模糊模式識(shí)別理論在土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

周 鑫，劉志斌

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)是對(duì)土地利用規(guī)劃實(shí)施后可能造成的環(huán)境影響進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上從生態(tài)與環(huán)境角度提出規(guī)劃的最佳方案及其調(diào)整建議，以及跟蹤監(jiān)測(cè)的方法和制度[1]。中國(guó)土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)起步較晚，2003年首次將環(huán)境影響評(píng)價(jià)從單純的建設(shè)項(xiàng)目擴(kuò)展到各類發(fā)展規(guī)劃。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土地利用規(guī)劃環(huán)評(píng)的目的、意義、理論基礎(chǔ)、工作內(nèi)容和程序等已有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，但沒(méi)有形成適合我國(guó)國(guó)情的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法。評(píng)價(jià)理論還不夠成熟，缺乏關(guān)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前，比較常用有專家判斷法、核查表法、矩陣法、地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感技術(shù)（RS）、驅(qū)動(dòng)力—壓力—狀態(tài)—響應(yīng)（DPSR）的概念模型方法等多種定性和定量評(píng)價(jià)方法。因土地利用總體規(guī)劃不是具體到地域上的具體項(xiàng)目或產(chǎn)業(yè)，具有鮮明的戰(zhàn)略性、不確定性特點(diǎn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取受種種因素的限制，其環(huán)境影響等級(jí)的劃分同樣具有一定的模糊性[2-6]。鑒于模糊數(shù)學(xué)理論可以很好地解決模糊問(wèn)題，可以選擇將一些相關(guān)的模糊數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于規(guī)劃環(huán)境評(píng)價(jià)的戰(zhàn)略分析和環(huán)境影響預(yù)測(cè)等方面[7]。

阜新市作為資源轉(zhuǎn)型城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，但城區(qū)用地中礦業(yè)用地所占比例較大，嚴(yán)重制約城市的發(fā)展。因此，進(jìn)行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)具有十分重要的意義。

本研究基于多級(jí)模糊模式識(shí)別理論與特征值方法，將其應(yīng)用于土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，旨在為土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供一條可行的新途徑。

1 多級(jí)模糊模式識(shí)別理論

模糊模式識(shí)別理論的基本內(nèi)容為：設(shè)有需要識(shí)別的模糊概念或模糊子集A，已知指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)體系，計(jì)算研究樣本屬于各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)隸屬度，計(jì)算相對(duì)級(jí)別特征值，識(shí)別判斷樣本集屬于哪一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

1.1 指標(biāo)相對(duì)隸屬度函數(shù)的建立

設(shè)規(guī)劃方案中環(huán)境主題j的指標(biāo)特征值向量為：

式中：xj為規(guī)劃方案環(huán)境主題j的m個(gè)指標(biāo)特征值向量，j＝1，2，…，n；xij為規(guī)劃方案主題 j的第i個(gè)指標(biāo)的特征值，i＝1，2，…m；m為主題j下的詳細(xì)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

如果樣本集依據(jù)m個(gè)指標(biāo)按c個(gè)級(jí)別的已知指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別，則有指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣:

式中：yih為級(jí)別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，h＝1，2，…，c；i＝1，2，…，m。

對(duì)于從1級(jí)至c級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值減小的指標(biāo)而言，令小于、等于指標(biāo)c級(jí)（或狀態(tài)）標(biāo)準(zhǔn)特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度為0；令等于、大于指標(biāo)的1級(jí)（或狀態(tài)）標(biāo)準(zhǔn)特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度為1，反之亦然。指標(biāo)特征值介于1級(jí)與c級(jí)標(biāo)準(zhǔn)特征值之間對(duì)A的相對(duì)隸屬度可按線性變化確定，由此該類指標(biāo)對(duì)A的相對(duì)隸屬度（隸屬函數(shù)）為公式（3），h級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度（隸屬函數(shù)）為公式（4）：

式中：rij為樣本j指標(biāo)i的特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度；yi1，yic是指標(biāo)i的1級(jí)、c級(jí)標(biāo)準(zhǔn)特征值；sih是級(jí)別h指標(biāo)i標(biāo)準(zhǔn)特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度；yih為級(jí)別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值，利用公式（3）和（4）介紹的指標(biāo)隸屬度函數(shù)公式可求得A的指標(biāo)與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值的相對(duì)隸屬度矩陣：

將樣本j的m個(gè)指標(biāo)相對(duì)隸屬度r1j，r2j，…，rmj分別與矩陣S的第1，2，…，m行的行向量逐一地進(jìn)行比較（r1j與第1行比較，r2j與第2行比較，…，rmj與第m行比較），可得樣本j的級(jí)別上限值bj和級(jí)別下限值aj。

設(shè)樣本集對(duì)A各個(gè)級(jí)別的隸屬度矩陣為：

式中：uhj為樣本j對(duì)A級(jí)別h的相對(duì)隸屬度，j＝1，2，…，n；h＝1，2，…，c。由于樣本 j在級(jí)別區(qū)間aj、bj范圍內(nèi)，故矩陣U應(yīng)滿足歸一化約束條件:

一般地，樣本集的m個(gè)指標(biāo)對(duì)模式識(shí)別的影響程度不同，故指標(biāo)應(yīng)具有不同的權(quán)重。指標(biāo)權(quán)向量為 W＝（w1，w2，…，wm）；樣本 j的 m 個(gè)指標(biāo)特征向量表示為rj＝（r1j，r2j，…，rmj）T；級(jí)別h的m個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值用向量表示為sh＝（s1h，s2h，…，smh）T。

1.2 多級(jí)模糊模式識(shí)別

通常樣本j指標(biāo)i因重要程度不同，即樣本j指標(biāo)i的權(quán)重不同，故引入權(quán)重矩陣，于是樣本j與級(jí)別h之間的差異，可用廣義權(quán)距離表示為：

式中：p為距離參數(shù)，p＝1為海明距離，p＝2為歐式距離。

綜上所述，可得樣本集對(duì)模糊概念A(yù)的識(shí)別模型為：

樣本集對(duì)模糊概念A(yù)的各個(gè)級(jí)別的最優(yōu)相對(duì)隸屬度矩陣U為：

式中:uhj為樣本j對(duì)模糊子集級(jí)別h的相對(duì)隸屬度，h ＝1，2，…，c；j＝1，2，…，n。aj，bj為樣本j的m項(xiàng)指標(biāo)的級(jí)別下限值與上限值。

最后應(yīng)用級(jí)別特征值公式（12）即可得出最終的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 規(guī)劃背景

2.1.1 土地利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題 阜新市位于遼寧省西北部，全市總面積10 355 km2，農(nóng)用地所占比例較高，占全市總土地面積的76.15%，耕地面積占總面積的36.15%，墾殖率比全省水平高8.47%。阜新市耕地類型可分為灌溉水田、水澆地、旱地、菜地和其他農(nóng)用地，其中，旱地所占比例較大，占耕地面積的97.21%。

目前，土地利用中主要存在的問(wèn)題包括：耕地面積銳減，且利用率和質(zhì)量均有所下降；土地利用結(jié)構(gòu)不合理，建設(shè)用地所占比例低；城區(qū)用地結(jié)構(gòu)和布局不合理，城區(qū)用地中礦業(yè)用地占地相對(duì)較多；農(nóng)村居民點(diǎn)布局散亂，宅基地利用不經(jīng)濟(jì)，人均占有面積過(guò)大；土地污染破壞較嚴(yán)重；違法用地現(xiàn)象較多，土地利用行為不夠規(guī)范。

2.1.2 土地利用規(guī)劃目標(biāo) 逐步提高耕地質(zhì)量，增加林業(yè)用地，使非農(nóng)建設(shè)用地的供給在規(guī)劃和計(jì)劃范圍內(nèi)得到保障和合理利用；全面展開(kāi)土地整理，適度開(kāi)發(fā)土地后備資源；土地利用結(jié)構(gòu)和布局日趨合理，土地資源可持續(xù)利用，與全市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)[9]。規(guī)劃期限為2007—2020年，以2006年為規(guī)劃基準(zhǔn)年。

2.2 土地利用規(guī)劃的環(huán)境影響識(shí)別

環(huán)境影響識(shí)別包括確定所有預(yù)期的環(huán)境影響或相關(guān)的環(huán)境因子與土地利用規(guī)劃之間的關(guān)系，同時(shí)識(shí)別出較為關(guān)鍵的環(huán)境影響因子。具體過(guò)程應(yīng)包括識(shí)別規(guī)劃中與環(huán)境密切相關(guān)的內(nèi)容，分析并列出規(guī)劃的直接和間接經(jīng)濟(jì)行為，分析規(guī)劃經(jīng)濟(jì)行為對(duì)環(huán)境的影響[10-12]。根據(jù)阜新土地利用規(guī)劃方案分析，選擇影響評(píng)價(jià)的環(huán)境因子。

2.3 指標(biāo)體系的建立和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

按照指標(biāo)體系建立的原則，參照阜新土地利用總體規(guī)劃的環(huán)境影響識(shí)別結(jié)果，并結(jié)合阜新市的環(huán)境影響因子識(shí)別，根據(jù)選出的5個(gè)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，選擇16個(gè)因素作為參評(píng)因素，建立了具有總目標(biāo)層、環(huán)境主題層、指標(biāo)層3個(gè)層次的阜新市土地利用總體規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。應(yīng)用模糊識(shí)別模式對(duì)阜新市土地利用總體規(guī)劃的環(huán)境影響程度這一模糊概念A(yù)進(jìn)行識(shí)別。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取5個(gè)級(jí)別（即c＝5）：I級(jí)表示規(guī)劃環(huán)境影響極小或無(wú)影響，II級(jí)表示較小影響，III級(jí)表示中等影響，IV級(jí)表示較大影響，V級(jí)表示極大影響。指標(biāo)層內(nèi)具體指標(biāo)如表1所示。本研究以2006年規(guī)劃數(shù)據(jù)為準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)：《規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》（HJ/T130—2003），《2005年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織推薦的部分環(huán)境參考指標(biāo)，區(qū)域性本底背景，土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—1995。

表1 土地利用規(guī)劃的環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)值及等級(jí)劃分

續(xù)表1

2.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

應(yīng)用層次分析法[13]得出規(guī)劃方案的權(quán)重向量為：

2.5 模糊識(shí)別的應(yīng)用

本規(guī)劃方案涉及3個(gè)環(huán)境主題，各環(huán)境主題指標(biāo)總和為規(guī)劃環(huán)評(píng)的指標(biāo)體系。首先，按公式（1）和（2），根據(jù)各個(gè)環(huán)境主題的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)造各個(gè)環(huán)境主題的指標(biāo)特征值向量，已知標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)造相應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣。再分別按公式（3）、（4）、（5）和（6）將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的指標(biāo)與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值的相對(duì)隸屬度向量和矩陣。

將各個(gè)環(huán)境主題指標(biāo)特征值隸屬度向量中的各分向量與該環(huán)境主題對(duì)應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣的行向量逐一比較，得出各個(gè)環(huán)境主題級(jí)別上限值和下限值。應(yīng)用公式（9），取距離參數(shù)p＝2（歐式距離），計(jì)算3個(gè)主題環(huán)境影響級(jí)別的隸屬度向量，應(yīng)用公式（12）計(jì)算3個(gè)主題級(jí)別特征值。具體數(shù)值如表2所示。

阜新市土地利用總體規(guī)劃方案的環(huán)境影響級(jí)別特征值為：

表2 環(huán)境主題相對(duì)于模糊概念的級(jí)別隸屬度向量及級(jí)別特征值

2.6 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算得知，H＝1.941（1＜H＜2），阜新市土地利用總體規(guī)劃方案對(duì)環(huán)境的影響程度近似為II級(jí)。其規(guī)劃方案的實(shí)施對(duì)環(huán)境影響較小。自然環(huán)境影響指標(biāo)的特征值2H大于規(guī)劃方案的特征值H并近似III級(jí)，這說(shuō)明自然環(huán)境保護(hù)對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)最大，如果考慮進(jìn)一步減緩環(huán)境影響，應(yīng)首先從這方面著手，這主要是阜新地區(qū)人均公共綠地面積和水域面積比較小，這與阜新所處自然地理位置有關(guān)；1H，3H小于規(guī)劃方案的特征值H，其中3H偏小，說(shuō)明阜新市在生態(tài)環(huán)境方面和社會(huì)環(huán)境方面仍有待提高，在生態(tài)環(huán)境方面應(yīng)提高基本農(nóng)田保護(hù)率；在社會(huì)方面應(yīng)提高農(nóng)村城鎮(zhèn)化水平。

3 結(jié)論

以阜新市土地利用規(guī)劃為例，結(jié)合環(huán)境影響評(píng)價(jià)的技術(shù)導(dǎo)則，建立了土地利用環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用多級(jí)模糊模式識(shí)別方法進(jìn)行了分析，避免了一般模糊綜合評(píng)判中由于最大隸屬度不適用性所引起的判斷錯(cuò)誤，以相對(duì)隸屬度、隸屬函數(shù)為基礎(chǔ)理論，使隸屬度、隸屬函數(shù)的計(jì)算更容易，可最大限度減小誤差，所得結(jié)果客觀、合理。初步評(píng)價(jià)得出，規(guī)劃的實(shí)施對(duì)環(huán)境具有一定影響。自然環(huán)境保護(hù)對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)最大，如果考慮進(jìn)一步減緩環(huán)境影響，應(yīng)首先從這方面著手；在社會(huì)環(huán)境方面保持現(xiàn)狀并稍加改善即可；生態(tài)環(huán)境方面的工作尚需加強(qiáng)。應(yīng)努力改變現(xiàn)有的各個(gè)環(huán)境主題發(fā)展不協(xié)調(diào)的局面，最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)境主題級(jí)別較為均衡的局面。在今后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)理論和實(shí)踐相結(jié)合，注重科學(xué)性和可操作性評(píng)價(jià)方法的研究。

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