一种基于熵值法和灰色预测模型的城市土地生态安全评价新方法

作者：张毅

  目前，相关学者对城市土地生态安全进行了研究。Feslm、Dumanski、John等学者从土地持续利用的角度，对区域土地生态安全进行评价研究。李明月等运用BP神经网络方法对广州市城市土地生态安全进行了评价；孙奇奇等运用主成分分析法对哈尔滨市土地生态安全状况进行评价；刘庆等将熵值理论和模糊数学理论相结合对长株潭城市群的土地生态安全动态评价研究；蒙吉军等基于土地利用变化对鄂尔多斯市土地生态安全进行了研究；张小虎等基于三角模型对河南省城市土地生态安全进行区域差异分析。上述研究丰富了城市土地生态安全评价研究。本研究从资源环境协调性、经济可行性和社会可接受性3个方面构建城市土地生态安全评价指标体系，对信阳市2006-2012年的土地生态安全状况进行评价，并对信阳市2013-2016年的土地生态状况进行了预测，旨在为城市土地的健康合理利用提供参考。

1研究方法

1.1研究区概况

  信阳市处于东经114。01'-114°06'，北纬31046'-31052'，地势南高北低，岗川相间。截止到2012年末信阳市国内生产总值为1 276.8亿元，社会消费品零售总额实现512亿元。建成区面积从2006年的46 km2增加到2012年的73 km2，年均增加4.5km2。2012年信阳市工业废水排放量达2 903万t，S02排放量达4.2万t。由于城镇、工业、交通水利等基础设施建设，对其城市土地生态安全产生深刻影响。

文中研究数据来源于2007-2013年河南省统计年鉴、2007-2013年信阳市统计年鉴。

1.2城市土地生态安全评价指标体系的构建

评价指标体系是城市土地生态安全评价的基础，指标的选取要能够反映出城市土地的生态状况。参照国内外相关研究，在层次性、完整性、科学性和可比性的基础上，针对信阳市城市土地利用特点，并且考虑数据可得性的前提下，建立了以城市土地生态安全为评价目标，以资源环境协调性、经济可行性和社会可接受性为评价准则，选取城市污水处理率、城市化水平等22个指标构建信阳市城市土地生态安全评价指标体系（表1）。

1.3指标数据标准化

    选取的指标既有对城市土地生态安全起正作用的指标，又有负作用的指标，因此采用极差标准化法．对不同类型的指标计算公式如下：

    式(1)中：Ci第J项指标的第f个指标值的标准化，X为评估指标的原始值，Xmin为该项指标的最小值，Xmax为该项指标的最大值。

1.4评价指标权重的确定

    采用客观赋权法中的熵值法来确定指标的权重。熵值法是利用指标的固有信息来判别指标的效用价值，在一定程度上避免了主观因素带来的偏差。计算如下：

(l)各指标所占比重

    式(2)中：Yij=l +Ct，Pij为第f个评估指标占该项指标的比重，n为该项指标的个数。

    (2)求熵值

式(3)中：k=l/lnn。

 (3)计算权重

    式(4)中：ωij=1-eij，m为参评指标种类的个数。

1.5综合分值的计算

    城市土地生态安全综合分值的计算公式为：

    式(5)中：S为城市土地生态安全的综合分值，m为准则层的数量，W为准则层的权重，n为指标层数量，W为评价指标的权重，Ct为评价指标标准化分值。

    根据国内外有关标准和相关参考文献[15]，并结合信阳市城市土地状况及特点，按等间距分类方式将信阳市城市土地生态安全分为5个等级（表2）。

1.6城市土地生态安全障碍诊断

    识别城市土地生态安全的障碍因素，以便于有针对性的对城市土地利用行为与政策进行调整，引入因子贡献度、指标偏离度和障碍度。计算公式为：

    式(6)、(7)中，Pt为指标偏离度，即单项指标因素评估值与l00%之差；W，为因子贡献度，即单向因素对总体目标的权重；At为障碍度。

1.7灰色预测模型

    采用灰色预测模型对信阳市2013-2016年土地生态安全状况进行预测，它是由邓聚龙在1982年提出，用来解决灰色系统分析、建模、预测、决策和控制的理论，运用不完全的、少量的信息，建立数学模型并进行预测的一种预测方法。灰色预测模型GM(l，1)具体的建模步骤为：

    (1)有原始数据形成一个数列x(o)，把数列各项数据依次累加，得到一个新的数列x(1)。

    (2)对于数列x(l)，建立GM(l，1)模型

    式(8)中，a,b为辨识参数，二者可以通过最小二乘法拟合得到。

    (3)构造矩阵B，y

(4)预测模型为

    (5)进行精度检验，一般地，灰色预测模型GM(1，1)表示一阶的，一个变量的微分方程预测模型，预测公式的精度检验可以通过方差比C和小残差概率P的值来判断(表3)。

2信阳市城市土地生态安全评价

2.1信阳市城市土地生态安全评价结果与分析

    根据公式(1)对指标数据进行标准化处理，运用熵值法确定指标权重，根据公式(5)计算信阳市2006-2012年城市土地生态安全指数。

     由图1可以看出，信阳市城市土地生态安全状态，2006-2008年为Ⅱ级，处于不安全状态；2009年为Ⅲ级，处于一般安全状态；2010-2012年为Ⅳ级，处于较为安全状态。总体来说，信阳市城市土地生态安全状态由2006年的不安全状态发展到2012年的较为安全状态，呈逐渐上升趋势。具体来看，在资源环境协调性方面，分数由0.271 3上升到0.657 6，呈增长态势，这得益于信阳市绿地面积的逐年增加，建成区绿化覆盖率的逐步提高；在2008年达到最低点，原因是2008年的城市污水处理率低，对水体产生了污染；随后2008-2010年有所增长，并在2009年达到一个高峰值，这一阶段工业固体废弃物综合利用率不断增加，并且保持在一个较高的水平，得益于政府加强了环境治理，提高了环境质量；2011-2012年有所下降，原因是工业用地面积比例逐步扩大，对信阳市城市土地生态状况造成了一定的负面影响。从经济可行性方面来看，2006-2012年信阳市经济可行性呈上升态势，这是由于城市化水平的不断提高、经济的高速发展带来的GDP的增长以及第三产业比重的加大。在2007年和2010年出现了降低，原因是这一阶段第二产业占GDP的比重较大。居民就业率的逐年提高、人均建设面积和人均公共绿地面积的逐年增加使信阳市社会可接受性在2006-2012年稳步上升。尽管资源环境协调性和经济可行性子系统有所波动，但信阳市城市土地生态安全水平处于上升趋势，城市土地的总体质量在不断提高。

2.2信阳市城市土地生态安全障碍因素诊断

    根据公式(6)和(7)诊断信阳市城市土地生态安全障碍度，将各年障碍度按照大小顺序排列，即可得每年影响城市土地生态安全的障碍因素主次关系。按照障碍度Bi≥4.0%的标准筛选，可得信阳市城市土地生态安全障碍因素诊断结果，具体见表4和表5。

    由表5和表6可知，2006-2012年信阳市城市土地生态安全的障碍因素主要有，人口密度高；建设用地扩张，人均占有的建设用地比例大；工业用地粗放，工业用地面积比例大；绿地面积小，人均公共面积小，建成区绿化覆盖率小，生态环境有待改善；城乡收入差距大，农民生活水平不高；工业废水排放量高。2012年与2006年比，障碍因素减少的有，绿地面积、人均公共绿地面积、人口密度、粮食总产量，这说明这7年信阳市注重了生态环境的改善，提高了粮食总产量，土地的集约利用程度也有所提高，但是第二产业占GDP比重、工业用地面积比重、城市化水平、人均GDP、城乡收入比却成了2012年影响信阳市城市土地生态安全的主要障碍因素，一味的发展工业，提高GDP，忽略了对城市土地生态环境的保护，对城市土地的生态安全产生了一定的负面影响。

2.3模型预测结果  

 以表4中的城市土地生态安全指数值作为原始数据，构成原始数列，对原始数列作一次累加处理，得到新的数列x(1)，并构造矩阵B，y，根据公式(9)，求得a=[-0.158 9，0.276 4]丁，将a带人预测模型公式得到：

    根据GM(1，1)模型的建立思路，预测信阳市2006-2012年城市土地生态安全状况，预测模型的平均相对误差百分比为1.245 6%，不超过5%，说明预测模型的精度高，其次，预测模型的方差比为C=0.314 6．小残差概率为P=1.0000，都处在预测模型精度检验等级为“优”的范围内，所以所建的预测模型效果很好。运用GM(1，1)预测模型对信阳市2013-2016年城市土地生态安全状况进行预测计算，结果如图2所示。GM(l，1)预测模型适合短期内系统变动关联度预测，在预测结果上有较强的规律性，由图2可以看出2006-2012年信阳市城市土地生态安全指数曲线与预测指数曲线基本吻合，2013 -2016年信阳市城市土地生态安全状况呈稳步上升趋势，年均增长率为5.05%。

3结论与建议

    (l)信阳市城市土地生态安全状态自2006年以来经历了不安全、一般安全和较为安全3个阶段，2012年达到较为安全状态，呈稳步上升的趋势，资源环境协调性、经济可行性和社会可接受性三指数值均向有利方向变化。资源环境协调性指数快速增长，由2006年的0.271 3增加到2012年的0.657 6；经济可行性指数由2006年的0.492 7到2012年0.560 7，总体呈增加态势，但在2007年和2010年稍有波动；社会可接受性指数自2006年保持快速稳步增长，到2012年增加到0.891 6。从2013-2016年信阳市城市土地生态安全预测指数来看，今后几年信阳市城市土地生态安全状况处于良好状态。

    (2)研究发现，人口密度高、工业废水排放量高、人均占有的建设用地比例大、绿地面积小以及工业用地比例大成为目前信阳市城市土地生态安全的制约因素。因此，要提高信阳市城市土地生态安全等级，资源环境方面尤其值得关注，应严格控制工业废气、废水和固体废弃物的排放，加大对“三废”的处理力度，同时扩大城市绿地面积，提高城市建成区绿化覆盖率，逐步改善城市环境。此外，应根据信阳市的地域特色，结合各产业的特点，合理安排产业用地，优化第一产业内部结构，提高粮食的产量，同时大力发展第三产业，促进经济发展。大力发展对生态环境影响小的产业，在保证经济发展的同时，保护好生态环境，提高城市的土地生态安全等级。

(3)以熵值法和灰色模型预测为基础对信阳市城市土地生态状况进行动态评价，可以得到更客观、更全面的评价结果，熵值法能够避免在一定程度上主观因素带来的偏差，灰色预测模型对数据量的要求较小，具有较强的实用性，把熵值法和灰色预测模型相结合对城市土地生态安全状况进行评价，有利于提高城市土地生态安全状况。

4摘要：城市土地生态安全事关城市经济社会的持续、健康发展。以信阳市为例，从资源环境协调性、经济可行性和社会可接受性3个方面构建城市土地生态安全评价指标体系。采用熵值法与灰色预测模型模型相结合的方法定量分析了2006-2012年信阳市城市土地生态安全状况，并对信阳市201:3-2016年的土地牛态状况进行了预测，构建障碍度模型诊断识别信阳市城市土地生态安全的主要障碍因素。研究表明：(1 )2006-2012年信阳市城市土地生态安全指数总体呈增加态势，由2006年的不安全等级发展到2012年的较为安全等级；(2)资源环境协调性指数和社会可按受性指数快速增加，经济可行性则呈现波动增长；(3)人口密度高、工业用地比重大、人均建设用地大、城乡收入差距大等因素阻碍了信阳市城市土地生态安全水平的进一步提升；(4)2013-2016年信阳市城市土地生态安全状况呈现稳步上升趋势，年均增长率为5.05%。