第三章 灰色系统思想用于土地生态安全评价的可行性通常情况下 我们将互相联系和互相制约的过程的集合-10118858

第三章灰色系统思想用于土地生态安全评价的可行性通常情况下，我们将互相联系和互相制约的过程的集合体称之为系统。系统又是一个有结构分层次的体系，它可分解为许多子系统的集合，子系统又可分为下一层次的子系统。系统这一整体内部，各种因素相互联系、相互制约，是具有一定功能的体系。系统以外的事物影响着系统的变化过程，称为系统所处的环境。系统对象、要素、环境三者之间是有机联系的，有着信息、物质和能量的交换。分析和研究系统在不同的环境条件下的发展变化过程的方法就是所谓的系统方法，它是通过对象、要素、环境三者之间的有机联系和变化规律研究其结构和功能。系统方法要求对系统进行综合分析，建立数学模型，通过仿真试验对其行为进行预测，为各种决策提供信息和依据。3.1灰色系统基础理论在客观世界中，各种事物是相互联系的。系统是一种客观存在。对系统的认识的根本目的在于对之进行驾驭和控制，决不仅仅是为认识而认识。因此，对系统信息的认识和把握就显得异常重要了。然而，在人们的社会、经济活动和科研活动中，会经常遇到信息不完全的情沉。具体说来，在客观世界中有如下四种“系统信息不完全”的情况:(l)元素(参数)信息不完全;(2)结构信息不完全;(3)边界信息不完全;(4)运行行为信息不完全。用颜色的深浅来形容信息的明确程度的思想己为人们普遍接受，于是我们可把系统信息不完全的系统称为“灰色系统”。信息不完全是“灰”的基本含义。灰色系统内部的信息，包括俩部分:一部分是我们所认识、所把握的信J自、，另一部分是还不为我们认识、把握的信息。如后者较多，它就基本上是一个黑色系统:如前者较多，则基本上是一个白色系统。从这一角度看，白色系统和灰色系统都是灰色系统的特例。我们把系统区分为白色系统、灰色系统和黑色系统，反映的是认识主体对认识客体的认识程度。但一个系统内部的信息是客观存在的，并不会因认识主体对其把握程度的大小而有所变化。因此，这种划分并不主要从客观出发，而是更多地从主观认识出发，即在承认客观存在的基础上，以主体的认识程度来划分系统。随着科学技术的发展，人们从系统内部摄取信息和收集、分析、研究系统内部信息的技术和手段会不断提高，这样随着对系统信息的把握，黑色系统会逐渐变灰，灰色系统会逐渐变白，最后达到对系统最终认识和把握，并实施控制的目的。灰色系统理论对系统的认识，正体现了认识和改造世界的主动精神。灰色系统理论经过20年的发展，现已经基本形成了一门新兴的结构体系。其主要内容包括以灰色代数系统、灰色方程、灰色矩阵等为基础的理论体系，以灰色序列生成为基础的方法体系，以灰色关联空间为依托的分析体系，以灰色模型（GM）为核心的模型体系，以系统分析、评估、建模、决策、控制、优化为主体的技术体系。灰色系统分析除灰色关联分析外，还包括灰色聚类和灰色统计评估等方面的内容。3.2灰色关联思想在土地生态安全评价中的运用3.2.1灰色系统灰色系统理论是由灰色系统、黑色系统和白色系统组成的。各部分定义界定如下：黑色系统是指该系统内部各因子及因子间的关系与作用完全不清楚的系统。因此，对黑色系统的分析只能依靠边缘因子。白色系统是指该系统内部各因子及因子间的关系与作用完全清楚的系统，对该系统的分析完全依靠对内部因子的控制程度。灰色系统则是指该系统内部各因子及因子间的关系与作用部分清楚、部分模糊、部分未知的系统，对该系统的分析常常需要依靠函数和数学模型，然后根据需要从推算出的多个可能结果中选取最优的一个可能作为结论。总的来说，信息不完全是“灰”的基本含义。从不同场合、不同角度看，还可以将“灰”的含义引申到以下内容（见表3.1）表3.1“灰”概念的引申概概念视角黑灰白从信息上看未知不完全完全从表象上看暗若明若暗明朗在过程上新新旧交替旧在性质上混沌多种成分纯在方法上否定扬弃肯定在态度上放纵宽容严厉从结果看无解非唯一解唯一解3.2.2土地生态系统为了对信息不确定的灰色系统的系统行为进行分析，灰色系统理论发展了一系列灰色系统的综合分析方法。这些分析方法包括灰色关联分析、灰色聚类分析、灰色决策等。土地生态安全评价的研究对象是土地生态系统，而土地是该系统的基本组成要素，那么在此就有必要明确土地的概念。土地属于一个综合性的概念范畴，它是地表某一位置的包括地貌、气候、水文、土壤、植被等全都自然要素在内的自然经济综合体，是人类生产生活以及地表建筑物的载体。但是土地不是这些要素的简单相加，更不可简单的等同于土壤。土地也不是以土壤或地貌某一单一要素组成的，而是全部自然要素长期作用、相互影响所形成的自然经济综合体。根据哲学整体与部分的原理我们可以得知，土地来源于“个体”而高于“个体”。土地的性质取决于全部自然要素的综合特点，正是这种各要素之间以及与人类之间的相互作用、相互联系构成了土地生态系统，这一系统是物质流与能量流相贯穿的动态系统。近年来，随着生态学研究范围的日益扩大，生态学也被赋予了更多的新内容。今天的生态学已不仅仅研究生物与环境之间的关系，也不仅研究生活在一起的相互依赖的有机体集群，还研究生物有机体在陆地上、海洋中、空气中以及淡水中的能量流和物质循环，即研究地球上各种生态系统。因此，对土地生态系统的研究可以被看作是生态学向地理学的渗透，也就是说用生态学的观点和方法来研究土地这一自然经济综合体。因此，土地生态系统与一般的生态系统是既有联系又有区别的。土地生态系统是地表各自然地理要素之间以及与人类之间相互作用、相互制约所构成的统一整体，它主要研究地球陆地表面各种自然地理要素，如地貌、气候、水文、土壤、植被、动物等要素之间相互作用、相互联系以及植物、大气、陆地、水、岩石、动物和人之间的物质迁移与能量转换。所以，土地生态系统类似于一般生态系统，是一个复杂、多样、多层次的网络结构。3.2.3土地生态与人类主观评价的灰色关联分析由于生态系统是由生命有机体以及其周围环境形成的不可分割的整体，是两者关系在特定空间的组合。因此，生态系统具有了系统内部以及与系统外部之间存在着能量流动和由此推动的物质循环的特征。土地生态系统是整个自然界生态系统的组成要素之一，所以在其系统物质与能量的循环过程中也不外乎于这种特性。由于土地生态系统的生态循环过程在人类活动出现之前，是一种自然的、平衡的状态。这个系统内部的所有能量活动以及物质循环都处在一种完全不被外界认识的黑色的状态。但是，这样的一个生态系统由于人类的出现，以及人类活动的影响，便不再简单的表现为过去那种纯粹的自然属性。因此，在这个系统中出现了人类活动的影子，该系统的生产力也开始分化为自然生产力和社会生产力两个组成部分了。最初的时候，处于这个生态系统的人类及其活动还仅仅处于满足简单的生存要求的状态，但是随着人类生存问题的解决，人们开始有了改造自然的欲望。于是，土地生态系统就逐渐的出现了一些生态特征被影响的状况，但是这时候的生态系统还是可以通过自身调节来重新达到平衡。可是，随着人类自身需求的经济利益扩大化，人们开始越发贪婪的向自然索取。这个过程中，人类的活动已经从简单的改造自然转变为对自然界的破坏性利用，比如说农民为了获得更高的农业产值而向土地施用了超过土壤自净能力的化肥，这样就对土壤产生了污染。这样的情况无独有偶的在人类利用土地资源的过程中发生了，从而影响了土地生态系统的平衡，于是人类可能遭受自然的惩罚，比如山体滑坡、土地荒漠化等自然问题开始出现，这时人们开始不得不投入人力物力来维护或者恢复被破坏的生态系统和生态环境，以达到新的生态平衡。随着社会的进步与经济的发展，人们已经逐渐认识到整个土地生态系统的平衡不仅是生存的前提，更是提高土地利用经济效益的基础，是土地资源可持续利用与发展的需要。所以，土地生态系统作为一种客观存在，不仅具有自然属性，同时也具有许多社会、经济属性，是一种有人类参与的多层次的自然——社会一—经济复合的区域生态系统。在这个系统中，人口激增、土地利用强度增大、土壤植被破坏、土壤机能退化等土地利用问题，都直接或间接地关系到社会经济发展和人类赖以生存的自然环境。所以评价土地生态安全应该从土地资源分布、经济发展需求、生态环境质量三个方面入手，分析各个方面自身的组成因子及其相互关系，分析三个方面的相互作用，以便多角度全方位地深入了解土地生态系统的结构和功能。可见，土地生态系统在长期的发展过程中，生态系统始终处于在平衡与不平衡间相互交替的过程中，人们对土地生态系统内部各因子及因子间的关系与作用也经历了由黑色到灰色的认识过程。随着人们认识水平的不断提高，各因子在整个土地生态系统中的作用也在随着人们的需求而发生变化。所以整个土地生态系统具有明显的随机性、模糊性、相对性和不确定性，即灰色性。因此，土地生态系统是一个典型的灰色系统。第四章基于灰色关联的土地生态安全评价模型构建研究一个系统，一般应首先建立系统的数学模型，进而对系统的整体功能、协调功能以及系统各因素的关联关系、因果关系、动态关系进行具体的量化研究。在本系统中，由于研究的大范围土地生态安全评价，没有固定的物理原型，系统的构成机制不明确，并不清楚系统究竟有哪些变量，以及这些变量之间何关系，因而系统的建模难度较大，是灰色系统理论的主要研究对象。4.1评价模型的基本思路对于包含有许多种因素的系统，系统的发展态势是由多种因素共同作用的结果决定的。在系统分析时，人们常常关注在众多因素中，哪些是主要因素，哪些是次要因素;哪些对系统发展影响大，哪些因素对系统发展影响小;哪些因素对系统发展起推动作用需强化发展，哪些因素对系统发展起阻碍作用需加以抑制……等诸如此类的问题。灰色系统理论针对此类系统数据有限，且数据灰度较大的情况，提出了对数据多少和规律要求不严格的灰色关联分析方法。其基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密，并在数学上用灰色关联度来衡量这种相似程度。曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小。“灰色关联投影法”是“灰色系统”理论中“灰关联度”部分的内容，基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密,曲线几何形状越接近，则发展变化态势越接近，相应序列之间的灰色关联度就越大，反之就越小。该方法计算关联度,既反映了其几何特征又反映了代数特征,是一种成熟的、简单的、准确的计算方法[9][10]。该方法可以用于描述两个系统或两个因素之间的关联性，可以动态的描述系统变化发展过程中各因素间相对变化的情况，即变化大小、方向与速度等的相对性。如果两个系统或因素在发展过程中相对变化态势同步程度高，则两者的灰色关联度大；反之，则灰色关联度小。作为一个动态变化的系统，关联度分析实际上是对该过程态势的量化分析，即发展态势的量化分析，它根据因素之间发展态势的相似或相异程度来衡量因素间的接近程度。发展态势的比较，实际上就是系统有关统计数据列几何关系的比较。在灰色关联投影模型中，评价样本与评价标准均被视为多维向量，并向同一理想样本进行投影，求出各自的投影值。由于矢量投影值等于模与矢量夹角余弦两部分的乘积，因此它能更为全面、准确地反映出评价样本与理想样本两矢量间的接近程度。4.2灰色关联投影模型构建任何一门科学，只有成功地运用了数学时，才能对所研究的问题进行精密的定量分析，才能使相关理论达到真正完美的程度。邓聚龙教授曾写道:“灰色系统的量化需要有量化的根据、量化的关系、量化的基础”。灰色系统发展至今虽然还不到20年，但已经有了自己的数学理论基础，其中最重要的是提出了一种概念全新的集合—灰色朦胧集(灰集)，并在此基础上，用灰数、灰色方程、灰色矩阵等来描述灰色系统。4.2.1评价指标集合与构造决策集合对于包含有许多种因素的系统，系统的发展态势是由多种因素共同作用的结果决定的。在系统分析时，人们常常关注在众多因素中，哪些是主要因素，哪些是次要因素;哪些对系统发展影响大，哪些因素对系统发展影响小;哪些因素对系统发展起推动作用需强化发展，哪些因素对系统发展起阻碍作用需加以抑制……等诸如此类的问题。在土地生态安全评价中，我们首先考虑多指标评价域的集合B，记为B则，B={对象1,对象2,…,对象n}={,,…,}，组成评价方案的指标(目标)集记为{指标1指标2,…，指标n}={,,…,}。其中为单元对指标j的属性值(指标值),(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m).4.2.2构造评价（决策）矩阵一般来讲，指标被划分为正效指标和负效指标两类。正效指标的指标数值越大，则表示该指标的土地生态安全性越高；而对于负效指标而言，指标数值越大则说明该指标的土地生态安全性越低。称为最佳评价(决策)方案，如果={,,…,}式4.1当因素指标为正效指标时，=max{，,…，}；式4.2当因素指标为负效指标时，=max{，,…，}；式4.3若仍记矩阵B为方案集对指标集的指标值矩阵，则对于一个特定的评价(决策)问题，有:式4.4称B为决策（评价）矩阵。4.2.3数据序列的初值化由于系统中各因素的物理意义不同，因而导致数据的量纲也不一定相同。为了消除量纲和量纲单位不同所带来的不可公度性，保证各因素具有等效性和同序性，在评价之前应对原始数据进行处理，即无量纲化。方法通常有均值法和初值法，均值法是指用数列中的各数除去该数列的均值而得到新的数列，而初值法即用所有数据均除以理想方案相对应的值，从而得到一个新的标准化数据矩阵的方法。本文就采用初值法，即对一个数列所有数据均除以它的第一个数，从而得到一个新数列的方法，这样处理后的新数列有共同起点，无量纲。设原始数列为，对其进行初始化处理得到数列，则式4.54.2.4计算关联系数若将经过初始化的序列{}记为参考序列，{}为比较序列，则称式4.6为{}与{}的灰色关联系数，为分辨系数，通常取0.5。4.2.5构造灰色关联判断矩阵称由矩阵为多目标灰色关联判断矩阵，则式4.7灰色关联判断矩阵之所以这样建立是鉴于如下的考虑，即一个评价方案是由m个因素指标所确定的，它构成m维因素指标空间的一个离散的方案点,进行多目标决策，就是比较空间中各方案点与最优方案点的关联系数。很明显，在这里。4.2.6计算灰色关联投影值（1）确定评价指标的权重（j=1,2,…,m），构造加权向量式4.8（2）构造加权灰色关联决策矩阵,且满足式4.9（3）将每个决策方案看成一个行向量(矢量)，则将每个决策方案与最佳方案的夹角称为灰色关联投影角，令=co