北京城市生态规划-王静

基于属性理论的北京市城市生态系统健康评价姓名王静学号201421180025课程城市生态规划学课程指导老师徐琳瑜导师刘新会基于属性理论的北京市城市生态系统健康评价摘要：生态系统健康是生态学领域的研究热点之一。城市生态系统是城市社会经济发展的基础和载体,其健康状况直接影响到城市的可持续发展。本文从复合生态系统的角度,构建自然-社会-经济复合生态系统的城市生态系统健康评价指标体系,并应用属性理论建立了城市生态系统健康属性综合评价模型。在此基础上,将该方法应用于北京市的实证研究中。结果表明,北京城市生态系统现状属于一般健康类,其评价结果与实际情况大体吻合。采用属性理论综合评价方法能有效反映城市整体健康状况,具有一定的理论价值和可操作性,为促进城市生态系统健康发展、实施城市生态系统健康管理提供参考依据。关键词:城市生态系统；健康评价；属性理论；评价模型1引言生态系统健康是20世纪80年代末在可持续发展思想的推动下发展起来的一门新学科,它为生态系统的利用、保护与管理提供了新的理论与方法。随着对生态系统健康的研究的深入,众多学者对生态系统健康概念、生态系统健康的影响因子及评价指标的选择和方法等方面进行了广泛的研究,目前生态系统健康已成为生态学领域的研究热点之一。城市是人类社会、经济、文化发展的产物,城市生态系统是城市经济持续发展的重要基础和载体,但同时也是生态系统中最为复杂的类型，是人为扰动最为强烈的特殊生态系统。特别是随着工业化、城市化的快速发展，工业和人口大规模集聚，必然会给城市带来一系列的生态环境问题,城市生态系统健康正面临日益严峻的考验。近年来,关于城市生态系统健康的研究发展逐渐增多，并取得了一系列成果。但城市城市生态系统是一个社会—经济—自然的复合系统，由于系统的复杂性，其中不确定性因素广泛存在，因此对于城市生态系统健康评价的方法与实践的探索仍需要进一步深入，特别是建立一套相对科学完整的评价指标体系、评价方法和评价标准,以此作为衡量城市生态系统健康水平的标尺，为城市生态系统实施可持续管理和合理利用、保护与改善及实现城市生态与经济社会的协调发展提供科学依据。2理论基础与研究方法2.1关于属性理论属性是对事物或自然现象的定性描述，为了定量地研究属性，测量属性，程乾生提出了属性集、属性测度等概念，并建立了属性数学模型。属性理论是对事物或自然现象属性的定性描述进行定量化研究的数学理论,属性综合评价系统是在属性集和属性测度理论的基础上提出的对实际问题的定性描述进行度量的一种属性识别理论模型。该模型由单指标属性测度分析、多指标综合属性测度分析、属性识别分析及评分准则组成。属性综合评价模型可描述为，对研究对象空间Z，在其任一元素X，都具有m个指标,由指标集I={I1,I2,⋯,Im}来表示,且Z中元素有评价类C1,C2,⋯,Ck,组成评价类集C,其中评价类满足Ci∩Cj=,i≠j,kiCi1=F,F为X的某类属性空间,{C1,C2,⋯,Ck}为F的分割。其中,第一类评价问题是:已知样本集{X1,X2,⋯,Xn}中各样本Xi的评价类Xi∈Ck及各指标的测量值Xij，对于新样本Xn+1,在已知其各指标测量值Xn+1，j的条件下,判断Xn+1属于哪一个评价类。第二类评价问题是：已知指标分类标准即指标评价类Ck的中心值(或值域区间)和样本集{X1,X2,⋯,Xn}中各样本Xi的指标测量值Xij,判断Xi属于哪一个评价类。对于城市生态系统这一具体对象,其统健康评价是对事物属性(质量或健康)定性描述进行定量化研究的问题。其研究对象空间Z={城市的集合},x1,x2,⋯,xn为Z中n个城市,属性空间F={健康度},F分为5个评价类,C1={疾病},C2={亚健康},C3={一般健康},C4={较健康},C5={健康},这5个评价类(即5个属性集)构成了F的一个弱序分割类(C1C2C3C4C5),即{C1,C2,⋯,Ck,⋯,C5}为属性空间F的一个有序分割类,它是一个有序分割类的识别问题,从而判断城市xi属于哪一个评价类,因此城市生态系统健康评价问题可以采用属性综合评价模型。2.2评价指标体系城市生态系统是一个庞大的系统,涉及到自然环境、社会、经济和文化等各方面因素，对它进行健康状况评价不可能包罗无遗。为了综合反映城市生态系统的本质属性特征，需建立包含主要影响因素的综合性指标，即建立科学、规范的评价指标体系。在选择和设计评价指标时，不仅要遵循客观性、科学性、完整性、代表性等普遍性原则,还应遵循以人为本、层次性、区域性、可比性与动态性原则。同时，结合目前的研究成果，本文从自然生态、社会生态与经济生态3个子系统来建立城市生态系统健康的评价指标体系，以此能较完整地反映城市的生态系统健康状况。评价指标体系见表1所示。表1城市生态系统健康评价指标体系及评价标准、北京市相关数据（2008）2.3指标权重及评价标准系统层子系统层要素层指标层指标权重评价类北京数据疾病亚健康一般健康较健康很健康城市生态系统自然生态子系统自然生态状况生物丰度指数绿化覆盖指数人均占有水资源量(m3/人)0.0670.0670.033252550025～3525～35500～100035～5535～551000～500055～7555～755000～8000757580007043.50205.5人工环境状况城市生活污水处理率(%)万人拥有公交车辆数(台)用气普及率(%)0.0830.0500.03320106520～4010～1665～7540～6016～2275～8560～8022～3085～9580309578.912.6987社会生态子系统社会公平状况恩格尔系数失业率(%)0.0440.0440.650.5～0.64～50.3～0.53～40.2～0.32～30.220.3411.82社会结构状况人口密度(万人/km2)普通高校在校生人数(人/万)人口自然增长率(%)0.0220.0440.067436083～4360～8005～82～3800～12003～51～21200～18001.5～3118001.50.103316843.42人群健康状况人均期望寿命城市饮用水源水质达标率(%)0.0670.044555055～6050～6560～7065～8570～8085～9580957887经济生态子系统经济结构第三产业占GDP比重(%)高新技术产业增加值占工业比重(%)0.0440.067201020～3010～2030～4020～3040～6030～35703573.257.2经济水平人均GDP(万元)GDP平均增长率(%)固定资产投资(亿)人均生活用水量(升/日·人)0.0330.0330.0220.0220.72101200.7～42～610～50120～1804～66～850～80180～2406～148～1080～100240～30017101003006.312.133848.5242.5经济效率单位土地GDP产出率(万元/km2)单位GDP能耗(吨标煤/万元GDP)0.0560.0560.520.5～11.5～21～21～1.52～100.7～1100.56.70.6732由于不同的指标要素对生态系统健康的作用与影响程度不一样,因此需要对参评指标进行权重系数测定。在专家评估系统的基础上,采用层次分析法(AHP法)确定每个层次、每个要素指标的权重(表1)。经层次总排序一致性检验,判断矩阵具有满意的一致性。如经层次总排序一致性检验，CR=CI/RI=0.00530.10,指标体系的权重判断矩阵具有满意的一致性。同时，如何选择恰当的指标评价分类标准aijk(第i个城市中第j个指标的第k级健康评价标准)是决定评价是否合理的关键。由于目前尚缺乏关于生态系统健康评价的统一标准,为此参照国家或国际标准以及国际或国内公认的生态城市、园林城市、环保模范城市标准来制定健康的指标标准值,并结合现状值作趋势外推,以此确定健康的指标标准值。共将城市生态系统健康指标评价标准划分为5个等级,即健康、较健康、一般健康、亚健康、疾病。具体的分级标准值及参照标准见表1。2.4评价模型根据属性理论,属性综合评价模型由单指标属性测度分析、多指标综合属性测度分析、属性识别分析及评分准则三部分组成。(1)单指标属性测度设第i个城市的生态系统第j个指标测量值(或计算值、实测值)xij,“xij∈ck”表示xij属于第k类ck,即具有属性ck的属性测度uijk=L(xij∈ck),其中1≤i≤n,1≤j≤21,1≤k≤5,满足:511kijku(1)属性测度计算是属性数学方法的关键,由于各指标评价时其属性测度的变化基本上是呈非线性分布,因此采用非线性分布的属性测度函数的评价精度要高于线性函数,其中正态分布函数的应用较为广泛,为此选择正态分布函数作为属性测度函数。设aijk～aijk+1为第i段城市生态系统第j个指标的第k级评价分类标准取值区间,令bijk=21ijkijkaa(2)cijk=2ln21ijkijkaa(3)同时,评价指标与生态系统健康还存在正逆两种关系,对正向指标(指标值越大越健康,aij0aij1⋯aijk⋯aij5)和负向指标(指标值越大越不健康,aij0aij1⋯aijk⋯aij5),xij属于ck属性集的属性测度uijk(xij∈ck)函数均为:uijk(xij∈ck)=2cijkbijkxije(4)(2)多指标综合属性测度属性的综合评价,可以采用加性加权法来获得,即uik=211jjwuijk(5)其中,wj为第j个指标的权系数,满足wj≥0,mjjw1=1。由uik构成的向量ui=(ui1,ui2,⋯,ui5)为第i个城市的生态系统具有属性ck的多指标综合属性测度。对子系统层的多指标综合属性测度进行属性识别就构成了子系统层综合评价,对要素层的多指标综合属性测度进行属性识别就构成了要素层综合评价结果。(3)属性识别及评分准则属性识别分析的目的是由综合属性测度ui向量对第i个城市的生态系统属于哪个评价类(健康等级)做出判断。由于F为弱序分割类,根据置信度准则,对置信度λ(0.6K0.7),如果g0=min｛g:1,...4,5,5gugkik｝(6)则认为第i个城市生态系统健康度属于cg0类,即识别规则要求是强类应占较大的比例。由于属性集之间有强弱关系,可以用分值表示属性集的强弱关系,强属性集的分值比弱属性集的分值大。设属性集ci的分数为ni=i,可得出多指标综合属性测度的总评分qi(城市生态系统或子系统健康度分值)为:51*kkuqiki(7)根据上式计算生态系统健康度值,若qiqj,即认为第i个城市的生态系统健康状况比帝j个城市的生态系统健康状态好。3.实证分析3.1区域概况北京市，位于华北平原，东南距渤海约150千米，北京市国土面积16410.54平方公里，市区面积12187平方公里，建成区面积1386平方公里（中国城市第1名）。中华人民共和国的首都，简称“京”，现为中国四个中央直辖市之一，全国第二大城市及政治、交通和文化中心。北京是中华人民共和国首都、中央直辖市、中国国家中心城市，中国政治、文化、教育和国际交流中心。截至2007年底，“世界500强”企业在京设立机构共有447家，其中“中国企业500强”总部位于北京地区的共有99家。北京是一个典型的快速城市化区域,具有城市生态系统的典型特征。3.2生态系统健康评价应用上述方法对北京市城市生态系统现状进行了综合评价。其中,现状评价指标值均以2008年为基准。根据式(1)～式(4)求得北京的单指标测度矩阵如下:(uijk)21×5=疾病亚健康一般健康较健康健康000.19250.8074000.64170.3583001.00000000000.01400.68350.30250.00510.9949000000.15880.8412000.00020.8