基于RS／GIS和AHP－GPCA模型的青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷綜合評(píng)價(jià)

張繼承，潘新春

（國家海洋局海洋咨詢中心，北京100860）

0 引言

主成分分析（PCA）綜合評(píng)價(jià)是依據(jù)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)所包含的方差信息量大小來對(duì)主成分施行客觀賦權(quán)，其局限性在于沒有考慮原始評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的差異。而層次分析（AHP）與主成分分析結(jié)合的評(píng)價(jià)模型（AHP－PCA模型）基于層次分析確立的權(quán)重賦予到經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)中，使評(píng)價(jià)系統(tǒng)較為重要的因子通過數(shù)據(jù)方差擴(kuò)大而得到更大的權(quán)數(shù)，從而將層次分析確定的主觀權(quán)數(shù)與主成分分析確定的客觀權(quán)數(shù)有機(jī)結(jié)合起來；與單獨(dú)的層次分析或主成分分析相比，該模型的評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合綜合評(píng)價(jià)問題的實(shí)際情況。AHP－PCA模型已用于水質(zhì)富營養(yǎng)化、可持續(xù)發(fā)展等方面的綜合評(píng)價(jià)中［1－4］，取得了較好的效果；但AHP－PCA模型作為一種靜態(tài)評(píng)估方式，無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。基于此，筆者充分利用AHP－PCA模型的優(yōu)勢，將其推廣至用于多維、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)的層次分析與全局主成分分析（GPCA）結(jié)合的評(píng)價(jià)模型（AHP－GPCA模型），選取20世紀(jì)70年代末期到2000年的兩期動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)青藏高原生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并基于RS／GIS將評(píng)估結(jié)果及影響因子空間化，直觀分析評(píng)價(jià)結(jié)果的具體影響因素。

1 AHP－GPCA評(píng)價(jià)模型

全局主成分分析是基于主成分分析的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，通過對(duì)時(shí)序立體數(shù)據(jù)表進(jìn)行主成分分析，保證對(duì)多個(gè)時(shí)間序列樣本進(jìn)行系統(tǒng)分析的統(tǒng)一性、整體性和可比性。筆者建立的AHP－GPCA模型是采用王曉鵬等提出的AHP－PCA綜合評(píng)價(jià)框架為基礎(chǔ)，推廣至對(duì)時(shí)序立體數(shù)據(jù)表進(jìn)行加權(quán)的全局主成分分析方法，理論基礎(chǔ)詳見文獻(xiàn)［5］。

2 評(píng)價(jià)流程

AHP－GPCA模型評(píng)價(jià)流程可分為數(shù)據(jù)處理、層次分析、AHP加權(quán)、綜合評(píng)價(jià)和RS／GIS結(jié)果分析5個(gè)部分（圖1）。其中數(shù)據(jù)處理是運(yùn)用ArcGIS和Excel分析指標(biāo)數(shù)據(jù)，并建立時(shí)序數(shù)據(jù)表；層次分析是依據(jù)建立的指標(biāo)體系，建立層次結(jié)構(gòu)，并確定指標(biāo)權(quán)重；AHP加權(quán)是對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主客觀權(quán)數(shù)復(fù)合；綜合評(píng)價(jià)是加權(quán)數(shù)據(jù)在SPSS軟件中進(jìn)行協(xié)方差矩陣主成分分析；結(jié)果分析是應(yīng)用ArcGIS將主成分分析評(píng)價(jià)值空間化，與地理底圖數(shù)據(jù)、流域或地貌等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，結(jié)合專業(yè)背景知識(shí)，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和變遷時(shí)空分異、驅(qū)動(dòng)力分析等。

圖1 AHP－GPCA模型評(píng)價(jià)流程Fig.1 Assessment Flow of AHP－GPCA Model

3 基于RS／GIS和AHP－GPCA模型的青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷評(píng)價(jià)

3.1 指標(biāo)體系、標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)獲取

3.1.1 評(píng)價(jià)體系

青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以氣候變化、人口變遷和遙感數(shù)據(jù)提取的生態(tài)環(huán)境因子為基礎(chǔ)，選取20世紀(jì)70年代末期到2000年能夠獲取的對(duì)青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷影響作用較大的自然、生態(tài)和社會(huì)因子：年代平均氣溫（C1）、年代平均降水（C2）、歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）（C3）、冰川密度（C4）、濕地密度（C5）、湖泊率（C6）、人口密度（C7）、荒漠化率（C8）。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)縣域評(píng)價(jià)單元數(shù)據(jù)（217個(gè)）、指標(biāo)個(gè)數(shù)（8個(gè)）和時(shí)間序列（2個(gè)）構(gòu)成217×8×2的時(shí)序立體數(shù)據(jù)表，作為AHP－GPCA模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般選取國家以及行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)、背景或本底值、科學(xué)研究已判定的生態(tài)效應(yīng)等［6］。本次綜合評(píng)價(jià)采用的指標(biāo)因子多數(shù)通過RS、GIS等獲取，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在理論上尚處于探索階段，現(xiàn)有國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及法律、法規(guī)文件尚無可選擇的參考。因此，實(shí)際綜合評(píng)價(jià)中主要采用的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為：①根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)值進(jìn)行分級(jí)，采用相對(duì)比較的方式作為綜合評(píng)價(jià)值；②以一個(gè)時(shí)期的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)作為背景或本底值，另一時(shí)期作為變化研究值。這兩種方式不是嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)，但在宏觀區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

3.1.3 數(shù)據(jù)獲取

年代平均溫度和年代平均降水指標(biāo)主要據(jù)研究區(qū)及周邊測點(diǎn)1995—2002年和1970—1980年多年平均溫度進(jìn)行“回歸方程計(jì)算＋空間殘差”的方式進(jìn)行插值后［7－8］，分縣提取平均值；NDVI選用2003年美國國家航天航空局推出的全球植被指數(shù)變化數(shù)據(jù)，采用最大值合成法求取1982—1985年和1999—2002年2個(gè)時(shí)期的NDVI；冰川密度、濕地密度、湖泊率、荒漠化率數(shù)據(jù)源于“青藏高原生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測”項(xiàng)目，由20世紀(jì)70年代末期MSS、2000年ETM遙感圖像數(shù)據(jù)人工交互解譯后，依據(jù)生態(tài)因子的不同級(jí)別及類型加權(quán)計(jì)算經(jīng)分縣提取；人口密度數(shù)據(jù)源于1982年中華人民共和國第三次人口普查數(shù)據(jù)及青藏高原各省區(qū)2000年統(tǒng)計(jì)年鑒。以上數(shù)據(jù)獲取和處理的流程詳見文獻(xiàn)［9－12］（表1）。

3.2 綜合評(píng)價(jià)

采用基于層次分析法和時(shí)序立體數(shù)據(jù)表的因素分析方法－層次分析―全局主成分分析（AHP－GPCA）模型作為研究手段，進(jìn)行青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷評(píng)價(jià)分析。將指標(biāo)權(quán)重（表2）依據(jù)加權(quán)公式對(duì)評(píng)價(jià)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)，擴(kuò)大相對(duì)重要指標(biāo)樣本的方差，從而進(jìn)行評(píng)價(jià)因子主客觀權(quán)、量值關(guān)系權(quán)與相對(duì)重要性權(quán)的合成。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)時(shí)序立體數(shù)據(jù)表進(jìn)行全局主成分分析，提取特征值大于1的前3個(gè)變量，3個(gè)全局主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率超過70%，因此這3個(gè)主成分基本能夠代表最初的8個(gè)指標(biāo)來分析青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷。

表1 生態(tài)環(huán)境變遷評(píng)價(jià)指標(biāo)獲取數(shù)據(jù)Tab.1 Data Procurement of Assessment Indicators for the Change of Ecological Environment

表2 生態(tài)環(huán)境變遷評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Weight of Assessment Indicators for the Change of Ecological Environment

運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行全局主成分分析，提取主成分，計(jì)算因子系數(shù)，以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取總特征值之和的比例作為權(quán)重計(jì)算主成分綜合模型［13－15］，得到全局主成分分析綜合模型為

式中：F為指標(biāo)計(jì)算值；Z（xi）表示經(jīng)過指標(biāo)正向化、標(biāo)準(zhǔn)化后第i個(gè)的樣本數(shù)據(jù)。

3.3 基于RS／GIS的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.3.1 基于RS／GIS和AHP－GPCA模型的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)計(jì)算結(jié)果空間化后，運(yùn)用ArcGIS軟件進(jìn)行分級(jí)顯示（圖2）。從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)70年代中期到21世紀(jì)初，青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷較為劇烈，重度—中度惡化面積占青藏高原總面積的31.8%，輕度惡化面積占總面積的14.5%，生態(tài)環(huán)境惡化的縣域面積共45.3%，輕度好轉(zhuǎn)、中度好轉(zhuǎn)、重度好轉(zhuǎn)的地區(qū)共占13.5%，反映青藏高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境自20世紀(jì)70年代以來總體惡化，僅有部分縣域生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)。

3.3.2 基于RS／GIS和AHP－GPCA模型的生態(tài)環(huán)境變遷影響因素分析

依據(jù)全局主成分分析得到的3個(gè)主成分，分別是荒漠化率、冰川密度、NDVI；對(duì)青藏高原地區(qū)20世紀(jì)70年代末期到2000年生態(tài)變遷較大的縣域通過因子分析提取的主成分變遷含義來解釋生態(tài)環(huán)境變遷原因。

由圖3～5的3個(gè)主成分信息變遷的空間分布可以看出，格爾木以及長江源區(qū)治多縣、曲麻萊縣等生態(tài)環(huán)境重度惡化的地區(qū)主要受到第一、二主成分影響，即濕地和冰川變遷；羌塘高原地區(qū)的尼瑪縣中部、青海湖周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境重度惡化主要受到第一、三主成分影響，即荒漠化增加和NDVI減少；藏東南地區(qū)生態(tài)環(huán)境重度好轉(zhuǎn)受到第一、二主成分影響，即荒漠化減少和冰川退縮相對(duì)較輕；西昆侖山地區(qū)生態(tài)環(huán)境重度好轉(zhuǎn)主要受到第一、三主成分影響，即荒漠化減少和植被增加。其他縣域的生態(tài)環(huán)境變遷也可以用各自縣域的主成分變遷來分析。

3.3.3 流域生態(tài)環(huán)境變遷分析

借鑒李森等流域分區(qū)劃分的研究成果［16］，運(yùn)用AHP－GPCA模型進(jìn)行基于流域分區(qū)的生態(tài)環(huán)境變遷分析。圖6中數(shù)字代表生態(tài)環(huán)境變化的排序，1代表生態(tài)變遷最為惡化的流域，25代表生態(tài)環(huán)境最為好轉(zhuǎn)的流域。生態(tài)環(huán)境退化程度最為嚴(yán)重的流域主要在青藏高原腹地、柴達(dá)木盆地、環(huán)青海湖地帶，惡化最為嚴(yán)重的流域由重到輕的排序依次為格爾木地區(qū)、德令哈地區(qū)、青海湖環(huán)湖地區(qū)、長江源區(qū)；惡化較為嚴(yán)重的流域由重到輕依次排序?yàn)椴乇备咴胁繀^(qū)、共和盆地區(qū)、都蘭地區(qū)、昆侖山中部區(qū)、阿里高原區(qū)；生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)程度最大的流域，由大到小排列為藏東南地區(qū)、西昆侖地區(qū)、藏北高原東部區(qū)、雅魯藏布江上游區(qū)。據(jù)科技部發(fā)布的《氣候變化國家評(píng)估報(bào)告》［17］，未來20～100年中國地表氣溫將明顯增加，與2000年比較，2020年中國年平均氣溫將增加1.1℃～2.1℃，2030年將增加1.5℃～2.8℃，2050年將增加2.3℃～3.3℃，而柴達(dá)木盆地、江河源區(qū)等本底生態(tài)環(huán)境較差的高原腹地區(qū)域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)最敏感，且氣候變遷和波動(dòng)幅度比其他地區(qū)更大，預(yù)計(jì)高原腹地升溫可能超過預(yù)測值2.5℃［18－19］。因此，青藏高原溫度上升劇烈，與之對(duì)應(yīng)的干旱加劇、水資源減少、濕地退化等生態(tài)環(huán)境退化現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，另一方面，據(jù)評(píng)估結(jié)果顯示，西藏東南部部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象可能反映了全球氣候變化對(duì)青藏高原生態(tài)環(huán)境帶來的不同影響，由于升溫帶來了熱量資源增加，降水少量增加，植物生長期的變化［20－21］，氣候可能會(huì)變得更加適宜。

圖2 20世紀(jì)70年代末期至2000年青藏高原縣域尺度生態(tài)環(huán)境變遷Fig.2 Change of Ecological Environment in Qinghai－Tibet Plateau from Late 1970sto 2000in County Scale

圖3 第一主成分對(duì)生態(tài)環(huán)境變遷影響Fig.3 Effect of the First Principal on the Change of Ecological Environment

圖4 第二主成分對(duì)生態(tài)環(huán)境變遷影響Fig.4 Effect of the Second Principal on the Change of Ecological Environment

4 評(píng)價(jià)方法探討

（1）PCA和AHP是兩種成熟的評(píng)價(jià)方法，兩者在生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛，都具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、較為成熟的理論和實(shí)踐應(yīng)用的支持。AHP－GPCA模型一定程度上兼顧了AHP與GP－CA的局限性，避免了AHP中沒有考慮數(shù)據(jù)本身的客觀權(quán)和經(jīng)典的PCA中權(quán)重?zé)o法調(diào)整的缺點(diǎn)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更全面，更符合客觀實(shí)際。

圖5 第三主成分變遷對(duì)生態(tài)環(huán)境變遷影響Fig.5 Effect of the Third Principal on the Change of Ecological Environment

圖6 20世紀(jì)70年代末期至2000年流域尺度的生態(tài)環(huán)境變遷Fig.6 Change of Ecological Environment in Qinghai－Tibet Plateau from Late 1970sto 2000in River Basin Scale

（2）在青藏高原生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)過程中，由于歷史、經(jīng)濟(jì)的原因，統(tǒng)計(jì)資料不全，可選用的指標(biāo)因子較少，且已有部分指標(biāo)間相關(guān)性較大，PCA本身具有降維、消除因子相關(guān)性的作用，能夠避免評(píng)價(jià)指標(biāo)間信息重復(fù)導(dǎo)致的評(píng)價(jià)結(jié)果偏差問題。

（3）基于RS／GIS和AHP－GPCA模型的綜合評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)主成分進(jìn)行空間化，也可以選取不同評(píng)價(jià)單元（如縣域和流域），兩種方式結(jié)合能夠靈活分析生態(tài)環(huán)境變遷中不同生態(tài)因子的主導(dǎo)作用以及不同評(píng)價(jià)單元下生態(tài)環(huán)境的變遷，從而發(fā)現(xiàn)影響評(píng)價(jià)單元生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和變遷的主導(dǎo)因素和驅(qū)動(dòng)力。

5 結(jié)語

（1）通過RS／GIS和AHP－GPCA模型分析，從大—中尺度的高原生態(tài)環(huán)境變遷空間特點(diǎn)來看，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化的地區(qū)主要分布在青藏高原腹地、柴達(dá)木盆地和青海湖周邊地區(qū)，如格爾木地區(qū)、治多縣、尼瑪縣中部；環(huán)境好轉(zhuǎn)的地區(qū)多分布在高原南部、西北部邊緣地區(qū)，如墨脫縣、工布達(dá)江縣、葉城縣，呈現(xiàn)由高原邊緣地區(qū)向腹地惡化的多層次結(jié)構(gòu)特征。

（2）20世紀(jì)70年代末期到2000年生態(tài)環(huán)境變化朝著兩個(gè)極端發(fā)展的趨勢，即本底生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū)生態(tài)環(huán)境波動(dòng)較小，或朝向更加好轉(zhuǎn)的方向發(fā)展，本底生態(tài)環(huán)境較差的地區(qū)柴達(dá)木盆地、江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)為更加惡化。

（3）從選擇指標(biāo)對(duì)評(píng)估結(jié)果影響來看，對(duì)青藏高原生態(tài)環(huán)境總體變遷的評(píng)估結(jié)果受到較大影響的指標(biāo)為冰川變化、植被變化和荒漠化，而青藏高原生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)好縣域很多分布在冰川較為集中的地區(qū)，如昆侖山西段的大陸型冰川、岡底斯山西段、橫斷山系海洋冰川分布區(qū)，反映了20世紀(jì)70年代末期到2000年部分縣域受到冰川變遷影響下的局地氣候、生態(tài)環(huán)境、水資源變化的復(fù)雜性。生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)好可能受到氣候變暖與冰川和積雪融水補(bǔ)給水量短期加大、植被覆蓋增加等條件影響；而從長遠(yuǎn)來看，生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)是否可能只是在冰川、積雪、凍土等影響下水資源增加、氣候好轉(zhuǎn)的短期現(xiàn)象，是青藏高原生態(tài)環(huán)境變遷研究的重要問題，有待于進(jìn)一步長期的科學(xué)考察和論證。

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