基于投影尋蹤的土地復(fù)墾適宜性評價

賈文豪，董增川，耿 芳，段長桂

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098）

基于投影尋蹤的土地復(fù)墾適宜性評價

賈文豪，董增川，耿 芳，段長桂

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098）

為確定擾動區(qū)不同單元適宜的復(fù)墾方向，進(jìn)而指導(dǎo)擾動區(qū)的生態(tài)恢復(fù)，研究提出了基于投影尋蹤算法的模糊識別模型用于土地復(fù)墾適宜性評價，并選擇黑河市堤防擾動區(qū)為研究區(qū)進(jìn)行了實例研究。結(jié)果表明，各評價單元因基本條件不同，在復(fù)墾方向上存在顯著差異，將待復(fù)墾土地最終確定為農(nóng)業(yè)用地和林業(yè)用地2個不同的利用方向。投影尋蹤法得到的土地復(fù)墾適宜性評價符合擾動區(qū)實際狀況，對土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義，并可將模型推廣應(yīng)用于類似工程的土地復(fù)墾適宜性評價。

生態(tài)恢復(fù)；土地適宜性評價；擾動區(qū)；投影尋蹤法；黑河市堤防

1 土地復(fù)墾適宜性評價方法研究

針對土地復(fù)墾適宜性評價中指標(biāo)體系層次多且復(fù)雜，具有高維、非線性、非正態(tài)的特點，本研究選用投影尋蹤模型對多指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，在確定評價指標(biāo)后，土地復(fù)墾適宜性評價把現(xiàn)狀值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行分析和比較，并判斷與哪一分級標(biāo)準(zhǔn)更接近，因此，屬于模糊模式識別問題。

本研究結(jié)合投影尋蹤法與模糊模式識別，運用投影尋蹤法確定土地適宜性評價的指標(biāo)權(quán)重[7]，并構(gòu)造模糊識別模型對黑河堤防工程擾動區(qū)的土地復(fù)墾適宜性進(jìn)行評價。

進(jìn)行等級劃分后，設(shè)樣本的經(jīng)驗等級為y（i），各響應(yīng)的指標(biāo)分別為1，2，…，n。其中，n 為樣本個數(shù)，p 為指標(biāo)個數(shù)，其中，“一等（適宜）、二等（較適宜）、三等（勉強(qiáng)適宜）、四等（不適宜）”4 個等級分別對應(yīng)“1，2，3，4”這 4 個數(shù)。用投影尋蹤法建立模糊模式識別模型的具體步驟如下。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于各評價指標(biāo)量綱的不同以及變化范圍上的差異，需要對各指標(biāo)運用極差法進(jìn)行歸一化處理，使其具有可比性。對于正向性指標(biāo)，即數(shù)值與指標(biāo)等級呈正相關(guān)的指標(biāo)，歸一化方法如下。

對于負(fù)向性指標(biāo)，即數(shù)值與指標(biāo)等級呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)，歸一化方法如下。

式中，xmin（j），xmax（j）分別表示原始數(shù)據(jù)中第j個評價指標(biāo)最小值與最大值。

1.2 投影目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造

設(shè) a（j）是投影方向向量，樣本 i在 a（j）方向上的一維投影值如下。

在優(yōu)化一維投影值時，要求投影值Z（i）盡可能體現(xiàn)出小集中、大分散的散布特征。為此，用下式構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)。

式中，Sz，Qz分別為投影值 Z（i）的標(biāo)準(zhǔn)差和局部密度。

式中，E（Z）為序列的平均值；R為局部密度的窗口半徑，r（i，j）表示樣本間的距離。

1.3 投影指標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化

當(dāng)各指標(biāo)的樣本集確定后，投影目標(biāo)函數(shù)Q（a）僅由投影方向向量決定。不同的投影方向向量反映出不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征[8]。最佳投影方向向量可以通過設(shè)定約束條件后，求解其目標(biāo)函數(shù)確定。

目標(biāo)函數(shù)最大化方法如下。

通過以上轉(zhuǎn)化，將投影指標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題變成以a（j）為變量的非線性優(yōu)化問題。常規(guī)的線性方法難以處理，因而，選用在全局優(yōu)化方面通用性優(yōu)異的加速遺傳算法，來實現(xiàn)有效的高維全局尋優(yōu)。

1.4 建立投影尋蹤模糊模式識別模型

設(shè)有需要對模糊子集A進(jìn)行識別的s個樣本組成的集合，樣本的整體特征可用有m個指標(biāo)特征值組成的矩陣X表示。

式中，xij表示樣本j的第i個指標(biāo)的特征值。

將m項指標(biāo)c個級別標(biāo)準(zhǔn)評價，則有指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)矩陣如下。

式中，yih表示樣本h的第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)特征值。

對于指標(biāo)特征值y′ih隨級別h的增大而減小的指標(biāo)以及指標(biāo)與指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值對A的隸屬度分別如下。

設(shè)指標(biāo)的權(quán)重向量為 w＝（ω1，ω1，…，ωm），應(yīng)用拉格朗日函數(shù)[9]推導(dǎo)模糊識別模型如下。

2 實例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

黑河市城區(qū)堤防是黑龍江干流堤防工程的重要組成部分，堤防長度為21.493 km，位于黑河市東部。該段堤防主要保護(hù)黑河市城區(qū)及4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)約20萬人，具有重要的社會經(jīng)濟(jì)效益。該區(qū)呈中溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征，多年平均氣溫為-0.5℃，極端最低氣溫為-40℃，多年平均降水量為537.7 mm，降水量的年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在七八月，其占年降雨量的47.1%。擾動區(qū)的土壤土層較薄，土質(zhì)主要為黏土與礫石等。

擾動區(qū)占地面積總計約1 887 hm2，占地類型包括耕地、草地以及林地，其中以耕地為主。由于堤防修建產(chǎn)生擾動，使得占用的土地大多被破壞。

2.2 評價原則確定

2.2.1 因地制宜原則 本著“宜農(nóng)則農(nóng)、宜牧則牧、宜林則林”的原則，盡量恢復(fù)為耕地，以保護(hù)農(nóng)田。

2.2.2 綜合原則 使綜合效益最大，也即綜合考慮社會、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的效益。

2.2.3 主導(dǎo)因素原則 綜合對比分析土地復(fù)墾利用相關(guān)的諸多因素，最終確定影響復(fù)墾利用的主導(dǎo)因素。

2.3 評價單元劃分

評價單元是土地復(fù)墾適宜性評價的具體對象，評價單元及其組合可以反映土地對農(nóng)牧林業(yè)利用類型的適宜程度以及不同用地類型的地域分布狀況。評價單元的劃分決定了適宜性評價結(jié)果的精度、評價工作量的大小以及評價成果的可應(yīng)用性。評價單元的劃分依據(jù)應(yīng)綜合考慮土地破壞程度、限制性因素、破壞類型的影響。根據(jù)工程破壞土地的分析結(jié)果，將擾動區(qū)的評價單元劃分為主體工程區(qū)、料場區(qū)以及臨時道路區(qū)3個部分。

2.4 評價因子選取

在綜合考慮黑河堤防修建擾動區(qū)的地形條件、土質(zhì)情況、基礎(chǔ)設(shè)施條件以及土地破壞程度的基礎(chǔ)上，選取10項土地適宜性評價因子[10-14]，分別為：地形坡度、有效土層厚度、水土流失強(qiáng)度、土體容重、pH值、表層土壤質(zhì)地、損毀程度、灌溉條件、排水條件、交通條件。

2.5 評價等級確定

表1 黑河市堤防修建擾動區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《土地復(fù)墾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》（NY/T 1634—2008）等相關(guān)政策法規(guī)，參照“中國1∶100萬土地資源圖”的土地適宜類、土地限制型與土地質(zhì)量等級，結(jié)合現(xiàn)有研究成果[15-19]，按參評因素對耕地、林地、草地的影響，把土地復(fù)墾適宜性評價等級確定為4級（表1）。

2.6 評價結(jié)果

根據(jù)黑河市堤防修建擾動區(qū)各單元實際情況，得到各評價指標(biāo)值列于表2。

表2 黑河堤防土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)值

利用評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，建立起投影尋蹤聚類評價模型，代入投影尋蹤模型進(jìn)行優(yōu)化計算，得出最大投影值為2.644 6。最佳投影向量與權(quán)重分別為 0.537 8，0.498 6，0.222 7，0.203 3，0.203 3，0.128 5，0.497 9，0.157 5，0.128 6，0.181 8（最佳投影方向）；0.289 2，0.248 6，0.049 0，0.041 3，0.041 3，0.016 4，0.247 9，0.024 8，0.018 5，0.023 0（權(quán)重）。將一等、二等、三等、四等對應(yīng)的指標(biāo)值代入模糊識別模型中[20]，得到不同等級對應(yīng)的投影值范圍列于表3。

表3 土地適宜性評價級別判定范圍劃分

將各單元的指標(biāo)值代入模糊模式識別模型中，即可得到各單元土地復(fù)墾適宜性評價的最終結(jié)果以及相應(yīng)的等級（表4）。

表4 各單元土地復(fù)墾適宜性評價結(jié)果

3 結(jié)語

本研究基于黑河是堤防工程擾動區(qū)的特點，構(gòu)建了黑河市堤防工程擾動區(qū)土地復(fù)墾適宜性評價指標(biāo)體系，并建立了全面的土地復(fù)墾適宜性評價的等級標(biāo)準(zhǔn)。采用基于投影尋蹤法的模糊模式識別模型對黑河市堤防工程破壞的土地進(jìn)行評價，該模型采用投影尋蹤法確定各指標(biāo)權(quán)重，確保了權(quán)重分配的客觀合理性，選用模糊模式識別模型判別土地復(fù)墾適宜性評價等級，對各單元不同的適宜性等級進(jìn)行了劃分，實現(xiàn)了土地復(fù)墾適宜性評價，確定了待復(fù)墾土地合理的利用方向。對黑河市堤防擾動區(qū)的評價結(jié)果與黑河實際情況相符，驗證了文中投影尋蹤的模糊模式識別模型的可行性與可靠性。本研究結(jié)果不僅對黑河堤防擾動區(qū)落實生態(tài)文明建設(shè)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，也對類似工程的土地復(fù)墾評價具有一定的參考價值。

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Suitability Evaluation of Land Reclamation Based on Projection Pursuit

JIA Wenhao，DONG Zengchuan，GENG Fang，DUAN Changgui
（College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China）

To determine the suitable reclamation of disturbed zone,and guide the ecological restoration of disturbed area,this study proposes the land reclamation suitability evaluation of fuzzy recognition model based on projection pursuit algorithm.Heihe city local disturbance zone was studied as an example in study area.The results showed that the evaluation unit for different soil conditions,there were significant differences in the direction of reclamation land reclamation,eventually identified as agricultural land and forestry land use 2 different directions.The suitability evaluation of land reclamation by projection pursuit method accords with the condition of the disturbed area,has practical significance for land reclamation and ecological restoration and land reclamation model can be applied to similar engineering suitability evaluation.

ecological restoration;land suitability evaluation;disturbance zone;projection pursuit method;Heihe dike

TD88

A

1002-2481（2017）10-1667-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.10.23

堤防修建過程中，工程臨時用地的占用以及修建活動均會對土地造成挖損、壓占等破壞，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能出現(xiàn)退化，進(jìn)而使區(qū)域植被覆蓋率降低、水土流失強(qiáng)度增加、生物多樣性減少的問題逐漸凸顯。土地復(fù)墾適宜性評價是確定待復(fù)墾土地合理利用方向的一種有效的手段，在土地復(fù)墾中具有重要的地位[1]，但不同土地復(fù)墾適宜性評價方法對評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與客觀性具有較大差異[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對土地復(fù)墾適宜性評價已陸續(xù)開展了一系列研究。在不同評價方法中，王歡等[3]對土地復(fù)墾適宜性評價的方法進(jìn)行了總結(jié)，重點介紹了極限條件法、可拓法、指數(shù)和法、模糊綜合評價法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等5種方法；王世東等[4]提出了一種新的極限綜合評價法，對鶴壁礦區(qū)土地復(fù)墾的適宜性進(jìn)行了評價；文沛沨等[2]引入免疫克隆算法，對巴廣渝高速公路的土地復(fù)墾適宜性評價進(jìn)行研究；盧曉杰等[5]運用模糊綜合評判法對響水澗抽水蓄能電站工程待復(fù)墾地進(jìn)行了實例探究。上述方法已在土地復(fù)墾評價中得到了廣泛的應(yīng)用，并對土地復(fù)墾具有一定的指導(dǎo)意義。然而，這些方法基本都需要對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，存在主觀性與人為干擾性，且對高維數(shù)據(jù)處理難度較大[6]。

本研究選取黑河市堤防工程擾動區(qū)為研究對象，綜合考慮區(qū)域的社會、經(jīng)濟(jì)及土地使用情況，對評價單元進(jìn)行了劃分，構(gòu)建了土地適宜性評價指標(biāo)體系，建立基于投影尋蹤的模糊模式識別模型進(jìn)行土地復(fù)墾適宜性評價。該工程使用的評價方法及實踐經(jīng)驗，將有助于全面了解堤防工程施工占地的土地復(fù)墾適宜性評價方法，并依據(jù)實際情況及時提出完善措施，以切實保護(hù)土地、恢復(fù)生態(tài)、實現(xiàn)工程及所在區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

2017-03-28

黑龍江省應(yīng)用研究與開發(fā)計劃項目（GZ16B035）

賈文豪（1994-），男，安徽毫州人，在讀碩士，研究方向：生態(tài)水利。