論投影尋蹤法在生態城市評價中的應用

    論文摘要:將一種在在水質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城市評價領域中。采用基于實數遺傳算法的投影尋蹤評價法，以生態城市課題組建立的指標體系(指標涉及資源，經濟，社會，環境，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年的生態城市建設進行了評價。
　　論文關鍵詞:投影尋蹤法；生態城市評價；石家莊市
　　“生態城市”是20世紀80年代產生的一個全新概念，指將“生態系統”思想引入到城市建設和管理的過程中。它最早是由前蘇聯生態學家0．Yanitsky1971年在聯合國教科文組織發起“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年城市生態學家0．Yanistky提出，生態城市是指自然、技術、人文充分融合，物質、能量、信息高效利用，人的創造力和生產力得到最大限度的發揮，居民的身心健康和環境質量得到維護，一種生態、高效、和諧的人類聚居新環境。美國生態學家R．Richard認為，生態城市即生態健康的城市，是低污、緊湊、節能、充滿活力并與自然和諧共存的聚居地。雖然生態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，人們已經達成一些基本共識：“生態城市”的核心思想是它的區域整體觀和可持續發展的生態觀，且一般要求具有以下幾種特性：和諧性、高效性、持續性、整體性、區域性、結構合理以及關系協調。
　　1生態城市測評方法概述
　　生態城市評價是生態城市建設的基礎工作，一套科學客觀的生態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城市；②使城市建設轉向生態城市建設；③衡量生態城市建設的趨勢和速度，綜合衡量生態城市各子系統的協調程度。
　　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，測評的結果也存在差異。因此，要反映一個城市的全貌，體現上述生態城市的內涵要求，必須從多角度、全方位進行研究，這樣得出的結論才能體現城市系統的本質和原貌。在數學分析方面，系統科學專家運用定量分析技術開發了幾十種測評方法。目前，常用的主要有層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)，因子分析法(FactorAnalysis，FA)以及網絡層次分析法(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，能夠反映生態城市建設的大概狀況，但會丟失部分信息；網絡分析法能夠比因子分析法更全面地反映生態城市的概況，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，將其應用到生態城市評價體系中。
　　2基于實數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的系統綜合評價方法的形式化、數學化等局限性，以及對某些高維、非線性、非正態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據驅動的探索性數據分析方法。該方法的思路是把高維數據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(目標函數)來描述投影值暴露原系統綜合評價某種分類排序結構的可能性大小，尋找出使投影指標函數達到最優(即能反應高維數據結構或特征)的投影值。然后根據該投影值來分析高維數據的分類結構特征(即尋求投影尋蹤聚類評價模型)。其中，投影指標函數的構造及其優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優化問題的數據挖掘方法。遺傳算法源于對生物系統所進行的計算機模擬研究，是Michigan大學的Holland教授及其學生根據生物模擬技術創造出來的自適應概率優化技術。遺傳算法通過計算機編碼實現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，實現系統設計、函數優化等復雜過程。它與傳統的算法不同，傳統的優化算法是基于1個單一的度量函數(評估函數)的梯度或較高次統計，以產生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解，它利用某種編碼技術，作用于稱為染色體的數字串，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，生產新的串的群體。
　　基于實數的加速遺傳算法(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。投影尋蹤方法就是把P維數據綜合成l維投影值。然后根據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。
　　步驟3：優化投影指標函數。當各指標值的樣本集給定時，投影指標函數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據結構特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高維數據某類特征結構的投影方向，可通過求解投影指標函數最大化問題來估計最佳投影方向。這是一個復雜非線性優化問題，用常規優化方法處理較困難。模擬生物優勝劣汰規則與群體內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化方法，用它來求解上述優化問題較簡便和有效。
 　　步驟4：排序分類。根據步驟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城市測評中的應用
　　3．1數據的收集和處理指標體系含5個子系統，63個指標分量。數據來源主要有《石家莊統計年鑒》(2001—2007)，《石家莊年鑒》(2001～2006)，《中國環境年鑒》(2001～2005)，《河北環境統計公報>(2oo2—2007)，《石家莊市國民經濟和社會發展統計公報》(2005～2OO7)，石家莊市衛生信息網，石家莊市商務局，河北省環境保護局公眾網，中國生態網，石家莊發展和改革委員會網站，地方志網站等。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數據處理原始數據在進行分析之前，要先進行無量綱化處理。該文將原始數據處理為0～1的無量綱數據。
　　3．3對各子系統的評估利用MATIAB軟件實現基于實數遺傳算法的計算。下面是對石家莊生態城市各子系統的計算分析結果。
　　(1)資源支持子系統。2OO2～2003年資源支持發展平穩，2OO4～2OO7年，該資源系統得到了較大發展。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)經濟發展能力子系統。除2001年經濟發展能力倒退之外，2OO0 2005年經濟發展能力一直以較快的速度發展，2005——2O07年發展能力平穩。經濟競爭力、經濟運行效率、經濟水平和經濟推動力是主要影響指標。
　　(3)社會支持系統。除2001年社會支持系統得分有所下降外，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)環境支持子系統。2000～2O02年環境狀況一直處于下降趨勢，2003～2037年環境不斷改善。氣候變化、地表水、噪聲和大氣環境是主要影響指標。
　　(5)體制與管理子系統。2000～2001年得分下降，到2002年得分有1個陡增，隨后發展水平比較平穩。科技投入、財政能力、環境管理和戰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年開始石家莊生態城市建設水平一直處于不斷提高中。根據最佳投影方向n，可進一步評價各指標對評價結果的影響程度。結果顯示，科技水平、科技投入、經濟競爭力和信息獲取能力對生態城市建設的影響最大，其次是城市基礎設施、資源利用率、經濟推動力、綜合管理能力、環境管理能力和水質，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結論
　　投影尋蹤方法在水質評價中得到廣泛應用，并被實踐證明是一種科學、合理的評價實現方法。該方法的核心是目標函數的確定和計算，其計算量非常大，而遺傳算法的引入使目標函數的實現變得容易，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。隨著數據挖掘技術的不斷推廣，生態城市評價體系測評方法必將隨之進步。