第三章 灰色系統(tǒng)思想用于土地生態(tài)安全評價的可行性通常情況下 我們將互相聯(lián)系和互相制約的過程的集合-10118858

第三章灰色系統(tǒng)思想用于土地生態(tài)安全評價的可行性通常情況下，我們將互相聯(lián)系和互相制約的過程的集合體稱之為系統(tǒng)。系統(tǒng)又是一個有結(jié)構(gòu)分層次的體系，它可分解為許多子系統(tǒng)的集合，子系統(tǒng)又可分為下一層次的子系統(tǒng)。系統(tǒng)這一整體內(nèi)部，各種因素相互聯(lián)系、相互制約，是具有一定功能的體系。系統(tǒng)以外的事物影響著系統(tǒng)的變化過程，稱為系統(tǒng)所處的環(huán)境。系統(tǒng)對象、要素、環(huán)境三者之間是有機(jī)聯(lián)系的，有著信息、物質(zhì)和能量的交換。分析和研究系統(tǒng)在不同的環(huán)境條件下的發(fā)展變化過程的方法就是所謂的系統(tǒng)方法，它是通過對象、要素、環(huán)境三者之間的有機(jī)聯(lián)系和變化規(guī)律研究其結(jié)構(gòu)和功能。系統(tǒng)方法要求對系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，建立數(shù)學(xué)模型，通過仿真試驗對其行為進(jìn)行預(yù)測，為各種決策提供信息和依據(jù)。3.1灰色系統(tǒng)基礎(chǔ)理論在客觀世界中，各種事物是相互聯(lián)系的。系統(tǒng)是一種客觀存在。對系統(tǒng)的認(rèn)識的根本目的在于對之進(jìn)行駕馭和控制，決不僅僅是為認(rèn)識而認(rèn)識。因此，對系統(tǒng)信息的認(rèn)識和把握就顯得異常重要了。然而，在人們的社會、經(jīng)濟(jì)活動和科研活動中，會經(jīng)常遇到信息不完全的情沉。具體說來，在客觀世界中有如下四種“系統(tǒng)信息不完全”的情況:(l)元素(參數(shù))信息不完全;(2)結(jié)構(gòu)信息不完全;(3)邊界信息不完全;(4)運(yùn)行行為信息不完全。用顏色的深淺來形容信息的明確程度的思想己為人們普遍接受，于是我們可把系統(tǒng)信息不完全的系統(tǒng)稱為“灰色系統(tǒng)”。信息不完全是“灰”的基本含義?；疑到y(tǒng)內(nèi)部的信息，包括倆部分:一部分是我們所認(rèn)識、所把握的信J自、，另一部分是還不為我們認(rèn)識、把握的信息。如后者較多，它就基本上是一個黑色系統(tǒng):如前者較多，則基本上是一個白色系統(tǒng)。從這一角度看，白色系統(tǒng)和灰色系統(tǒng)都是灰色系統(tǒng)的特例。我們把系統(tǒng)區(qū)分為白色系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)和黑色系統(tǒng)，反映的是認(rèn)識主體對認(rèn)識客體的認(rèn)識程度。但一個系統(tǒng)內(nèi)部的信息是客觀存在的，并不會因認(rèn)識主體對其把握程度的大小而有所變化。因此，這種劃分并不主要從客觀出發(fā)，而是更多地從主觀認(rèn)識出發(fā)，即在承認(rèn)客觀存在的基礎(chǔ)上，以主體的認(rèn)識程度來劃分系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們從系統(tǒng)內(nèi)部攝取信息和收集、分析、研究系統(tǒng)內(nèi)部信息的技術(shù)和手段會不斷提高，這樣隨著對系統(tǒng)信息的把握，黑色系統(tǒng)會逐漸變灰，灰色系統(tǒng)會逐漸變白，最后達(dá)到對系統(tǒng)最終認(rèn)識和把握，并實(shí)施控制的目的?；疑到y(tǒng)理論對系統(tǒng)的認(rèn)識，正體現(xiàn)了認(rèn)識和改造世界的主動精神?；疑到y(tǒng)理論經(jīng)過20年的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)基本形成了一門新興的結(jié)構(gòu)體系。其主要內(nèi)容包括以灰色代數(shù)系統(tǒng)、灰色方程、灰色矩陣等為基礎(chǔ)的理論體系，以灰色序列生成為基礎(chǔ)的方法體系，以灰色關(guān)聯(lián)空間為依托的分析體系，以灰色模型（GM）為核心的模型體系，以系統(tǒng)分析、評估、建模、決策、控制、優(yōu)化為主體的技術(shù)體系?；疑到y(tǒng)分析除灰色關(guān)聯(lián)分析外，還包括灰色聚類和灰色統(tǒng)計評估等方面的內(nèi)容。3.2灰色關(guān)聯(lián)思想在土地生態(tài)安全評價中的運(yùn)用3.2.1灰色系統(tǒng)灰色系統(tǒng)理論是由灰色系統(tǒng)、黑色系統(tǒng)和白色系統(tǒng)組成的。各部分定義界定如下：黑色系統(tǒng)是指該系統(tǒng)內(nèi)部各因子及因子間的關(guān)系與作用完全不清楚的系統(tǒng)。因此，對黑色系統(tǒng)的分析只能依靠邊緣因子。白色系統(tǒng)是指該系統(tǒng)內(nèi)部各因子及因子間的關(guān)系與作用完全清楚的系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的分析完全依靠對內(nèi)部因子的控制程度?；疑到y(tǒng)則是指該系統(tǒng)內(nèi)部各因子及因子間的關(guān)系與作用部分清楚、部分模糊、部分未知的系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的分析常常需要依靠函數(shù)和數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)需要從推算出的多個可能結(jié)果中選取最優(yōu)的一個可能作為結(jié)論?？偟膩碚f，信息不完全是“灰”的基本含義。從不同場合、不同角度看，還可以將“灰”的含義引申到以下內(nèi)容（見表3.1）表3.1“灰”概念的引申概概念視角黑灰白從信息上看未知不完全完全從表象上看暗若明若暗明朗在過程上新新舊交替舊在性質(zhì)上混沌多種成分純在方法上否定揚(yáng)棄肯定在態(tài)度上放縱寬容嚴(yán)厲從結(jié)果看無解非唯一解唯一解3.2.2土地生態(tài)系統(tǒng)為了對信息不確定的灰色系統(tǒng)的系統(tǒng)行為進(jìn)行分析，灰色系統(tǒng)理論發(fā)展了一系列灰色系統(tǒng)的綜合分析方法。這些分析方法包括灰色關(guān)聯(lián)分析、灰色聚類分析、灰色決策等。土地生態(tài)安全評價的研究對象是土地生態(tài)系統(tǒng)，而土地是該系統(tǒng)的基本組成要素，那么在此就有必要明確土地的概念。土地屬于一個綜合性的概念范疇，它是地表某一位置的包括地貌、氣候、水文、土壤、植被等全都自然要素在內(nèi)的自然經(jīng)濟(jì)綜合體，是人類生產(chǎn)生活以及地表建筑物的載體。但是土地不是這些要素的簡單相加，更不可簡單的等同于土壤。土地也不是以土壤或地貌某一單一要素組成的，而是全部自然要素長期作用、相互影響所形成的自然經(jīng)濟(jì)綜合體。根據(jù)哲學(xué)整體與部分的原理我們可以得知，土地來源于“個體”而高于“個體”。土地的性質(zhì)取決于全部自然要素的綜合特點(diǎn)，正是這種各要素之間以及與人類之間的相互作用、相互聯(lián)系構(gòu)成了土地生態(tài)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)是物質(zhì)流與能量流相貫穿的動態(tài)系統(tǒng)。近年來，隨著生態(tài)學(xué)研究范圍的日益擴(kuò)大，生態(tài)學(xué)也被賦予了更多的新內(nèi)容。今天的生態(tài)學(xué)已不僅僅研究生物與環(huán)境之間的關(guān)系，也不僅研究生活在一起的相互依賴的有機(jī)體集群，還研究生物有機(jī)體在陸地上、海洋中、空氣中以及淡水中的能量流和物質(zhì)循環(huán)，即研究地球上各種生態(tài)系統(tǒng)。因此，對土地生態(tài)系統(tǒng)的研究可以被看作是生態(tài)學(xué)向地理學(xué)的滲透，也就是說用生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)和方法來研究土地這一自然經(jīng)濟(jì)綜合體。因此，土地生態(tài)系統(tǒng)與一般的生態(tài)系統(tǒng)是既有聯(lián)系又有區(qū)別的。土地生態(tài)系統(tǒng)是地表各自然地理要素之間以及與人類之間相互作用、相互制約所構(gòu)成的統(tǒng)一整體，它主要研究地球陸地表面各種自然地理要素，如地貌、氣候、水文、土壤、植被、動物等要素之間相互作用、相互聯(lián)系以及植物、大氣、陸地、水、巖石、動物和人之間的物質(zhì)遷移與能量轉(zhuǎn)換。所以，土地生態(tài)系統(tǒng)類似于一般生態(tài)系統(tǒng)，是一個復(fù)雜、多樣、多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。3.2.3土地生態(tài)與人類主觀評價的灰色關(guān)聯(lián)分析由于生態(tài)系統(tǒng)是由生命有機(jī)體以及其周圍環(huán)境形成的不可分割的整體，是兩者關(guān)系在特定空間的組合。因此，生態(tài)系統(tǒng)具有了系統(tǒng)內(nèi)部以及與系統(tǒng)外部之間存在著能量流動和由此推動的物質(zhì)循環(huán)的特征。土地生態(tài)系統(tǒng)是整個自然界生態(tài)系統(tǒng)的組成要素之一，所以在其系統(tǒng)物質(zhì)與能量的循環(huán)過程中也不外乎于這種特性。由于土地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)循環(huán)過程在人類活動出現(xiàn)之前，是一種自然的、平衡的狀態(tài)。這個系統(tǒng)內(nèi)部的所有能量活動以及物質(zhì)循環(huán)都處在一種完全不被外界認(rèn)識的黑色的狀態(tài)。但是，這樣的一個生態(tài)系統(tǒng)由于人類的出現(xiàn)，以及人類活動的影響，便不再簡單的表現(xiàn)為過去那種純粹的自然屬性。因此，在這個系統(tǒng)中出現(xiàn)了人類活動的影子，該系統(tǒng)的生產(chǎn)力也開始分化為自然生產(chǎn)力和社會生產(chǎn)力兩個組成部分了。最初的時候，處于這個生態(tài)系統(tǒng)的人類及其活動還僅僅處于滿足簡單的生存要求的狀態(tài)，但是隨著人類生存問題的解決，人們開始有了改造自然的欲望。于是，土地生態(tài)系統(tǒng)就逐漸的出現(xiàn)了一些生態(tài)特征被影響的狀況，但是這時候的生態(tài)系統(tǒng)還是可以通過自身調(diào)節(jié)來重新達(dá)到平衡。可是，隨著人類自身需求的經(jīng)濟(jì)利益擴(kuò)大化，人們開始越發(fā)貪婪的向自然索取。這個過程中，人類的活動已經(jīng)從簡單的改造自然轉(zhuǎn)變?yōu)閷ψ匀唤绲钠茐男岳?，比如說農(nóng)民為了獲得更高的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值而向土地施用了超過土壤自凈能力的化肥，這樣就對土壤產(chǎn)生了污染。這樣的情況無獨(dú)有偶的在人類利用土地資源的過程中發(fā)生了，從而影響了土地生態(tài)系統(tǒng)的平衡，于是人類可能遭受自然的懲罰，比如山體滑坡、土地荒漠化等自然問題開始出現(xiàn)，這時人們開始不得不投入人力物力來維護(hù)或者恢復(fù)被破壞的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境，以達(dá)到新的生態(tài)平衡。隨著社會的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到整個土地生態(tài)系統(tǒng)的平衡不僅是生存的前提，更是提高土地利用經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，是土地資源可持續(xù)利用與發(fā)展的需要。所以，土地生態(tài)系統(tǒng)作為一種客觀存在，不僅具有自然屬性，同時也具有許多社會、經(jīng)濟(jì)屬性，是一種有人類參與的多層次的自然——社會一—經(jīng)濟(jì)復(fù)合的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，人口激增、土地利用強(qiáng)度增大、土壤植被破壞、土壤機(jī)能退化等土地利用問題，都直接或間接地關(guān)系到社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類賴以生存的自然環(huán)境。所以評價土地生態(tài)安全應(yīng)該從土地資源分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量三個方面入手，分析各個方面自身的組成因子及其相互關(guān)系，分析三個方面的相互作用，以便多角度全方位地深入了解土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。可見，土地生態(tài)系統(tǒng)在長期的發(fā)展過程中，生態(tài)系統(tǒng)始終處于在平衡與不平衡間相互交替的過程中，人們對土地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各因子及因子間的關(guān)系與作用也經(jīng)歷了由黑色到灰色的認(rèn)識過程。隨著人們認(rèn)識水平的不斷提高，各因子在整個土地生態(tài)系統(tǒng)中的作用也在隨著人們的需求而發(fā)生變化。所以整個土地生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的隨機(jī)性、模糊性、相對性和不確定性，即灰色性。因此，土地生態(tài)系統(tǒng)是一個典型的灰色系統(tǒng)。第四章基于灰色關(guān)聯(lián)的土地生態(tài)安全評價模型構(gòu)建研究一個系統(tǒng)，一般應(yīng)首先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對系統(tǒng)的整體功能、協(xié)調(diào)功能以及系統(tǒng)各因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系、因果關(guān)系、動態(tài)關(guān)系進(jìn)行具體的量化研究。在本系統(tǒng)中，由于研究的大范圍土地生態(tài)安全評價，沒有固定的物理原型，系統(tǒng)的構(gòu)成機(jī)制不明確，并不清楚系統(tǒng)究竟有哪些變量，以及這些變量之間何關(guān)系，因而系統(tǒng)的建模難度較大，是灰色系統(tǒng)理論的主要研究對象。4.1評價模型的基本思路對于包含有許多種因素的系統(tǒng)，系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢是由多種因素共同作用的結(jié)果決定的。在系統(tǒng)分析時，人們常常關(guān)注在眾多因素中，哪些是主要因素，哪些是次要因素;哪些對系統(tǒng)發(fā)展影響大，哪些因素對系統(tǒng)發(fā)展影響小;哪些因素對系統(tǒng)發(fā)展起推動作用需強(qiáng)化發(fā)展，哪些因素對系統(tǒng)發(fā)展起阻礙作用需加以抑制……等諸如此類的問題?；疑到y(tǒng)理論針對此類系統(tǒng)數(shù)據(jù)有限，且數(shù)據(jù)灰度較大的情況，提出了對數(shù)據(jù)多少和規(guī)律要求不嚴(yán)格的灰色關(guān)聯(lián)分析方法。其基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，并在數(shù)學(xué)上用灰色關(guān)聯(lián)度來衡量這種相似程度。曲線越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小?！盎疑P(guān)聯(lián)投影法”是“灰色系統(tǒng)”理論中“灰關(guān)聯(lián)度”部分的內(nèi)容，基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密,曲線幾何形狀越接近，則發(fā)展變化態(tài)勢越接近，相應(yīng)序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小。該方法計算關(guān)聯(lián)度,既反映了其幾何特征又反映了代數(shù)特征,是一種成熟的、簡單的、準(zhǔn)確的計算方法[9][10]。該方法可以用于描述兩個系統(tǒng)或兩個因素之間的關(guān)聯(lián)性，可以動態(tài)的描述系統(tǒng)變化發(fā)展過程中各因素間相對變化的情況，即變化大小、方向與速度等的相對性。如果兩個系統(tǒng)或因素在發(fā)展過程中相對變化態(tài)勢同步程度高，則兩者的灰色關(guān)聯(lián)度大；反之，則灰色關(guān)聯(lián)度小。作為一個動態(tài)變化的系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)度分析實(shí)際上是對該過程態(tài)勢的量化分析，即發(fā)展態(tài)勢的量化分析，它根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素間的接近程度。發(fā)展態(tài)勢的比較，實(shí)際上就是系統(tǒng)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)列幾何關(guān)系的比較。在灰色關(guān)聯(lián)投影模型中，評價樣本與評價標(biāo)準(zhǔn)均被視為多維向量，并向同一理想樣本進(jìn)行投影，求出各自的投影值。由于矢量投影值等于模與矢量夾角余弦兩部分的乘積，因此它能更為全面、準(zhǔn)確地反映出評價樣本與理想樣本兩矢量間的接近程度。4.2灰色關(guān)聯(lián)投影模型構(gòu)建任何一門科學(xué)，只有成功地運(yùn)用了數(shù)學(xué)時，才能對所研究的問題進(jìn)行精密的定量分析，才能使相關(guān)理論達(dá)到真正完美的程度。鄧聚龍教授曾寫道:“灰色系統(tǒng)的量化需要有量化的根據(jù)、量化的關(guān)系、量化的基礎(chǔ)”?；疑到y(tǒng)發(fā)展至今雖然還不到20年，但已經(jīng)有了自己的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，其中最重要的是提出了一種概念全新的集合—灰色朦朧集(灰集)，并在此基礎(chǔ)上，用灰數(shù)、灰色方程、灰色矩陣等來描述灰色系統(tǒng)。4.2.1評價指標(biāo)集合與構(gòu)造決策集合對于包含有許多種因素的系統(tǒng)，系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢是由多種因素共同作用的結(jié)果決定的。在系統(tǒng)分析時，人們常常關(guān)注在眾多因素中，哪些是主要因素，哪些是次要因素;哪些對系統(tǒng)發(fā)展影響大，哪些因素對系統(tǒng)發(fā)展影響小;哪些因素對系統(tǒng)發(fā)展起推動作用需強(qiáng)化發(fā)展，哪些因素對系統(tǒng)發(fā)展起阻礙作用需加以抑制……等諸如此類的問題。在土地生態(tài)安全評價中，我們首先考慮多指標(biāo)評價域的集合B，記為B則，B={對象1,對象2,…,對象n}={,,…,}，組成評價方案的指標(biāo)(目標(biāo))集記為{指標(biāo)1指標(biāo)2,…，指標(biāo)n}={,,…,}。其中為單元對指標(biāo)j的屬性值(指標(biāo)值),(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m).4.2.2構(gòu)造評價（決策）矩陣一般來講，指標(biāo)被劃分為正效指標(biāo)和負(fù)效指標(biāo)兩類。正效指標(biāo)的指標(biāo)數(shù)值越大，則表示該指標(biāo)的土地生態(tài)安全性越高；而對于負(fù)效指標(biāo)而言，指標(biāo)數(shù)值越大則說明該指標(biāo)的土地生態(tài)安全性越低。稱為最佳評價(決策)方案，如果={,,…,}式4.1當(dāng)因素指標(biāo)為正效指標(biāo)時，=max{，,…，}；式4.2當(dāng)因素指標(biāo)為負(fù)效指標(biāo)時，=max{，,…，}；式4.3若仍記矩陣B為方案集對指標(biāo)集的指標(biāo)值矩陣，則對于一個特定的評價(決策)問題，有:式4.4稱B為決策（評價）矩陣。4.2.3數(shù)據(jù)序列的初值化由于系統(tǒng)中各因素的物理意義不同，因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的量綱也不一定相同。為了消除量綱和量綱單位不同所帶來的不可公度性，保證各因素具有等效性和同序性，在評價之前應(yīng)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即無量綱化。方法通常有均值法和初值法，均值法是指用數(shù)列中的各數(shù)除去該數(shù)列的均值而得到新的數(shù)列，而初值法即用所有數(shù)據(jù)均除以理想方案相對應(yīng)的值，從而得到一個新的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣的方法。本文就采用初值法，即對一個數(shù)列所有數(shù)據(jù)均除以它的第一個數(shù)，從而得到一個新數(shù)列的方法，這樣處理后的新數(shù)列有共同起點(diǎn)，無量綱。設(shè)原始數(shù)列為，對其進(jìn)行初始化處理得到數(shù)列，則式4.54.2.4計算關(guān)聯(lián)系數(shù)若將經(jīng)過初始化的序列{}記為參考序列，{}為比較序列，則稱式4.6為{}與{}的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，為分辨系數(shù)，通常取0.5。4.2.5構(gòu)造灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣稱由矩陣為多目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣，則式4.7灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣之所以這樣建立是鑒于如下的考慮，即一個評價方案是由m個因素指標(biāo)所確定的，它構(gòu)成m維因素指標(biāo)空間的一個離散的方案點(diǎn),進(jìn)行多目標(biāo)決策，就是比較空間中各方案點(diǎn)與最優(yōu)方案點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。很明顯，在這里。4.2.6計算灰色關(guān)聯(lián)投影值（1）確定評價指標(biāo)的權(quán)重（j=1,2,…,m），構(gòu)造加權(quán)向量式4.8（2）構(gòu)造加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)決策矩陣,且滿足式4.9（3）將每個決策方案看成一個行向量(矢量)，則將每個決策方案與最佳方案的夾角稱為灰色關(guān)聯(lián)投影角，令=co