論投影尋蹤法在生態(tài)城市評價中的應用

    論文摘要:將一種在在水質(zhì)評價中得到廣泛應用的評價方法——投影尋蹤評價法引入生態(tài)城市評價領域中。采用基于實數(shù)遺傳算法的投影尋蹤評價法，以生態(tài)城市課題組建立的指標體系(指標涉及資源，經(jīng)濟，社會，環(huán)境，體制等各方面因素)為基礎，利用M棚AB軟件對石家莊市2000~~2007年的生態(tài)城市建設進行了評價。
　　論文關鍵詞:投影尋蹤法；生態(tài)城市評價；石家莊市
　　“生態(tài)城市”是20世紀80年代產(chǎn)生的一個全新概念，指將“生態(tài)系統(tǒng)”思想引入到城市建設和管理的過程中。它最早是由前蘇聯(lián)生態(tài)學家0．Yanitsky1971年在聯(lián)合國教科文組織發(fā)起“人與生物圈計劃(MAB)”時提出的。之后，很多學者都對其進行了研究，并給出了定義。如1984年城市生態(tài)學家0．Yanistky提出，生態(tài)城市是指自然、技術、人文充分融合，物質(zhì)、能量、信息高效利用，人的創(chuàng)造力和生產(chǎn)力得到最大限度的發(fā)揮，居民的身心健康和環(huán)境質(zhì)量得到維護，一種生態(tài)、高效、和諧的人類聚居新環(huán)境。美國生態(tài)學家R．Richard認為，生態(tài)城市即生態(tài)健康的城市，是低污、緊湊、節(jié)能、充滿活力并與自然和諧共存的聚居地。雖然生態(tài)城市的概念尚處于不停的爭論、探索、修改、完善之中，但在原則問題上，人們已經(jīng)達成一些基本共識：“生態(tài)城市”的核心思想是它的區(qū)域整體觀和可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)觀，且一般要求具有以下幾種特性：和諧性、高效性、持續(xù)性、整體性、區(qū)域性、結(jié)構合理以及關系協(xié)調(diào)。
　　1生態(tài)城市測評方法概述
　　生態(tài)城市評價是生態(tài)城市建設的基礎工作，一套科學客觀的生態(tài)城市評價體系應具備以下功能：①幫助在操作層次理解什么是生態(tài)城市；②使城市建設轉(zhuǎn)向生態(tài)城市建設；③衡量生態(tài)城市建設的趨勢和速度，綜合衡量生態(tài)城市各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度。
　　具體到測評方法而言，不同的測評方法從不同的角度描述指標體系的屬性，由于各種方法的機理不同，方法的層次屬性相異，在應用不同的測評方法時，測評的結(jié)果也存在差異。因此，要反映一個城市的全貌，體現(xiàn)上述生態(tài)城市的內(nèi)涵要求，必須從多角度、全方位進行研究，這樣得出的結(jié)論才能體現(xiàn)城市系統(tǒng)的本質(zhì)和原貌。在數(shù)學分析方面，系統(tǒng)科學專家運用定量分析技術開發(fā)了幾十種測評方法。目前，常用的主要有層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)，因子分析法(FactorAnalysis，F(xiàn)A)以及網(wǎng)絡層次分析法(ANP)等。但是，這些方法都有其局限性。層次分析法對應生態(tài)城市評價是不適用的，因為指標之間是不完備、不互斥的；因子分析法是較常用且簡單的方法，能夠反映生態(tài)城市建設的大概狀況，但會丟失部分信息；網(wǎng)絡分析法能夠比因子分析法更全面地反映生態(tài)城市的概況，但其前提是各因子之間的關系比較清晰，這一過程需要作大量的研究工作。該文借鑒在水質(zhì)評價中得到廣泛應用，并被實踐證明比較科學、合理的評價方法——投影尋蹤評價法，將其應用到生態(tài)城市評價體系中。
　　2基于實數(shù)遺傳算法的投影尋蹤評價法
　　投影尋蹤評價方法是針對目前常規(guī)的系統(tǒng)綜合評價方法的形式化、數(shù)學化等局限性，以及對某些高維、非線性、非正態(tài)評價問題的適應能力不強等不足之處，提出的一種由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動的探索性數(shù)據(jù)分析方法。該方法的思路是把高維數(shù)據(jù)通過某種組合投影到低維子空間上，對于投影到的構形，采用投影指標函數(shù)(目標函數(shù))來描述投影值暴露原系統(tǒng)綜合評價某種分類排序結(jié)構的可能性大小，尋找出使投影指標函數(shù)達到最優(yōu)(即能反應高維數(shù)據(jù)結(jié)構或特征)的投影值。然后根據(jù)該投影值來分析高維數(shù)據(jù)的分類結(jié)構特征(即尋求投影尋蹤聚類評價模型)。其中，投影指標函數(shù)的構造及其優(yōu)化問題是運用投影尋蹤方法成功的關鍵。
　　遺傳算法是解決函數(shù)優(yōu)化問題的數(shù)據(jù)挖掘方法。遺傳算法源于對生物系統(tǒng)所進行的計算機模擬研究，是Michigan大學的Holland教授及其學生根據(jù)生物模擬技術創(chuàng)造出來的自適應概率優(yōu)化技術。遺傳算法通過計算機編碼實現(xiàn)模擬生物進化過程中的復制、交叉、變異、顯性、倒位等遺傳過程，實現(xiàn)系統(tǒng)設計、函數(shù)優(yōu)化等復雜過程。它與傳統(tǒng)的算法不同，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法是基于1個單一的度量函數(shù)(評估函數(shù))的梯度或較高次統(tǒng)計，以產(chǎn)生1個確定性的試驗解序列。遺傳算法不依賴于梯度信息，而是通過模擬自然進化過程來搜索最優(yōu)解，它利用某種編碼技術，作用于稱為染色體的數(shù)字串，模擬由這些串組成的群體的進化過程。遺傳算法是通過有組織、隨機的信息交換來重新組合那些適應性好的串，生產(chǎn)新的串的群體。
　　基于實數(shù)的加速遺傳算法(RAGA)的投影尋蹤聚類評價(Projectionpursuitclassiifcationeva luationmodelbasedonRAGA，PPCE)模型的分析過程包括以下4個步驟。
　　步驟1：評價指標值的歸一化處理。
　　步驟2：構造投影指標函數(shù)。投影尋蹤方法就是把P維數(shù)據(jù)綜合成l維投影值。然后根據(jù)1維投影值進行分類。在求投影值時，要求投影值的散布特征為：局部投影點盡可能密集，最好凝聚成若干個點團；而在整體上，投影點團之間要盡可能散開。基于此，構造投影指標函數(shù)。
　　步驟3：優(yōu)化投影指標函數(shù)。當各指標值的樣本集給定時，投影指標函數(shù)只隨著投影方向的變化而變化。不同的投影方向反應不同的數(shù)據(jù)結(jié)構特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構的投影方向，可通過求解投影指標函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向。這是一個復雜非線性優(yōu)化問題，用常規(guī)優(yōu)化方法處理較困難。模擬生物優(yōu)勝劣汰規(guī)則與群體內(nèi)部染色體信息交換機制的加速遺傳算法是一種通用的全局優(yōu)化方法，用它來求解上述優(yōu)化問題較簡便和有效。
 　　步驟4：排序分類。根據(jù)步驟3求得投影值，并進行排序分類。

　　3投影尋蹤評價法在石家莊生態(tài)城市測評中的應用
　　3．1數(shù)據(jù)的收集和處理指標體系含5個子系統(tǒng)，63個指標分量。數(shù)據(jù)來源主要有《石家莊統(tǒng)計年鑒》(2001—2007)，《石家莊年鑒》(2001～2006)，《中國環(huán)境年鑒》(2001～2005)，《河北環(huán)境統(tǒng)計公報>(2oo2—2007)，《石家莊市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》(2005～2OO7)，石家莊市衛(wèi)生信息網(wǎng)，石家莊市商務局，河北省環(huán)境保護局公眾網(wǎng)，中國生態(tài)網(wǎng)，石家莊發(fā)展和改革委員會網(wǎng)站，地方志網(wǎng)站等。對于個別變量在某些年份缺失的問題，可以通過回歸分析法、均值法或者成果參照法來估計指標值。如果超過3年不可獲得，則將其去掉。對某些不容易定量的指標的量化問題，本著實用的角度，這里采用評價等級的方法確定。
　　3．2數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)在進行分析之前，要先進行無量綱化處理。該文將原始數(shù)據(jù)處理為0～1的無量綱數(shù)據(jù)。
　　3．3對各子系統(tǒng)的評估利用MATIAB軟件實現(xiàn)基于實數(shù)遺傳算法的計算。下面是對石家莊生態(tài)城市各子系統(tǒng)的計算分析結(jié)果。
　　(1)資源支持子系統(tǒng)。2OO2～2003年資源支持發(fā)展平穩(wěn)，2OO4～2OO7年，該資源系統(tǒng)得到了較大發(fā)展。科技水平、科技資源、文化狀況和城市基礎設施建設是主要影響指標。
　　(2)經(jīng)濟發(fā)展能力子系統(tǒng)。除2001年經(jīng)濟發(fā)展能力倒退之外，2OO0 2005年經(jīng)濟發(fā)展能力一直以較快的速度發(fā)展，2005——2O07年發(fā)展能力平穩(wěn)。經(jīng)濟競爭力、經(jīng)濟運行效率、經(jīng)濟水平和經(jīng)濟推動力是主要影響指標。
　　(3)社會支持系統(tǒng)。除2001年社會支持系統(tǒng)得分有所下降外，其他年份均有所增長，2002年有1個陡增。社會保障、住房、信息獲取能力和社會公平是主要影響指標。
　　(4)環(huán)境支持子系統(tǒng)。2000～2O02年環(huán)境狀況一直處于下降趨勢，2003～2037年環(huán)境不斷改善。氣候變化、地表水、噪聲和大氣環(huán)境是主要影響指標。
　　(5)體制與管理子系統(tǒng)。2000～2001年得分下降，到2002年得分有1個陡增，隨后發(fā)展水平比較平穩(wěn)。科技投入、財政能力、環(huán)境管理和戰(zhàn)略實施是主要影響指標。
　　3．4對石家莊市的綜合評價為了更全面地分析石家莊生態(tài)城市的建設狀況，筆者對63個指標變量進行了綜合投影尋蹤法分析。石家莊市綜合評價得分(即投影值)為：
　　Zmax=(1．8802，1．8564，2．3935，2．8093，3．3172，4．1416，4．5966，5．6911)
　　石家莊生態(tài)城市評價體系測評得分排序為：2001年<2000年<2002年<2003年<2OO4年<2005年<20O6年<2O07年。即從2132年開始石家莊生態(tài)城市建設水平一直處于不斷提高中。根據(jù)最佳投影方向n，可進一步評價各指標對評價結(jié)果的影響程度。結(jié)果顯示，科技水平、科技投入、經(jīng)濟競爭力和信息獲取能力對生態(tài)城市建設的影響最大，其次是城市基礎設施、資源利用率、經(jīng)濟推動力、綜合管理能力、環(huán)境管理能力和水質(zhì)，再次是文化狀況、教育水平和大氣狀況等，其他指標影響較小。
　　4結(jié)論
　　投影尋蹤方法在水質(zhì)評價中得到廣泛應用，并被實踐證明是一種科學、合理的評價實現(xiàn)方法。該方法的核心是目標函數(shù)的確定和計算，其計算量非常大，而遺傳算法的引入使目標函數(shù)的實現(xiàn)變得容易，在推廣上起到重要作用。遺傳算法的進一步完善將是投影尋蹤法不斷完善的基礎。筆者首次將投影尋蹤法引入到城市評價中來，是一種大膽的科學的嘗試，在實證中也取得了較理想的結(jié)果。然而該方法的認可和推廣還有相當大的距離，還需要廣大研究者進行大量理論和實證研究來不斷完善該測評方法。隨著數(shù)據(jù)挖掘技術的不斷推廣，生態(tài)城市評價體系測評方法必將隨之進步。