論投影尋蹤法在生態(tài)城市評價中的應(yīng)用論文
論文摘要:將一種在在水質(zhì)評價中得到廣泛應(yīng)用的評價方法——投影尋蹤評價法引入生態(tài)城市評價領(lǐng)域中。采用基于實數(shù)遺傳算法的投影尋蹤評價法,以生態(tài)城市課題組建立的指標(biāo)體系(指標(biāo)涉及資源,經(jīng)濟(jì),社會,環(huán)境,體制等各方面因素)為基礎(chǔ),利用M棚AB軟件對石家莊市2000~~2007年的生態(tài)城市建設(shè)進(jìn)行了評價。
論文關(guān)鍵詞:投影尋蹤法;生態(tài)城市評價;石家莊市
“生態(tài)城市”是20世紀(jì)80年代產(chǎn)生的一個全新概念,指將“生態(tài)系統(tǒng)”思想引入到城市建設(shè)和管理的過程中。它最早是由前蘇聯(lián)生態(tài)學(xué)家0.Yanitsky1971年在聯(lián)合國教科文組織發(fā)起“人與生物圈計劃(MAB)”時提出的。之后,很多學(xué)者都對其進(jìn)行了研究,并給出了定義。如1984年城市生態(tài)學(xué)家0.Yanistky提出,生態(tài)城市是指自然、技術(shù)、人文充分融合,物質(zhì)、能量、信息高效利用,人的創(chuàng)造力和生產(chǎn)力得到最大限度的發(fā)揮,居民的身心健康和環(huán)境質(zhì)量得到維護(hù),一種生態(tài)、高效、和諧的人類聚居新環(huán)境。美國生態(tài)學(xué)家R.Richard認(rèn)為,生態(tài)城市即生態(tài)健康的城市,是低污、緊湊、節(jié)能、充滿活力并與自然和諧共存的聚居地。雖然生態(tài)城市的概念尚處于不停的爭論、探索、修改、完善之中,但在原則問題上,人們已經(jīng)達(dá)成一些基本共識:“生態(tài)城市”的核心思想是它的區(qū)域整體觀和可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)觀,且一般要求具有以下幾種特性:和諧性、高效性、持續(xù)性、整體性、區(qū)域性、結(jié)構(gòu)合理以及關(guān)系協(xié)調(diào)。
1生態(tài)城市測評方法概述
生態(tài)城市評價是生態(tài)城市建設(shè)的基礎(chǔ)工作,一套科學(xué)客觀的生態(tài)城市評價體系應(yīng)具備以下功能:①幫助在操作層次理解什么是生態(tài)城市;②使城市建設(shè)轉(zhuǎn)向生態(tài)城市建設(shè);③衡量生態(tài)城市建設(shè)的趨勢和速度,綜合衡量生態(tài)城市各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度。
具體到測評方法而言,不同的測評方法從不同的角度描述指標(biāo)體系的屬性,由于各種方法的機(jī)理不同,方法的層次屬性相異,在應(yīng)用不同的測評方法時,測評的結(jié)果也存在差異。因此,要反映一個城市的全貌,體現(xiàn)上述生態(tài)城市的內(nèi)涵要求,必須從多角度、全方位進(jìn)行研究,這樣得出的結(jié)論才能體現(xiàn)城市系統(tǒng)的本質(zhì)和原貌。在數(shù)學(xué)分析方面,系統(tǒng)科學(xué)專家運(yùn)用定量分析技術(shù)開發(fā)了幾十種測評方法。目前,常用的主要有層次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP),因子分析法(FactorAnalysis,F(xiàn)A)以及網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)等。但是,這些方法都有其局限性。層次分析法對應(yīng)生態(tài)城市評價是不適用的,因為指標(biāo)之間是不完備、不互斥的;因子分析法是較常用且簡單的方法,能夠反映生態(tài)城市建設(shè)的大概狀況,但會丟失部分信息;網(wǎng)絡(luò)分析法能夠比因子分析法更全面地反映生態(tài)城市的概況,但其前提是各因子之間的關(guān)系比較清晰,這一過程需要作大量的研究工作。該文借鑒在水質(zhì)評價中得到廣泛應(yīng)用,并被實踐證明比較科學(xué)、合理的評價方法——投影尋蹤評價法,將其應(yīng)用到生態(tài)城市評價體系中。
2基于實數(shù)遺傳算法的投影尋蹤評價法
投影尋蹤評價方法是針對目前常規(guī)的系統(tǒng)綜合評價方法的形式化、數(shù)學(xué)化等局限性,以及對某些高維、非線性、非正態(tài)評價問題的適應(yīng)能力不強(qiáng)等不足之處,提出的一種由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動的探索性數(shù)據(jù)分析方法。該方法的思路是把高維數(shù)據(jù)通過某種組合投影到低維子空間上,對于投影到的構(gòu)形,采用投影指標(biāo)函數(shù)(目標(biāo)函數(shù))來描述投影值暴露原系統(tǒng)綜合評價某種分類排序結(jié)構(gòu)的可能性大小,尋找出使投影指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)(即能反應(yīng)高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征)的投影值。然后根據(jù)該投影值來分析高維數(shù)據(jù)的'分類結(jié)構(gòu)特征(即尋求投影尋蹤聚類評價模型)。其中,投影指標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造及其優(yōu)化問題是運(yùn)用投影尋蹤方法成功的關(guān)鍵。
遺傳算法是解決函數(shù)優(yōu)化問題的數(shù)據(jù)挖掘方法。遺傳算法源于對生物系統(tǒng)所進(jìn)行的計算機(jī)模擬研究,是Michigan大學(xué)的Holland教授及其學(xué)生根據(jù)生物模擬技術(shù)創(chuàng)造出來的自適應(yīng)概率優(yōu)化技術(shù)。遺傳算法通過計算機(jī)編碼實現(xiàn)模擬生物進(jìn)化過程中的復(fù)制、交叉、變異、顯性、倒位等遺傳過程,實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計、函數(shù)優(yōu)化等復(fù)雜過程。它與傳統(tǒng)的算法不同,傳統(tǒng)的優(yōu)化算法是基于1個單一的度量函數(shù)(評估函數(shù))的梯度或較高次統(tǒng)計,以產(chǎn)生1個確定性的試驗解序列。遺傳算法不依賴于梯度信息,而是通過模擬自然進(jìn)化過程來搜索最優(yōu)解,它利用某種編碼技術(shù),作用于稱為染色體的數(shù)字串,模擬由這些串組成的群體的進(jìn)化過程。遺傳算法是通過有組織、隨機(jī)的信息交換來重新組合那些適應(yīng)性好的串,生產(chǎn)新的串的群體。
基于實數(shù)的加速遺傳算法(RAGA)的投影尋蹤聚類評價(ProjectionpursuitclassiifcationevaluationmodelbasedonRAGA,PPCE)模型的分析過程包括以下4個步驟。
步驟1:評價指標(biāo)值的歸一化處理。
步驟2:構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。投影尋蹤方法就是把P維數(shù)據(jù)綜合成l維投影值。然后根據(jù)1維投影值進(jìn)行分類。在求投影值時,要求投影值的散布特征為:局部投影點盡可能密集,最好凝聚成若干個點團(tuán);而在整體上,投影點團(tuán)之間要盡可能散開;诖耍瑯(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)。
步驟3:優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。當(dāng)各指標(biāo)值的樣本集給定時,投影指標(biāo)函數(shù)只隨著投影方向的變化而變化。不同的投影方向反應(yīng)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征,最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)的投影方向,可通過求解投影指標(biāo)函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向。這是一個復(fù)雜非線性優(yōu)化問題,用常規(guī)優(yōu)化方法處理較困難。模擬生物優(yōu)勝劣汰規(guī)則與群體內(nèi)部染色體信息交換機(jī)制的加速遺傳算法是一種通用的全局優(yōu)化方法,用它來求解上述優(yōu)化問題較簡便和有效。 步驟4:排序分類。根據(jù)步驟3求得投影值,并進(jìn)行排序分類。
3投影尋蹤評價法在石家莊生態(tài)城市測評中的應(yīng)用
3.1數(shù)據(jù)的收集和處理指標(biāo)體系含5個子系統(tǒng),63個指標(biāo)分量。數(shù)據(jù)來源主要有《石家莊統(tǒng)計年鑒》(2001—2007),《石家莊年鑒》(2001~2006),《中國環(huán)境年鑒》(2001~2005),《河北環(huán)境統(tǒng)計公報>(2oo2—2007),《石家莊市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》(2005~2OO7),石家莊市衛(wèi)生信息網(wǎng),石家莊市商務(wù)局,河北省環(huán)境保護(hù)局公眾網(wǎng),中國生態(tài)網(wǎng),石家莊發(fā)展和改革委員會網(wǎng)站,地方志網(wǎng)站等。對于個別變量在某些年份缺失的問題,可以通過回歸分析法、均值法或者成果參照法來估計指標(biāo)值。如果超過3年不可獲得,則將其去掉。對某些不容易定量的指標(biāo)的量化問題,本著實用的角度,這里采用評價等級的方法確定。
3.2數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)在進(jìn)行分析之前,要先進(jìn)行無量綱化處理。該文將原始數(shù)據(jù)處理為0~1的無量綱數(shù)據(jù)。
3.3對各子系統(tǒng)的評估利用MATIAB軟件實現(xiàn)基于實數(shù)遺傳算法的計算。下面是對石家莊生態(tài)城市各子系統(tǒng)的計算分析結(jié)果。
(1)資源支持子系統(tǒng)。2OO2~2003年資源支持發(fā)展平穩(wěn),2OO4~2OO7年,該資源系統(tǒng)得到了較大發(fā)展?萍妓、科技資源、文化狀況和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是主要影響指標(biāo)。
(2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力子系統(tǒng)。除2001年經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力倒退之外,2OO02005年經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力一直以較快的速度發(fā)展,2005——2O07年發(fā)展能力平穩(wěn)。經(jīng)濟(jì)競爭力、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)水平和經(jīng)濟(jì)推動力是主要影響指標(biāo)。
(3)社會支持系統(tǒng)。除2001年社會支持系統(tǒng)得分有所下降外,其他年份均有所增長,2002年有1個陡增。社會保障、住房、信息獲取能力和社會公平是主要影響指標(biāo)。
(4)環(huán)境支持子系統(tǒng)。2000~2O02年環(huán)境狀況一直處于下降趨勢,2003~2037年環(huán)境不斷改善。氣候變化、地表水、噪聲和大氣環(huán)境是主要影響指標(biāo)。
(5)體制與管理子系統(tǒng)。2000~2001年得分下降,到2002年得分有1個陡增,隨后發(fā)展水平比較平穩(wěn)?萍纪度、財政能力、環(huán)境管理和戰(zhàn)略實施是主要影響指標(biāo)。
3.4對石家莊市的綜合評價為了更全面地分析石家莊生態(tài)城市的建設(shè)狀況,筆者對63個指標(biāo)變量進(jìn)行了綜合投影尋蹤法分析。石家莊市綜合評價得分(即投影值)為:
Zmax=(1.8802,1.8564,2.3935,2.8093,3.3172,4.1416,4.5966,5.6911)
石家莊生態(tài)城市評價體系測評得分排序為:2001年<2000年<2002年<2003年<2OO4年<2005年<20O6年<2O07年。即從2132年開始石家莊生態(tài)城市建設(shè)水平一直處于不斷提高中。根據(jù)最佳投影方向n,可進(jìn)一步評價各指標(biāo)對評價結(jié)果的影響程度。結(jié)果顯示,科技水平、科技投入、經(jīng)濟(jì)競爭力和信息獲取能力對生態(tài)城市建設(shè)的影響最大,其次是城市基礎(chǔ)設(shè)施、資源利用率、經(jīng)濟(jì)推動力、綜合管理能力、環(huán)境管理能力和水質(zhì),再次是文化狀況、教育水平和大氣狀況等,其他指標(biāo)影響較小。
4結(jié)論
投影尋蹤方法在水質(zhì)評價中得到廣泛應(yīng)用,并被實踐證明是一種科學(xué)、合理的評價實現(xiàn)方法。該方法的核心是目標(biāo)函數(shù)的確定和計算,其計算量非常大,而遺傳算法的引入使目標(biāo)函數(shù)的實現(xiàn)變得容易,在推廣上起到重要作用。遺傳算法的進(jìn)一步完善將是投影尋蹤法不斷完善的基礎(chǔ)。筆者首次將投影尋蹤法引入到城市評價中來,是一種大膽的科學(xué)的嘗試,在實證中也取得了較理想的結(jié)果。然而該方法的認(rèn)可和推廣還有相當(dāng)大的距離,還需要廣大研究者進(jìn)行大量理論和實證研究來不斷完善該測評方法。隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的不斷推廣,生態(tài)城市評價體系測評方法必將隨之進(jìn)步。
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