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淺論投影尋蹤法在生態(tài)城市評價(jià)中的應用
摘要:將一種在在水質(zhì)評價(jià)中得到廣泛應用的評價(jià)方法——投影尋蹤評價(jià)法引入生態(tài)城市評價(jià)領(lǐng)域中。采用基于實(shí)數遺傳算法的投影尋蹤評價(jià)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(huì )，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(jìn)行了評價(jià)。
關(guān)鍵詞:投影尋蹤法；生態(tài)城市評價(jià)；石家莊市
“生態(tài)城市”是20世紀80年代產(chǎn)生的一個(gè)全新概念，指將“生態(tài)系統”思想引入到城市建設和管理的過(guò)程中。它最早是由前蘇聯(lián)生態(tài)學(xué)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(shí)提出的。之后，很多學(xué)者都對其進(jìn)行了研究，并給出了定義。如1984年城市生態(tài)學(xué)家0．Yanistky提出，生態(tài)城市是指自然、技術(shù)、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(lèi)聚居新環(huán)境。美國生態(tài)學(xué)家R．Richard認為，生態(tài)城市即生態(tài)健康的城市，是低污、緊湊、節能、充滿(mǎn)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(wèn)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域整體觀(guān)和可持續發(fā)展的生態(tài)觀(guān)，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(guān)系協(xié)調。
1生態(tài)城市測評方法概述
生態(tài)城市評價(jià)是生態(tài)城市建設的基礎工作，一套科學(xué)客觀(guān)的生態(tài)城市評價(jià)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)城市各子系統的協(xié)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(shí)，測評的結果也存在差異。因此，要反映一個(gè)城市的全貌，體現上述生態(tài)城市的內涵要求，必須從多角度、全方位進(jìn)行研究，這樣得出的結論才能體現城市系統的本質(zhì)和原貌。在數學(xué)分析方面，系統科學(xué)專(zhuān)家運用定量分析技術(shù)開(kāi)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，FA)以及網(wǎng)絡(luò )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(jià)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(jiǎn)單的方法，能夠反映生態(tài)城市建設的大概狀況，但會(huì )丟失部分信息；網(wǎng)絡(luò )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(guān)系比較清晰，這一過(guò)程需要作大量的研究工作。該文借鑒在水質(zhì)評價(jià)中得到廣泛應用，并被實(shí)踐證明比較科學(xué)、合理的評價(jià)方法——投影尋蹤評價(jià)法，將其應用到生態(tài)城市評價(jià)體系中。
2基于實(shí)數遺傳算法的投影尋蹤評價(jià)法
投影尋蹤評價(jià)方法是針對目前常規的系統綜合評價(jià)方法的形式化、數學(xué)化等局限性，以及對某些高維、非線(xiàn)性、非正態(tài)評價(jià)問(wèn)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(dòng)的探索性數據分析方法。該方法的思路是把高維數據通過(guò)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(lái)描述投影值暴露原系統綜合評價(jià)某種分類(lèi)排序結構的可能性大小，尋找出使投影指標函數達到最優(yōu)(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(lái)分析高維數據的分類(lèi)結構特征(即尋求投影尋蹤聚類(lèi)評價(jià)模型)。其中，投影指標函數的構造及其優(yōu)化問(wèn)題是運用投影尋蹤方法成功的關(guān)鍵。
遺傳算法是解決函數優(yōu)化問(wèn)題的數據挖掘方法。遺傳算法源于對生物系統所進(jìn)行的計算機模擬研究，是Michigan大學(xué)的Holland教授及其學(xué)生根據生物模擬技術(shù)創(chuàng )造出來(lái)的自適應概率優(yōu)化技術(shù)。遺傳算法通過(guò)計算機編碼實(shí)現模擬生物進(jìn)化過(guò)程中的復制、交叉、變異、顯性、倒位等遺傳過(guò)程，實(shí)現系統設計、函數優(yōu)化等復雜過(guò)程。它與傳統的算法不同，傳統的優(yōu)化算法是基于1個(gè)單一的度量函數(評估函數)的梯度或較高次統計，以產(chǎn)生1個(gè)確定性的試驗解序列。遺傳算法不依賴(lài)于梯度信息，而是通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程來(lái)搜索最優(yōu)解，它利用某種編碼技術(shù)，作用于稱(chēng)為染色體的數字串，模擬由這些串組成的群體的進(jìn)化過(guò)程。遺傳算法是通過(guò)有組織、隨機的信息交換來(lái)重新組合那些適應性好的串，生產(chǎn)新的串的群體。
基于實(shí)數的加速遺傳算法(RAGA)的投影尋蹤聚類(lèi)評價(jià)(ProjectionpursuitclassiifcationevaluationmodelbasedonRAGA，PPCE)模型的分析過(guò)程包括以下4個(gè)步驟。
步驟1：評價(jià)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(jìn)行分類(lèi)。在求投影值時(shí)，要求投影值的散布特征為：局部投影點(diǎn)盡可能密集，最好凝聚成若干個(gè)點(diǎn)團；而在整體上，投影點(diǎn)團之間要盡可能散開(kāi)�；诖�，構造投影指標函數。
步驟3：優(yōu)化投影指標函數。當各指標值的樣本集給定時(shí)，投影指標函數只隨著(zhù)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(lèi)特征結構的投影方向，可通過(guò)求解投影指標函數最大化問(wèn)題來(lái)估計最佳投影方向。這是一個(gè)復雜非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，用常規優(yōu)化方法處理較困難。模擬生物優(yōu)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(yōu)化方法，用它來(lái)求解上述優(yōu)化問(wèn)題較簡(jiǎn)便和有效。
步驟4：排序分類(lèi)。根據步驟3求得投影值，并進(jìn)行排序分類(lèi)。
3投影尋蹤評價(jià)法在石家莊生態(tài)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(gè)子系統，63個(gè)指標分量。數據來(lái)源主要有《石家莊統計年鑒》(2001—2007)，《石家莊年鑒》(2001～2006)，《中國環(huán)境年鑒》(2001～2005)，《河北環(huán)境統計公報
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