夏文杰 王怡素 薄利军 闫新庆 陈蒙
摘要:针对土地退化、环境污染、生态失衡这些问题,有效地开展土地生态状况调查评估,可以对保障国土资源,合理进行国土规划提供重要的信息支撑。本文以河南省濮阳市作为研究区域,以第二次全国土地资源调查数据、遥感影像、地球化学调查数据等作为数据源,借助“3S”手段对数据进行处理和标准化,结合改进熵值法和专家打分法对数据进行评估,得出濮阳市生态的总体状况。
关键词:土地生态状况;数据整合;评估;改进熵值法1引言
河南省作为人口大省和农业大省,人均自然资源相对匮乏,环境承载能力也有限,生态建设和环境保护任务十分艰巨。因此,开展土地状况调查与评估,可以为土地资源可持续利用提供理论基础和实践指导,是土地资源管理的一项紧迫任务[1]。
目前对生态状况的调查与评估的研究主要有两方面的特点:第一,进行生态状况调查所采用的数据源来相对较少,主要围绕地理基础数据,而忽略了人口、社会经济状况等数据对生态的影响;第二,进行生态状况评估时,对指标的权重等方面进行的定性分析多,定量分析较少,影响了生态状况评估的可信度[2]。为此,本文采用多源数据作为调查基础,对这些数据信息进行细分和提取,获取更多的指标层,根据不同指标的相关性建立指标体系,并且根据熵值法相对客观的确定数据层的权重,最终获取该区域的分值;根据以上结果可以进而分析出影响该地区生态状况的主要因素,为科学地进行生态保护提供指导。
2研究区域和技术路线
濮阳市位于河南省东北部,黄河下游,冀、鲁、豫三省的交界处。地处北纬35°20′~36°12′,东经114°52′~116°5′之间,东西长125公里,南北宽100公里,土地具有地势平坦、土层深厚、开垦率较高等特点。
本文采用遥感监测与地面调查相结合,地面观测与补充调查相结合的方法,综合集成已有调查与评估数据进行信息挖掘,以指标体系构建、信息提取、综合评估、数据库组织为主要环节,其主要技术路线如下(图1):
3生态状况调查的方法
在生态状况调查的流程中,首先需要确定调查单元[3]的大小。从理论上来说,调查单元越小,得到的数据也就相应的更加准确,后期评估的质量也就会越高;但是同时,调查单元越小,也就意味着数据获取的难度越大,对软硬件处理能力要求也会变高,处理的时间也会指数增长。本文在分析现有的数据和对数据处理能力的基础上,选取村级行政区作为调查单元,在单元精度与处理难度的矛盾中选出一个相对最优的结果。
在确定了调查单元之后,需要对每个准则层所包含的数据归总,列出生态状况调查的指标体系(表1),以便于找到适合该指标的数据源和处理方法。指标体系的生成涉及到很多的因素,如PSR(压力—状态—响应)模型[4],本文根据科学性、实用性、可行性的原则[5]并结合指标的内在联系对指标进行了选取和层次区分。
4利用改进熵值法和专家打分法进行生态评估
在生态评估的过程中,权重确定具有举足轻重的地位,也直接关系着评估结果的合理性。在确定权重时,层次分析法、灰度关联度法存在着主观性,不完备性的问题。而熵值法,是通过计算一个指标的熵值来判断该指标的随机性和离散程度的方法,离散程度越大,意味着指标的权重也就越大[5]。由此,熵值法是一种相对比较客观的方法,很多学者也对熵值法进行了改进,解决了运算过程中的极值问题。而在实际的评估过程中,客观的离散性并不能代表指标的重要性,如湿地是一个局部特征,差异性可能极大,但一般而言它对环境影响不会比林地或者耕地大,因此在确定权重的过程中也需要听取专家意见,做出综合考量。
4.1 数据标准化
在进行大规模的数据计算之前,需要使不同量纲和单位的数据汇总到统一的范围内,利用相对数据代替其真实数据,并且不改变其数据内部的结构和意义。本文利用标准差标准化,然后对标准化的值都进行平移,使其都为正向指标便于后面的对数运算其具体方法如下:
标准差标准化:
指标平移:
式(1)中,x为属性A中的一个数值,avg(A)分为std(A)指标的平均值和标准差。式(2),是对标准化的数据进行坐标平移,其中K值大于min(x),并且K要尽可能的接近min(x),否则取值过大的话会造成变异消失的状况。此外,一些观点认为负向指标应该在该步骤之前取反,然后进行计算,但是经过实验表明,这样会破坏掉指标的离散型。所以本文不建议使用该方式。
4.2 计算各个指标项的权重
(1)首先需要计算出第i个指标项中第j个指标值的比重f(i,j), 也就是用标准化后的指标值除以它所在指标项所有m个指标值的总和,得出该指标值在其所在项的比重;
(2)可以利用公式 来求得指标项i的信息熵值;
(3)接下来通过公式 来计算差异性系数di,该系数越大,对评价的影响也越强;
(4)最后通过公式 来求得该指标项在其指标体系中的权重。见表2
需要指出的是,在本文中进行评估的体系分为准则层、元数据层,所以首先求取的权重值是每个元数据层在指标层内的权重,再通过同样的方式进行一次迭代,求得指标层在总的运算中的权重,为最终计算综合值做铺垫。
4.3 计算生态综合评估值
在获取元数据层在指标层的权重,指标层在准则层的权重后。可以通过综合评估公式,也就是权重与分值乘积叠加的方式来计算每个指标层得分的分布状况和生态综合评估得分的分布状况。并且根据区域的实际需要和评估分值高低,利用自然间断点分级法把评估结果进行分级,原则上把结果分为优、良好、中等、较差、差五个级别(图2)。
5结论与展望
本文主要是通过对一些数据的整理和归纳,再结合改进熵值法和专家打分法,对濮阳市的生态基本状况进行评估。在该过程中,强调改进熵值法的客观性的同时,对离散程度反映指标重要性提出了疑问,认为进行评估还需要结合专家打分。此外,在数据进行标准化时,对负向指标的处理问题进行了讨论,认为负向指标取反进行计算会影响到离散程度的表达,对整体评估造成不良影响。最后得到的评估结果可以反映出以下特征:(1)濮阳市整体生态状况较为良好,尤其是河流附近的生态状况;(2)生态状况较为不好的地方主要集中在主城区,县城等;(3)清丰县的生态状况相对较差。
进行生态评估是一个非常系统的工程,在指标如何选取上,要因地制宜,同时也要科学合理,甚至对数据进行探索性分析都很有必要;在方法上,改进熵值法只是比较常用的方法之一,本文并未对更多的方法进行比较,也没有根据不同的区域对某种方法进行分析其适应性。因此,这方面的工作还需要更为具体和细化。
[参考文献]
[1]陈美球,刘桃菊.土地健康与土地资源可持续利用[J].中国人口•资源与环境,2003,13(4):64-67.
[2]郑华伟,刘友兆,张锐.基于PSR模型的土地利用系统健康评价及障碍因子诊断[J].长江流域资源与环境,2012,21(9):61-70.
[3]贺翔.上海市土地利用系统健康评价研究[D].武汉:华中农业大学,2007.
[4]陳美球,许莉,刘桃菊,黄宏胜.基于PSR框架模型的赣江上游生态健康评价[J].江西农业大学学报,2012,34(4):839-845.
[5]陶晓燕,章仁俊,徐辉,朱九龙.基于改进熵值法的城市可持续发展能力的评价[J].干旱区资源与环境,2006,20(5):38-41.
[6]李军,游松财,黄敬峰.中国1961-2000年平局气温空间插值方法与空间分布[J].生态环境,2006,15(1):109-114.