基于改進(jìn)層次結(jié)構(gòu)的自然保護(hù)區(qū)管理評價平臺

摘要：為了更有效地分析我國自然保護(hù)區(qū)管理的有效性，特從管理措施、保護(hù)效果、社會影響等不同角度進(jìn)行分析，并以黃河三角洲、輝河、圖牧吉、寶天曼這4個國家級自然保護(hù)區(qū)為例，采用改進(jìn)層次分析法同時配以不同權(quán)重的方式來評價保護(hù)區(qū)的管理效果。在評價算法方面通過研究層次分析法與模糊層次分析法一致互反判斷矩陣與模糊互補(bǔ)判斷矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系，給出把一致互反矩陣轉(zhuǎn)換成模糊互補(bǔ)判斷矩陣的方法并提出了一種介于層次分析法與模糊層次分析法之間的新的層次分析方法，這種方法簡化了層次分析法的計算。

關(guān)鍵詞：評價平臺；管理有效性；自然保護(hù)區(qū)；層次分析法；模糊層次分析法

中圖分類號：S759.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）21-5334-05

Nature Reserve Management Assessment Platform Based on Improved Hierarchy Structure

WANG Hong-po1，ZHOU Hong1，LIU Tong-hai1，2，YE Sheng-xing2，3

（1. Department of Computer Science and Information Engineering， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China；

2. Institute of Crop Sciences， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China；

3.Institute of Ecology， Chinese Research Academy Environmental Sciences，Beijing 100012， China）

Abstract： In order to analyze the effectiveness of the management of nature reserves in China， taking the Yellow River Delta Nature Reserve， Huihe Nature Reserve， Tumuji Nature Reserve， Baotianman Nature Reserve as examples， the management effectiveness of nature reserves were evaluated from the factors of management measures， protective effect and social impact by using the analytic hierarchy process together with the different weights. Assessment platform had the target layer， criteria layer and index layer. Decision matrixes for each layer were constructed based on expert scoring. Then the normalized row vector of judgment matrix after the arithmetic meaning was the value of weights. For the evaluation algorithm， through the study of judgment matrices in AHP and fuzzy judgment matrices in FAHP， the method that the judgment matrices in AHP transformed to judgment matrices in FAHP was given and a new analytic hierarchy process between AHP and FAHP was proposed. This method simplified the calculation of AHP.

Key words： assessment platform； management effectiveness； nature reserve； analytic hierarchy process； fuzzy analytic hierarchy process

世界性的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，自然保護(hù)區(qū)的建立也越來越受到重視[1]。目前自然保護(hù)區(qū)在保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)類型、野生動物、高等植物、重要自然遺跡、天然濕地和優(yōu)質(zhì)森林等方面發(fā)揮了重要作用[2，3]。自然保護(hù)區(qū)的建立對物種多樣性的保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)的平衡、人與自然的和諧相處有重要意義，對科學(xué)研究也有重要的幫助[4，5]。雖然自然保護(hù)區(qū)的建立對物種的保護(hù)起到了一定的作用，但是距離預(yù)定的目標(biāo)仍有很大的差距，因為目前保護(hù)區(qū)的狀況不容樂觀，中國的自然保護(hù)區(qū)仍缺乏有效的管理方案，多種計劃并不能被順利實施[6]。

在決策分析中層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）常被采用[7]，該分析法為研究對象建立分層結(jié)構(gòu)，通過元素間兩兩比較重要性構(gòu)造判斷矩陣，層次排序等步驟計算各層要素相對于總目標(biāo)的合成權(quán)重，從而得出各個方案的綜合排序[8-10]。此方法基于正互反判斷矩陣，以除法作為比較方式，不僅在檢驗判斷矩陣是否具有一致性上非常困難，而且權(quán)重計算略顯復(fù)雜；模糊層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）也是基于傳統(tǒng)層次分析法的思想，但它以減法作為比較方式[11-14]。所以，F(xiàn)AHP保留了層次分析法的研究原理和步驟，并引入了模糊互補(bǔ)矩陣的概念，故FAHP優(yōu)點是計算更簡單。此文提出了一種新的介于AHP與FAHP之間的層次分析方法，該方法通過將層次分析法中一致互反矩陣轉(zhuǎn)換為模糊層次分析法中的模糊互補(bǔ)矩陣進(jìn)行計算，這樣既保證了AHP的精確性又體現(xiàn)了FAHP計算的簡潔性，是AHP與FAHP相結(jié)合的產(chǎn)物。在自然保護(hù)區(qū)管理有效評價中使用改進(jìn)的層次分析法一方面保證了評價的準(zhǔn)確度，另一方面也便于評價系統(tǒng)的實現(xiàn)和應(yīng)用。

1 改進(jìn)層次分析法

1.1 層次分析法算法介紹

1）根據(jù)分析問題間的相互關(guān)系，建立層次結(jié)構(gòu)；

2）確定判斷矩陣。為了把采集到的主觀信息進(jìn)行統(tǒng)一的量化，在構(gòu)造各個層次的判斷矩陣時采用1～9的比例標(biāo)度將思維判斷數(shù)量化來反映多數(shù)人的判斷能力，保證被比較元素在所考慮的屬性上為同 一個數(shù)量級或比較接近；

3）由判斷矩陣計算被比較元素相對于判斷矩 陣準(zhǔn)則的相對權(quán)重W見公式（1），并進(jìn)行矩陣一致 性檢驗。利用一致性比率CR（consistency rate）來衡量矩陣的一致性，CR=CI/RI，CI=（λ-n）/（n-1），n為矩陣行數(shù)，當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性要求；RI為平均隨機(jī)性指標(biāo)（random index），如表1所示；CI為一致性指標(biāo)（consistency index）；λ為最大特征根。

wi=■■■ i=1， 2，…，n （1）

1.2 模糊層次分析法的算法介紹

1）根據(jù)分析問題間的相互關(guān)系，建立層次結(jié)構(gòu)；

2）確定判斷矩陣。在該算法中是基于0.1～0.9數(shù)量標(biāo)度，以每一層次中的元素相對上層元素的重要程度建立模糊互補(bǔ)矩陣，并調(diào)整為模糊一致矩陣。設(shè)上一層次為B1，下一層的元素c1，c2，…，cn，則其模糊一致矩陣R可表示為：

R=c11 c12 … c1nc21 c22 … c2n■ ■ ■cn1 cn2 … cnn

3）分層次計算權(quán)重。采用權(quán)重計算公式：

wi=■-■+■■cik，i=1，2，…，n，其中，α=（n-1）/2 （2）

4）計算綜合權(quán)重。

1.3 層次分析法的改進(jìn)

可以看出AHP以除法作為比較方式，而FAHP則是以減法作為比較方式，為此林鈞昌等[15]給出 了一種將正互反矩陣轉(zhuǎn)換成模糊互補(bǔ)矩陣的方法，進(jìn)而將AHP中除法權(quán)重求解用FAHP的減法得到。

定義1：設(shè)矩陣R=（cij）n×n，若滿足0≤cij≤1，（i，j=1，2，…，n），則稱R是模糊矩陣。

定義2：若模糊矩陣R=（cij）n×n，若對于i，j，k滿足有cij=cik-cjk+0.5，則稱模糊矩陣R是模糊一致矩陣。

模糊一致矩陣具有如下性質(zhì)[16-20]：

1）i（i=1，2，...，n），有cii=0.5；

2）i，j（i，j=1，2，...，n），有cij+cji=1，此時模糊矩陣R同時也是模糊互補(bǔ)矩陣；

3）cij=cik-cjk+0.5（i，j，k=1，2，...，n）；

4）R的第i行和第i列元素之和為n。

5）RT=RC，且均為模糊一致矩陣，其中RT為R的轉(zhuǎn)置矩陣，RC為R的余矩陣；

6）從R中去掉任意一行及其對應(yīng)列所得的子矩陣仍為模糊一致矩陣；

7）R滿足中分傳遞性，即當(dāng)λ≥0.5時，若cij≥λ，cjk≥λ，有cik≥λ；當(dāng)λ≤0.5時，若cij≤λ，cjk≤λ，有cik≤λ。

定理1：設(shè)A=（aij）n×n為一致的正互反矩陣，B=（bij）n×n為bij=aij/（aij+1）經(jīng)過變換后得到的模糊互補(bǔ)矩陣，則兩者所產(chǎn)生的權(quán)重的排序不變。

證明因A=（aij）n×n為一致的正互反矩陣，A的秩為1，可設(shè)：

A=（aij）n×n=a1a2■an■■…■，且■ai=1，ai>0。A的特征值為n，X=（a1，a2，...，an）為對應(yīng)于特征值n的特征向量，實際上X就是權(quán)向量，為此可設(shè)B=（bij）n×n且bij=ai/aj。于是bij=aij/（aij+1）=ai/（ai+aj），按照模糊互補(bǔ)矩陣權(quán)重的計算公式：

wi=■-■+■■bik，證明權(quán)的排序不變，設(shè)ai≥aj，證明wi≥wj，則：

wi-wj=（■-■+■■bik）-（■-■+■■bik）

=■（■bik-■bjik）=■（■■-■■）

=■■（■-■）=■■■

=■■■≥0

即證明了ai≥aj， 則wi≥wj

定理1說明，對于一致的正互反矩陣，可以先轉(zhuǎn)換后計算權(quán)重，這樣計算較為簡單。利用定理1的結(jié)果，同樣可以得到一個把一致互反矩陣轉(zhuǎn)換 成模糊矩陣的結(jié)果（表2）。

由定理1，可以給出AHP的新的計算步驟：

1）正互反矩陣A=（aij）n×n的獲得及一致性檢驗與AHP相同。

2）通過變換bij=aij/（aij+1）后得到的模糊互補(bǔ)矩陣B=（bij）n×n。

3）通過權(quán)的計算公式得到結(jié)果。

2 自然保護(hù)區(qū)管理有效性評價模型的指標(biāo)體系

為了能更加客觀有效地反映國家自然保護(hù)區(qū)管理的有效性，特以國家級自然保護(hù)區(qū)為研究對象，在收集、調(diào)查的基礎(chǔ)上形成初步評價指標(biāo)，并多次征求專家意見進(jìn)行篩選和修改，最終形成圖1中12個管理有效性評價指標(biāo)，并通過改進(jìn)層次分析法來實現(xiàn)。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

評價模型以國家級自然保護(hù)區(qū)管理有效性評價作為總體目標(biāo)層（O），在其下由準(zhǔn)則層（S）和指標(biāo)層（A）兩層構(gòu)成。其中準(zhǔn)則層（S）由管理措施（S1）、保護(hù)效果（S2）、社會影響（S3）3項構(gòu)成，準(zhǔn)則層中的指標(biāo)層（A）由專業(yè)技術(shù)人員比例（A1）、保護(hù)性資金使用效率（A2）、科研項目投入額度（A3）、違法事件的頻率（A4）、目標(biāo)保護(hù)程度（A5）、典型生境優(yōu)勢度（A6）、生境退化指數(shù)（A7）、植被覆蓋度（A8）、NPP（A9）、社會參與度（A10）、社會認(rèn)知率（A11）、年均旅游人次（A12）等12項具體評價指標(biāo)構(gòu)成，其隸屬關(guān)系如圖1。

2.2 各指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重的確定需要首先構(gòu)建各層的構(gòu)造判斷矩陣，然后通過構(gòu)造判斷矩陣求得各項的權(quán)重。記目標(biāo)層為O，評價要素層為S，評價指標(biāo)層為A。根據(jù)所確定的改進(jìn)層次算法，計算各評價項所占的權(quán)重分別如表3至表6所示。

2.3 確定保護(hù)效果

為了驗證平臺的使用效果，以4個保護(hù)區(qū)為實例，用實際的數(shù)據(jù)反映保護(hù)區(qū)的管理效果。

黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)高級工程師13人，工程師40人，專業(yè)技術(shù)人員共計53人，專業(yè)技術(shù)人員所占比例為20.38%。保護(hù)區(qū)2009年總經(jīng)費321萬元，其中用于保護(hù)性的資金128.26萬元，保護(hù)性資金使用效率為39.96%。科研項目投入額度300萬元，違法事件的頻率2次，目標(biāo)保護(hù)程度84.69。保護(hù)區(qū)總面積15.3萬hm2，其中核心區(qū)面積5.8萬hm2，典型生境優(yōu)勢度為37.91%，生境退化指數(shù)為0.43%，植被覆蓋度為47.07%，NPP為464.01 g/m2，社區(qū)參與度為48.78%，社會認(rèn)知率為96.0%。全年共接待海內(nèi)外游客12.68萬人次，其中入境游客1.67萬人次，年均旅游人次為12.68萬。

輝河國家級自然保護(hù)區(qū)定編15人，現(xiàn)實有人員24名，專業(yè)技術(shù)人員6人，專業(yè)技術(shù)人員所占比例為25%。輝河國家級自然保護(hù)區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)配套資金累計286萬元，其中國家級累計投入150萬元，自治區(qū)累計投入95萬元，呼倫貝爾市財政投入41萬元，直接用于保護(hù)性方面的資金為85.8萬元，保護(hù)性資金使用率為30.00%?？蒲许椖客度腩~度200萬元，違法事件的頻率8次，目標(biāo)保護(hù)程度44.06。保護(hù)區(qū)總面積為34.68萬hm2。保護(hù)區(qū)主要設(shè)立了高林溫都爾、草甸草原、沙地樟子松疏林等3個核心區(qū)，面積6.84萬hm2，為典型生境區(qū)，占保護(hù)區(qū)總面積的19.72%。通過地面實地調(diào)查，實際對88個樣方進(jìn)行測量，草地平均蓋度為76.59%，鮮重為390.75 g/m2，干重為199.87 g/m2。根據(jù)2010年9月9日遙感數(shù)據(jù)，反演生成NPP、植被蓋度等數(shù)據(jù)，按照植被類型進(jìn)行分類統(tǒng)計，該保護(hù)區(qū)的平均植被覆蓋度為44.38%，生境退化指數(shù)為6.69%，NPP為316.78 g/m2，社區(qū)參與度為21.92%，社會認(rèn)知率為89.0%。年均旅游人次為4.13萬。

圖牧吉國家級自然保護(hù)區(qū)現(xiàn)有事業(yè)編制人員40人，其中高級工程師2人，工程師4人，專業(yè)技術(shù)人員所占比例為15%。國家共投入經(jīng)費1 189萬元，其中2004、2006、2007、2008年環(huán)保能力建設(shè)經(jīng)費分別為90萬、80萬、100萬、90萬元，2007、2008年林業(yè)一期工程建設(shè)經(jīng)費分別為400萬、339萬元，2008年國家疫源疫病監(jiān)測站建設(shè)經(jīng)費40萬元，2009年植被恢復(fù)經(jīng)費50萬元。用于保護(hù)性設(shè)施、材料等費用共計310.2萬元，保護(hù)性資金使用效率為26.09%。科研項目投入額度82萬元，違法事件的頻率3次，目標(biāo)保護(hù)程度77.57。圖牧吉自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)分為馬鞍山、靠山、圖牧吉泡子及三道泡子核心區(qū)，面積20 757 hm2，保護(hù)區(qū)總面積為94 837 hm2。其典型生境優(yōu)勢度為21.89%，生境退化指數(shù)為2.7%，植被覆蓋度為25.57%，NPP為235.59 g/m2，社區(qū)參與度為25.2%，社會認(rèn)知率為85.0%。年均旅游人次為0.4萬。

寶天曼國家級自然保護(hù)區(qū)人員編制140人，現(xiàn)有正式職工102人，其中，高級工程師1人、工程師4人、助理工程師及其他技術(shù)員7人，專業(yè)技術(shù)人員共計12人，專業(yè)技術(shù)人員所占比例為11.76%。保護(hù)區(qū)直接保護(hù)性資金為163萬元，保護(hù)性資金使用率為61.05%?？蒲许椖客度腩~度300萬，違法事件的頻率0次，目標(biāo)保護(hù)程度320.05。保護(hù)區(qū)管理總面積9 304 hm2，其中核心區(qū)面積3 040 hm2，典型生境優(yōu)勢度為32.67%，生境退化指數(shù)為0.04%，植被覆蓋度為67.0%，NPP為9 949.6 g/m2，社區(qū)參與度為23.15%，社會認(rèn)知率為95.0%。2010年生態(tài)旅游區(qū)共接待游人10萬人次，年均旅游人次為10萬。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)模型，評價結(jié)果匯總見表7。將黃河三角洲、輝河、圖牧吉、寶天曼4個保護(hù)區(qū)的數(shù)據(jù)相應(yīng)項分別根據(jù)其監(jiān)測的值按均一化方法打分，最后的得分分別為37.44、23.51、24.71和66.39分。由此可以得知保護(hù)區(qū)管理效果存在差異，其中寶天曼國家級自然保護(hù)區(qū)的管理效果最好，其次則是黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)，然后是圖牧吉國家級自然保護(hù)區(qū)，最后是輝河國家級自然保護(hù)區(qū)。

3 小結(jié)

在多維決策系統(tǒng)分析中，尤其是在同一層中的元素的個數(shù)較多時，層次分析法和模糊層次分析法常被使用，但這兩種方法都有各自的特點：層次分析法以除法作為比較方式計算精確度高，但它不僅在檢驗判斷矩陣是否具有一致性時非常困難，而且 權(quán)重計算略顯復(fù)雜；而模糊層次分析法則是以減法作為比較方式，計算相對較簡單。因此提出了一種新的介于層次分析法與模糊層次分析法之間的層次分析方法，該方法既保證了層次分析法的精確性又體現(xiàn)了模糊層次分析法計算的簡潔性，是層次分析法與模糊層次分析法相結(jié)合的產(chǎn)物，并將該算法應(yīng)用到自然保護(hù)區(qū)管理的有效性評價中。在計算過程中可通過公式轉(zhuǎn)換方法，將層次分析法中的一致互反判斷矩陣轉(zhuǎn)換成模糊判斷矩陣，再使用模糊層次分析法中的權(quán)重公式進(jìn)行計算，簡單、方便、有效。

致謝：該系統(tǒng)測試所使用的數(shù)據(jù)皆由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所及中國環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)研究實際調(diào)研中得出，對于他們提供的幫助表示深深的感謝！

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