基于改進層次結構的自然保護區管理評價平臺

摘要：為了更有效地分析我國自然保護區管理的有效性，特從管理措施、保護效果、社會影響等不同角度進行分析，并以黃河三角洲、輝河、圖牧吉、寶天曼這4個國家級自然保護區為例，采用改進層次分析法同時配以不同權重的方式來評價保護區的管理效果。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判斷矩陣的轉換關系，給出把一致互反矩陣轉換成模糊互補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。

關鍵詞：評價平臺；管理有效性；自然保護區；層次分析法；模糊層次分析法

中圖分類號：S759.9 文獻標識碼：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

世界性的環境問題日益嚴重，自然保護區的建立也越來越受到重視[1]。目前自然保護區在保護自然生態系統類型、野生動物、高等植物、重要自然遺跡、天然濕地和優質森林等方面發揮了重要作用[2，3]。自然保護區的建立對物種多樣性的保護、生態系統的平衡、人與自然的和諧相處有重要意義，對科學研究也有重要的幫助[4，5]。雖然自然保護區的建立對物種的保護起到了一定的作用，但是距離預定的目標仍有很大的差距，因為目前保護區的狀況不容樂觀，中國的自然保護區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構，通過元素間兩兩比較重要性構造判斷矩陣，層次排序等步驟計算各層要素相對于總目標的合成權重，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，而且權重計算略顯復雜；模糊層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）也是基于傳統層次分析法的思想，但它以減法作為比較方式[11-14]。所以，FAHP保留了層次分析法的研究原理和步驟，并引入了模糊互補矩陣的概念，故FAHP優點是計算更簡單。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換為模糊層次分析法中的模糊互補矩陣進行計算，這樣既保證了AHP的精確性又體現了FAHP計算的簡潔性，是AHP與FAHP相結合的產物。在自然保護區管理有效評價中使用改進的層次分析法一方面保證了評價的準確度，另一方面也便于評價系統的實現和應用。

1 改進層次分析法

1.1 層次分析法算法介紹

1）根據分析問題間的相互關系，建立層次結構；

2）確定判斷矩陣。為了把采集到的主觀信息進行統一的量化，在構造各個層次的判斷矩陣時采用1～9的比例標度將思維判斷數量化來反映多數人的判斷能力，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 陣準則的相對權重W見公式（1），并進行矩陣一致 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，當CR<0.1時，認為判斷矩陣滿足一致性要求；RI為平均隨機性指標（random index），如表1所示；CI為一致性指標（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）根據分析問題間的相互關系，建立層次結構；

2）確定判斷矩陣。在該算法中是基于0.1～0.9數量標度，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矩陣，并調整為模糊一致矩陣。設上一層次為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）分層次計算權重。采用權重計算公式：

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

4）計算綜合權重。

1.3 層次分析法的改進

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換成模糊互補矩陣的方法，進而將AHP中除法權重求解用FAHP的減法得到。

定義1：設矩陣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[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的轉置矩陣，RC為R的余矩陣；

6）從R中去掉任意一行及其對應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λ≥0.5時，若cij≥λ，cjk≥λ，有cik≥λ；當λ≤0.5時，若cij≤λ，cjk≤λ，有cik≤λ。

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

證明因A=（aij）n×n為一致的正互反矩陣，A的秩為1，可設：

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

wi=■-■+■■bik，證明權的排序不變，設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，可以先轉換后計算權重，這樣計算較為簡單。利用定理1的結果，同樣可以得到一個把一致互反矩陣轉換 成模糊矩陣的結果（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）后得到的模糊互補矩陣B=（bij）n×n。

3）通過權的計算公式得到結果。

2 自然保護區管理有效性評價模型的指標體系

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

2.1 建立層次結構模型

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

2.2 各指標權重的確定

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

2.3 確定保護效果

為了驗證平臺的使用效果，以4個保護區為實例，用實際的數據反映保護區的管理效果。

黃河三角洲國家級自然保護區高級工程師13人，工程師40人，專業技術人員共計53人，專業技術人員所占比例為20.38%。保護區2009年總經費321萬元，其中用于保護性的資金128.26萬元，保護性資金使用效率為39.96%。科研項目投入額度300萬元，違法事件的頻率2次，目標保護程度84.69。保護區總面積15.3萬hm2，其中核心區面積5.8萬hm2，典型生境優勢度為37.91%，生境退化指數為0.43%，植被覆蓋度為47.07%，NPP為464.01 g/m2，社區參與度為48.78%，社會認知率為96.0%。全年共接待海內外游客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區定編15人，現實有人員24名，專業技術人員6人，專業技術人員所占比例為25%。輝河國家級自然保護區基礎建設配套資金累計286萬元，其中國家級累計投入150萬元，自治區累計投入95萬元，呼倫貝爾市財政投入41萬元，直接用于保護性方面的資金為85.8萬元，保護性資金使用率為30.00%。科研項目投入額度200萬元，違法事件的頻率8次，目標保護程度44.06。保護區總面積為34.68萬hm2。保護區主要設立了高林溫都爾、草甸草原、沙地樟子松疏林等3個核心區，面積6.84萬hm2，為典型生境區，占保護區總面積的19.72%。通過地面實地調查，實際對88個樣方進行測量，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2010年9月9日遙感數據，反演生成NPP、植被蓋度等數據，按照植被類型進行分類統計，該保護區的平均植被覆蓋度為44.38%，生境退化指數為6.69%，NPP為316.78 g/m2，社區參與度為21.92%，社會認知率為89.0%。年均旅游人次為4.13萬。

圖牧吉國家級自然保護區現有事業編制人員40人，其中高級工程師2人，工程師4人，專業技術人員所占比例為15%。國家共投入經費1 189萬元，其中2004、2006、2007、2008年環保能力建設經費分別為90萬、80萬、100萬、90萬元，2007、2008年林業一期工程建設經費分別為400萬、339萬元，2008年國家疫源疫病監測站建設經費40萬元，2009年植被恢復經費50萬元。用于保護性設施、材料等費用共計310.2萬元，保護性資金使用效率為26.09%。科研項目投入額度82萬元，違法事件的頻率3次，目標保護程度77.57。圖牧吉自然保護區核心區分為馬鞍山、靠山、圖牧吉泡子及三道泡子核心區，面積20 757 hm2，保護區總面積為94 837 hm2。其典型生境優勢度為21.89%，生境退化指數為2.7%，植被覆蓋度為25.57%，NPP為235.59 g/m2，社區參與度為25.2%，社會認知率為85.0%。年均旅游人次為0.4萬。

寶天曼國家級自然保護區人員編制140人，現有正式職工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員7人，專業技術人員共計12人，專業技術人員所占比例為11.76%。保護區直接保護性資金為163萬元，保護性資金使用率為61.05%。科研項目投入額度300萬，違法事件的頻率0次，目標保護程度320.05。保護區管理總面積9 304 hm2，其中核心區面積3 040 hm2，典型生境優勢度為32.67%，生境退化指數為0.04%，植被覆蓋度為67.0%，NPP為9 949.6 g/m2，社區參與度為23.15%，社會認知率為95.0%。2010年生態旅游區共接待游人10萬人次，年均旅游人次為10萬。

根據以上數據建立數據模型，評價結果匯總見表7。將黃河三角洲、輝河、圖牧吉、寶天曼4個保護區的數據相應項分別根據其監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。由此可以得知保護區管理效果存在差異，其中寶天曼國家級自然保護區的管理效果最好，其次則是黃河三角洲國家級自然保護區，然后是圖牧吉國家級自然保護區，最后是輝河國家級自然保護區。

3 小結

在多維決策系統分析中，尤其是在同一層中的元素的個數較多時，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 權重計算略顯復雜；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合的產物，并將該算法應用到自然保護區管理的有效性評價中。在計算過程中可通過公式轉換方法，將層次分析法中的一致互反判斷矩陣轉換成模糊判斷矩陣，再使用模糊層次分析法中的權重公式進行計算，簡單、方便、有效。

致謝：該系統測試所使用的數據皆由中國農業科學院作物科學研究所及中國環境科學研究院生態研究實際調研中得出，對于他們提供的幫助表示深深的感謝！

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