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利用I A N N 建立县域种植业可持续发展预警模型 张金萍1 ， 2 秦耀辰1艾少伟1 1 . 河南大学黄河文明与可持续发展研究中心/ 环境与规划学院，开封4 7 5 0 0 4 ; 2 . 聊城大学环境与规划学院，聊城2 5 2 0 5 9 摘要：区域种植业系统的生存和发展易受到来自种植业经济社会、资源和环境等因素的干扰，使其可能偏离正常的运 行轨道，产生各种警情。该文基于加权主成分分析算法，从优化网络初始权值入手，对误差反传B P 算法进行改良，形成 快速收敛和高精度的加权主成分网络模型W P C A - N N 。从而将黄色预警法与非线性模拟方法巧妙结合，建立了科学合理 的短期县域种植业可持续性预警指标体系和模型体系，并以黄河下游沿岸典型县市垦利和封丘为案例进行了实证研究。 研究表明：1 ）种植业可持续性的空间尺度属性非常重要，以改进人工神经网络( I A N N ) 为核心的县域种植业可持续性 预警模型体系具有良好的可操作性。 2 ）W P C A - N N 既能反映决策者对各指标的偏好程度， 又能规避经典B P 算法学习速 度慢和易陷入局部极小的缺陷。3 ）县域种植业可持续性预警实证分析达到预期结果并符合实际。2 0 1 0 - 2 0 1 4 年两县警 情以轻警和中警为主， 资源和环境方面警兆的异常波动， 尤其是权重较大的警兆指标对警情有着更为直接的影响。 神经网络; 模型; 算法; 种植业可持续性; 黄色预警法; 黄河下游 1 0 . 3 9 6 9 / j . is s n . 1 0 0 2 - 6 8 1 9 . 2 0 1 2 . 0 9 . 0 3 6 S - 0 3 ; F 3 0 7 . 1A 1 0 0 2 - 6 8 1 9 ( 2 0 1 2 ) - 0 9 - 0 2 1 3 - 0 9 2 0 1 1 - 1 0 - 2 72 0 1 2 - 0 4 - 1 0 基 金项目：国家教育部人文社会科学重点研究基地重大项目（1 0 J J D Z O N G H E 0 1 5 ）； 国家自然科学基金面上项目( 4 1 1 7 1 4 3 8 ) 。 作者简介： 张金萍( 1 9 7 7 - ) , 女， 山东招远人， 讲师， 博士， 聊城大学环境 与规划学院, 主要研究空间分析与区域系统建模。开封 河南大学黄河文明 与可持续发展研究中心/ 环境与规划学院, 4 7 5 0 0 4 。E m a il : m a r y z h j p 1 2 6 . c o m 通信作者： 秦耀辰( 1 9 5 9 - ) ， 男， 河南大学环境与规划学院教授， 博士 生导师，主要从事区域可持续发展理论、模型与信息系统研究。开封 河南 大学黄河文明与可持续发展研究中心/ 环境与规划学院，4 7 5 0 0 4 。 E m a il : q in y c h e n u . e d u . c n 2 0 1 2 年 第9 期 2 0 1 2 年 第9 期 2 1 8 农业工程学报2 0 1 2 芷 表3 改进B P 神经网络的性能和参数 T a b l e3P e r f o r m a n cea n dp a r a m e t e r so fi m p r o v e d b a ck - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k 进一步的指标敏感性分析( 图5 ) 表明，垦利县人均 粮食产量( j c2 ) 、耕地有效灌溉率( ) 和土地复种指数 ( 确) 分别增加5 将导致，增加7 6 5 、7 4 6 和5 8 4 ； 封丘县人均耕地面积( x 5 ) 、耕地有效灌溉率( ) 和土 地复种指数( x 8 ) 分别增加5 将导致，增加9 6 6 、7 4 8 和5 1 9 ，而这些均是种植业资源和环境子系统中权重较 大的指标。 一 - I _ 一 - - 。 螂x l 畔州x 枇x l l 主导闻子 a 垦利县 。- ，_ 。一- ，一I- ：| | j | | | j I | | J | | | 点| | | 点烈；J 萋函 主导嗣子 h 封丘县 注：川、匏。l I 为指标层变量，具体含义见表2 。 图5 警情综合持续指数I 与主导因子的敏感性分析结果 F i g 5 R e s u l t so f s e n s i t i v i t ya n a l y s i sf o ri n d e xIa n dd o m i n a n t f a ct o r s 因此，从警源来看，要实现2 个县种植业的可持续 发展，关键要从改善种植业生产物资条件及基础设施状 况、增加耕地利用投入水平和改善种植业生产的环境背 景等方面入手。所建立的模型不仅可用作指标的敏感性 分析，还可被视为未来2 个县警情综合持续指数的短期 经验模型，从而辅助政府部门在短期种植业发展和规划 中及时制定调整策略。 3 4 警兆 3 4 1 警情警限设置 取黄河下游沿岸县域各子系统持续指数多年平均增 长率的最小值( 种植业经济指数为4 5 5 、种植业资源指 数为0 1 9 、种植业环境指数为一4 0 0 ) ，以2 0 0 9 年为 基数，分别计算各县警情综合持续指数，及其增长率鲥。 以最小的值0 5 3 作为无警警限h 。，根据中数原则将 中位数一1 4 5 作为轻警警限h 2 ，出于可操作性分别调整 为0 5 0 、一1 5 0 。该区尽管出现了种植业种植环境不同 程度的退化，但大多数年份地方种植业产值仍在不断加 速提高，通过经济增长的反哺作用可以减缓环境退化的 影响。因而各地重警和剧警的年份应占少数，故将数列 约l 3 处的数值- 4 0 0 定为中警警限h ，将- 8 0 0 作为 重警警限h 。，警度划分方案见表4 。可以看出，垦利县出 现中警以上警情的年份多于封丘县，特别是2 0 0 1 - - 2 0 0 4 年，中、重、剧警连续出现，至2 0 0 8 年警情才逐渐解除。 封丘县警情略好，1 9 9 9 - - 2 0 0 2 年均为无警，且少有中警 以上警情连续出现的情况。 表4 种植业可持续性警情的警度划分方案及警度分布 T a b l e4D i v i s i o np r o g r a mf o rt h ew a r n i n gd e g r e e sa n dt h e i r d i s t r i b u t i o n 3 4 2 警兆指标警区的确定 从经济、主要物资消耗、耕地面积、机械拥有量、 主要农产品播种面积及产量、农机化作业情况、水利情 况、污染情况和农民人均收入等方面共搜集了4 3 个指标， 计算其年变化率形成警兆指标体系。进行警情综合持续 指数变化率与警兆指标Y i 的相关分析( a 为0 0 5 ) ， 根据相关系数的大小，删掉与世相关性相对较弱，又与 其余警兆变量存在显著相关性的指标，从而保证所筛选 出的警兆变量彼此之间是独立的。最终各选定3 个指标 作为垦利县和封丘县种植业可持续性预警的警兆指标， 其警度划分方案见表5 。 3 5 警度 3 5 1 单项警兆指标预测 经过训练，垦利县B P 输入和输出层皆为3 个神经元， 隐层为4 个神经元，而封丘县输入和输出层皆为3 个神 经元，隐层为5 个神经元时测试样本的误差最小( 均方 误差M S E 分别为0 0 3 6 和0 0 5 5 ) 。检测样本的网络输出 值与实际值( 表6 ) 十分接近，说明该模型计算精度较高， B P 神经网络追踪各指标变化趋势的能力较强。对B P 网 络滚动预测结果进行反归一化，即可得出2 0 1 0 2 0 1 4 年各 指标的预测值。 m 5 0 o m 连哥晕制g一妊避蝼靶舡媾 m 5 O 5 O 透许芒制星一赫蒋蝼靶如婚 2 0 1 2 年 第9 期 1 G a r c ia S M , S t a p l e s D J , C h e s s o n J . T h e F A O g u id e l in e s f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d u s e o f in d ic a t o r s f o r s u s t a in a b l e d e v e l o p m e n t o f m a r in e c a p t u r e s h e r ie s a n d a n A u s t r a l ia n e x a m p l e o f t h e ir a p p l ic a t io n J . O c e a n a n d C o a s t a l M a n a g e m e n t , 2 0 0 0 , 4 3 ( 7 ) : 5 3 7 - 5 5 6 . 2 张忠根， 应风其. 农业可持续发展评估理论、 方法与应用 M . 北京：中国农业出版社，2 0 0 3 ，4 5 - 9 3 . 3 G u s t a v s o n K R , L o n e r g a n S C , R u it e n b e e k H J . S e l e c t io n a n d m o d e l in g o f s u s t a in a b l e d e v e l o p m e n t in d ic a t o r s : a c a s e s t u d y o f t h e F r a s e r r iv e r b a s in , B r it is h C o l u m b ia J . E c o l o g ic a l E c o n o m ic s , 1 9 9 9 , 2 8 ( 1 ) : 1 1 7 - 1 3 2 . 4 S t e v e n s o n M , L e e H . I n d ic a t o r s o f s u s t a in a b il it y a s a t o o l in a g r ic u l t u r a l d e v e l o p m e n t : p a r t it io n in g s c ie n t if ic a n d p a r t ic ip a t o r y p r o c e s s e s J . I n t e r n a t io n a l J o u r n a l o f S u s t a in a b l e D e v e l o p m e n t a n d W o r l d E c o l o g y , 2 0 0 1 , 8 ( 1 ) : 5 7 - 6 5 . 5 S m it h C S , M c D o n a l d G T , T h w a it e s R N . T I M : a s s e s s in g t h e s u s t a in a b il it y o f a g r ic u l t u r a l l a n d m a n a g e m e n t J . J o u r n a l o f E n v ir o n m e n t a l M a n a g e m e n t , 2 0 0 0 , 6 0 ( 4 ) : 2 6 7 - 2 8 8 . 6 S m it h B A , H o o g e n b o o m G , M c C l e n d o n R W . A r t if ic ia l n e u r a l n e t w o r k s f o r a u t o m a t e d y e a r - r o u n d t e m p e r a t u r e p r e d ic t io n J . C o m p u t e r s a n d E l e c t r o n ic s in A g r ic u l t u r e , 2 0 0 9 , 6 8 ( 1 ) : 5 2 - 6 1 . 7 M k h a b e l a M , B u l l o c k P , G e r v a is M , e t a l . A s s e s s in g in d ic a t o r s o f a g r ic u l t u r a l d r o u g h t im p a c t s o n s p r in g w h e a t y ie l d a n d q u a l it y o n t h e C a n a d ia n p r a ir ie s J . A g r ic u l t u r a l a n d F o r e s t M e t e o r o l o g y , 2 0 1 0 , 1 5 0 ( 3 ) : 3 9 9 - 4 1 0 . 8 L i M , Q ia n J P , Y a n g X T , e t a l . A P D A - b a s e d r e c o r d - k e e p in g a n d d e c is io n - s u p p o r t s y s t e m f o r t r a c e a b il it y in c u c u m b e r p r o d u c t io n J . C o m p u t e r s a n d E l e c t r o n ic s in A g r ic u l t u r e , 2 0 1 0 , 7 0 ( 1 ) : 6 9 - 7 7 . 9 B h a s k a r a n a r a y a n a A , V a r a d a r a j a n C , H e g d e V S . S p a c e - b a s e d s o c ie t a l a p p l ic a t io n s : R e l e v a n c e in d e v e l o p in g c o u n t r ie s J . A c t a A s t r o n a u t ic a , 2 0 0 9 , 6 5 ( 9 / 1 0 ) : 1 4 7 9 - 1 4 8 6 . 1 0 V a n C a l k e r K , B e r e n t s e n P , G ie s e n G , e t a l . I d e n t if y in g a n d r a n k in g a t t r ib u t e s t h a t d e t e r m in e s u s t a in a b il it y in D u t c h d a ir y f a r m in g J . A g r ic u l t u r e a n d H u m a n V a l u e s , 2 0 0 5 , 2 2 ( 1 ) : 5 3 - 6 3 . 1 1 P r a n e e t v a t a k u l S , J a n e k a r n k ij P , P o t c h a n a s in C , e t a l . A s s e s s in g t h e s u s t a in a b il it y o f a g r ic u l t u r e , a c a s e o f m a e c h a e m c a t c h m e n t , n o r t h e r n t h a il a n d J . E n v ir o n m e n t I n t e r n a t io n a l , 2 0 0 1 , 2 7 ( 2 / 3 ) : 1 0 3 - 1 0 9 . 1 2 R a s u l G , T h a p a G B . S u s t a in a b il it y o f e c o l o g ic a l a n d c o n v e n t io n a l a g r ic u l t u r a l s y s t e m s in B a n g l a d e s h : a n a s s e s s m e n t b a s e d o n e n v ir o n m e n t a l , e c o n o m ic a n d s o c ia l p e r s p e c t iv e s J . A g r ic u l t u r a l S y s t e m s , 2 0 0 4 , 7 9 ( 3 ) : 3 2 7 - 3 5 1 . 1 3 邓楚雄，谢炳庚，吴永兴，等. 上海都市农业生态安全定 量综合评价 J . 地理研究，2 0 1 1 ，3 0 ( 4 ) : 6 4 5 - 6 5 4 . D e n g C h u x io n g , X ie B in g g e n g , W u Y o n g x in g , e t a l . Q u a n t it a t iv e a n d c o m p r e h e n s iv e e v a l u a t io n o f e c o l o g ic a l s e c u r it y o f u r b a n a g r ic u l t u r e in S h a n g h a i J . G e o g r a p h ic a l R e s e a r c h , 2 0 1 1 , 3 0 ( 4 ) : 6 4 5 - 6 5 4 . ( in C h in e s e w it h E n g l is h a b s t r a c t ) 1 4 S t o o r v o g e l J J , A n t l e J M , C r is s m a n C C , e t a l . T h e t r a d e - o f f a n a l y s is m o d e l : in t e g r a t e d b io p h y s ic a l a n d e c o n o m ic m o d e l in g o f a g r ic u l t u r a l p r o d u c t io n s y s t e m s J . A g r ic u l t u r a l S y s t e m s , 2 0 0 4 , 8 0 ( 1 ) : 4 3 - 6 6 . 1 5 V a n D e r W e r f M G , P e t it J . E v a l u a t io n o f t h e e n v ir o n m e n t a l im p a c t o f a g r ic u l t u r e a t t h e f a r m l e v e l : a c o m p a r is o n a n d a n a l y s is o f 1 2 in d ic a t o r - b a s e d m e t h o d s J . A g r ic u l t u r e , E c o s y s t e m s a n d E n v ir o n m e n t , 2 0 0 2 , 9 3 ( 1 / 3 ) : 1 3 1 - 1 4 5 . 1 6 R ig b y D , W o o d h o u s e P , Y o u n g T , e t a l . C o n s t r u c t in g a f a r m l e v e l in d ic a t o r o f s u s t a in a b l e a g r ic u l t u r a l p r a c t ic e J . E c o l o g ic a l E c o n o m ie s , 2 0 0 1 , 3 9 ( 3 ) : 4 6 3 - 4 7 8 . 1 7 周小萍，陈百明. 农业资源可持续利用模式及案例分析一 以冀中南平原为例 J . 地理科学进展，2 0 0 3 ，2 2 ( 4 ) : 4 1 7 - 4 2 5 . Z h o u X ia o p in g , C h e n B a im in g . T h e r e s e a r c h o f a g r ic u l t u r e r e s o u r c e s s u s t a in a b l e u t il iz a t io n p a t t e r n a n d c a s e a n a l y s is J . P r o g r e s s in G e o g r a p h y , 2 0 0 3 , 2 2 ( 4 ) : 4 1 7 - 4 2 5 . ( in C h in e s e w it h E n g l is h a b s t r a c t ) 1 8 毛汉英. 县域经济和社会同人口资源、 环境协调发展研究 J . 地理学报，1 9 9 1 ，4 6 ( 4 ) : 3 8 5 - 3 9 4 . M a o H a n y in g . S t u d y o n c o o r d in a t in g d e v e l o p m e n t o f e c o n o m ic , s o c ia l g r o w t h w it h p o p u l a t io n , r e s o u r c e s a n d e n v ir o n m e n t a t c o u n t y l e v e l J . A c t a G e o g r a p h ic a S in ic a , 1 9 9 1 , 4 6 ( 4 ) : 3 8 5 - 3 9 4 . ( in C h in e s e w it h E n g l is h a b s t r a c t ) 1 9 彭补拙， 魏金悌，张燕. 城市边缘区耕地预警系统的研究 以温州市为例 J . 经济地理，2 0 0 1 ，2 1 ( 6 ) : 7 1 4 - 7 1 8 . P e n g B u z h u o , W e i J in d i, Z h a n g Y a n . S t u d y o n s y s t e m o f a r a b l e l a n d f o r e w a r n in g in u r b a n f r in g e : A c a s e o f W e n z h o u c it y J . E c o n o m ic G e o g r a p h y , 2 0 0 1 , 2 1 ( 6 ) : 7 1 4 - 7 1 8 . ( in C h in e s e w it h E n g l is h a b s t r a c t ) 2 0 张鸿辉，刘友兆， 曾永年，等. 耕地质量预警系统设计与 实证 J . 农业工程学报，2 0 0 8 ，2 4 ( 8 ) : 7 4 - 7 9 . Z h a n g H o n g h u i, L in Y o u z h a o , Z e n g Y o n g n ia n , e t a l . D e s ig n a n d e m p ir ic a l r e s e a r c h o f c u l t iv a t e d l a n d q u a l it y e a r l y w a r n in g s y s t e m J . T r a n s a c t io a s o f t h e C h in e s e S o c ie t y o f A g r ic u l t u r a l E n g in e e r in g ( T r a n s a c t io n s o f t h e C S A E ) , 2 0 0 8 , 2 4 ( 8 ) : 7 4 - 7 9 . ( in C h in e s e w it h E n g l is h a b s t r a c t ) 2 1 O j a E , K a r h u n e n J . O n s t o c h a s t ic a p p r o x im a t io n o f e ig e n v e c t o r s a n d e ig e n v a l u e s o f t h e e x p e c t a t io n o f a r a n d o m m a t r ix J . J o u r n a l o f M a t h e m a t ic a l A n a l y s is a n d A p p l ic a t io n s , 1 9 8 5 , 1 0 6 ( 1 ) : 6 9 - 8 4 . 2 2 S a n g e r T D . O p t im a l u n s u p e r v is e d l e a r n in g in a s in g l e - l a y e r l in e a r f e e d f o r w a r d n e u r a l n e t w o r k J . N e u r a l N e t w o r k , 1 9 8 9 , 2 ( 6 ) : 4 5 9 - 4 7 3 . 2 3 余英林，李海洲. 神经网络与信号分析 M . 广州：华南理 工大学出版社, 1 9 9 6 ，2 5 2 - 2 8 2 . 2 4 朱明星，方斌，张德龙. 前馈神经网络快速算法及其应用 J . 合肥工业大学学报：自然科学版，2 0 0 0 ，2 3 ( 5 ) : 7 3 5 - 7 3 9 . Z h u M in g x in g , F a n g B in , Z h a n g D e l o n g . A f a s t l e a r n in g a l g o r it h m o f f e e d f o r w a r d n e u r a l n e t w o r k s a n d it s a p p l ic a t io n t o s y s t e m id e n t if ic a t io n J . J o u r n a l o f H e f e i U n iv e r s it y o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 0 , 2 3 ( 5 ) : 7 3 5 - 7 3 9 . ( in C h in e s e w it h E n g l is h a b s