基于熵權(quán)-云模型的云南省森林城市建設(shè)潛力評價*

樊智豐，李乾陽，馬長樂，李瞞瞞

(1.西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院 國家林業(yè)和草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

森林城市是指在城市管轄范圍內(nèi)形成以森林和樹木為主體，山水林田湖草相融共生的生態(tài)系統(tǒng)，且各項指標(biāo)達到森林城市評價標(biāo)準(zhǔn)的城市[1]。建設(shè)森林城市的本質(zhì)是通過提高城市綠化基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量和質(zhì)量，實現(xiàn)城市社會、經(jīng)濟和環(huán)境之間的深層次協(xié)調(diào)，最后全面推進城市的可持續(xù)發(fā)展水平，提高城市居民的生活質(zhì)量[2]。

在森林城市發(fā)展和建設(shè)過程中，許多城市并未真正了解森林城市的本質(zhì)要求，出現(xiàn)了千城一面[3]、特色不突出[4]等問題，建設(shè)潛力評價對于預(yù)防和解決這些問題具有重要意義。李波等[5]從綠化面積建設(shè)潛力和綠化質(zhì)量提升潛力兩方面對赤峰市森林城市建設(shè)潛力進行了評價；趙曉潔等[6]基于結(jié)構(gòu)方程模型對珠三角國家森林城市群的居民支持度進行了研究。然而，目前國內(nèi)直接針對森林城市建設(shè)潛力的研究尚缺乏科學(xué)性和可操作性強的評價體系，評價角度往往過度強調(diào)城市綠化資源現(xiàn)狀和發(fā)展空間，未考慮城市特色和經(jīng)濟能力，評價方法單一。

科學(xué)合理評價森林城市的建設(shè)潛力，需要依次解決3個基本問題[7]。(1)構(gòu)建評價指標(biāo)體系。國家森林城市評價指標(biāo)包括森林網(wǎng)絡(luò)、森林健康、生態(tài)福利、生態(tài)文化和組織管理五大體系[1,8]，地級市有36項評價指標(biāo)，縣級市有33項評價指標(biāo)，由定量和定性兩大類指標(biāo)組成，部分指標(biāo)間具有較強的關(guān)聯(lián)性，少數(shù)指標(biāo)可以通過近期建設(shè)達到標(biāo)準(zhǔn)。建設(shè)潛力評價時不可能面面俱到，需要結(jié)合地域特點和經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，篩選或擬定具有代表性的核心指標(biāo)。(2)確定評價指標(biāo)的權(quán)重。各指標(biāo)對森林城市建設(shè)潛力的影響程度各異，評價時需要明確各自權(quán)重。權(quán)重確定方法可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類[9]，分別通過專家打分和數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)[10]。(3)定量評價指標(biāo)和定性評價等級之間的轉(zhuǎn)換。森林城市建設(shè)潛力的評價過程以定量為主，但評價結(jié)論是定性的，因此需要解決兩者之間的轉(zhuǎn)換問題。李德毅院士提出的云模型，很好地解決了定性與定量相互轉(zhuǎn)換的問題，目前已在林分空間結(jié)構(gòu)評價[7]、森林健康評價[11]、生態(tài)環(huán)境安全評價[12]等林業(yè)和生態(tài)領(lǐng)域得到應(yīng)用，在處理各類隨機性和模糊性問題中取得較好效果。

云南作為我國西部經(jīng)濟欠發(fā)達省份，雖然植被類型豐富、植物種類全國最多、森林覆蓋率高，但森林城市建設(shè)工作起步較晚、發(fā)展緩慢。截至2020年，獲得“國家森林城市”稱號的有昆明、普洱、臨滄、曲靖4個地級市和楚雄、景洪2個縣級市[13]。云南省森林資源和生態(tài)本底良好，絕大多數(shù)城市具備建設(shè)森林城市的基礎(chǔ)和條件。因此，本研究根據(jù)云南省省情和森林城市發(fā)展現(xiàn)狀，構(gòu)建適合云南省的森林城市建設(shè)潛力評價指標(biāo)體系，利用熵權(quán)法和云模型對云南省16個地級市(州)和18個縣級市的森林城市建設(shè)潛力進行合理評價，以期為云南省森林城市創(chuàng)建、建設(shè)和發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省簡稱“滇”或“云”，地理上的位置在21°09′～29°15′N，97°32′～106°12′E，北回歸線橫跨滇南?？偯娣e39.41×104km2，山地占全省國土總面積的94%。全省轄8個地級市、8個自治州，17個市轄區(qū)、18個縣級市、65個縣、29個民族自治縣。云南省是中國植物種類和數(shù)量最多的省份，素有“植物王國”的盛名。2020年，全省森林覆蓋率65.04%，城市建成區(qū)綠地率33.77%。

1.2 研究方法

1.2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建一個科學(xué)合理的評價指標(biāo)體系，有利于評估森林城市的發(fā)展?jié)撃?。以國家森林城市評價指標(biāo)[1]和云南省森林城市申報與評選考核辦法[14]中的關(guān)鍵性指標(biāo)為立足點，結(jié)合云南省地理區(qū)位特點、森林資源分布特點、城市綠化現(xiàn)狀和生態(tài)文化特點，按照系統(tǒng)性、科學(xué)性、可行性與可比性原則[15]，通過專家咨詢，確立了由4個一級指標(biāo)和12個二級指標(biāo)組成的云南省森林城市建設(shè)潛力評價指標(biāo)體系(表1)，每項指標(biāo)原始賦值0～10分，由熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，由云模型顯示各指標(biāo)的隸屬度。

表1 云南省森林城市建設(shè)潛力評價指標(biāo)體系

1.2.2 數(shù)據(jù)來源

指標(biāo)A1、B1的原始數(shù)據(jù)來源于《云南省2018年森林資源主要指標(biāo)監(jiān)測報告》；A2、A3、A4、B2指標(biāo)數(shù)據(jù)由云南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)行政主管部門提供；指標(biāo)C2的原始數(shù)據(jù)由云南省林業(yè)行政主管部門提供；指標(biāo)C1、C3、D1、D2、D3的原始數(shù)據(jù)通過查閱各城市的統(tǒng)計年鑒、公告等資料獲??；為確保原始資料的準(zhǔn)確性，對部分城市的B2、C2、C3指標(biāo)進行了實地調(diào)研，并借助衛(wèi)星影像檢測了部分城市的A2指標(biāo)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計基準(zhǔn)年為2018年。

1.2.3 森林城市建設(shè)潛力等級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)森林城市建設(shè)的特點，參照國內(nèi)和國際綜合評價分類標(biāo)準(zhǔn)，建立5級劃分標(biāo)準(zhǔn)，以此對云南省森林城市建設(shè)潛力進行評價，Ⅰ～Ⅴ級分別代表森林城市建設(shè)潛力高、較高、中等、較弱、弱。

1.2.4 熵權(quán)法權(quán)重確定

熵權(quán)法是把定性指標(biāo)與定量數(shù)值有機融合，把一個人的主觀決策運用數(shù)值形態(tài)學(xué)的方法來表述和處理，能夠最大限度地減少主觀影響，使評價結(jié)果更加可靠[17]。根據(jù)指標(biāo)之間的變化程度，利用信息熵來計算指標(biāo)之間的熵權(quán)重，客觀地確定每個指標(biāo)的權(quán)重[18]。計算步驟如下。

(1)構(gòu)造評價指標(biāo)特征值矩陣

式中：Xij為第j個指標(biāo)對應(yīng)于第i個對象的取值；m為評價對象個數(shù)；n為評價指標(biāo)個數(shù)。

(2)對指標(biāo)特征值矩陣歸一化處理，確定其隸屬度

選取的10個森林城市評價指標(biāo)全部為大而優(yōu)，即高數(shù)值有利，計算公式為：

(3)定義熵

(4)確定各個指標(biāo)的權(quán)重

1.2.5 云模型理論及特征參數(shù)

云模型是基于模糊教學(xué)和統(tǒng)計理論的定性定量轉(zhuǎn)換模型，可以實現(xiàn)不確定性語言與定量間的轉(zhuǎn)換[19]。云模型有3個數(shù)字特征：期望(Ex)、熵(En)和超熵(He)，其中期望代表定性概念，熵表示隨機性和模糊性之間的關(guān)聯(lián)性，超熵由熵的隨機性和模糊性決定[20]。

通過對云模型的3個數(shù)字特征定性分析，預(yù)測的期望值由約束條件下的空間中值表示，定量變量的逼近由雙邊約束條件下的云層表示。極限值對兩個極限具有相同的影響，由下式計算：

Ex=(Bmin+Bmax)/2

En=(Bmax-Bmin)/2.355

He=k×En(k=0.1)

熵權(quán)-云評價模型的計算步驟按張海俠和陳莉[21]的方法進行。利用matlab2018b完成云圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 地級市森林城市建設(shè)潛力評價

根據(jù)云南省2018年底森林城市建設(shè)潛力相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照評價指標(biāo)體系中各二級指標(biāo)的賦值標(biāo)準(zhǔn)，對16個地級城市的12個評價指標(biāo)分別賦值評分，結(jié)果如表2和圖1所示。

表2 云南省地級市森林城市建設(shè)潛力評價指標(biāo)評分?jǐn)?shù)據(jù)

圖1 云南省地級森林城市建設(shè)潛力評價指標(biāo)賦值結(jié)果

云南省森林覆蓋率整體較高，16個州市中有15個超過國家標(biāo)準(zhǔn)，10個州市為滿分，僅昭通市暫未達標(biāo)；城區(qū)綠化覆蓋率整體較差，西雙版納傣族自治州、昆明市、臨滄市等6個州市達到國家標(biāo)準(zhǔn)；麗江市、楚雄彝族自治州、玉溪市等5個州市的人均公園綠地面積達到國家標(biāo)準(zhǔn)；昆明市、曲靖市、玉溪市等7個州市建設(shè)有森林公園等大型休閑游憩綠地。迪慶藏族自治州、怒江傈僳族自治州、西雙版納傣族自治州等8個州市的單位面積森林蓄積量較高；所有州市的樹種多樣性均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。城市生態(tài)文化方面，8個州市開展了園林城市等創(chuàng)建活動，所有州市均制定了古樹名木保護管理制度，少數(shù)民族森林文化和傳統(tǒng)村落整體保存較好。城市經(jīng)濟基礎(chǔ)方面，僅昆明市、玉溪市和迪慶藏族自治州3個州市的人均GDP達到全國平均水平；除迪慶藏族自治州外，其余15個州市的城鎮(zhèn)化率均在50%以上；在云南省實施的國家級建設(shè)主要包括“一帶一路”“長江經(jīng)濟帶”“9+2泛珠三角合作”“中國-中南半島經(jīng)濟走廊”“孟中印緬經(jīng)濟走廊”“大湄公河次區(qū)域合作”6項[22]，覆蓋了多數(shù)州市；除曲靖市、玉溪市和楚雄彝族自治州外，其余13個州市的旅游產(chǎn)值均占經(jīng)濟總量的11%以上。各州市之間指標(biāo)分值差異較為顯著，如迪慶藏族自治州和怒江傈僳族自治州的森林網(wǎng)絡(luò)較差，但森林健康程度最好；西雙版納傣族自治州和德宏傣族景頗族自治州的森林網(wǎng)絡(luò)和森林健康較好，但人均GDP較低。因此，需要通過觀測計算各指標(biāo)提供的信息量，對各指標(biāo)因子進行權(quán)重賦值。

采用matlab2018b對以上16個城市(州)的評價指標(biāo)得分?jǐn)?shù)據(jù)進行分析。利用熵權(quán)法對12個評價指標(biāo)的權(quán)重進行計算，權(quán)重占比如下：ω={0.1970,0.1529,0.1107,0.0384,0.1024,0.1015,0.0941,0.0525,0.0223,0.0638，0.0320,0.0324}。將各指標(biāo)變量按最大最小排列，平均分成5個等級，對應(yīng)森林城市建設(shè)潛力的5個等級，各指標(biāo)的等級分值范圍見表3。

表3 云南省地級森林城市評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)

將每個指標(biāo)Ⅰ級的最大值、Ⅴ級的最小值，以及Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各級的平均值作為Ex，計算熵(En)和超熵(He)，運用正向云發(fā)生器算法，得到每個等級完整云圖。以森林覆蓋率(A1)為例，云數(shù)字特征值計算結(jié)果為：Ⅰ級(10.000，2.14，0.21)，II級(8.488，2.14，0.21)，Ⅲ級(7.480，2.14，0.21)，Ⅳ級(6.472，2.14，0.21)，Ⅴ級(4.960，2.14，0.21)，指標(biāo)A1隸屬于5個等級的云圖如圖2所示。

圖2 各等級森林覆蓋率云圖

根據(jù)每個指標(biāo)對應(yīng)各等級的云模型，分析得出Ⅰ級到Ⅴ級的平均隸屬值分別為{9.7858、7.5046、5.9837、4.4629、2.1817}。各城市的模糊運算隸屬度評價等級見表4。

表4 云南省地級森林城市各等級綜合隸屬度及評價結(jié)果

將熵權(quán)法-云模型的評價結(jié)果用ArcGIS進行數(shù)據(jù)處理和圖形編輯，得到云南省地級市的森林城市建設(shè)潛力評價圖(圖3)。

圖3 云南省地級市森林城市建設(shè)潛力評價圖

從評價結(jié)果來看:(1)西雙版納傣族自治州屬于第Ⅰ等級，西雙版納森林覆蓋率超過80%，區(qū)位條件優(yōu)越，森林城市建設(shè)潛力最高，可優(yōu)先考慮創(chuàng)建國家森林城市。(2)第Ⅱ等級包括昆明市、玉溪市、普洱市、德宏傣族景頗族自治州4個城市，森林城市建設(shè)潛力較高；其中，昆明市和普洱市已屬國家森林城市，玉溪市和德宏州的森林覆蓋率和城區(qū)綠化覆蓋率較高，經(jīng)濟基礎(chǔ)較好，建議盡快啟動創(chuàng)建國家森林城市工作。(3)楚雄彝族自治州、臨滄市、麗江市3個城市屬于Ⅲ級，表示森林城市建設(shè)潛力中等；其中，臨滄市已屬國家森林城市，建議楚雄州和麗江市重點加強城區(qū)綠化建設(shè)，提振林產(chǎn)經(jīng)濟，弘揚生態(tài)文化，爭取列入國家森林城市創(chuàng)建名單。(4)曲靖市、保山市、大理白族自治州、迪慶藏族自治州、怒江傈僳族自治州、紅河哈尼族彝族自治州、文山壯族苗族自治州屬于Ⅳ級，表示其森林城市建設(shè)潛力較弱；其中，曲靖市已于2019年創(chuàng)建成為國家森林城市，應(yīng)根據(jù)其森林城市建設(shè)總體規(guī)劃，繼續(xù)完成中長期建設(shè)任務(wù)；建議這類城市根據(jù)各自民族和森林文化特色，選擇重點發(fā)展方向，打造特色鮮明的森林城市。(5)昭通市屬于第Ⅴ等級。昭通市地處烏蒙山和橫斷山的生態(tài)交錯區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，森林資源分布不均勻、覆蓋率較低，城區(qū)公共綠地較少，森林城市建設(shè)潛力弱，應(yīng)重點做好生態(tài)綜合治理和森林培育工作，構(gòu)建金沙江生態(tài)屏障，為創(chuàng)建森林城市奠定基礎(chǔ)。

2.2 縣級市森林城市建設(shè)潛力評價

縣級城市的森林城市建設(shè)潛力評價方法同地級市，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2018年底統(tǒng)計數(shù)據(jù)，指標(biāo)賦值、權(quán)重確定、云模型生成和隸屬值計算方法與地級市完全相同。云南省18個縣級城市的森林城市建設(shè)潛力評價結(jié)果見表5。

表5 云南省縣級森林城市建設(shè)潛力評價結(jié)果

縣級城市的評價結(jié)果無第Ⅰ等級。第Ⅱ級的安寧市(隸屬于昆明市)、景洪市和第Ⅲ級的楚雄市已創(chuàng)建成為國家森林城市，騰沖市、芒市、彌勒市正在積極創(chuàng)建國家森林城市。建議其他縣級城市既要發(fā)展自身優(yōu)勢，又要彌補劣勢，爭取均衡發(fā)展，逐步擴大城市綠量，改善人居生態(tài)環(huán)境，推進生態(tài)文明建設(shè)，適時啟動創(chuàng)森工作。

3 討論與結(jié)論

云南省的森林城市創(chuàng)建工作于2010年啟動，森林城市建設(shè)已經(jīng)取得初步成效，但與先進省份相比較，還存在建設(shè)數(shù)量較少、投入不足，建設(shè)水平不高、特色不顯著等問題，這與云南省的生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢和人文地理優(yōu)勢不匹配。本研究從城市森林網(wǎng)絡(luò)、城市森林健康、城市生態(tài)文化和城市經(jīng)濟基礎(chǔ)4個方面綜合評價云南省16個地級市和18個縣級市的森林城市建設(shè)潛力，排出優(yōu)先建設(shè)順序，除現(xiàn)屬國家森林城市外，西雙版納傣族自治州、玉溪市、德宏傣族景頗族自治州3個地級市和騰沖市、景洪市2個縣級市可優(yōu)先考慮創(chuàng)建國家森林城市。

云南省地級森林城市建設(shè)潛力第Ⅰ等級城市較少，縣級森林城市建設(shè)潛力無第Ⅰ等級城市。主要有兩方面的原因，一是多數(shù)城市可建設(shè)性土地空間有限、城區(qū)綠量不足；二是云南省經(jīng)濟發(fā)展相對滯后、森林城市建設(shè)資金短缺。城市森林生態(tài)系統(tǒng)的主體是自然林[23]，云南省發(fā)展森林城市的優(yōu)勢之一就是自然林較多，但多數(shù)自然林分布在遠(yuǎn)離城市的山區(qū)。今后，應(yīng)通過森林城市建設(shè)，引林入城、營建近自然的健康森林[24]，促進城鄉(xiāng)居民身邊增綠，并發(fā)展生態(tài)公共服務(wù)，將生態(tài)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢。

云圖和建設(shè)潛力評價圖顯示，云南省各地區(qū)森林城市建設(shè)潛力差別明顯，滇中和滇南地區(qū)較高，滇東北最弱。建設(shè)潛力中等以上的城市應(yīng)把森林城市建設(shè)作為推動地方生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容和有力抓手，納入地方經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃中[25-27]，做到城市發(fā)展和生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護的協(xié)調(diào)和同步[28]。城市擴張往往威脅著城市邊緣的綠色空間[29]，建設(shè)潛力較弱的城市，城市邊緣生態(tài)敏感性一般較高，這些城市要利用城郊森林控制城市無序擴張[23]，逐步拓展城市的生態(tài)空間，為森林城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

充足的生態(tài)存量、健康的生態(tài)系統(tǒng)、特色的生態(tài)文化和良好的經(jīng)濟條件是森林城市的建設(shè)基礎(chǔ)。本研究綜合考慮了這4個維度的核心指標(biāo)，構(gòu)建了云南省森林城市建設(shè)潛力評價指標(biāo)體系，并將熵權(quán)法-云模型應(yīng)用到森林城市建設(shè)潛力評價中，取得了較好的效果，豐富了森林城市研究理論，也可為其他省份和城市的森林城市發(fā)展規(guī)劃提供借鑒。指標(biāo)體系構(gòu)建時，森林生態(tài)廊道、交通廊道綠化、河湖岸線綠化和城市森林綠道等連接各類生態(tài)斑塊的線性指標(biāo)，因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足而未列其中，有待進一步完善?；陟貦?quán)-云模型方法的研究數(shù)據(jù)越豐富，其評價結(jié)果越科學(xué)[7]，增加評價指標(biāo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立更加全面的森林城市建設(shè)潛力評價指標(biāo)體系，使熵權(quán)-云模型的方法優(yōu)勢充分顯現(xiàn)，可以更為精細(xì)地為每一座森林城市找準(zhǔn)發(fā)展定位。

致謝：感謝西南林業(yè)大學(xué)森林城市研究院、碩士生于達勇、本科生代昌豪對數(shù)據(jù)收集和計算提供的幫助。