基于改进投影寻踪模型黑龙江省土地资源生态安全评价-裴巍.pdf

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1、第47卷第7期2016年7月东北农业大学学报Journal of Northeast Agricultural University47(7)：92-100July 2016网络出版时间2016721 14：12：07 URLhttp：wwwcnkinetkcmddetaiY231391S201607211412010html基于改进投影寻踪模型黑龙江省土地资源生态安全评价裴 巍，付 强，刘 东，李天霄，成 琨(东北农业大学水利与建筑学院，哈尔滨150030)摘要：针对FriedmanTukey投影指标中窗口半径不易确定，分析目前窗口半径确定方法不足，提出基于聚类思想窗口半径确定方法，改进投影

2、寻踪模型，将其应用于黑龙江省各地级市土地资源生态安全评价，实例分析表明，改进模型优于原模型，所得投影点分布与正态分布差异更大。空间差异分析表明，哈尔滨、齐齐哈尔、七台河、绥化土地资源生态安全状况较差，属于级，双鸭山、佳木斯、黑河、鸡西、鹤岗和牡丹江属于级或级，生态安全状况适中，土地资源生态安全状况较好地区是大庆、伊春和大兴安岭，属于I级。从自然因素上看，大多数区域属于I级或级，表明黑龙江总体自然状况较好；从经济因素上看，经济状况差，改善土地资源生态安全能力有限；从社会因素上看，区域等级分布均衡，表明社会因素对土地压力适中，有待改善。关键词：投影寻踪；窗1：7半径；聚类；土地资源；生态安全；黑龙

3、江中图分类号：X826 文献标志码：A 文章编号：1005-9369(2016)07-009209裴巍，付强，刘东，等基于改进投影寻踪模型黑龙江省土地资源生态安全评价【J】-东北农业大学学报，2016，47(7)：92-100Pei Wei，Fu Qiang，Liu Dong，et a1Assessing land resource ecological security in the Heilongjiang Province based on im-proved projection pursuit modelJJoumal of Northeast Agricultural Univer

4、sity,2016，47(7)：92-100(in Chinese with Eng-lish abstract)Assessing land resource ecological security in the HeilongjiangProvince based on improved projection pursuit modelpEt Wei，FU Qiang，LIU Dong，LI Tianxiao，CHENG Kun(School of Water Conservancy and Architecture，NortheastAgricultural University,Har

5、binl 50030，China)Abstract：For the cutoff radius of FriedmanTukey projection index was not easy determined，theshortcomings of the existing method for determining the cutoff radius were analyzedFor theseshortcomings，the method of determining the cutoff radius based on clustenng was proposedThisimprove

6、d model was applied to assess land resource ecological security of 1 3 cities located in theHeilongjiang ProvinceCase analysis showed that the results of the improved model was better than theoriginal model。the difference between the projected point distribution and normal distribution was evengreat

7、erSpatial difference analysis reveal that the ecological security of land resources in Harbin，Qigihar，Qitaihe，Suihua were poorer，belong to class IVJixi，Hegang，Mudanjiang，Heihe，Shuangyashan，Jiamusi belong to class III or II，the ecological security was moderateThe better regions ofecological security

8、of land resources were Yichun，Daqing and Da Hinggan Mountains and belong toclass IIn addition，f内m the perspective of natural factors，most regions belonged to class I or II，it收稿日期：2016-0319基金项目：国家自然科学基金(51479032，51279031，51579044)；黑龙江省自然科学基金(E201241)；黑龙江省高校长江学者后备支持计划项目；黑龙江省水利厅科技项目(201318，201503)；黑龙江省

9、杰出青年基金(Jc201402)作者简介：裴巍(1985一)，男，讲师，博士研究生，研究方向为农业水土资源风险分析。E-mail：nothing_pw163com+通讯作者：付强，教授，博士生导师，研究方向为农业水土资源系统分析、冻融土壤水热作用机理。E-mail：矗lqi卸90629126com万方数据第7期 裴巍等：基于改进投影寻踪模型黑龙江省土地资源生态安全评价showed that the natural condition of Heilongjiang Province was better；From the perspective ofeconomic factors，the e

10、conomic situation of Heilongjiang Province was poor，and the ability to improvethe ecological security of land resources was limited；From the perspective of social factors，theregional level distribution was more balanced，which showed that social factors were moderate andthere was room for improvement

11、Key words：projection pursuit；cutoff radius；clustering；land resources；ecological security；Heilongjiang土地资源是人类赖以生存和发展的基础性自然资源，其生态安全问题是土地规划、管理和保护的出发点和落脚点，关系到粮食、生态、经济安全等方面n】。近年来，水土流失严重，区域内生态环境恶化。土地资源生态安全评价可评估区域土地安全状态，为土地生态安全预警及调控，土地规划、管理及资源优化配置提供理论依据，保护土地资源生态安全，实现可持续发展。在评价指标体系选取方面，Hua等基于PSR模型从土地生态压力、土地生

12、态状态和人文社会响应三个方面构建评价指标体系；刘勇等从自然、经济和社会系统安全三个方面选取典型指标构建土地资源生态安全评价指标体系(-71。在评价方法选择方面，有综合指数法，层次分析法7 9-1 0】，熵权法【2111，物元分析法【12131，主成分分析法n，141，主成分聚类分析n习，模糊综合评价法nq，灰色综合评价法旧，投影寻踪评价法等。在模型构建方面，宋戈等运用生态足迹模型研究土地资源生态安全f1扣捌，Zhang等开展景观生态学模型方面研究制；此外，将新方法和模型应用于土地资源生态安全评价之中，如正态云模型，DoubleLand Ecological Security(DLES)方法】，

13、突变模型阎等。同时，随“3S”技术发展，基于“3S”技术生态安全评价逐步发展26-271。土地资源生态安全评价已成为土地生态安全研究重要内容。投影寻踪是处理高维非线性、非正态数据有效统计方法，通过极大化或极小化反映数据聚类程度投影指标，把高维数据投影到低维空间，投影后数据可以进行分类或预测，找到高维数据结构特征12S。投影寻踪方法中，投影指标选择是核心问题。Friedman和Tukey提出以样本投影值标准差和局部密度乘积作为投影指标应用，基本思想是投影点总体分散，局部聚集陟31l。FriedmanTukey投影指标中，局部密度窗口半径选择是核心问题。Friedman等采用R=01S,，为投影值

14、标准差；陈曜等规定R范围Rr帆，劲】，r=ax=maxr(i，)，P为待分类样本维数圈；张欣莉等提出R取常数方案阿；楼文高等给出R范围REr=J5，r呻3P。上述方案对于不同数据，确定半径R会过大或过小，造成分类效果较差。本文基于FriedmanTukey投影指标，针对投影数据，提出基于聚类思想窗口半径确定方法，改进投影寻踪模型，将其应用于黑龙江省13个地市土地资源生态安全评价，确定各地市相对土地资源生态安全等级，以期为区域土地资源生态安全预警、调控、土地规划管理及资源配置提供理论指导。1 研究区域与研究方法11区域概况与数据来源黑龙江省位于中国东北部，是我国纬度最高省份。北部和东部以黑龙江及

15、乌苏里江为界，与俄罗斯相望，西部与内蒙古自治区毗邻，南部与吉林省接壤；南北相距1 120 km，东西宽930 km。黑龙江省地势大致西北部、北部和东南部较高，东北部、南部较低。气候属中温带、寒温带大陆性季风气候。区域总面积463 730 km2，其中耕地面积158 660 km2，林地面积218 370 km2，湿地面积86 700 km2，其中天然湿地面积55 600 km2，草地面积20 630 km2。区域内有黑龙江、乌苏里江、松花江、绥芬河四大水系，有兴凯湖、镜泊湖、连环湖和五大连池四处较大湖泊。区域概况见图1。黑龙江是农业大省，耕地资源丰富，近年来，区域内过度开垦、采伐、放牧，农药化

16、肥过量施用，耕地长期重用轻养，土壤污染问题严重，有机质含量下降，地力减退；林地、湿地、草原面积逐渐减少，水土涵养能力下降，土地沙化盐渍化现象严重，水土流失面积逐年增加；土万方数据东北农业大学学报 第47卷地后备资源减少，土地生态功能减弱。本文研究对象是黑龙江省1 3个地市，具体包括：哈尔滨市、齐齐哈尔市、鸡西市、鹤岗市、双鸭山市、大庆市、伊春市、佳木斯市、七台河市、牡丹江市、黑河市、绥化市和大兴安岭地区。所涉及数据主要来自于黑龙江省统计年鉴(2014)和黑龙江省农垦年鉴(2014)；黑龙江省水利建设资料(2012)；相关部门官方网站。图1黑龙江省区域概况Fig1 Regional map of

17、 the Heilongjlang Province12 Friedman-Tukey投影寻踪模型及局部密度窗口半径确定121 Friedman-Tukey投影寻踪模型简介Friedman与Tukey提出FriedmanTukey投影指标叫，投影指标函数为：Q(a)：SA其中，&为投影值标准差，踣五为样本序列均值；及为投影值局部密度，肚n n芝：芝：恹一rG，助u(Rr(i，)，R为局部密度窗izl酉耳半径，r(i，)样本之间距离，r(i，_)=lz()一z(j)l，(i，户l，2，n)，H(t)单位阶跃函数，当t0时，其值为1，当tr眦=24，则月04，06)，可见窗口半径过大，导致窗口过宽

18、，所有样本点集中在一个点团内。对于特定数据，R，zP分类效果较差。R取常数方案不合适，由以上分析，可知R作用即筛选数据，对于不同数据尺取值不同。对于一组特定数据，理论上应存在最优值，但该值无法预知。(9 R【r眦5，rm3】，R叫，rm,3=048，o8】，与最优区间有交叉部分，未完全包含在最优区间04，06)。对于特定数据而言，区间过宽，分类结果未达到最优。这种确定R方法不稳定，易受个别极端值影响，当个别极端值出现时，r眦会被无限扩大，窗口半径会无限变大，窗口过宽，分类效果不明显。123局部密度窗I：半径确定方法分析发现，剐直大于或等于点团内部所有点与点间距离，另一方面剐直小于点团与点团之间

19、所有点与点间距离，实现数据筛选。在数据整体分散而局部聚集下，&和n同时达到极大。整体分散可以使&达到极大；整体分散、局部聚集可保证每一个点团内点尽可能聚集，点团与点团间尽量分散，因为点团与点团间点距离被舍弃，不影响及，吐达到极大。为此，本文提出一种基于聚类思想局部密度窗口半径确定方法，改进投影寻踪评价模型。投影寻踪模型把p维数据蚓j=l，2，p)综合成以=a：，a，)为投影方向一维投影值盈，即：五：yo隅 (i=l，2，n)篇。7式中，o一单位长度向量。在综合投影指标值时，要求投影值Zi散布特征应为：局部投影点尽可能密集，最好凝聚成若干个点团，整体上点团与点团间尽可能散开。定义投影指标：Q(口

20、)=5_n各项符号意义同前。要求指标值p(口)越大越好，这是一个以吩皓1，2，p)为优化变量复杂非线性优化问题。可以采用基于实数编码遗传算法RGA求解。将n个样本做K均值聚类，假定将n分成k类(点团)，每个点团中含有样本数为钆，且”菇：+戈乒凡，r(i，i)表示投影点之间距离，即r(i，7)=lz(i)一z(j)l。降序排序，记为r(i，_)，k=l，2，n2，r(i，_)御为排序后序号为k个r(i，?)值，则R=r(i，歹)其中，p=：戈i铆(1i，i|)。投影寻踪模型对投影值局部密度要求是保留点团内距离r(i，7)，去除点团之间距离r(i，7)。即对于窗口半径而言，要求点团与点团之间点保证

21、Rr(i，f)：兢xj(1i，尽J|)，而对于点团内部点要保证Rr(i，i)I0。点团之间距离r(i，j)必定大于点团内距离r(i，f)，将r(i，_)降序排序后，第P个值r(i，)劬即满足要求。13评价标准及指标体系构建土地资源生态安全评价指标选择是区域土地资源生态安全重要内容之一，评价指标选择恰当与否关系评价结果优劣。土地资源生态安全受到自然、经济、社会等相关因素影响，在遵循可操作性、系统性、区域性等原则基础上，结合文献12，45，20】，重点结合黑龙江省区域特色，从自然子系统、经济子系统、社会子系统三个方面选取16个指标，见表1。结合国际、国内相关标准和黑龙江省区域特性，将所有指标分成4

22、个相对等级，等级越高，土地资源生态风险越高，安全陛越低。本文将土地资源生态安全评价指标分为正向指标和负向指标，正向指标包括：森林覆盖率(X。)、草地面积比例(五)、湿地面积比例(咒)、水土协调度(兄)，这些指标越大表明区域涵养水源、保持水土能力越强，土地资源生态安全状况越好；人均GDP(凰)、农民人均纯收入(函)、环境投资比例(x。)、农电集约度(x。)，这些指标值越大，表明区域抵御外来冲击和压力能力越强。负向指标包括：水土流失面积比例(五)、农业经济比重(凰)、单位耕地化肥负荷(墨)、人口密度(蜀。)、人口自然增长率(五：)、农业人口比重(x。，)、城镇化水平(蜀。)、单位土地废水负荷(五，

23、)，这些值越大，表明区域土地受损情况越严重，承载压力或冲击力能力越差，生态安全状况越差。为解决量纲及数量级不同，将上述正向、逆向指标作极差标准化【32。331，标准化后从单个指标上看，指标越大，安全性越高。万方数据东北农业大学学报 第47卷表1黑龙江省土地资源生态安全评价指标体系Table 1 Evaluation indices and relative grades of land resource ecological security in the Heflongjiang Province项目评价指标 I级 级 级 级Item Evaluation indexes(Xi)(unit)

24、。?4 ?j?“? ?“1自然子系统Naturalsubsystem森林覆盖率()Forest eoverage(Xt) 50 40-50 30-40 20 15-20 10-15 20 15-20 10-15 40水土协调度()Soil and water co scheduling(X5) 60 45-60 30-45 5 35-5 2-35 12 09-12 06-09 04subsystem。单位耕地化肥负荷(tonha-1)Unit cultivated land fertilizer 06环境投资比例()Proportion ofEnvironmental investment0)

25、 9 6-9 3-6 500社会子系统Socialsubsystem人口自然增长率()Natural growth rate of popI】1afion(X12) 3农业人口比重()Proportionofagriculturalpopulation(X13) 80城镇化水平()Urbanization level(X-一) 60单位土地废水负荷(万吨km-1)Unitlandwastewater(X,5) 12农电集约度(kwhha-1)Electricity consumption per hectare(X,0 900 600-900 300-600 ：戈fxj=146， 1百4R=日

26、(i，戊，碣。采用英国Sheffield大学遗传算法工具箱中基于实数编码遗传算法(RGA)求解，初始种群为20，代沟为09，交叉概率为07，变异概率为o1，迭代次数为200次。借助MATLAB软件，得目标函数达到最大值1129。最佳投影方向为口=(04847，02869，05807，0179r7，O1681，01858，00316，00246，02871，01692，02580，00064，02508，00008，00889，00209)。按照表1分级标准，将各指标分界值结合原始数据归一化，结合最佳投影方向o，得到3个界值09677，13012，17518，将区域分成四个等级。在最佳投影方向o

27、下，各个地区投影值和对应等级见表2。22评价结果对比分析本文在Friedman-Tukey模型基础上改进窗EI半径确定方法，为从实例上说明本方法有效性，将其与最常用窗口半径R=01&对比，R=01&时Friedman-Tukey模型评价结果见表3。由评价结果可知，两种窗口半径确定方式得到最终评价结果大致相同，说明本文窗口半径确定方法有效性。为定量分析两组数据差异，采用形检验分析两组数据。形检验由夏皮罗和威尔克1965年提出1，主要用于小样本(n、50)时检验数据分布与正态分布差异，形值越小，与正态分布差异越大。投影寻踪模型中较为成熟方法是利用数据分布与高斯分布差异定义投影指标m，361,可用形

28、值判断最终结果。形值具体计算过程见文献351，得到R=01时形值为09419，采用本文窗口半径确定方法形值为09317，可见本文得到结果与正态分布差异较大，结果相对优良。万方数据第7期 裴巍等：基于改进投影寻踪模型黑龙江省土地资源生态安全评价表2黑龙江省土地资源生态安全性评价结果Table 2 Assessment results of land嗍urce ecological security in the H胡伽【gjia哗Province表3 Friedman-Tukey模型评价结果Table 3 Assessment results of Friedman-Tukey model23黑

29、龙江省土地资源生态安全空间差异分析为了解不同指标系统对土地资源生态安全影响，结合最佳投影方向，从自然子系统、经济子系统、社会子系统三个方面分别计算投影值。以自然子系统为例，将指标x。，五，咒，五，咒归一化后结合投影方向前五个分量(04847，02869，05807，01797，01681)，计算自然子系统角度投影值，再根据相应分级标准，得到分界界点04012，06503，09042，从自然子系统角度评价结果，经济子系统和社会子系统计算过程类似，计算结果如表4所示。为分析黑龙江省土地资源生态安全区域差异，利用ArcGis可视化功能，绘制黑龙江省土地资源生态安全空间差异分布图，绘制自然、经济、社会

30、子系统下黑龙江省土地资源生态安全空间差异分布图，见图2。总体来看，黑龙江省土地资源生态安全等级为级。从各个子系统来看，自然子系统和社会子系统等级为级，经济子系统等级为级。从自然因素来看，黑龙江省森林覆盖率为4570，湿地面积比例为1229，高于全国平均水平2483，558，表明黑龙江省自然状况相对良好，土地资源生态安全基础较好。从社会因素上看，黑龙江省人口密度、城镇化水平较低，分别为8108人knl-2，4839，低于全国平均水平14174人km。2，5373，对土地压力较小。从经济因素上看，黑龙江省总体经济水平较低，人均GDP为38 058元，低于全国均值41 980元，经济对农业依赖较大，

31、农业经济比重为1750，高于全国均值10，对土地压力较大。从自然子系统角度来看，I级地区包括大庆、大兴安岭、双鸭山和伊春4个地区，级地区有哈尔滨、齐齐哈尔和七台河，其余地区分别为级和级。大兴安岭、伊春、双鸭山森林覆盖率均超过60，伊春和大兴安岭更高达8834和8123，森林资源丰富，涵养水源和水土保持能较强。大兴安岭、大庆和双鸭山湿地面积比例均超过20，湿地具有抵御洪水、蓄洪防旱、控制污染、抵御土壤侵蚀等作用，对土地资源生态安全起到积极作用。但哈尔滨、齐齐哈尔、七台河等地土地资源生态安全风险较高，这些地区在发展经济同时，开发耕地资源，对森林、草地等资源有不同程度破坏，影响区域土地资源生态安全。

32、由经济子系统可知，黑龙江经济总体欠发达，经济对农业依赖程度较强，其中绥化、黑河、大兴安岭农业经济比重超过40，土地过度开垦和不合理利用导致水土流失问题严重，土壤荒漠化现象日愈严重，威胁区域土地资源生态安全。此外，在追求经济发展同时，忽略区域生态建设，资源约束趋紧，土地资源生态系统遭到不同程度破坏。万方数据东北农业大学学报 第47卷由社会子系统可知，分布比较均衡，其中I级城市有3个，级城市有4个，级城市有2个，城市有5个。除哈尔滨、齐齐哈尔、大庆和绥化外，其余地区人13密度均低于80人km，对土地压力较小，一定程度上起到保护耕地、森林等作用。在污染程度上，哈尔滨、大庆、齐齐哈尔单位土地废水负荷较

33、高，这些城市经济发展相对较好，工业“三废”排放量较大，对土地安全造成压力。表4自然、经济、社会子系统下评价结果TabIe 4 Assessment results ofNatural，Economic,Social subsystem：0，鬻皂b：皂h太冀安-万方数据第7期 裴巍等：基于改进投影寻踪模型黑龙江省土地资源生态安全评价 99综合所有因素，哈尔滨、齐齐哈尔、七台河、绥化属于级，土地资源安全状况较差，主要原因是这些地区经济相对发达，人口稠密，森林、草地、湿地面积比例较低、城镇化水平较高。鸡西、鹤岗、牡丹江属于级，双鸭山、黑河、佳木斯属于级，这些地区总体上土地资源生态安全状况适中，虽然一

34、些指标不佳，但是其他指标表现较好恢复性。土地资源生态安全状况良好的是大兴安岭、大庆和伊春，属于第1级。大庆草地面积、湿地面积比例明显高于其他地区。大兴安岭和伊春森林覆盖率较高，自然状况较好，涵养水源、保持水土能力较高，且区域人口密度较低，地广人稀，对土地压力较小。黑龙江作为国家粮食基地，耕地面积和粮食产量均位于全国首位。然而，过度开垦土地严重破坏区域土地生态，农业经济附加值不高，在经济结构中处于弱势地位，但作用不可或缺，所以在国家层面上应考虑如何平衡和补偿农业，降低土地压力，保护地方土地资源生态安全。从地方角度看，应关注并解决环境投资较低、重耕轻养、土地质量下降，破坏区域土地资源生态安全问题。

35、3结论a改进模型中基于聚类思想窗口半径确定方法，满足投影寻踪模型对窗口半径要求。b本文窗口半径确定方法和R=O1&比较，W检验结果表明改进模型优于原模型。C从自然、经济、社会子系统角度分别分析黑龙江省各地市土地资源生态安全状况，结果表明黑龙江总体自然状况良好，自然基础较好，但黑龙江地区经济水平较低，经济对农业依赖程度较高，土地压力较大。个别地区如哈尔滨、齐齐哈尔、绥化等地土地资源生态安全状况较差。【参考文献】【1】徐美，朱翔，刘春腊基=f：RBF湖南省土地生态安全动态预警叨地理学报，2012，67(10)：141114222】Hua Y E，Yan M A，Dong LLand ecologi

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47、lgorithm forexploratory data analysisJIEEE Tram On Computer,1974，23(9)：881-890陈曜，丁晶，赵永红基于投影寻踪原理的I匹UII省洪灾评估叨水利学报，2010，41(2)：220-225张欣莉，丁晶，李祚泳，等投影寻踪新算法在水质评价模型中应用叨中国环境科学，2000，20(2)：187-189楼文高，乔龙投影寻踪分类建模理论新探索与实证研究叨数理统计与管理，2015，34(1)：4758Shapiro S S，Wilk M BAn analysis of variance test for normality(complete snmples)Biometrika，1965，52(4)：591611Hall POn polynomial-based pmjeefion indices for exploratorypmjeetion pursuitJThe Annals of Statisties，1989，17(2)：589605踟明叫U剐钥习叼口口ppppppp万方数据