城市生態安全評價研究

李小玲 楊成忠

摘要：基于城市生態安全內涵，運用壓力-狀態-響應（PSR）模型建立了平涼市生態安全評價指標體系，并以最大信息熵原理（MIEP）為基礎，自組織特征映射神經網絡（SOFM）為算法，借助MATLAB數學軟件為計算平臺，從復雜系統結構演化的角度提出了城市生態安全評價模型。最后，用MIEP模型對青海省平涼市2002—2011年的城市生態安全進行了評價。結果表明，平涼市城市生態安全狀態呈上升好轉的狀態，生態安全水平穩步提高。2002—2009年平涼市城市生態安全狀態是臨界安全，2010和2011年是較安全，在2011年達到最高值1.372 6，但與理想的安全水平還有一定的差距。

關鍵詞：城市生態安全；壓力-狀態-響應（PSR）模型；最大信息熵原理（MIEP）；平涼市

中圖分類號：X22；X32 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）16-0113-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.16.027 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Assessment of Urban Ecological Security

LI Xiao-ling1，YANG Cheng-zhong2

（1.Qinghai University ，Xining 810016， China；2.The First Surveying and Mapping Institute of Qinghai Province， Xining 810001， China）

Abstract： Based on the concept of urban ecological security（UES），the UES assessment indicator system of Pingliang city is established according to PSR（pressure-state-response） model. UES assessment model was proposed from structural evolution of complex systems based on the maximum information entropy principle（MIEP），self-organizing feature map neural network（SOFM） algorithm and MATLAB mathematical software. The UES status of Pingliang city showed that an increasing trend from 2002 to 2011. In 2002-2009，The UES of Pingliang city was in critical security，and improved in 2010-2011，2010 and 2011 was safer，in 2011 reached the highest value of 1.372 6，but there was still a gap with the ideal level of safety.

Key words： urban ecological security； pressure state response（PSR） model； maximum information entropy principle（MIEP）； Pingliang city

工業文明給人類帶來極大的物質財富，城市化進程也隨著快速工業化而加快。工業化和城市化給人類帶來福利的同時，人類的生存環境也遇到了嚴重的破壞和威脅，產生了生態環境問題，如大氣、水體、固體廢棄物污染、土壤污染、光污染、化學污染、生物多樣性減少等，還有如交通擁擠、水資源短缺、占用耕地、就業緊張、住房奇缺等一系列的“城市病”。這些問題已經嚴重威脅到人類的生存和生活，進而威脅到人類的集中地——城市生態安全。城市生態安全是國家安全的重要組成部分之一，是確保國家安全的生態基礎和屏障。研究城市生態安全、保護城市安全，對未來城市的發展具有重要而積極的作用，城市生態安全評價研究是適應中國快速城市化發展中保障城市生態安全的要求，能夠滿足促進城市健康發展和為人們提供良好的城市生態環境的重大需求。城市生態安全狀況分析是生態城市建設的前提和必要條件，對生態城市建設有指導意義。

1 城市生態安全理論

心理學家馬斯洛提出了“基本需求層次理論”，將人的需求分為5個層次：其中“安全需要”列為第二層次，僅次于第一層次的“生理需求”。由此可見，安全對于人類的重要程度。這也說明對于城市生態安全的研究不僅僅是專業技術上的需要，更是人類社會的需要。

城市生態安全是指一個城市的環境和資源狀況能夠滿足人類經濟、社會等持續發展需求，又能通過自身及經濟、社會的調節保證其生態環境狀況處于不受或少受威脅的狀態。其中，人類社會的需求與資源環境的可持續供給之間的供給是核心內容[1]。其研究對象是涵蓋自然、經濟、社會3個子系統的自然-經濟-社會復合生態系統。3個子系統之間相互作用，自然生態系統提供服務，社會、經濟系統消耗資源、排放廢棄物并積極響應；3個系統之間是相互作用、相互制約的關系，體現在各種相互間的威脅與破壞上，同時三者間又相互的有機聯系，相互支持與完善，使城市處于自然系統健康，經濟和社會系統可持續發展的廣義可持續發展狀態，進入城市生態安全的理想模式。

城市生態安全評價就是根據經濟社會持續發展與生態安全影響因子間的關系，在分析生態環境對社會經濟持續發展的影響與制約的基礎上劃定生態安全與不安全的界線，對生態安全程度進行區分[2]。生態安全研究逐漸成為生態科學和環境科學關注的焦點[3-7]。生態安全評價的方法有很多，如綜合指數法、主成分分析法、生態足跡法、景觀生態格局法、灰色關聯法等，這些方法都不同程度地考慮了人類活動對環境壓力、自然資源質量變化和人類活動的情況，但不能清楚地揭示生態安全的機理和動態演化過程，未體現生態安全體系內部各要素之間的關聯性和耦合性，也很難預測生態安全的發展趨勢。本研究運用系統論的觀點，對青海省平涼市城市生態系統安全狀況進行了分析評價，構建了基于最大信息熵的評價指標體系和城市生態安全模型，通過模型計算和分析，評判平涼市的生態安全狀況，確定安全等級，對于平涼市生態城市建設具有重要的指導意義。

2 基于PSR模型的平涼市生態安全指標體系

關于城市生態安全評價指標體系，學術界用的比較多的主要有：壓力-狀態-響應（PSR）模型[8]、驅動力-壓力-狀態-影響-響應（DPSIR）模型[9]和驅動力-狀態-響應（DSR）模型[10]等。使用最多的是PSR模型，其可操作性強，邏輯關系清晰明了，強調環境與經濟運作之間的聯系。本研究構建平涼市生態安全指標體系，選用PSR模型，壓力層選取經濟、人口、土地、資源和環境5個壓力要素，每個指標反映的是城市生態安全問題產生的影響因素；狀態層由資源和環境2個質量狀態要素構成，每個指標的值反映城市生態不同環境的質量狀況；響應層由污染控制、經濟投入和人文社會3個響應要素構成，每個指標反映人類對生態環境問題和安全威脅的應對能力。依據城市生態安全的內涵，遵照指標選取的全面性、系統性、科學性、可操作性等一般原則，參考相關文獻[11，12]，選取城市生態系統中反映各要素層的27個指標，構建了基于PSR模型的平涼市生態安全指標體系（圖1）。

3 基于最大信息熵的平涼市生態安全模型

城市生態系統是一個開放復雜的巨系統，城市生態系統內部各個要素之間相互作用、相互制約，這種相互作用多為復雜的非線性作用。城市生態系統的演化和發展就是受這些相互作用的影響，其演化遵循最大信息熵原理（MIEP）。城市生態安全受各因素的影響，將這些影響因素用組元x1，x2，x3，…，xn來表示，組元之間的無窮相互關聯和耦合（包括物質流動、能量流動和信息交換）用廣義的耦合函數C來描述，在某一時間點t，生態系統中所有的相互聯系和耦合的平均值為C，可以用廣義信息熵Ej表示為：

Ej=C=∫？籽（x，t）C（x）d（x）=∫？籽（x，t）（？濁+∑iIixi+

∑ijIijxixj+∑ijkIijkxixjkxk+…）d（x） （1）

式中，？籽（x，t）為概率密度，？濁為常數，I為各組元間的相互作用系數。

考慮到城市生態系統的動力學演化過程中的系統邊界和各種約束條件，可以將其轉化成各組元之間的各種守恒關系，如質量守恒關系、動量守恒關系和能量守恒關系等，用x1，x2，x3，…，xn表示為：

=a1，=a2，=a3，=a4 （2）

式中，<>表示求統計平均值，如=a1即為 ∑i ？籽i xi=a1。

引入最大信息熵原理（MIEP），即一個遠離平衡狀態的復雜開放系統總是尋找一種優化過程，使得系統在給定的約束或代價下從外界獲得的廣義信息熵最大[13]。平涼市城市生態系統尋求安全狀態的過程就是在約束條件（2）下信息熵Ej最大化的過程。

令式（1）在約束條件式（2）下取極大值，利用Lagrange乘算法，由泰勒展開式得：

？籽（x，t）=e？灼+∑i？啄ixi+∑ij？啄ijxixj+∑ijk？啄ijkxixjxk+…=e？準（？啄，x）（3）

式中，？準是勢函數，？灼和？啄是反映組元相互作用的微動力學規則參數，其值取決于a1-a4，勢函數？準控制著系統組元相互作用而形成有序結構的動力學過程。將勢函數？準進行平移變換，再對變換后的二階常數項矩陣對角化，引入變量？姿k=∑■■？棕kixi，則勢函數？準變為：

？準 （？漬，？姿）=μ+∑k？漬k？姿2k+…（4）

式中，？姿k是xi的組合模式，代表城市生態安全的結構模式；？棕ki表示xi對城市生態安全的貢獻能力，是系統與xi之間的連接權值；？漬k是矩陣？棕ki的特征值，最大？漬k對應的系統的組合模式？姿k是評價系統狀態的關鍵參量， 是常數。

根據？墜？姿k/？墜t=？墜？準 /？墜？姿k+Fk（t）（5）

推出城市生態安全結構演化的動力學方程為：

？姿′k=？漬k？姿k+Zk（？姿1，？姿2，？姿3，…，？姿k）+Fk（t），k=1，2，…，n（6）

Fk是隨機力函數，Zk為非線性作用函數。城市生態系統內部組元x1，x2，x3，…，xn之間的競爭、協同共生等相互作用（模型中用？棕ki及正負和來描述組元間相互作用的大小和類型），它們共同調節著城市生態系統的發展狀態和變化趨勢。城市生態系統的功能結構模式由組元間不同的作用形式來決定，最終形成不同的城市生態安全結構模式？姿k。在約束或代價下獲得廣義信息熵最大時，產生最終競爭獲勝模式？姿，是最終涌現的穩定模式，它代表了平涼市在該階段的生態安全狀況。由變化的組元x1，x2，x3，…，xn驅動的動力學演化過程，式（6）可作為判斷和分析城市生態安全各種狀態結構模式穩定性的基礎。由此，基于最大信息熵（MIEP）的平涼市生態安全評價模型建立。

自組織特征映射神經網絡（Self-organizing feature mapping，SOFM），是神經元網絡，它建立在一維、二維或三維的神經元網絡上，用于捕獲包含在輸入模式中感興趣的特征，描述在復雜系統中從完全混亂到最終出現整體有序的現象。SOFM是由大量廣泛互連的簡單神經元組成的復雜非線性系統，SOFM能夠積極掌握輸入數據信息的主要特征，自動組織數據信息的空間結構，進行無監督的自組織學習。SOFM的工作原理與上述評價模型的動力學過程相似，與最大信息熵控制下的復雜系統演化過程是相對應的。將平涼城市生態系統的組元x1，x2，x3，…，xn映射到SOFM網絡的人工神經元上，并通過模擬激發某一個神經產生連接權值？棕ki，同時獲得組合模式？姿k的波動過程，最終產生獲勝結構模式？姿的值。通過MATLAB軟件編程，實現對式（6）的求解，得到反映城市生態安全狀態的特征值？姿，以實現對城市生態安全狀況的量化。

4 平涼市生態安全綜合評價分析

根據所建數學模型的步驟，首先對評價指標數據進行無量綱化處理，然后依次代入所建立的SOFM網絡中進行分類分析，通過借助MATLAB計算軟件，分別得到能夠反映平涼市城市生態壓力指標、生態狀態指標和生態響應指標的特征值（表1）。

將表1中的數據代入上述所建立的SOFM網絡中，計算平涼市2002—2011年表征城市生態安全的？姿值（？姿1～？姿10），用MATLAB軟件，對數據設定400步，進行神經網絡模擬，平涼市生態安全的動態演化的模擬訓練結果見圖2。圖2表明在給定不同評價指標參數后，城市生態系統內部各組元在約束條件下不斷進行競爭、協調和自組織，系統由最開始的各種組合模式，經過一定時間后，最終產生反映其安全狀況的獲勝模式？姿的過程，該獲勝模式對映的？姿值表征了平涼市的城市生態安全狀況。城市生態系統中的指標年年都在變化，神經信息網絡中各組元之間的相互作用和耦合關聯不同，連接權值？棕ki也在變化之中，所以2002—2011年的獲勝模式也不同。模擬前期？姿值波動較大，表明生態系統安全狀況的可能取值范圍比較廣，在后期？姿值基本趨于穩定，表明系統內部通過組元間的相互作用，在遵循最大信息熵原理下逐漸達到了相對穩定的模式，可用穩定后的？姿值代表城市生態安全的綜合狀況。？姿值越大，城市生態系統的安全程度越高，平涼市可持續發展性越強。

5 平涼市生態安全分級

在參考相關文獻[13-15]和咨詢專家的基礎上，再根據模擬得到的值，設計了一個5級分級標準，將城市生態安全分成：不安全狀態、較不安全狀態、臨界安全狀態、較安全狀態和安全狀態5個級別，得到的城市生態安全評價分級標準如表2。

結合2002—2011年在數據模擬過程中得到的？姿值，根據表2中的分級標準，得到了平涼市各年份的城市生態安全級別（表3）。結果表明，？姿值逐年增大，平涼市城市生態安全狀態呈上升好轉的狀態，平涼市生態安全水平穩步提高。2002—2009年平涼市城市生態安全狀態是臨界安全，2010年和2011年是較安全，？姿在2011年達到最高值1.3726。這與2004年平涼市的國家級生態示范區創建工作是密不可分的，2005年生態安全？姿值有大幅度的提升，在創建過程中平涼市加大對環境保護工作的投資，同時制定和實施一些措施和項目，改善平涼市的生態環境狀況，各項建設指標達到國家級生態示范區的建設標準，并在2011年得到國家環保部命名，平涼市生態安全水平逐步提高。2010年轉入較安全狀態，2011年值達到1.376 2，但與理想的安全水平還有一定的差距。

6 小結

從復雜系統組元相互作用動力學的角度，建立了基于最大信息熵（MIEP）的城市生態安全的評價模型，并用其分析研究了平涼市2002—2011年的城市生態安全狀況，建立5級評價分級標準。結果表明，平涼市城市生態安全狀態呈上升好轉的狀態，生態安全水平穩步提高。2002—2009年平涼市城市生態安全狀態是臨界安全，2010和2011年是較安全， 在2011年達到最高值1.372 6，但與理想的安全水平還有一定的差距。

利用最大信息熵（MIEP）模型評價城市生態安全，揭示城市生態系統在內部各組元的相互作用和耦合下，形成不同結構模式的動態演化過程，系統能夠自主獲取各組元的連接權值？棕ki，并最終得到的“獲勝模式”？姿值，代表城市生態安全的狀態，對城市安全狀態做出了定量評價，結果更加客觀。

參考文獻：

[1] 楊志峰，徐琳瑜，毛建素，等.城市生態安全評估與調控[M].北京：科學出版社，2013.

[2] 周國富.生態安全與生態安全研究[J].貴州師范大學學報（自然科學版），2003，21（3）：105-108.

[3] 孫鴻烈，鄭 度，姚檀棟，等.青藏高原國家生態安全屏障保護與建設[J].地理學報，2012，67（1）：3-12.

[4] 張虹波，劉黎明.土地資源生態安全研究進展與展望[J].地理科學進展，2006，25（5）：77-85.

[5] 秦曉楠，盧小麗，武春友.國內生態安全研究知識圖譜——基于Citespace的計量分析[J].生態學報，2014，34（13）：3693-3703.

[6] 鄒長新，沈渭壽.生態安全研究進展[J].生態與農村環境學報，2003，19（1）：56-59.

[7] 曲格平.關注生態安全之一：生態環境問題已經成為國家安全的熱門話題[J].環境保護，2002（5）：3-5.

[8] 殷春雪，李 鋒，錢 誼，等.基于熵權的長沙市城市生態安全綜合評估與預測[J].環境科學與技術，2013，36（1）：169-174.

[9] 劉世棟，薛東前，高 峻.上海杭州灣北岸濱海地區生態安全評價[J].安全與環境學報，2012，12（6）：124-130.

[10] 談迎新，於忠祥.基于DSR模型的淮河流域生態安全評價研究[J].安徽農業大學學報（社會科學版），2012，21（5）：35-39.

[11] 陶曉燕，朱九龍，王世軍.基于屬性識別理論的城市生態安全評價——以廣州市為例[J].生態環境學報，2010，19（9）：2048-2053.

[12] 龔建周，夏北成.城市生態安全評價及部分城市生態安全態勢比較[J].安全與環境學報，2006，6（3）：116-119.

[13] 熊艷玲，柴立和.基于信息熵最大原理的城市生態系統安全評價——以上海市為例[A].中國自動化學會.第六屆ABB杯全國自動化系統工程師論文大賽論文集[C].中國自動化學會，2013.

64-70.

[14] 劉 勇，劉友兆，徐 萍.區域土地資源生態安全評價——以浙江嘉興市為例[J].資源科學，2004，26（3）：69-75.

[15] 張鳳太，蘇維詞，周繼霞.基于熵權灰色關聯分析的城市生態安全評價[J].生態學雜志，2008，27（7）：1249-1254.