淺論投影尋蹤法在生態城市評價中的應用

淺論投影尋蹤法在生態城市評價中的應用

摘要:將一種在在水質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城市評價領域中。采用基于實數遺傳算法的投影尋蹤評價法，以生態城市課題組建立的指標體系(指標涉及資源，經濟，社會，環境，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年的生態城市建設進行了評價。

關鍵詞:投影尋蹤法；生態城市評價；石家莊市

　　“生態城市”是20世紀80年代產生的一個全新概念，指將“生態系統”思想引入到城市建設和管理的過程中。它最早是由前蘇聯生態學家0．Yanitsky1971年在聯合國教科文組織發起“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年城市生態學家0．Yanistky提出，生態城市是指自然、技術、人文充分融合，物質、能量、信息高效利用，人的創造力和生產力得到最大限度的發揮，居民的身心健康和環境質量得到維護，一種生態、高效、和諧的人類聚居新環境。美國生態學家R．Richard認為，生態城市即生態健康的城市，是低污、緊湊、節能、充滿活力并與自然和諧共存的聚居地。雖然生態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，人們已經達成一些基本共識：“生態城市”的核心思想是它的區域整體觀和可持續發展的生態觀，且一般要求具有以下幾種特性：和諧性、高效性、持續性、整體性、區域性、結構合理以及關系協調。
　　1生態城市測評方法概述
　　生態城市評價是生態城市建設的基礎工作，一套科學客觀的生態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城市；②使城市建設轉向生態城市建設；③衡量生態城市建設的趨勢和速度，綜合衡量生態城市各子系統的協調程度。
　　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，體現上述生態城市的內涵要求，必須從多角度、全方位進行研究，這樣得出的結論才能體現城市系統的本質和原貌。在數學分析方面，系統科學專家運用定量分析技術開發了幾十種測評方法。目前，常用的主要有層次分析法(AnalyticHierarchyProcess，AHP)，因子分析法(FactorAnalysis，FA)以及網絡層次分析法(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，能夠反映生態城市建設的大概狀況，但會丟失部分信息；網絡分析法能夠比因子分析法更全面地反映生態城市的概況，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，將其應用到生態城市評價體系中。
　　2基于實數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的系統綜合評價方法的形式化、數學化等局限性，以及對某些高維、非線性、非正態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據驅動的探索性數據分析方法。該方法的思路是把高維數據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(目標函數)來描述投影值暴露原系統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達到最優(即能反應高維數據結構或特征)的投影值。然后根據該投影值來分析高維數據的分類結構特征(即尋求投影尋蹤聚類評價模型)。其中，投影指標函數的構造及其優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優化問題的數據挖掘方法。遺傳算法源于對生物系統所進行的計算機模擬研究，是Michigan大學的Holland教授及其學生根據生物模擬技術創造出來的自適應概率優化技術。遺傳算法通過計算機編碼實現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，實現系統設計、函數優化等復雜過程。它與傳統的算法不同，傳統的優化算法是基于1個單一的度量函數(評估函數)的梯度或較高次統計，以產生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解，它利用某種編碼技術，作用于稱為染色體的數字串，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，生產新的串的群體。
　　基于實數的加速遺傳算法(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。投影尋蹤方法就是把P維數據綜合成l維投影值。然后根據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。
　　步驟3：優化投影指標函數。當各指標值的樣本集給定時，投影指標函數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據結構特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高維數據某類特征結構的投影方向，可通過求解投影指標函數最大化問題來估計最佳投影方向。這是一個復雜非線性優化問題，用常規優化方法處理較困難。模擬生物優勝劣汰規則與群體內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化方法，用它來求解上述優化問題較簡便和有效。
　步驟4：排序分類。根據步驟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城市測評中的應用
　　3．1數據的收集和處理指標體系含5個子系統，63個指標分量。數據來源主要有《石家莊統計年鑒》(2001—2007)，《石家莊年鑒》(2001～2006)，《中國環境年鑒》(2001～2005)，《河北環境統計公報

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