可為區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。統(tǒng)計表明，2005年全省國內(nèi)生產(chǎn)總值5 380.67億元，2013年增長至19 052.35億元，約為2005年的3.6倍，近10年來，安徽省GDP呈快速增長趨勢，但人均GDP綠色指標(biāo)如萬元GDP能耗等卻呈下降趨勢［25］，安徽省生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高與該省生態(tài)文明建設(shè)成果息息相關(guān)。本文中土地生態(tài)安全評價研究的結(jié)果在一定程度上符合安徽省生態(tài)建設(shè)成果的實際狀況。

表3 云模型隸屬度矩陣（2005—2013年）Table3 The membership matrix of cloud model（2005-2013）

3 結(jié)論與討論

針對土地生態(tài)安全評價中指標(biāo)存在模糊性等特點，云模型作為定性定量不確定性轉(zhuǎn)換模型，評價指標(biāo)中定性概念表達(dá)的不確定性可以得到反映，熵權(quán)方法可有效解決生態(tài)安全評估中指標(biāo)客觀賦權(quán)問題。另外，由最大隸屬度決定土地生態(tài)安全水平等級，解決了評價過程中存在的不確定性問題。因此，基于云模型與熵權(quán)法可以更加科學(xué)、客觀地進(jìn)行土地生態(tài)安全評價。研究表明，近10年來，安徽省土地生態(tài)安全水平由一般上升為良好、健康等級，呈上升發(fā)展趨勢，土地生態(tài)系統(tǒng)整體上處于良性狀態(tài)，基于正態(tài)云模型方法的研究結(jié)果與安徽省生態(tài)建設(shè)的實際成果比較吻合。2003年，安徽省確定了“建設(shè)生態(tài)安徽”戰(zhàn)略目標(biāo)，并成為全國生態(tài)省建設(shè)試點省份之一。近年來，安徽省生態(tài)文明建設(shè)工作力度在不斷加強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)步上升。隨著2012年《安徽省生態(tài)強(qiáng)省建設(shè)實施綱要》正式發(fā)布實施，進(jìn)一步促進(jìn)了生態(tài)環(huán)境條件的改善。因此，安徽省土地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)良性發(fā)展趨勢在一定程度上體現(xiàn)了生態(tài)文明和生態(tài)強(qiáng)省建設(shè)對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化效應(yīng)。

指標(biāo)隸屬度分析表明，2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態(tài)安全處于良好及以上水平的指標(biāo)數(shù)量在逐步增加，而處于一般及以下水平的指標(biāo)數(shù)量在逐漸下降。相對而言，目前安徽省土地生態(tài)系統(tǒng)中的土地經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全子系統(tǒng)較優(yōu)，在保持經(jīng)濟(jì)生態(tài)子系統(tǒng)良好的情況下，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步優(yōu)化自然和社會生態(tài)安全子系統(tǒng)，促進(jìn)安徽省土地生態(tài)安全系統(tǒng)全面提升。值得注意的是，近10年來，安徽省土地生態(tài)安全評價指標(biāo)系統(tǒng)中的土地受自然災(zāi)害比重、單位面積農(nóng)用地薄膜使用量和人口自然增長率指標(biāo)呈現(xiàn)惡化趨勢。因此，針對云模型的安徽省土地生態(tài)安全評價結(jié)果，加強(qiáng)土地生態(tài)治理力度和財政投入、減少污染性農(nóng)用薄膜，提高農(nóng)業(yè)科技投入，推廣使用生物可降解塑料用品、適度控制人口增長，提高人口素質(zhì)，緩解區(qū)域人地矛盾等是保障安徽省土地生態(tài)系統(tǒng)安全，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必要措施。

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Evaluation of Ecological Security of Land in Anhui Province Based on Normal Cloud Model and Entropy Weight

HUANG Muyi， HE Xiang
（School of Environment and Energy Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China）

A set of evaluation indexes was established with the help of the ecological system of ‘nature-society-economy’ to solve fuzziness and randomness problems in the land ecological evaluation of Anhui Province. The normal cloud model and entropy weight theory are introduced to the present study. The entropy weight method was used to the calculate the evaluation weight of factors， and the normal cloud model was used to describe the grade of land ecological security in Anhui Province under 23 indexes. The results showed that： 1） from 2005 to 2010 and 2013， the grade of land ecological security in Anhui Province increased from general to good and excellent status. 2） The values of land ecological security obtained with the comprehensive evaluation method were 0.184 8， 0.342 4 and 0.473 0 in 2005， 2010 and 2013， respectively. These results suggested that the land ecological security in Anhui Province was improved continuouslly during last ten years， which was consistent with the results obtained by the normal cloud model. 3） The analyses of evaluation indexes indicated that there were 7， 13 and 17 indexes at good and excellent levels， and 16， 10 and 6 indexes at a general level in 2005， 2010 and 2013， respectively. Overall， the status of land ecological security in Anhui Province tends to be good performance in recent ten years， which was attributed to the conservation culture promotion in the province.

Normal cloud model； Entropy weight； Land ecological security； Anhui Province

F301；X826

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.029

國家自然科學(xué)基金項目（41471422）、安徽省高校省級優(yōu)秀青年人才基金重點項目（2013SQRL047ZD）和安徽省財政、住建廳徽派建筑保護(hù)省級專項（HPZX2013-01）資助。

黃木易（1978—），男，安徽蕪湖人，博士，副教授，主要從事土地管理與3S技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail： huangyang78@163.com