模糊模式識別理論在土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價中的應用

周 鑫，劉志斌

（遼寧工程技術大學環(huán)境科學與工程學院，遼寧阜新123000）

土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價是對土地利用規(guī)劃實施后可能造成的環(huán)境影響進行分析、預測和評價，并在此基礎上從生態(tài)與環(huán)境角度提出規(guī)劃的最佳方案及其調整建議，以及跟蹤監(jiān)測的方法和制度[1]。中國土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價起步較晚，2003年首次將環(huán)境影響評價從單純的建設項目擴展到各類發(fā)展規(guī)劃。目前，國內學者對土地利用規(guī)劃環(huán)評的目的、意義、理論基礎、工作內容和程序等已有了比較清楚的認識，但沒有形成適合我國國情的土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價方法。評價理論還不夠成熟，缺乏關于生態(tài)環(huán)境保護的評價標準。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（RS）、驅動力—壓力—狀態(tài)—響應（DPSR）的概念模型方法等多種定性和定量評價方法。因土地利用總體規(guī)劃不是具體到地域上的具體項目或產業(yè)，具有鮮明的戰(zhàn)略性、不確定性特點。評價指標的獲取受種種因素的限制，其環(huán)境影響等級的劃分同樣具有一定的模糊性[2-6]。鑒于模糊數學理論可以很好地解決模糊問題，可以選擇將一些相關的模糊數學方法應用于規(guī)劃環(huán)境評價的戰(zhàn)略分析和環(huán)境影響預測等方面[7]。

阜新市作為資源轉型城市，經濟發(fā)展較快，但城區(qū)用地中礦業(yè)用地所占比例較大，嚴重制約城市的發(fā)展。因此，進行土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價具有十分重要的意義。

本研究基于多級模糊模式識別理論與特征值方法，將其應用于土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價中，旨在為土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價提供一條可行的新途徑。

1 多級模糊模式識別理論

模糊模式識別理論的基本內容為：設有需要識別的模糊概念或模糊子集A，已知指標的標準體系，計算研究樣本屬于各個標準的相對隸屬度，計算相對級別特征值，識別判斷樣本集屬于哪一級標準[8]。

1.1 指標相對隸屬度函數的建立

設規(guī)劃方案中環(huán)境主題j的指標特征值向量為：

式中：xj為規(guī)劃方案環(huán)境主題j的m個指標特征值向量，j＝1，2，…，n；xij為規(guī)劃方案主題 j的第i個指標的特征值，i＝1，2，…m；m為主題j下的詳細指標個數。

如果樣本集依據m個指標按c個級別的已知指標標準特征值進行識別，則有指標標準特征值矩陣:

式中：yih為級別h指標i的標準特征值，h＝1，2，…，c；i＝1，2，…，m。

對于從1級至c級指標標準特征值減小的指標而言，令小于、等于指標c級（或狀態(tài)）標準特征值對A的相對隸屬度為0；令等于、大于指標的1級（或狀態(tài)）標準特征值對A的相對隸屬度為1，反之亦然。指標特征值介于1級與c級標準特征值之間對A的相對隸屬度可按線性變化確定，由此該類指標對A的相對隸屬度（隸屬函數）為公式（3），h級指標標準特征值對A的相對隸屬度（隸屬函數）為公式（4）：

式中：rij為樣本j指標i的特征值對A的相對隸屬度；yi1，yic是指標i的1級、c級標準特征值；sih是級別h指標i標準特征值對A的相對隸屬度；yih為級別h指標i的標準特征值，利用公式（3）和（4）介紹的指標隸屬度函數公式可求得A的指標與指標標準特征值的相對隸屬度矩陣：

將樣本j的m個指標相對隸屬度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的級別上限值bj和級別下限值aj。

設樣本集對A各個級別的隸屬度矩陣為：

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

一般地，樣本集的m個指標對模式識別的影響程度不同，故指標應具有不同的權重。指標權向量為 W＝（w1，w2，…，wm）；樣本 j的 m 個指標特征向量表示為rj＝（r1j，r2j，…，rmj）T；級別h的m個指標標準特征值用向量表示為sh＝（s1h，s2h，…，smh）T。

1.2 多級模糊模式識別

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

式中：p為距離參數，p＝1為海明距離，p＝2為歐式距離。

綜上所述，可得樣本集對模糊概念A的識別模型為：

樣本集對模糊概念A的各個級別的最優(yōu)相對隸屬度矩陣U為：

式中:uhj為樣本j對模糊子集級別h的相對隸屬度，h ＝1，2，…，c；j＝1，2，…，n。aj，bj為樣本j的m項指標的級別下限值與上限值。

最后應用級別特征值公式（12）即可得出最終的綜合評價結果。

2 實例應用

2.1 規(guī)劃背景

2.1.1 土地利用現狀及存在的問題 阜新市位于遼寧省西北部，全市總面積10 355 km2，農用地所占比例較高，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題包括：耕地面積銳減，且利用率和質量均有所下降；土地利用結構不合理，建設用地所占比例低；城區(qū)用地結構和布局不合理，城區(qū)用地中礦業(yè)用地占地相對較多；農村居民點布局散亂，宅基地利用不經濟，人均占有面積過大；土地污染破壞較嚴重；違法用地現象較多，土地利用行為不夠規(guī)范。

2.1.2 土地利用規(guī)劃目標 逐步提高耕地質量，增加林業(yè)用地，使非農建設用地的供給在規(guī)劃和計劃范圍內得到保障和合理利用；全面展開土地整理，適度開發(fā)土地后備資源；土地利用結構和布局日趨合理，土地資源可持續(xù)利用，與全市社會經濟發(fā)展相協(xié)調[9]。規(guī)劃期限為2007—2020年，以2006年為規(guī)劃基準年。

2.2 土地利用規(guī)劃的環(huán)境影響識別

環(huán)境影響識別包括確定所有預期的環(huán)境影響或相關的環(huán)境因子與土地利用規(guī)劃之間的關系，同時識別出較為關鍵的環(huán)境影響因子。具體過程應包括識別規(guī)劃中與環(huán)境密切相關的內容，分析并列出規(guī)劃的直接和間接經濟行為，分析規(guī)劃經濟行為對環(huán)境的影響[10-12]。根據阜新土地利用規(guī)劃方案分析，選擇影響評價的環(huán)境因子。

2.3 指標體系的建立和評價標準的確定

按照指標體系建立的原則，參照阜新土地利用總體規(guī)劃的環(huán)境影響識別結果，并結合阜新市的環(huán)境影響因子識別，根據選出的5個環(huán)境保護目標，選擇16個因素作為參評因素，建立了具有總目標層、環(huán)境主題層、指標層3個層次的阜新市土地利用總體規(guī)劃環(huán)境影響評價指標體系。應用模糊識別模式對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進行識別。評價標準選取5個級別（即c＝5）：I級表示規(guī)劃環(huán)境影響極小或無影響，II級表示較小影響，III級表示中等影響，IV級表示較大影響，V級表示極大影響。指標層內具體指標如表1所示。本研究以2006年規(guī)劃數據為準評價。

確定評價標準的主要依據：《規(guī)劃環(huán)境影響評價技術導則（試行）》（HJ/T130—2003），《2005年國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織推薦的部分環(huán)境參考指標，區(qū)域性本底背景，土壤環(huán)境質量標準GB15618—1995。

表1 土地利用規(guī)劃的環(huán)境影響評價指標值及等級劃分

續(xù)表1

2.4 指標權重的確定

應用層次分析法[13]得出規(guī)劃方案的權重向量為：

2.5 模糊識別的應用

本規(guī)劃方案涉及3個環(huán)境主題，各環(huán)境主題指標總和為規(guī)劃環(huán)評的指標體系。首先，按公式（1）和（2），根據各個環(huán)境主題的指標標準值構造各個環(huán)境主題的指標特征值向量，已知標準體系構造相應的指標標準特征值矩陣。再分別按公式（3）、（4）、（5）和（6）將其轉化為相應的指標與指標標準特征值的相對隸屬度向量和矩陣。

將各個環(huán)境主題指標特征值隸屬度向量中的各分向量與該環(huán)境主題對應的指標標準特征值矩陣的行向量逐一比較，得出各個環(huán)境主題級別上限值和下限值。應用公式（9），取距離參數p＝2（歐式距離），計算3個主題環(huán)境影響級別的隸屬度向量，應用公式（12）計算3個主題級別特征值。具體數值如表2所示。

阜新市土地利用總體規(guī)劃方案的環(huán)境影響級別特征值為：

表2 環(huán)境主題相對于模糊概念的級別隸屬度向量及級別特征值

2.6 評價結果分析

經過計算得知，H＝1.941（1＜H＜2），阜新市土地利用總體規(guī)劃方案對環(huán)境的影響程度近似為II級。其規(guī)劃方案的實施對環(huán)境影響較小。自然環(huán)境影響指標的特征值2H大于規(guī)劃方案的特征值H并近似III級，這說明自然環(huán)境保護對環(huán)境影響的貢獻最大，如果考慮進一步減緩環(huán)境影響，應首先從這方面著手，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；1H，3H小于規(guī)劃方案的特征值H，其中3H偏小，說明阜新市在生態(tài)環(huán)境方面和社會環(huán)境方面仍有待提高，在生態(tài)環(huán)境方面應提高基本農田保護率；在社會方面應提高農村城鎮(zhèn)化水平。

3 結論

以阜新市土地利用規(guī)劃為例，結合環(huán)境影響評價的技術導則，建立了土地利用環(huán)境影響評價指標體系，采用多級模糊模式識別方法進行了分析，避免了一般模糊綜合評判中由于最大隸屬度不適用性所引起的判斷錯誤，以相對隸屬度、隸屬函數為基礎理論，使隸屬度、隸屬函數的計算更容易，可最大限度減小誤差，所得結果客觀、合理。初步評價得出，規(guī)劃的實施對環(huán)境具有一定影響。自然環(huán)境保護對環(huán)境影響的貢獻最大，如果考慮進一步減緩環(huán)境影響，應首先從這方面著手；在社會環(huán)境方面保持現狀并稍加改善即可；生態(tài)環(huán)境方面的工作尚需加強。應努力改變現有的各個環(huán)境主題發(fā)展不協(xié)調的局面，最終實現各個環(huán)境主題級別較為均衡的局面。在今后的研究中，應加強理論和實踐相結合，注重科學性和可操作性評價方法的研究。

[1]國家環(huán)境保護總局.HJ/T130—2003 規(guī)劃環(huán)境影響評價技術導則（試行）中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2003.

[2]賈冰，李開峰，賈克敬，等.中國土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價研究評述[J].中國土地科學，2009，23（5）：76-80.

[3]蔡俊，項澄生.土地利用規(guī)劃戰(zhàn)略環(huán)境影響評價淺探[J].中國環(huán)保產業(yè)，2005（2）：6-9.

[4]韓午陽.祁縣子洪水庫除險加固的環(huán)境影響評價[J].山西農業(yè)科學，2008，36（6）：90-91.

[5]盛鴻輝，慕鳳嬌，廖燕，等.土地利用總體規(guī)劃環(huán)境影響評價研究進展[J].內蒙古農業(yè)科技，2010（1）：36-37.

[6]陳述文，汪鵬.生態(tài)足跡法在土地規(guī)劃環(huán)境影響評價中的應用：以重慶市為例[J].河北農業(yè)科學，2007，11（5）：84-87.

[7]張海華.規(guī)劃環(huán)境影響評價方法研究 [D].長春：吉林大學，2006.

[8]陳水利，李敬功，王向公.模糊集理論及其應用[M].北京：北京科學出版社，2005：105-130.

[9]初玲玲.阜新市土地利用總體規(guī)劃環(huán)境影響評價研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2008.

[10]石培基，劉英英，劉春雨，等.隴南市土地利用規(guī)劃環(huán)境影響評價[J].干旱區(qū)研究，2010，21（6）：833-838.

[11]吳克寧，關小克，馮新偉，等.基于PSR模型的鄭州市生態(tài)環(huán)境質量灰色預警[J].河南農業(yè)科學，2007（6）：83-89.

[12]高彩云，許月明，胡建.太行山區(qū)土地資源優(yōu)化配置研究：以河北省易縣為例[J].天津農業(yè)科學，2011，17（2）：47-48.

[13]王應明.關于層次分析法中權的最小平方法的理論證明[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，1995，15（1）：3-8.