烤烟产区气候评价中综合赋权法的应用

褚旭 范幸龙 杜坚 魏建荣 张建强 杨康 汤洋 马志远 胡钟胜

摘  要：在烤煙产区气候评价中，为了探索更加合理的指标赋权方法，采集云南12个典型烤烟产区的气候数据，利用单一和综合赋权法评价气候综合状况，并对赋权及评价结果进行对比分析。结果表明：（1）12个烤烟产区大田期均温在19.23～20.58 ℃，处于适宜水平，成熟期平均降水量达290.45 mm，雨量偏多，大田日照时数充足;（2）单一赋权法中权重系数最大的指标分别是旺长期降水量0.173（层次分析法），旺长期均温0.143（标准差法），旺长期均温0.195（熵权法），单一赋权法的方差平均值（2 mean）为2.36;（3）综合赋权法中权重系数最大和最小的指标均为旺长期均温（0.150、0.152、0.149）和全年日照时数（0.107、0.107、0.108），2 mean为0.44;（4）3种综合赋权法中，基于离差平方和的综合赋权法评价得分差距更大，基于博弈论的综合赋权法评价结果间相关性更好，基于单位化约束的综合赋权法评价得分的分值更高。较之单一赋权方法，综合赋权法的权重差异更小，评价结果的收敛性更好，能够在烤烟产区气候评价中更加合理地对不同气象指标进行赋权。

关键词：烤烟产区;气候评价;单一赋权法;综合赋权法

中图分类号：S572.01          文章编号：1007-5119（2019）04-0014-08      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.04.003

Application of Comprehensive Weighting Method in Climatic Evaluation of Flue-cured Tobacco Growing Areas

CHU Xu， FAN Xinglong， DU Jian， WEI Jianrong， ZHANG Jianqiang， YANG Kang，

TANG Yang， MA Zhiyuan， HU Zhongsheng

（China Tobacco Jiangsu Industrial Co.， Ltd.， Nanjing 210019， China）

 In order to explore a more reasonable index weighting method in climatic evaluation of different flue-cured tobacco growing areas， climatic data of 12 typical tobacco growing areas in Yunnan were collected， evaluated by single and comprehensive weighting methods and the results of weighting and evaluation were compared. The results showed that： （1） The results of descriptive statistics for climatic factors at 12 tobacco growing areas showed that the average temperature in the field period was between 19.23 and 20.58 degrees celsius， which was appropriate. The average rainfall in the mature period was at a high level of 290.45 mm， and the sunshine hours in the field were sufficient. （2） The highest weighting coefficients in three single weighting methods were 0.173 for the precipitation in the period of vigorous growth index in AHP， 0.143 for the average temperature in the period of vigorous growth index in standard deviation method and 0.195 for the average temperature in the period of vigorous growth index in entropy method. And the  mean was 2.36. （3） The highest and lowest weighting coefficients were the average temperature in the period of vigorous index （0.150， 0.152 and 0.149） and the sunshine hours for whole year index （0.107， 0.107 and 0.108） for all the three comprehensive weighting methods. And the  mean was 0.44. （4） The comprehensive weighting method based on the sum of deviation squares had larger gaps among evaluation scores， and the comprehensive weighting method based on game theory had better correlations among evaluation results， while the comprehensive weighting method based on unit constraints had higher evaluation scores. After combining the three comprehensive weighting methods， the weight difference among climatic indices was less， and the evaluation results had better convergence. Comprehensive weighting method was suitable for the index weighting research in climatic evaluation of flue-cured tobacco growing areas.

 flue-cured tobacco growing areas; climatic evaluation; single weighting method; comprehensive weighting method

基金项目：江苏中烟工业有限责任公司科技项目“基于苏产卷烟品牌需求的滇西基地后备品种资源筛选与评价”（Y040201915）

烟草良好的生长发育需要在一定的光、温、水等气候条件下才能得以顺利进行，因此，气候因子的综合评价对于充分挖掘烤烟生产潜力、指导烟叶生产具有十分重要的意义。目前，国内烤烟产区气候因子的评价及其与国外优质烟区的气候比较研究一直备受关注。在气候因子的评价过程中，不同指标的贡献度是不一致的，需要赋予一定的权重系数，赋权结果的合理性对评价结果的准确性有直接影响。指标权重的确定可分为主观赋权和客观赋权两大类，主观赋权有专家打分法和层次分析法，受人为因素影响较大。客观赋权法有熵权法、标准差法、秩和比法。为兼顾主、客观赋权法各自的优缺点，并力争减少赋权过程中的随意性，达到主客观统一，本文选取3种典型的综合赋权法应用于气候因子的综合评价过程，比较不同赋权方法的权重及评价结果，以期为烤烟产区气候评价中不同指标的赋权研究探索一条新的思路。

1  材料与方法

1.1  数据来源

收集1971—2000年云南省12个烤烟产区（分别记为烟区1、2、3、…12）的气象数据，选择与烟叶的生长、产量、品质等密切相关且具有生物学意义的烟草伸根期均温（℃）、旺长期均温（℃）、成熟期均温（℃）、伸根期降水量（mm）、旺长期降水量（mm）、成熟期降水量（mm）、大田日照时数（h）、全年日照时数（h）等8项常规参数作为

烤烟气候适生性评价的指标。

1.2  隶属度值的计算

根据已有研究成果确定各项气候参评指标的隶属度函数类型及阈值（表1）。通过气候隶属度函数计算各指标的隶属度值。

1.3  指标权重的确定

1.3.1  单一赋权法  综合国内已有研究，选取3种具有代表性的主客观赋权方法计算单一权重，分别为：层次分析法、标准差法和熵权法。

（1）层次分析法

按层次分析法对烤烟产区气候评价的影响因素进行归纳，不同评价指标的层次递进关系如图1所示。

（2）标准差法

标准差法的指标权重以不同指标在各样点间的区分度来确定。标准化处理后的各指标权重为：

式中，为第个指标的权重，为指标数。为第个指标的样本标准差。

（3）熵权法

熵权法根据不同指标观测值信息量的大小确定指标权重，如果指标的信息熵越小，提供的信息量越大，在评价中作用越大，权重越高。

1.3.2  综合赋权法  （1）基于离差平方和的综合赋权法  基于离差平方和的赋权方法在选择组合赋权向量时，将各方案尽可能分散作为基本原则。则基于m个决策方案总的离差平方和的最优综合赋权法即为下述最优化问题：

（2）基于博弈论的综合赋权法

基于博弈论的综合赋权法旨在通过博弈论的方法将主客观权重综合起来，即极小化可能的权重和各基本权重间的偏差。

记个权重向量

對式（2）中的个线性组合系数进行优化，使和各个的离差极小化，即

利用Matlab软件求解式（3）的解，归一化后将其代入式（2），求出综合权重向量。

（3）基于单位化约束的综合赋权法

该方法通过计算不同单一权重在综合权重中所占的比例确定综合权重。设为综合权重，为各评价指标的值，则有：

通常情况下，越大表示方案越优，通过构造Lagrange函数进行求解，将求得的值归一化后代入式（4）中求出综合权重值。

1.4  收敛性分析

通过计算不同赋权方法下排序结果的方差平均值（2 mean）进行收敛性比较分析，其中：

式（5）中，2 mean代表排序结果的方差平均值，2代表第个评价对象排序结果的方差。

1.5  数据处理

由于不同气候指标量纲不同，利用式（6）进行标准化处理。式中，为气候指标的归一化值，为指标原始值，为最小值，为最大值。

运用Matlab 2009 b软件进行数据分析，Excel软件进行统计作图。不同烟区气候评价的各项指标在计算所有样本的基础上汇总平均得到。

2  结  果

2.1  不同气候指标的描述性统计

从表2可以看出，不同烟区伸根期均温的平均值达19.72 ℃，旺长期均温的均值为20.58 ℃，成熟期均温的均值为19.23 ℃，伸根期及旺长期均温均处于最优区间以内（表2），成熟期均温略低于最优值下限;降雨方面，伸根期降水量的均值为208.51 mm，旺长期降水量的均值为231.81 mm，成熟期降水量均值为290.45 mm，大田降雨逐渐增加，12个烟区不同时期降水量均超出最优值上限;不同烟区大田日照时数的均值达到791.21 h，全年日照时数1243.17 h，大田日照时数超过最优值上限，全年日照时数低于最优值下限。不同气候指标中，标准偏差最大的是全年日照时数，最小的是旺长期均温。峰度和偏度系数的结果显示，伸根期均温、成熟期降水量、大田日照时数和全年日照时数等4个指标曲线偏尖削，呈现左偏，旺长期均温、成熟期均温、伸根期降水量和旺长期降水量等4个指标偏平阔，呈现右偏。

2.2  单一赋权法的权重结果

分别利用层次分析法、标准差法和熵权法对烤烟产区气候的温度、降雨和光照的不同指标进行赋权，计算结果如表3。由表3可见，层次分析法中指标权重最大的是旺长期降水量，为0.173，最小的值为0.079，为伸根期降水量。标准差法中赋权最大值是旺长期均温，为0.143，最小值为大田日照时数，为0.110。熵权法赋权结果最大的是旺长期均温，权重系数0.195，最小值为0.066，为大田日照时数。

从3种单一赋权法的权重结果来看，权重系数标准差最大的是熵权法，为0.042，最小的是标准差法，为0.013。从不同指标的权重结果来看，权重系数差异最大的是大田日照时数，标准差为0.045，最小的是成熟期降水量，标准差为0.021。

2.3  综合赋权法的权重结果

进一步基于3种单一赋权法的权重结果分别计算不同综合赋权法的指标权重。由表4可知，3种综合赋权法中，权重系数最大和最小的均为旺长期均温指标和全年日照时数指标，权重系数分别为0.150、0.107，0.152、0.107，0.149、0.108。

不同综合赋权法权重结果标准差的值均为0.017不同指标间权重结果标准差最大的是大田日照时数，为0.002，最小的是全年日照时数指标，为0.0005。经权重组合后，不同方法间权重系数趋于一致，不同气候指标的赋权差异较单一赋权法更小。可见，综合赋权法在兼顾决策者对属性偏好的同时，减少单一赋权的主观随意性，使权重赋予结果达到主客观统一。

2.4  气候适生性指数的综合状况

基于3种单一赋权法的权重系数计算得到不同烟区气候适生性指数的综合状况如表5所示。由表可见，3种单一赋权法计算得到的气候适生性指数的结果及排名情况不尽相同。其中，基于层次分析法的综合评价得分最高的是烟区11，得分0.8097，最低的是烟区4，得分0.6677;基于标准差法计算的综合得分最高值为0.7808，为烟区12，最低值0.6257，为烟区2;基于熵权法计算的综合得分最高的是烟区12，得分0.7976，最低的是烟区3，得分0.6487。各烟区排名情况请见表5。

在计算单一赋权法权重系数的基础上，利用3种综合赋权法进行权重组合，最终得到不同组合权重下气候适生性指数的综合状况（表6）。由表可知，基于离差平方和的综合赋权法计算的适生性指数最高值为0.7185，为烟区11，最低值为0.5386，为烟区9;基于博弈论计算的综合得分最高值为0.7845，为烟区12，最低值为0.6473，为烟区2;基于单位化约束计算的综合得分最高值为0.7959，为烟区12，最低值为0.6594，为烟区2。各烟区排名情况请见表6。

最后，通过计算方差平均值（2 mean）对不同赋权方法的收敛性进行比较。其中，单一和综合赋权法的方差平均值分别用2 mean和2 mean表示。经公式（5）计算发现，2 mean=2.36，2 mean=0.44。可見，单一和综合赋权法的评价结果均存在非一致的问题，其中又以单一赋权法的2 mean显著大于综合赋权法。经综合赋权法权重组合后评价方法整体的收敛性显著提升，权重组合效果较好。

2.5  不同综合赋权方法的比较

在3种综合赋权法中，基于离差平方和方法计算的综合得分的最大值、最小值、标准差分别为0.7185、0.5386、0.064，基于博弈论计算得分的最大值、最小值、标准差分别为0.7845、0.6473、0.051，基于单位化约束计算得分的最大、最小、标准差为0.7959、0.6594、0.052。结果表明，基于离差平方和的综合赋权法计算的得分差距更大，基于单位化约束计算的得分更高。

进一步计算不同赋权方法评价结果间的等级相关程度，结果如表7。其中，层次分析法、标准差法及熵权法分别用，及表示，基于离差平方和、博弈论及单位化约束的综合赋权法分别用，及表示。由表可知，不同赋权方法与其他方法相关性的排序结果为：基于博弈论的综合赋权法（0.939）>基于单位化约束的综合赋权法（0.936）>标准差法（0.934）>熵权法（0.927）>基于离差平方和的综合赋权法（0.922）>层次分析法（0.775）。可见，6种赋权方法中，以主观赋权的层次分析法的相关性最低，其次为赋权过程较为复杂的离差平方和方法，相关性程度最好的是基于博弈论的综合赋权法，其在3种综合赋权法中对原始信息的保留程度最高，权重组合过程简单直接，是一种值得推广的综合赋权方法。

3  讨  论

云南烟区大田生长气候与国内外各烟区明显不同，大田前期多光少雨、气温偏高适宜，大田中期光照略少，光温水配置总体较好，大田后期少光多雨，气温偏低。从平均气候而言，云南烤烟气候的优势表现在6月光温水配置总体较好。其次，大田生长后期少光多雨、气温偏低也是主导云南烤烟“清香型”风格形成的烤烟气候优势。这与本文统计显示的大田期均温总体处于适宜水平，成熟期降水量偏多的结论也是相一致的。

气候因子作为影响烟叶品质和风格区域特色形成的重要基础条件，是烟草必须依赖的生态因素。国内学者利用不同方法对不同烤烟产区的气候状况进行评价，评价结果因样本来源、算法机理等因素的影响，势必存在结果不一致的问题。本文的研究结果表明，不同赋权方法的评价结论同样存在这一现象。

不同区域、垂直层次烟区的光照、水分、温度差异显著，气候指标的权重大小势必直接影响评价结果的准确性。然而对于同一样本而言，不同评价方法的研究结果不应有过大差异，为了更加完整的捕捉不同赋权方法的信息源和信息量，综合赋权法应运而生。通过采用综合赋权法对单一赋权法的权重系数进行组合，减少了单一赋权中的主观随意性和系统偏差，提高了评价结论的准确性和可信度。本研究的结果也表明，综合赋权法可以使不同评价方法结果的收敛性提高，获得更加一致的评价结论。

不同单一赋权法间权重的组合可以互相弥补缺陷，更加合理的對烤烟产区的气候状况做出综合评价。在实际的应用过程中，当需要充分区分不同烟区气候的适生状况时，可选用基于离差平方和的综合赋权法;当需要尽可能多的保留烟区气候适生状况的原始信息时，可选择基于博弈论的综合赋权法;为获得烟区气候适生性的最大潜力值，可

选择基于单位化约束的综合赋权法。值得注意的是，除了文中涉及的赋权方法，还有诸多其他的单一和综合赋权法。同时，对于烤烟生产而言，烟叶的质量和产量应作为衡量赋权方法合理性的标准之一，值得在今后的研究中进一步探讨。

4  结  论

本研究结果表明，不同赋权方法计算得到的气候指标的权重和评价结果不尽相同，依据综合赋权法计算得到的权重系数差异更小，评价结果的收敛性更好。进一步对不同综合赋权法评价结果的比较发现，基于离差平方和的综合赋权法计算的得分结果差距更大，基于单位化约束计算的评价结果分值更高。等级相关性分析结果则显示，基于博弈论的综合赋权法的相关性程度最好。

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