基于云模型與熵權法的安徽省土地生態安全評價研究①

黃木易，何 翔

（安徽建筑大學環境與能源工程學院，合肥 230601）

基于云模型與熵權法的安徽省土地生態安全評價研究①

黃木易，何 翔

（安徽建筑大學環境與能源工程學院，合肥 230601）

土地生態環境條件是區域社會經濟可持續發展的基礎。本研究以安徽省為例，根據“自然-社會-經濟”復合系統理論構建土地生態安全評價指標體系，應用云理論，將正態云模型與熵權法引入安徽省土地生態安全評價研究中，揭示近10年來安徽省土地生態安全狀況、演變規律及障礙因子。研究結果表明：①2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態安全水平分別處于一般、良好和健康水平，土地生態安全狀況趨于良性發展；②基于綜合指數評價方法，2005年、2010年和2013年的土地生態安全水平評價結果分別為0.184 8、0.342 4和0.473 0，表明安徽省土地生態安全處于穩步上升趨勢，與云模型評價結論一致；③指標隸屬度分析顯示，2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態安全處于良好及以上水平的指標分別為7個、13個和17個，處于上升趨勢；而一般及以下水平的指標分別為16個、10個和6個，處于下降趨勢。因此，近10年來，安徽省土地生態系統整體狀況趨于良性發展，在一定程度上體現了生態文明建設對土地生態系統的優化效應。

正態云模型；熵權法；土地生態安全；安徽省

土地是人類生產和生活的重要資源和資產，是整個資源、環境的根基，居核心地位。土地生態系統也是整個生態系統的組成部分，土地利用或配置是否合理，對整個資源節約與環境保護有重大影響［1］。土地生態系統的安全對于生態環境系統影響很大［2］，人類面臨的許多生態環境問題其深層次的原因都與土地的利用有關。可以說土地生態系統安全狀況是社會經濟可持續發展的基礎。土地生態評價研究是一直是LUCC研究領域的熱點［3-9］。相關研究廣泛采用的評價方法主要有神經網絡、模糊綜合評價和主成分分析等［10-11］，這類傳統的評價方法在一定程度上忽視了評價中存在的不確定性問題［12］。1993年，李德毅院士首次提到云的概念，并以此為基礎建立了定性定量之間轉換的不確定性轉換模型［13-14］。云模型在概念的不確定性分析上具有獨特優勢，以及該模型能較好地體現評價中模糊性和隨機性問題，因此，引入云模型能有效解決土地生態安全評價過程中的不確定性轉換及隨機性和模糊性問題。云模型理論最初較多的應用在復雜系統過程評估、系統性能測試、電子產品可靠性等方面［15-16］，近年來，該方法廣泛應用在水質評價［17］、環境評價［12］、生態安全評估［18-19］等研究中。

安徽省位于華東腹地，區域優勢明顯。近年來，隨著中部崛起戰略的提出、皖江城市帶產業轉移示范區的設立，安徽省的社會經濟高速發展，2005年全省生產總值（GDP）為5 350.17億元，2013年達19 229.34億元，增長約2.6倍。另外，2014年12月29日，國家發展改革委等11個部委聯合印發了《國家新型城鎮化綜合試點方案》，并將安徽列為國家新型城鎮化綜合試點省，未來安徽省必將迎來新一輪的工業化和城鎮化浪潮，區域經濟高速增長將會對土地資源與生態環境產生巨大的沖擊。因此，作為全國生態省建設試點之一，安徽省在加強生態強省建設進程中，面臨著區域社會經濟快速發展的機遇，而如何協調好經濟發展與生態建設的關系是能否取得社會經濟可持續發展的關鍵。本文基于“自然-社會-經濟”復合系統理論，構建土地生態安全評價指標體系，引入云理論對近10年來的安徽省土地生態安全系統進行分析評估，揭示土地生態安全狀況、演變規律及障礙因子，研究結果在一定程度上可為安徽省未來生態保護、規劃和建設提供相應的理論依據。

1 研究方法與數據處理

1.1 土地生態安全評價指標體系構建及數據標準化

本文在前人相關研究基礎上［3-9，20-22］，結合安徽省實際情況，根據“自然-社會-經濟”復合系統理論，構建土地生態安全評價指標體系。研究所采用的數據來源主要為2006年、2011年和2014年《安徽省統計年鑒》、環境狀況公報等統計數據資料。依據評價指標體系，建立土地生態安全因素集，A=｛A1，A2，…，A23｝，將2005年、2010年、2013年的各指標數據進行標準化處理，結果見表1。

表1 土地生態安全評價指標體系及權重Table1 Index system and weights of land ecological security evaluation

1.2 正態云模型與熵權法

正態云模型是定性定量轉換的不確定性轉換模型［13］。正態云的數字特征用3個數值來表征，分別為：期望（Expected value，Ex），其代表定性概念論域的中心值；熵（Entropy，En），其度量了定性概念在論域中可被接受的數值范圍；超熵（Hyper entropy，He）是關于熵的不確定性度量。它們反映了定性概念和定量特性。云的生成可以通過云發生器（Cloud generator，CG）進行模擬產生，它是云生產的算法，其中正向云發生器是最基本的算法，它可以實現定性信息向定量范圍和分布規律的轉換。圖1是本研究基于Matlab7.0編程模擬的評價指標正態云模型。

指標因子權重的確定對評價結果至關重要。目前常用的方法主要有專家評分法、模糊綜合評判法、層次分析法、主成分分析法等。熵權法是一種客觀賦權方法，通過指標信息熵值的大小進行權重分配，從而克服了專家經驗、視角等主觀性原因造成的權重不確定性。目前，相關研究中常采用熵權法進行評價指標權重的計算，主要計算步驟可參考相關文獻［19］。本文采用熵權法對標準化后的評價指標進行權重系數計算，結果見表1。

圖1 恩格爾系數正態云模型Fig. 1 Normal cloud model of Engel’s coefficient

2 結果與分析

2.1 云模型參數確定及評價因子正態云模型生成

評價中的每個指標所對應的等級用正態云的隸屬度來判斷，即每個評價指標將會生成一個正態云模型。在已經確定了評價因子及其標準的基礎上，某評價指標可以通過其上、下邊界｛a1，a2，a3，a4，a5｝來確定云的3個數字特征，公式如下［17］：

式中：Bmin、Bmax分別表示評價指標的最小與最大邊，k為常數，可根據變量的模糊閾度進行調整，文中取經驗值0.1。本文確定的云模型參數計算方法見表2。

表2 云模型的數字特征的確定方法Table2 Determination of cloud model digital characteristics

各個等級上、下限值分別用a1，a2，a3，a4，a5表示，即評價語集可表示為C=｛（a1+a2）/2，（a2+a3）/2，（a3+a4）/2，（a4+a5）/2｝。根據指標的各等級上、下限值，依據上述公式，計算每個等級對應的正態云模型特征值，用得到的正態云模型來決定23個指標的各個等級。以恩格爾系數（C8）指標為例，該評價指標分成4個等級，即評價語集C=｛低，較低，較高，高｝，分別表示該指標代表的恩格爾系數4個級別，其各級別｛低，較低，較高，高｝的上、下邊界值為｛ （60，50），（50，45），（45，40），（40，35）｝ （限于篇幅，其余指標上、下邊界數值略）。按照云數字特征計算公式得到各指標的正態云模型參數。本文基于Matlab7.0模擬該評價指標的正態云，其隸屬度標準正態云模型分布見圖1所示。恩格爾系數正態云模型分布圖表示該指標｛危險，一般，良好，健康｝等級分別對應了｛低，較低，較高，高｝級別的隸屬度。

2.2 評價因子正態云模型隸屬度矩陣分析

通過對2005年、2010年、2013年安徽省土地生態安全評價指標數據進行標準化處理，將標準化后的數據利用熵值法計算各個指標的權重，結果見表1。利用評價權重集=｛0.002 5，0.000 6，0.187 6，0.012 8，0.011 0，0.019 6，0.033 7，0.003 2，0.199 5，0.008 1，0.173 6，0.157 8，0.000 1，0.003 0，0.079 5，0.000 6，0.002 2，0.006 5，0.032 1，0.061 2，0.000 1，0.001 5，0.003 2｝建立指標的評價語集，將每個指標分成4個等級，即評價語集C=｛危險，一般，良好，健康｝，分別表示該指標代表的安徽省土地生態安全4個級別｛低，較低，較高，高｝。利用逆向發生器可計算得出這一指標每個等級的正態云模型標準值。然后，計算各個年份對應每個等級的隸屬度。本文基于Matlab7.0編程模擬各評價指標的正態云，令N= 1 000，重復運行正向正態云發生器1 000次，得到不同的隸屬度，然后計算均值作為土地生態安全評價指標在某一等級下的隸屬度。23個指標的模糊隸屬度矩陣見表3。

指標隸屬度分析表明，2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態安全處于良好及以上水平的指標分別為7個、13個和17個；而處于一般及以下水平的指標分別為16個、10個和6個。近10年，安徽省良好及以上指標處于上升趨勢，一般及以下水平指標處于下降趨勢，土地生態安全系統整體表現較好。從2013年近期評價結果來看，處于健康水平的指標共9個，其中5個位于土地經濟生態安全子系統中，3個位于土地自然生態安全系統中，1個位于土地社會生態安全子系統中。而危險指標在各子系統中均有1個，分別為土地受自然災害比重（A3）、單位面積農用地薄膜使用量（B6）和人口自然增長率（C7），值得注意的是，這3個指標從2005年到2013年，在近10年間呈現不斷惡化趨勢。保障土地生態安全，促進土地資源可持續發展，必須加強土地災害治理投入，減少農用薄膜塑料用品或使用可降解農用薄膜避免土地污染，改善農業生態環境，適度控制人口增長、提高人口素質，緩解區域人地矛盾。分析表明，目前安徽省土地生態系統中的經濟生態安全子系統較優，在保持經濟生態安全前提下，應進一步加強自然和社會生態安全子系統的指標建設，從而保障安徽省土地生態安全系統的全面提升與優化。

2.3 土地生態安全綜合評價結果

將土地生態安全隸屬度矩陣與指標權重集進行模糊轉換［23］，得到土地生態安全的綜合評價結果。根據最大隸屬度原則，將評價結果隸屬度中最大值對應的等級作為安徽省土地生態安全的水平，如表3所示。以2005年評價結果為例，｛危險，一般，良好，健康｝4個等級的隸屬度值分別為｛0.400 4，0.517 1，0.275 3，0.208 2｝，依據最大隸屬度原則，2005年安徽省土地生態安全級別為一般。依此類推，分別求得2010年、2013年安徽省土地生態安全水平，分別為良好和健康。

正態云模型評價結果表明，過去近10年，安徽省土地生態安全水平從一般上升為良好和健康，土地生態系統狀況得到改善。為了對比，本文也利用綜合指數法對各年份土地生態安全進行了分析，采用公式：進行土地生態安全綜合計算，式中：LESi為土地生態安全綜合指數值；ijX′為評價指標層各指標的標準化值；Wij為評價指標的權重。計算結果表明，安徽省2005年、2010年和2013年土地生態安全綜合指數值分別為0.184 8、0.342 4和0.473 0，表明近10年來，安徽省土地生態安全水平呈穩步上升態勢，結果與云模型評價結論一致。生態系統具有重要的服務價值，是社會經濟可持續發展評估研究的關鍵內容［24］。因此，健康的土地生態系統可為區域社會經濟的可持續發展奠定良好的基礎。統計表明，2005年全省國內生產總值5 380.67億元，2013年增長至19 052.35億元，約為2005年的3.6倍，近10年來，安徽省GDP呈快速增長趨勢，但人均GDP綠色指標如萬元GDP能耗等卻呈下降趨勢［25］，安徽省生態環境質量提高與該省生態文明建設成果息息相關。本文中土地生態安全評價研究的結果在一定程度上符合安徽省生態建設成果的實際狀況。

表3 云模型隸屬度矩陣（2005—2013年）Table3 The membership matrix of cloud model（2005-2013）

3 結論與討論

針對土地生態安全評價中指標存在模糊性等特點，云模型作為定性定量不確定性轉換模型，評價指標中定性概念表達的不確定性可以得到反映，熵權方法可有效解決生態安全評估中指標客觀賦權問題。另外，由最大隸屬度決定土地生態安全水平等級，解決了評價過程中存在的不確定性問題。因此，基于云模型與熵權法可以更加科學、客觀地進行土地生態安全評價。研究表明，近10年來，安徽省土地生態安全水平由一般上升為良好、健康等級，呈上升發展趨勢，土地生態系統整體上處于良性狀態，基于正態云模型方法的研究結果與安徽省生態建設的實際成果比較吻合。2003年，安徽省確定了“建設生態安徽”戰略目標，并成為全國生態省建設試點省份之一。近年來，安徽省生態文明建設工作力度在不斷加強，生態環境質量穩步上升。隨著2012年《安徽省生態強省建設實施綱要》正式發布實施，進一步促進了生態環境條件的改善。因此，安徽省土地生態系統呈現良性發展趨勢在一定程度上體現了生態文明和生態強省建設對區域生態系統的優化效應。

指標隸屬度分析表明，2005年、2010年和2013年，安徽省土地生態安全處于良好及以上水平的指標數量在逐步增加，而處于一般及以下水平的指標數量在逐漸下降。相對而言，目前安徽省土地生態系統中的土地經濟生態安全子系統較優，在保持經濟生態子系統良好的情況下，應當進一步優化自然和社會生態安全子系統，促進安徽省土地生態安全系統全面提升。值得注意的是，近10年來，安徽省土地生態安全評價指標系統中的土地受自然災害比重、單位面積農用地薄膜使用量和人口自然增長率指標呈現惡化趨勢。因此，針對云模型的安徽省土地生態安全評價結果，加強土地生態治理力度和財政投入、減少污染性農用薄膜，提高農業科技投入，推廣使用生物可降解塑料用品、適度控制人口增長，提高人口素質，緩解區域人地矛盾等是保障安徽省土地生態系統安全，促進社會經濟可持續發展的必要措施。

［1］ 吳次芳， 徐根保. 土地生態學［M］. 北京： 中國大地出版社， 2003： 27-61

［2］ 吳紹華， 虞燕娜， 朱江， 等. 土壤生態系統服務的概念、量化及其對城市化的響應［J］. 土壤學報， 2015， 52（5）：970-978

［3］ 黃輝玲， 羅文斌， 吳次芳， 等. 基于物元分析的土地生態安全評價［J］. 農業工程學報， 2010， 26（3）： 316-322

［4］ 謝花林. 土地利用生態安全格局研究進展［J］. 生態學報，2008， 28（12）： 6 305-6 310

［5］ 張強， 薛惠鋒， 張明軍， 等. 基于可拓分析的區域生態安全預警模型及應用——以陜西省為例［J］. 生態學報，2010， 30（16）： 4 277-4 286

［6］ 張軍以， 蘇維詞， 張鳳太. 基于PSR模型的三峽庫區生態經濟區土地生態安全評價［J］. 中國環境科學， 2011，31（6）： 1 039-1 044

［7］ 徐昌瑜， 陳健， 孟愛農， 等. 基于FRAGSTATS的區域土地生態質量綜合評價研究［J］.土壤，2013，45（2）： 355-360

［8］ 王亮， 卞正富. 基于災變理論的鹽城市土地生態安全評價研究［J］. 長江流域資源與環境， 2014， 23（2）： 231-236

［9］ 李春燕， 南靈. 陜西省土地生態安全動態評價及障礙因子診斷［J］. 中國土地科學， 2015， 29（4）： 72-81

［10］ 李明月， 賴笑娟. 基于BP神經網絡方法的城市土地生態安全評價——以廣州市為例［J］. 經濟地理， 2011， 31（2）：289-292

［11］ 王鵬， 況福民， 鄧育武， 等. 基于主成分分析的衡陽市土地生態安全評價［J］. 經濟地理， 2015， 35（1）： 168-172

［12］ 賀三維， 潘鵬， 王海軍， 等. 基于PSR和云理論的農用地生態環境評價——以廣東省新興縣為例［J］. 自然資源學報， 2011， 26（8）： 1 346-1 352

［13］ 李德毅， 孟海軍， 史雪梅. 隸屬云和隸屬云發生器［J］.計算機研究與發展， 1995， 32（6）： 15-20

［14］ 陳貴林. 一種定性定量信息轉換的不確定性模型—云模型［J］. 計算機應用研究， 2010， 27（6）： 2 006-2 010

［15］ 宋遠駿， 李德毅， 楊孝宗， 等. 電子產品可靠性的云模型評價方法［J］. 電子學報， 2000， 28（12）： 74-77

［16］ 張勇， 李長征， 趙東寧， 等. 軍事電子信息系統性能測試評估的研究與實現［J］. 軍事運籌與系統工程， 2003（3）：40-44

［17］ 丁昊， 王棟. 基于云模型的水體富營養化程度評價方法［J］.環境科學學報， 2013， 33（1）： 251-257

［18］ 張楊， 嚴金明， 江平， 等. 基于正態云模型的湖北省土地資源生態安全評價［J］. 農業工程學報， 2013， 29（22）：252-258

［19］ 龔艷冰. 基于正態云模型和熵權的河西走廊城市化生態風險綜合評價［J］. 干旱區資源與環境， 2012， 26（5）：169-174

［20］ 汪朝輝， 田定湘， 劉艷華. 中外生態安全評價對比研究［J］.生態經濟， 2008（7）： 44-49

［21］ 余敦， 高群， 歐陽龍華. 鄱陽湖生態經濟區土地生態安全警情研究［J］. 長江流域資源與環境， 2012， 21（6）：678-683

［22］ 宮繼萍， 石培基， 魏偉. 基于BP人工神經網絡的區域生態安全預警——以甘肅省為例［J］. 干旱地區農業研究，2012， 30（1）： 211-216

［23］ 龔艷冰， 張繼國. 基于正態云模型和熵權的人口發展現代化程度綜合評價［J］. 中國人口·資源與環境， 2012，22（1）： 138-143

［24］ 宮繼萍， 石培基， 楊雪梅. 黑河中游土地生態價值及生態風險動態研究——以甘肅省民樂縣為例［J］. 土壤，2012， 44（5）： 846-852

［25］ 季培君. 安徽省生態文明建設現狀評價及對策研究［J］.江西農業學報， 2015， 27（4）： 125-130

Evaluation of Ecological Security of Land in Anhui Province Based on Normal Cloud Model and Entropy Weight

HUANG Muyi， HE Xiang
（School of Environment and Energy Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China）

A set of evaluation indexes was established with the help of the ecological system of ‘nature-society-economy’ to solve fuzziness and randomness problems in the land ecological evaluation of Anhui Province. The normal cloud model and entropy weight theory are introduced to the present study. The entropy weight method was used to the calculate the evaluation weight of factors， and the normal cloud model was used to describe the grade of land ecological security in Anhui Province under 23 indexes. The results showed that： 1） from 2005 to 2010 and 2013， the grade of land ecological security in Anhui Province increased from general to good and excellent status. 2） The values of land ecological security obtained with the comprehensive evaluation method were 0.184 8， 0.342 4 and 0.473 0 in 2005， 2010 and 2013， respectively. These results suggested that the land ecological security in Anhui Province was improved continuouslly during last ten years， which was consistent with the results obtained by the normal cloud model. 3） The analyses of evaluation indexes indicated that there were 7， 13 and 17 indexes at good and excellent levels， and 16， 10 and 6 indexes at a general level in 2005， 2010 and 2013， respectively. Overall， the status of land ecological security in Anhui Province tends to be good performance in recent ten years， which was attributed to the conservation culture promotion in the province.

Normal cloud model； Entropy weight； Land ecological security； Anhui Province

F301；X826

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.029

國家自然科學基金項目（41471422）、安徽省高校省級優秀青年人才基金重點項目（2013SQRL047ZD）和安徽省財政、住建廳徽派建筑保護省級專項（HPZX2013-01）資助。

黃木易（1978—），男，安徽蕪湖人，博士，副教授，主要從事土地管理與3S技術應用研究。E-mail： huangyang78@163.com