基于二元語義和區(qū)間FCM 的森林公園生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法研究

汪朝輝

（湖南工業(yè)大學(xué) 商學(xué)院，湖南 株洲 412007）

一、引言

生態(tài)安全是國家安全的熱門問題。20世紀(jì)70年代國外已經(jīng)開始了生態(tài)安全的研究，國內(nèi)也已把生態(tài)安全的理論與方法應(yīng)用到城市、省、海岸帶、風(fēng)景區(qū)、旅游地、小城鎮(zhèn)、脆弱農(nóng)業(yè)區(qū)、礦區(qū)等宏觀層面。微觀層次更是滲透到包括農(nóng)業(yè)、水資源、土地、濕地、草地、森林、能源利用、食品、紡織品和國際貿(mào)易等各個(gè)方面。森林公園具備優(yōu)美的森林景觀資源和優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境資源，是生態(tài)旅游的主要場所和我國主要的旅游目的地。本文選取未被國內(nèi)外學(xué)術(shù)界重視卻對生態(tài)環(huán)境有著特殊依賴的森林公園的生態(tài)安全評(píng)價(jià)作為研究內(nèi)容，旨在建立能夠?qū)嵤┥致糜慰沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的技術(shù)性工具，為森林公園可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)安全管理提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)于生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型的研究，國外學(xué)者主要對個(gè)體與群落尺度上的模型[1]；生態(tài)系統(tǒng)尺度上的LERAM模型，SIMPLE綜合模型，GAP類型等模型[2]；生境及區(qū)域尺度上的用于生境評(píng)價(jià)的生境穩(wěn)定指數(shù)模型[3]；景觀尺度的BACHMAP模型，ECOLECON模型以及基于GIS的DISPATCH等生態(tài)數(shù)學(xué)模型展開了相關(guān)研究，生態(tài)模型評(píng)價(jià)不同尺度的生態(tài)安全問題將成為未來重要的發(fā)展方向。

國內(nèi)學(xué)者的研究主要是針對區(qū)域評(píng)價(jià)指標(biāo)PSR概念模型框架展開的，目前最常用與常見的方法如層次分析法[4]、綜合指數(shù)法[5]、灰色關(guān)聯(lián)法[6]、主成分投影法[7]、模糊綜合法[8]、物元評(píng)判法[9]、優(yōu)度評(píng)價(jià)法[10]及復(fù)合模型等，但他們各有其優(yōu)缺點(diǎn)；另外，對于安全度等級(jí)的劃分目前還無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主觀性和隨意性較大，評(píng)價(jià)結(jié)果有效性差。由于森林公園生態(tài)安全歷史數(shù)據(jù)較少，有不少數(shù)據(jù)要通過調(diào)查獲得，同時(shí)其評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)有定量數(shù)據(jù)，也有定性數(shù)據(jù)，主要分為三類：實(shí)數(shù)、區(qū)間數(shù)、語言值。實(shí)數(shù)可以看成區(qū)間數(shù)的特例，而語言數(shù)也可以轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)，并且區(qū)間數(shù)FCM評(píng)價(jià)方法在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中已開展了相關(guān)研究[11]，區(qū)間二元語義的決策方法和FCM進(jìn)行分類的研究已有報(bào)道[12][13]。為此本文提出了基于二元語義的區(qū)間FCM生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法，以滿足森林公園生態(tài)安全評(píng)價(jià)目的的需要。

二、二元語義和區(qū)間數(shù)方法

（一）二元語義及相關(guān)算子

設(shè)語言評(píng)價(jià)等級(jí)為H=｛H0，H1，H2，…，H2t｝，并且H有以下屬性：

有序性：當(dāng) i＞j，Hi＞Hj。

可逆性：存在一個(gè)逆運(yùn)算算子“Neg”，當(dāng)i+j=2t時(shí)，有Hi=Neg（Hj）。

極值運(yùn)算：當(dāng)i≥j，極大值Max（Hi，Hj）=Hi，極小值Min（Hi，Hj）=Hj。

二元語義采用（Hi，αi）來表示決策者的語言評(píng)價(jià)信息，其中Hi表示語言評(píng)價(jià)集中的一個(gè)語言評(píng)價(jià)等級(jí)，αi表示決策者給出的語言評(píng)價(jià)信息相對于語言評(píng)價(jià)等級(jí) Hi的偏差，αi∈[-0.5，0.5）[336-339]。

定義1 設(shè)Hi∈H，則其相應(yīng)的二元語義可通過下列轉(zhuǎn)換函數(shù)φ得到：

定義2 設(shè)語言評(píng)價(jià)集H=｛H0，H1，H2，…，H2t｝，θ∈[0，2t]表示語言符號(hào)運(yùn)算的結(jié)果，則與θ相應(yīng)的二元語義可由Δ函數(shù)得到：

其中，Round表示“四舍五入”取整運(yùn)算。

定義3 設(shè)語言評(píng)價(jià)集H=｛H0，H1，H2，…，H2t｝，（Hi，αi）為一個(gè)二元語義，則存在一個(gè)逆函數(shù)Δ-1，使二元語義可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)值θ∈[0，2t]，即：

定義4 設(shè)（Hi，αi），（Hj，αr）為任意兩個(gè)二元語義，如果i＞j，有（Hi，αl）＞（Hj，αr），這里符號(hào)“＞”表示“優(yōu)于”。

如果i=j，則存在以下三種情形：

如果αl＞αr，則（Hi，αl）＞（Hj，αr）。

如果αl=αr，則（Hi，αl）=（Hj，αr），這里符號(hào)“=”表示“等于”。

如果αl＜αr，則（Hi，αl）＜（Hj，αr），這里符號(hào)“＜”表示“劣于”。

（二）區(qū)間數(shù)

定義5 設(shè)R是實(shí)數(shù)域，稱閉區(qū)間[a1，b1]為區(qū)間數(shù)，其中a1為區(qū)間數(shù)的下確界，b1為區(qū)間數(shù)的上確界，a1，b1∈R，a1≤b1。

dλ（1，2）=（1-λ）｜a1-a2｜+λ（｜b1-b2｜）

其中λ∈[0，1]表示決策者的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度，當(dāng)λ＞0.5時(shí)，決策者是追求風(fēng)險(xiǎn)的，當(dāng)λ＜0.5時(shí)，決策者是厭惡風(fēng)險(xiǎn)的，當(dāng)λ=0.5時(shí)，決策者是風(fēng)險(xiǎn)中性的，此時(shí)有：

三、基于二元語義和區(qū)間FCM的森林公園生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法

設(shè)森林公園生態(tài)安全的分類指標(biāo)有t個(gè)，記為C1，C2，…Ct，m 個(gè)待分類的森林公園，記為 A=｛a1，a2，…，am｝，ai在指標(biāo) Cj的值為 aij=[a-ij，a+ij]，且指標(biāo) Cj權(quán)系數(shù)為ωj，決策者擬將森林公園分成n類E1，E2，…，En（E1＞E2＞…＞En），其分類值為：b1j，b2j，…，bnj，滿足 b0j＞b1j＞b2j＞…bnj＞bNj。要確定各森林公園生態(tài)安全的類別。

基于二元語義和FCM的森林公園生態(tài)安全評(píng)價(jià)步驟：

步驟1：利用FCM聚類方法將區(qū)間值轉(zhuǎn)化為語言值。

假定將森林公園的評(píng)價(jià)等級(jí)分為2n+1，對每一個(gè)指標(biāo)采用FCM方法將其分為2n+1個(gè)類，其方法如下：

（1）初值的確定

（2）計(jì)算U(0)

（3）計(jì)算V(l+1)

得到新的聚類中心，不妨假設(shè)為bi(l+1)（i=1，2，…，2n+1）。

（4）計(jì)算U(l+1)

（5）計(jì)算J（U(l)，V(l)）和J（U(l+1)，V(l+1)），并判斷是否結(jié)束

其中

（6）確定分類

根據(jù)最大隸屬度原則，對方案集進(jìn)行分類。

步驟2：將語言值轉(zhuǎn)化為二元語義。

對于評(píng)價(jià)信息可能介于兩個(gè)語言等級(jí)之間的情況，用符號(hào) Hi+a來表示，其中 α∈（0，1），它表示介于Hi和Hi+1之間，且相對于Hi的偏差程度為α，相對于Hi+1的偏差程度為1-α。

各語言評(píng)價(jià)等級(jí) H0，H1，H2，…，H2n所對應(yīng)的二元語義為：（H0，0），（H1，0），（H2，0），…，（H2n，0），它們對應(yīng)的數(shù)值為：Δ-1（H0，0），Δ-1（H1，0），Δ-1（H2，0），…，Δ-1（H2n，0）

如果為某個(gè)語言值，則按上述方法可轉(zhuǎn)化為數(shù)值。

如果為Hi+α，則利用Δ-1函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值。

可記方案的評(píng)價(jià)矩陣為C=（cil）m×t。

步驟3：對方案進(jìn)行指標(biāo)集成。

方案的綜合評(píng)價(jià)值如下：

步驟4：將方案集成結(jié)果轉(zhuǎn)換為二元語義。

利用Δ函數(shù)將方案綜合評(píng)價(jià)值Di轉(zhuǎn)換為二元語義Δ（d（ai））。

步驟5：利用二元語義的有序性對方案進(jìn)行排序。

四、實(shí)例計(jì)算

借鑒其他學(xué)者有關(guān)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究成果，廣泛征求各專家學(xué)者、森林旅游管理者和旅游管理者的建議，根據(jù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的原則，結(jié)合森林公園的獨(dú)特性，設(shè)計(jì)森林公園生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系問卷。最后采用主成分分析法，對問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下評(píng)價(jià)指標(biāo)：客流量增長率、旅游從業(yè)人員增長率、當(dāng)?shù)鼐用袢丝谠鲩L率、旅游用地利用強(qiáng)度、生態(tài)用地減少率、大氣污染綜合指數(shù)、水體污染負(fù)荷、固體廢物污染負(fù)荷、旅游環(huán)境容量利用強(qiáng)度、森林植被減少率、區(qū)域開發(fā)指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)干擾強(qiáng)度、森林火災(zāi)頻度、氣象災(zāi)害頻度、大氣質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、環(huán)境噪聲、森林覆蓋率、生物物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)健康狀況、當(dāng)?shù)鼐用袼刭|(zhì)、旅游者素質(zhì)、旅游從業(yè)人員素質(zhì)、旅游收入對GDP的貢獻(xiàn)率、生態(tài)環(huán)境建設(shè)投入強(qiáng)度、廢氣處理率、廢水處理率、廢物處理率、旅游立法完善程度、旅游管理者執(zhí)法力度。

選取有代表性的5個(gè)國家森林公園作為本論文的研究對象，5個(gè)國家級(jí)森林公園分別來自湖南、廣東和江西三省，在當(dāng)?shù)啬酥寥珖加幸欢ǖ闹群偷湫托?，分別記為 a1、a2、a3、a4和 a5。后 5 個(gè)公園（a6-a10）數(shù)據(jù)是在為確定評(píng)價(jià)結(jié)果可靠由專家確定的。具體分析數(shù)據(jù)如表1所示，其中C1～C14為成本型指標(biāo)，其余指標(biāo)為效益型指標(biāo)。根據(jù)需要將各方案分為“很不安全，不安全，比較安全，安全，很安全”5 個(gè)級(jí)別，記為 H0，H1，H2，H3，H4，確定各方案所屬類別。

利用基于區(qū)間FCM和二元語義的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)得到的分類閾值如表2。

對第1個(gè)指標(biāo)到第14個(gè)指標(biāo)：

當(dāng)方案在指標(biāo)Cj的值aij≥d1時(shí)，方案屬于H0；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d2≤aij＜d1時(shí)，方案屬于H1；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d3≤aij＜d2時(shí)，方案屬于H2；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d4≤aij＜d3時(shí)，方案屬于H3；

當(dāng)方案在指標(biāo)Cj的值aij＜d4時(shí)，方案屬于H4；

對第15個(gè)到16個(gè)指標(biāo)，第18個(gè)到第30個(gè)指標(biāo)：

當(dāng)方案在指標(biāo)Cj的值aij≤d1時(shí)，方案屬于H0；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d1＜aij≤d2時(shí)，方案屬于H1；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d2＜aij≤d3時(shí)，方案屬于H2；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d3＜aij≤d4時(shí)，方案屬于H3；

當(dāng)方案在指標(biāo)Cj的值aij＞d4時(shí)，方案屬于H4；

對第17個(gè)指標(biāo)：

當(dāng)方案在指標(biāo)Cj的值aij≤d1時(shí)，方案屬于H4；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d1＜aij≤d2時(shí)，方案屬于H3；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d2＜aij≤d3時(shí)，方案屬于H2；

當(dāng)方案在指標(biāo) Cj的值 d3＜aij≤d4時(shí)，方案屬于H1；

當(dāng)方案在指標(biāo)Cj的值aij＞d4時(shí)，方案屬于H0；

表1 各方案的指標(biāo)

表2 分類閾值表

利用FCM和二元語義方法得到各方案的排序向量為：2.240 8，2.896 3，2.825 6，2.443 8，2.767 1，0.268 5，1.286 4，2.028 6，2.849 1，3.621 3。

各方案的二元語義值分別為：（H2，0.240 8），（H3，-0.103 7），（H3，-0.174 4），（H2，0.443 8），（H3，0.232 9），（H0，0.268 5），（H1，0.286 4），（H2，0.028 6），（H3，0.150 9），（H4，0.0378 7），

對上述值進(jìn)行歸一化處理得到各方案的生態(tài)安全評(píng)價(jià)值為：0.562，0.724 075，0.706 4，0.610 9，0.691 775，0.067 125，0.321 6，0.507 15，0.712 275，0.905 325。

各方案的所屬類別為：a1∈H2，a2∈H3，a3∈H3，a4∈H2，a5∈H3，a6∈H0，a7∈H1，a8∈H2，a9∈H3，a10∈H4。

各方案的排序?yàn)椋篴6＜a7＜a8＜a1＜a4＜a5＜a3＜a9＜a2＜a10。

五、結(jié)論

本文通過引入?yún)^(qū)間值，將實(shí)數(shù)看成區(qū)間數(shù)的特例，語言值也轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)，解決了森林公園生態(tài)安全評(píng)價(jià)中定性數(shù)據(jù)難以處理的問題，利用二元語義FCM評(píng)價(jià)方法使得生態(tài)安全評(píng)價(jià)的排序更加客觀。通過實(shí)例計(jì)算，表明基于二元語義的區(qū)間FCM評(píng)價(jià)方法在森林公園生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用是有效的和可行的， 其評(píng)價(jià)結(jié)果客觀合理，在旅游區(qū)的生態(tài)評(píng)價(jià)實(shí)踐中具有一定的推廣性。

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