淺論投影尋蹤法在生態(tài)城市評價中的應用

摘要:將一種在在水質(zhì)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(tài)城市評價領域中。采用基于實數(shù)遺傳算法的投影尋蹤評價法，以生態(tài)城市課題組建立的指標體系(指標涉及資源，經(jīng)濟，社會，環(huán)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(tài)城市建設進行了評價。

關鍵詞:投影尋蹤法；生態(tài)城市評價；石家莊市

　　“生態(tài)城市”是20世紀80年代產(chǎn)生的一個全新概念，指將“生態(tài)系統(tǒng)”思想引入到城市建設和管理的過程中。它最早是由前蘇聯(lián)生態(tài)學家0．Yanitsky1971年在聯(lián)合國教科文組織發(fā)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(tài)學家0．Yanistky提出，生態(tài)城市是指自然、技術、人文充分融合，物質(zhì)、能量、信息高效利用，人的創(chuàng)造力和生產(chǎn)力得到最大限度的發(fā)揮，居民的身心健康和環(huán)境質(zhì)量得到維護，一種生態(tài)、高效、和諧的人類聚居新環(huán)境。美國生態(tài)學家R．Richard認為，生態(tài)城市即生態(tài)健康的城市，是低污、緊湊、節(jié)能、充滿活力并與自然和諧共存的聚居地。雖然生態(tài)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(jīng)達成一些基本共識：“生態(tài)城市”的核心思想是它的區(qū)域整體觀和可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)觀，且一般要求具有以下幾種特性：和諧性、高效性、持續(xù)性、整體性、區(qū)域性、結構合理以及關系協(xié)調(diào)。
　　1生態(tài)城市測評方法概述
　　生態(tài)城市評價是生態(tài)城市建設的基礎工作，一套科學客觀的生態(tài)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(tài)城市；②使城市建設轉向生態(tài)城市建設；③衡量生態(tài)城市建設的趨勢和速度，綜合衡量生態(tài)城市各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)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(xiàn)上述生態(tài)城市的內(nèi)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(xiàn)城市系統(tǒng)的本質(zhì)和原貌。在數(shù)學分析方面，系統(tǒng)科學專家運用定量分析技術開發(fā)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，F(xiàn)A)以及網(wǎng)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(tài)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(tài)城市建設的大概狀況，但會丟失部分信息；網(wǎng)絡分析法能夠比因子分析法更全面地反映生態(tài)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(zhì)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(tài)城市評價體系中。
　　2基于實數(shù)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(guī)的系統(tǒng)綜合評價方法的形式化、數(shù)學化等局限性，以及對某些高維、非線性、非正態(tài)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(shù)據(jù)驅(qū)動的探索性數(shù)據(jù)分析方法。該方法的思路是把高維數(shù)據(jù)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(shù)(目標函數(shù))來描述投影值暴露原系統(tǒng)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(shù)達到最優(yōu)(即能反應高維數(shù)據(jù)結構或特征)的投影值。然后根據(jù)該投影值來分析高維數(shù)據(jù)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(shù)的構造及其優(yōu)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(shù)優(yōu)化問題的數(shù)據(jù)挖掘方法。遺傳算法源于對生物系統(tǒng)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(jù)生物模擬技術創(chuàng)造出來的自適應概率優(yōu)化技術。遺傳算法通過計算機編碼實現(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)設計、函數(shù)優(yōu)化等復雜過程。它與傳統(tǒng)的算法不同，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法是基于1個單一的度量函數(shù)(評估函數(shù))的梯度或較高次統(tǒng)計，以產(chǎn)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(yōu)解，它利用某種編碼技術，作用于稱為染色體的數(shù)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(chǎn)新的串的群體。
　　基于實數(shù)的加速遺傳算法(RAGA)的投影尋蹤聚類評價(ProjectionpursuitclassiifcationevaluationmodelbasedonRAGA，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(shù)。投影尋蹤方法就是把P維數(shù)據(jù)綜合成l維投影值。然后根據(jù)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(shù)。
　　步驟3：優(yōu)化投影指標函數(shù)。當各指標值的樣本集給定時，投影指標函數(shù)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(shù)據(jù)結構特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結構的投影方向，可通過求解投影指標函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向。這是一個復雜非線性優(yōu)化問題，用常規(guī)優(yōu)化方法處理較困難。模擬生物優(yōu)勝劣汰規(guī)則與群體內(nèi)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(yōu)化方法，用它來求解上述優(yōu)化問題較簡便和有效。
　步驟4：排序分類。根據(jù)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(tài)城市測評中的應用
　　3．1數(shù)據(jù)的收集和處理指標體系含5個子系統(tǒng)，63個指標分量。數(shù)據(jù)來源主要有《石家莊統(tǒng)計年鑒》(2001—2007)，《石家莊年鑒》(2001～2006)，《中國環(huán)境年鑒》(2001～2005)，《河北環(huán)境統(tǒng)計公報

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