模糊模式识别理论在土地利用规划环境影响评价中的应用

周 鑫，刘志斌

（辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新123000）

土地利用规划环境影响评价是对土地利用规划实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评价，并在此基础上从生态与环境角度提出规划的最佳方案及其调整建议，以及跟踪监测的方法和制度[1]。中国土地利用规划环境影响评价起步较晚，2003年首次将环境影响评价从单纯的建设项目扩展到各类发展规划。目前，国内学者对土地利用规划环评的目的、意义、理论基础、工作内容和程序等已有了比较清楚的认识，但没有形成适合我国国情的土地利用规划环境影响评价方法。评价理论还不够成熟，缺乏关于生态环境保护的评价标准。目前，比较常用有专家判断法、核查表法、矩阵法、地理信息系统（GIS）和遥感技术（RS）、驱动力—压力—状态—响应（DPSR）的概念模型方法等多种定性和定量评价方法。因土地利用总体规划不是具体到地域上的具体项目或产业，具有鲜明的战略性、不确定性特点。评价指标的获取受种种因素的限制，其环境影响等级的划分同样具有一定的模糊性[2-6]。鉴于模糊数学理论可以很好地解决模糊问题，可以选择将一些相关的模糊数学方法应用于规划环境评价的战略分析和环境影响预测等方面[7]。

阜新市作为资源转型城市，经济发展较快，但城区用地中矿业用地所占比例较大，严重制约城市的发展。因此，进行土地利用规划环境影响评价具有十分重要的意义。

本研究基于多级模糊模式识别理论与特征值方法，将其应用于土地利用规划环境影响评价中，旨在为土地利用规划环境影响评价提供一条可行的新途径。

1 多级模糊模式识别理论

模糊模式识别理论的基本内容为：设有需要识别的模糊概念或模糊子集A，已知指标的标准体系，计算研究样本属于各个标准的相对隶属度，计算相对级别特征值，识别判断样本集属于哪一级标准[8]。

1.1 指标相对隶属度函数的建立

设规划方案中环境主题j的指标特征值向量为：

式中：xj为规划方案环境主题j的m个指标特征值向量，j＝1，2，…，n；xij为规划方案主题 j的第i个指标的特征值，i＝1，2，…m；m为主题j下的详细指标个数。

如果样本集依据m个指标按c个级别的已知指标标准特征值进行识别，则有指标标准特征值矩阵:

式中：yih为级别h指标i的标准特征值，h＝1，2，…，c；i＝1，2，…，m。

对于从1级至c级指标标准特征值减小的指标而言，令小于、等于指标c级（或状态）标准特征值对A的相对隶属度为0；令等于、大于指标的1级（或状态）标准特征值对A的相对隶属度为1，反之亦然。指标特征值介于1级与c级标准特征值之间对A的相对隶属度可按线性变化确定，由此该类指标对A的相对隶属度（隶属函数）为公式（3），h级指标标准特征值对A的相对隶属度（隶属函数）为公式（4）：

式中：rij为样本j指标i的特征值对A的相对隶属度；yi1，yic是指标i的1级、c级标准特征值；sih是级别h指标i标准特征值对A的相对隶属度；yih为级别h指标i的标准特征值，利用公式（3）和（4）介绍的指标隶属度函数公式可求得A的指标与指标标准特征值的相对隶属度矩阵：

将样本j的m个指标相对隶属度r1j，r2j，…，rmj分别与矩阵S的第1，2，…，m行的行向量逐一地进行比较（r1j与第1行比较，r2j与第2行比较，…，rmj与第m行比较），可得样本j的级别上限值bj和级别下限值aj。

设样本集对A各个级别的隶属度矩阵为：

式中：uhj为样本j对A级别h的相对隶属度，j＝1，2，…，n；h＝1，2，…，c。由于样本 j在级别区间aj、bj范围内，故矩阵U应满足归一化约束条件:

一般地，样本集的m个指标对模式识别的影响程度不同，故指标应具有不同的权重。指标权向量为 W＝（w1，w2，…，wm）；样本 j的 m 个指标特征向量表示为rj＝（r1j，r2j，…，rmj）T；级别h的m个指标标准特征值用向量表示为sh＝（s1h，s2h，…，smh）T。

1.2 多级模糊模式识别

通常样本j指标i因重要程度不同，即样本j指标i的权重不同，故引入权重矩阵，于是样本j与级别h之间的差异，可用广义权距离表示为：

式中：p为距离参数，p＝1为海明距离，p＝2为欧式距离。

综上所述，可得样本集对模糊概念A的识别模型为：

样本集对模糊概念A的各个级别的最优相对隶属度矩阵U为：

式中:uhj为样本j对模糊子集级别h的相对隶属度，h ＝1，2，…，c；j＝1，2，…，n。aj，bj为样本j的m项指标的级别下限值与上限值。

最后应用级别特征值公式（12）即可得出最终的综合评价结果。

2 实例应用

2.1 规划背景

2.1.1 土地利用现状及存在的问题 阜新市位于辽宁省西北部，全市总面积10 355 km2，农用地所占比例较高，占全市总土地面积的76.15%，耕地面积占总面积的36.15%，垦殖率比全省水平高8.47%。阜新市耕地类型可分为灌溉水田、水浇地、旱地、菜地和其他农用地，其中，旱地所占比例较大，占耕地面积的97.21%。

目前，土地利用中主要存在的问题包括：耕地面积锐减，且利用率和质量均有所下降；土地利用结构不合理，建设用地所占比例低；城区用地结构和布局不合理，城区用地中矿业用地占地相对较多；农村居民点布局散乱，宅基地利用不经济，人均占有面积过大；土地污染破坏较严重；违法用地现象较多，土地利用行为不够规范。

2.1.2 土地利用规划目标 逐步提高耕地质量，增加林业用地，使非农建设用地的供给在规划和计划范围内得到保障和合理利用；全面展开土地整理，适度开发土地后备资源；土地利用结构和布局日趋合理，土地资源可持续利用，与全市社会经济发展相协调[9]。规划期限为2007—2020年，以2006年为规划基准年。

2.2 土地利用规划的环境影响识别

环境影响识别包括确定所有预期的环境影响或相关的环境因子与土地利用规划之间的关系，同时识别出较为关键的环境影响因子。具体过程应包括识别规划中与环境密切相关的内容，分析并列出规划的直接和间接经济行为，分析规划经济行为对环境的影响[10-12]。根据阜新土地利用规划方案分析，选择影响评价的环境因子。

2.3 指标体系的建立和评价标准的确定

按照指标体系建立的原则，参照阜新土地利用总体规划的环境影响识别结果，并结合阜新市的环境影响因子识别，根据选出的5个环境保护目标，选择16个因素作为参评因素，建立了具有总目标层、环境主题层、指标层3个层次的阜新市土地利用总体规划环境影响评价指标体系。应用模糊识别模式对阜新市土地利用总体规划的环境影响程度这一模糊概念A进行识别。评价标准选取5个级别（即c＝5）：I级表示规划环境影响极小或无影响，II级表示较小影响，III级表示中等影响，IV级表示较大影响，V级表示极大影响。指标层内具体指标如表1所示。本研究以2006年规划数据为准评价。

确定评价标准的主要依据：《规划环境影响评价技术导则（试行）》（HJ/T130—2003），《2005年国民经济和社会发展统计公报》，联合国世界卫生组织推荐的部分环境参考指标，区域性本底背景，土壤环境质量标准GB15618—1995。

表1 土地利用规划的环境影响评价指标值及等级划分

续表1

2.4 指标权重的确定

应用层次分析法[13]得出规划方案的权重向量为：

2.5 模糊识别的应用

本规划方案涉及3个环境主题，各环境主题指标总和为规划环评的指标体系。首先，按公式（1）和（2），根据各个环境主题的指标标准值构造各个环境主题的指标特征值向量，已知标准体系构造相应的指标标准特征值矩阵。再分别按公式（3）、（4）、（5）和（6）将其转化为相应的指标与指标标准特征值的相对隶属度向量和矩阵。

将各个环境主题指标特征值隶属度向量中的各分向量与该环境主题对应的指标标准特征值矩阵的行向量逐一比较，得出各个环境主题级别上限值和下限值。应用公式（9），取距离参数p＝2（欧式距离），计算3个主题环境影响级别的隶属度向量，应用公式（12）计算3个主题级别特征值。具体数值如表2所示。

阜新市土地利用总体规划方案的环境影响级别特征值为：

表2 环境主题相对于模糊概念的级别隶属度向量及级别特征值

2.6 评价结果分析

经过计算得知，H＝1.941（1＜H＜2），阜新市土地利用总体规划方案对环境的影响程度近似为II级。其规划方案的实施对环境影响较小。自然环境影响指标的特征值2H大于规划方案的特征值H并近似III级，这说明自然环境保护对环境影响的贡献最大，如果考虑进一步减缓环境影响，应首先从这方面着手，这主要是阜新地区人均公共绿地面积和水域面积比较小，这与阜新所处自然地理位置有关；1H，3H小于规划方案的特征值H，其中3H偏小，说明阜新市在生态环境方面和社会环境方面仍有待提高，在生态环境方面应提高基本农田保护率；在社会方面应提高农村城镇化水平。

3 结论

以阜新市土地利用规划为例，结合环境影响评价的技术导则，建立了土地利用环境影响评价指标体系，采用多级模糊模式识别方法进行了分析，避免了一般模糊综合评判中由于最大隶属度不适用性所引起的判断错误，以相对隶属度、隶属函数为基础理论，使隶属度、隶属函数的计算更容易，可最大限度减小误差，所得结果客观、合理。初步评价得出，规划的实施对环境具有一定影响。自然环境保护对环境影响的贡献最大，如果考虑进一步减缓环境影响，应首先从这方面着手；在社会环境方面保持现状并稍加改善即可；生态环境方面的工作尚需加强。应努力改变现有的各个环境主题发展不协调的局面，最终实现各个环境主题级别较为均衡的局面。在今后的研究中，应加强理论和实践相结合，注重科学性和可操作性评价方法的研究。

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