（环境科学专业论文）粗糙集和突变级数法在生态经济区划中的应用研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 法。本文以粗糙集的属性约简算法作为知识筛选的方法，将突变级数模型 作为浓缩知识的方法，形成了一个最终用于分类的知识，使用粗糙集的不 可分辨原理，进行分区，最终形成了一种基于知识的生态经济区划方法。 作为实例分析，本文以阳城县为对象，验证改进突变级数法的实际使 用效果，在既有条件下，收集了阳城县的相关资料。建立了三层结构的指 标体系，应用突变级数模型进行了生态经济综合程度的评价，根据生态经 济综合程度，以阳城县辖区内1 7 个乡( 镇) 为基本单元，应用粗糙集的聚 类方法将其划分成了五类区。对比实际情况表明，具有较强的类间的差异 性和类内的相似性，结果比较理想。 关键词：生态经济区划，粗糙集，突变级数法，属性约简，知识发现 太原理工大学硕士研究生学位论文 r o u g hs e ta n dc a t a s t r o p h es e i u e sa p p r o a e i nt h ee c o l o g l c a la n de c o n o m i cz o n i n g o ft h ea p p l i e dr e s e a c h a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e ne c o n o m i cc o n s t r u c t i o nh i g h l i g h tt h eg r o w i n gp r o b l e m ， t h ec o o r d i n a t i o no fe c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds e e kt oa c h i e v es u s t a i n a b l es o c i o - e c o n o m i c 。i d e v e l o p m e n ta n dp e o p l et oc o o r d i n a t ea ne f f e c t i v ew a y t oc o e x i s t ，e c o l o g i c a l e c o n o m yp l a n n i n gs t u d yo nt h er i s eo ft h ee n v i r o n m e n ta ni m p o r t a n ta s p e c to f s c i e n t i f i cr e s e a r c h e c o l o g i c a la n de c o n o m i cz o n i n gi st h em o s tf u n d a m e n t a l m e t h o do fd e t e r m i n i n gd i v i s i o no ft h i ss t u d yt of o c u so ne c o l o g i c a lt h e o r ya n d e c o n o m i cp l a n n i n gm e t h o d s ，a n de x p l o r er o u g hs e tt h e o r ya n dc a t a s t r o p h e t h e o r yi nt h ea p p l i c a t i o no fe c o l o g i c a la n de c o n o m i cz o n i n go f t h ep o s s i b l e ，s e t t h e o r yi n t oas p e c i f i ce c o l o g i c a la n de c o n o m i cz o n i n gt e c h n i c a lm e t h o d sc a n n o to n l ys t r e n g t h e ni n t e r d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g ei n f i l t r a t i o n ，m o r ei m p o r t a n t l y ， t h et w os i d e sc a np r o m o t et h et h e o r yo fp e r f e c t ，u p g r a d et h e i rt e c h n o l o g y ，t h e i r r e s e a r c hh a sc e r t a i nt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i ss t u d ya n dt h ea n a l y s i so fm u t a t i o n so fr o u g hs e tt h e o r yo nt h eb a s i so f t h er o u g hs e to fa t t r i b u t er e d u c t i o na l g o r i t h m st o s i m p l i f yi n d i c a t o r s ，t h e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n d i c a t o r sf u r t h e re v a l u a t i o nt od e t e r m i n et h ee c o l o g i c a le l e m e n t so ft h em u t a n t s e r i e sm o d e l ，a sw e l la se v a l u a t i o no fr o u g hs e td i v i s i o n ，l a y e rb yl a y e r ， g r a d u a l l yr o u g hs e tt h e o r ya n dt h es p e c i f i cm u t a t i o n ，f o r m a t i o no fe c o l o g i c a l a n de c o n o m i cz o n i n go ft h er o u g hs e ts e r i e ss y s t e ma n dm u t a t i o nm e t h o d ，t o s o m ee x t e n t ，r i c he c o l o g i c a la n de c o n o m i cz o n i n go ft h et h e o r ya n dt e c h n i q u e s t h i ss t u d yi sp a r to ft h em u t a t i o nt h e o r yd e r i v e df r o mt h em u t a n ts e r i e s m e t h o d ，a p p l i e dt os p e c i f i ce c o l o g i c a la n de c o n o m i ce l e m e n t so f t h ee v a l u a t i o n p r o c e s s ，a n dt h em u t a t i o no f as e r i e so fi m p r o v e dt oac e r t a i ne x t e n t m u t a t i o no f as e r i e so fm a j o re c o l o g i c a la n de c o n o m i ce v a l u a t i o no ft h ep r o c e s si ss p e c i f i c ： t h eu s eo fr o u g hs e ta t t r i b u t er e d u c t i o na l g o r i t h m ，as y s t e mo fi n d i c a t o r st o r e m o v er e d u n d a n c yr e d u c t i o nt a r g e t s r o u g hs e ti na c c o r d a n c ew i t ht h em e t h o d o fc a l c u l a t i o no ft h ei m p o r t a n c eo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n d i c a t o r s ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h ei m p o r t a n c eo ft h ed i f f e r e n tm u t a t i o n si d e n t i f i e di nt h es e r i e s o fi m p o r t a n tv a r i a b l em o d e la n ds e c o n d a r yv a r i a b l e s t h es e c o n di st h ec o n t e n to ft h i ss t u d yw i l lb er o u g hs e tt h e o r ya n d c a t a s t r o p h et h e o r yi n t os p e c i f i ce c o l o g i c a la n de c o n o m i cz o n i n gm e t h o d b a s e d o nr o u g hs e to fa t t r i b u t er e d u c t i o na l g o r i t h ma sas c r e e n i n gm e t h o do f k n o w l e d g e ，a sam u t a t i o ns e r i e sm o d e lc o n c e n t r a t e dk n o w l e d g e ，t h ef o r m a t i o n o faf i n a lf o rt h ec l a s s i f i c a t i o no fk n o w l e d g e ，t h eu s eo ft h ei n d i s c e m i b i l i t y r o u g hs e tt h e o r y ，z o n i n g ，u l t i m a t e l yf o r m i n gac l a s s i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do n k n o w l e d g e o fm e t h o d s i v 太原理工人学硕士研究生学位论文 a sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e ry a n g c h e n gc o u n t yt a r g e t e dm u t a t i o nt e s ts e r i e s m e t h o dt o i m p r o v et h ep r a c t i c a l e f f e c t so ft h e e x i s t i n gc o n d i t i o n s ，t h e y a n g c h e n gc o u n t y c o l l e c t i o no ft h er e l e v a n ti n f o r m a t i o n e s t a b l i s h e da t h r e e - t i e rs t r u c t u r eo ft h ei n d e x s y s t e m ，a p p l i c a t i o nm u t a t i o ns e r i e sm o d e l i n t e g r a t i o no ft h ee c o l o g i c a la n de c o n o m i ce v a l u a t i o n ，i na c c o r d a n c ew i t h e c o l o g i c a lc o m p r e h e n s i v ee c o n o m i cl e v e la n d17i ny a n g c h e n gc o u n t ya r e a t o w n s h i p sa st h e b a s i cu n i t ，t h er o u g hs e ta p p l i c a t i o nc l u s t e r i n gm e t h o di t so f af i v ez o n e s c o n t r a s ta c t u a ls i t u a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ec l a s si ss t r o n ga n dt h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ec a t e g o r i e sa r es i m i l a rt ot h o s eo ft h ei d e a lr e s u l t s k e yw o r d s ：e c o l o g i c a la n de c o n o m i cz o n i n g ，r o u g hs e t ，c a t a s t r o p h e s e r i e sa p p r o a e ，a t t r i b u t er e d u c t i o n ，k n o w l e d g ed i s c o v e r y v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：工日期：一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 签名：誓正1 习； 导师签名： 日期： d 旧g 。b 7啪苫。 日期：趔：鱼：l 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 从2 0 世纪末开始，人口过剩、能源短缺、环境污染、生物多样性锐减、土地 退化和气候变化已对人类和环境的可持续发展产生了恶劣的影响。人口爆炸式增 长、物质密集型生产、消费量迅速膨胀与环境日益恶化之间的矛盾是我国面临的 主要矛盾，从这种尖锐的矛盾可以看出，人类的活动已经严重影响其生存环境。 要解决这一矛盾，就必须调整那种生态与经济相分离的发展理念，实行生态经济 管理，实现自然生态环境和经济发展的有机统一，从而实现经济效益、社会效益 和生态效益的统一，重建人与自然的和谐统一。在不同的自然和社会环境条件下， 不能采用一个相同的结构模式，而要以实际的生态经济条件为基础，建立与之相 适应的生态经济系统。生态经济区划正是寻求人类发展与自然和谐共处的有效途 径【l 】。 从系统的角度来看，人类朝夕相处的环境是一个充满不确定性因素的、变化 复杂的、具有突变性的大系统。首先，作为人类生存的环境由于受污染、能源短 缺、生物和人类活动、土地退化和气候变化的影响，其演变是一个不确定性的随 机过程，而且人类及生物的活动也是随时问和空间变化的不确定量，因此由自然 环境、人类和社会环境所组成的生态经济系统具有不确定性。人口爆炸式增长、 物质密集型生产、消费量迅速膨胀与环境日益恶化、环境恶化、经济发展、社会 进步、生态系统演替等现象都具有跃迁、突然质变和不连续性的特点，这些特性 可以体现在时问上如环境的恶化、经济发展等，也可以体现在空间上如水土流失 区域的变化、受污染影响区域，所有这些都体现出了生态经济系统具有突变性。 不能将不确定性突变性问题简单的化为确定的、连续无跃迁的问题，而是应该采 用不确定性以及突变的思路、方法来进行研究，使之更加合理。正如扎德在互克 性原理中所说：“当系统的复杂性日益增加时，我们作出系统特性的精确而有意义 性将变成两个几乎相互排斥的特性”。在过去的科学发展中，人类可以回避模糊性 而应用传统的经典数学，在当今高科技时代，人类再也无法回避不确定性了1 2 】。 从生态经济区划实践来看，现有的生态经济系统的不确定、不连续性、复杂 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 性造成生态经济区划研究与实践过程中，指标体系建立、权重选择带来了很大的 不确定性，常常过多依赖于主观经验、先验知识来进行指标体系建立、权重选择， 最终导致分区结果具有人为因素的成分比较多，客观性不足。 1 2 文献综述 1 2 1 粗糙集理论的研究进展 上世纪以来，集合理论对现代数学和逻辑学的发展产生了巨大的影响，已成 为当今数学和逻辑学的一种基础理论。集合论的创始人是康托尔，他所做的工作 一般称为朴素集合论，为了消除由于在定义集合的方法上缺乏限制导致的悖论， 经过许多数学家的努力，于2 0 世纪初创建了更精致的理论公理化集合论。出 于一些处理问题的需要，扎德( 三a z a d e h ) 教授1 9 6 5 年提出了模糊集合的概念， 逐步形成模糊集理论，并在很多控制领域取得了很大成功。八十年代初波兰学者 z p a w l a l d 3 】刚在集合论基础上首先提出了一个分析数据的粗糙集理论，由于最初的 研究是用波兰文发表的，并没有被其它国家学者所重视，研究地域也只局限在东 欧各国。到了八十年代末，这个理论逐渐被世界各国学者关注。从1 9 9 2 年至今， 每年都召开以r o u g hs e t 为主题的国际会议，国际上成立了粗糙集学术研究会， 并在i n t e r n e t 上定期发布电子公告，加速了粗糙集理论的发展和交流。由于粗糙 集理论在分析处理不精确、不一致和不完备信息方面具有很强的能力，因此作为 一种具有极大潜力和有效的知识获取工具受到了人工智能工作者的广泛关注。 近年来，粗糙集在数学理论上得到不断完善： 在粗糙集数学理论的研究方面，主要研究方向在于讨论粗糙集的代数性质与 拓扑结构，以及粗糙集的收敛性等问题1 孓8 j 。随着粗糙结构、代数结构、拓扑结构、 序结构等各种结构的不断整合，必将不断涌现出新的富有生机的数学分支。 在粗糙集拓广方面的研究主要涉及变精度粗糙集模型、模糊粗糙集模型与粗 糙模糊集模型、不完备信息系统下的粗糙集模型，以及对连续属性的离散化等【9 仍】 在粗糙集理论中的度量方面主要研究粗糙集数据分析中的度量、知识的不确定性 度量，以及粗糙集与粗糙关系数据库的信息度量等【2 4 2 5 】 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 在粗糙集理论与其他处理模糊性或不确定性方法之间关系的研究中，主要讨 论它与模糊集理论和d e m p s t e r - s h a f e r 证据理论的关系与互补卿引。神经网络与粗 糙集方法对于从数据中进行特征提取的关系的研究也是非常有趣的课题1 2 9 在粗 糙集有效算法方面，主要集中于抽取最优决策规则算法f 3 0 】，导出规则的增量式算 法f 3 l 】、约简的启发式算法【3 2 ，3 3 1 ，以及粗糙集基本运算的并行算法等【3 4 1 。 粗糙集理论的生命力也在于它具有非常强的实用性，从诞生到现在虽然只有 二十年的时间，但已经在许多领域取得了令人鼓舞的成果，在机器学习、模式识 别、决策分析、图像处理、医疗诊断、近似推理、过程控制、数据库知识发现、 专家系统等领域得到了成功的应用【3 5 - 4 0 。在股票数据分析方面，尼g o l a n 和形 z i a r k o 4 l 】应用粗糙集方法分析了十年间股票的历史数据，研究了股票价格与经济 指数之间的关系，获得的预测规则得到了华尔街证券交易专家的认可。在医疗诊 断方面，粗糙集方法根据以往的病例归纳出诊断规则，用来指导新的病例。传统 的人工预测早产的准确率只有1 7 一3 8 ，利用粗糙集理论则可提高到6 8 9 0 4 1 】。在模式识别方面，nn e j m a n1 4 2 1 应用粗糙集方法研究了手写字符识别问题， 提取出了特征属性。在决策分析方面【4 玉】，应用粗糙集方法产生决策规则，它允 许决策对象中存在一些不太精确、不太完整的属性，弥补了常规决策方法的不足。 在专家系统方面，t s u m o t ol 4 4 j 利用粗糙集抽取规则，从而为构造专家系统知识 库提供了一条崭新的途径。在数据库知识发现方面，k d d ( 知识发现) 是当前人 工智能和数据库技术交叉学科的研究热点之一。粗糙集方法已成为k d d 的一种 重要方法，其导出的知识精炼且更便于存储和使用。 1 - 2 2 突变理论研究进展 突变理论是研究不连续现象的新兴数学分支，它是在系统结构稳定性理论、 拓扑学和奇点理论等基础上发展起来的。1 9 3 0 年出现的m o r s 引理提供了突变理 论的数学基础。美国数学家w h i t n e y 于1 9 5 5 年发表的论文“曲面到平面的映射”。 这篇论文奠定了突变理论的数学理论基础。w h i t n e y 指出：“空间曲面到平面的投 影只可能有两种奇异性，那就是折叠和尖点”。而这些正是突变理论创始人t h o r n 的著名分类表中最低阶的两种突变。6 0 年代，r e n e 砌。聊【4 5 】引入横截面概念作为 讨论结构稳定性的基础。他用这个概念对梯度系统即一类特殊的映射f r 一r 的 3 太原理= 大学硕士研究生学位论文 奇点进行分类，建立了初等突变理论。r e n et h o m1 9 7 2 年出版的著作结构稳定 定性和形态发生学奠定了突变理论的基础，但是没有对分类定理进行严格的数 学证明。后来，相关定理的证明由m a t h 和m a l a g r a n g e 等人完成了。初等突变理 论主要研究系统平衡状态下的临界点的性态，从而对由渐变的力量或运动导致的 突变( 质变) 现象进行描述。 突变理论建立后，被广泛应用于医学、几何光学、物理光学、胚胎学、语言 学、实验心理学、经济学、流体动力学、地质学和基本粒子理论、脑活动模式与 精神混乱模式的研究、犯人骚动模式的研究、股票交易投资者行为模式的研究、 酒精对司机的影响模式的研究以及滑坡、泥石流等地质灾害灾变过程中突跳特性 研究等等。例如c u h i t t 和鼢口w 1 4 q ( 1 9 7 6 ) 用突变理论定性地解释了沉积过程； h e n l e y 【4 刀( 1 9 7 9 ) 研究地壳中断层运动问题，并提出了一个定性的突变模型；p o t i e r 凡删1 4 s 1 ( 1 9 8 5 ) 用突变理论解释了一些线弹性断裂力学和塑性力学中失稳的现象， 指出保守系统仅有几种失稳的方式；a l t e r b oc a r p i n t e r 4 9 ( 1 9 9 0 ) ：将变理论方法应 用于断裂力学的研究。国内学者康仲远【5 0 1 ( 1 9 8 4 ) 6 - ) - 析了板状岩体在水平力和垂直 力共同作用下欧拉失稳问题，解释了某些地震现象；殷有泉、郑顾卧5 1 1 ( 1 9 8 8 ) 将 突变理论应用于地震研究，建立了断层地震的尖点突变模型；唐春安、徐小荷 1 5 2 1 ( 1 9 9 0 ) 聂j 岩石在加载系统作用下破裂过程的非稳定性问题进行了研究，得到了 突变前后岩样的变形突跳量和能量释放量的表达式，并出版了专著；栾元重、姜 岩1 5 列( 1 9 9 1 ) 运用尖点突变模型的改进模型，建立了地下水位变化的预报模型并对 其进行了分析；王德禹【5 4 】( 1 9 9 2 ) 将突变理论用于处理冲击荷载下弹性结构的屈曲 问题；秦四清、何怀锋1 5 5 1 ( 1 9 9 5 ) m 突变理论研究了狭窄煤柱冲击地压失稳的机制， 导出了失稳的充要力学条件判据。目前，国外的一些学者已就突变理论在生态环 境领域，主要是利用突变模型对一些生态环境领域的突变现象进行分析与控制 1 5 6 - 6 0 。在国内，突变理论也成功的在环境建模领域得以应用，如黄奕龙等利用突 变级数法对水资源的持续利用情况进行评价【6 ，赵正跃等把突变理论应用到环境 预测中 6 2 1 ，陈云峰等利用突变级数法对生态适宜性进行了评价，李艳等【6 3 】对广州 的生态健康进行了评价。 1 2 3 生态经济区划的研究进展 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 生态经济区划思想的产生，可以溯源到1 9 世纪初德国地理学家h u m b o l d t 和 h o m m e v e r ，最早提出了基于区域分异的生态区划理论。随着人们对自然界各环境 因素的深入研究，自然区划也在深入发展逐渐形成了生态区划的雏形。1 8 9 8 年， m e r r i a m 首次以生物作为自然分区的依据，对美国的生命带和农作物带进行详细 划分。1 8 9 9 年俄国地理学家d o k u c h a e v 在自然地带的基础上发展了生态区 ( e c o r e g i o n ) 的概念并指出“气候、植物和动物在地球表面上的分布，皆按一定的 严密的顺序，由北向南有规律的排列着，因而可将地球表层分成若干个带 ( d o k u c h a e v ，1 9 5 1 ) 。1 9 3 5 年，英国生态学家t a n s l e y 提出了生态系统的概念，指 出生态系统是各个环境因子综合作用的表现。近年来，由于人口的急剧膨胀，经 济活动的加强，不仅使资源开发和环境保护的矛盾日益尖锐，并认识到以前各自 然区划的局限性，而开始关注人类活动在资源开发和环境保护中的作用和地位。 美国海洋生物学家莱切尔卡逊1 9 6 2 年在美国波士顿出版了寂静的春天一书， 这是真正结合经济社会问题展开生态学科研究著作，作者描述了杀虫剂污染给环 境带来严重危害的景象，并通过对污染的迁移、转化的描写，阐明了人类同大气、 海洋、河流、土壤、动植物之间的密切关系，初步揭示了污染对生态系统的影响， 轰动了欧美各国。 随着科学技术和社会经济的进一步发展促使生态经济学不断地向深度和广度 发展，在横向和纵向上都将有所突破，形成一套完整的生态经济思维观念体系， 即生态与经济的双向思维观、生态与经济的协调发展观、生态经济与持续发展的 思维。2 0 世纪6 0 年代后期，美国经济学家k e n n e t hb o u l d i n g 在一门科学一生 态经济学中首先正式提出了“生态经济学”的概念。由于经济发展，世界范围 内的生态环境呈现出恶化趋势，使得人们重新考虑人和环境的关系，有关这方面 的著作大量涌现，2 0 世纪6 0 到7 0 年代，以埃因克( e h r i c h ) 的人口爆炸和罗 马俱乐部的增长的极限为代表提出技术不能单独解决人口和污染的问题，只 有当全体公众意识到人类和自然系统是一个整体，并同时应用社会性措施来解决 才能最终实现人类与环境之间和谐发展。巴巴拉沃1 9 7 2 年出版的只有一个地球 一书，以地球的前途为着眼点，从社会、政治和经济的角度分析了当今的环境问 题，从人口增长过快、滥用资源、工业和技术的影响、发展不平衡及世界范围内 城市化困境等诸多方面揭示了人类环境资源的破坏和全球生态系统受损的原因， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 提醒人们认识居住地区的有限性和易变性。 1 9 8 0 年代初，中国生态学家马世骏和王如松提出了社会经济一自然复合生态 系统的理论( 马世骏等，1 9 8 1 ) 。这一理论融系统科学、社会科学和生态学为一体， 将人类活动区域视为一个由社会子系统、经济子系统和自然子系统复合而成的系 统，即社会一经济自然复合生态系统。这一理论不仅是对生态学，更是对生态规 划理论的贡献，进一步丰富了生态规划的内容，也为生态规划提供了有效的方法 论。复合生态系统理论成为区划的重要理论基础生态经济功能区划是对相关区域 内的复合生态特征进行区域划分，已远远超越了自然生态的界线，具有社会化、 技术化和经济化等特点。而传统区划理论是以自然因素或经济因素( 气候、土壤、 农业等) 等单个因子为基础，难以解决如何使自然系统与社会经济系统协同、持续 发展的难题。随着1 9 9 2 年联合国环境与发展大会上可持续发展概念的通过，社会 经济自然复合生态系统理论，可持续发展理念深入人心经济、生态环境等因素 被综合起来运用到生态经济区划中，并成为当今的趋势。 1 2 4 生态经济区划技术方法进展 构筑区划理论框架的同时，实际工作者们也在区划方法上进行积极探索，力 图形成一套比较完善的方法体系。综概文献，可以将目前的生态经济方法归纳为： 传统分类法和数值分类法两类。传统分类法包括地图叠合法、生态适宜度法和生 态因子指标法等，其中以生态适宜度法最为成熟；数值分类法是应用数学方法和计 算机辅助进行定量分类，包括层次分析法似胛) 、主成分分析法( p c a ) 及聚类分析 法。其中聚类分析的方法又有很多种，包括系统聚类法、逐步聚类法、最优分割 法、模糊聚类分析、灰色聚类分析等。 近年来，伴随着研究生态系统结构和功能定量化的需要，数值分类法应用最广 如：层次分析法、主成分分析、系统聚类法和模糊聚类分析等，特别是主成分或 因子分析等多元分析方法和聚类分析法相结合的技术已经比较成熟。 陈年【删首次将层次权重解析法，即层次分析法应用到环境功能区划的领域， 在重庆城市环境综合整治规划研究课题中进行了探索性尝试。包晓斌1 6 5 j 采用 模糊聚类分析的方法，进行流域生态经济区划，并使用区分系数和标准分类熵来 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 鉴别聚类效果，认为区分系数愈接近于1 ，标准分类熵愈接近于0 ，最终分类的模 糊性愈小，聚类效果也愈好。孟令尧【6 6 l 认为建立在生态经济景观基础上的类型组 合，才是城市生态经济区划中功能区的内涵。他首先利用模糊聚类分析进行城市 生态经济类型分类，在此基础上，对各种生态经济类型的特征及其与城市生态经 济系统的关系进行系统的分析和综合，最终形成城市生态经济区划。王腊春等【6 7 1 应用模糊聚类分析，通过模糊运算获得岩溶生态环境综合分区的分区相关矩阵， 据此作出模糊聚类谱系图。董广志等f 6 8 】以沈阳南郊苏家屯区为例，探讨了结合主 成分分析和系统聚类分析原理的主坐标分析方法在农业生态区划中的应用。主成 分分析和聚类分析相结合的方法逐渐在更多的生态功能区划、生态经济功能区划 中被采用和发展【6 9 j 。 此外，随着耗散结构理论和协同学理论的诞生和发展的理论背景下，复杂系 统划分的熵方法也开始运用于生态经济区划【7 0 1 。随着遥感、计算机、地理信息系 统的飞速发展，基于空间数据挖掘的分区方式开始出现。空间数据挖掘是指将数 据挖掘与知识发现技术引入到空间数据管理系统中，结合地理信息系统等空间数 据管理技术，能很好地满足空间数据分析和处理的需要。地理信息系统( g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件支持下，对空 间数据进行采集、管理、操作、分类、模拟、输出的空间信息系统。近年来，g i s 在我国环境、地质、资源、农业等部门得到广泛的应用，也为生态经济功能区划 提供了新方法和新手段。电子计算机的迅速发展与应用，解决了上述难题，节约 人力、物力的大量消耗，提高计算和分析的精确度，从而促进生态系统建模与生 态经济功能的定量分析。地理信息系统作为地球空间数据管理的重要手段己得到 地学研究领域广泛的认可和重视，但面对快速增长的空间数据如遥感影像、g p s 测量、地图数字化、航空摄影测量等获取的数据，g i s 的分析功能己无法满足数 据自动处理的需要，这就制约了g i s 应用。在g i s 平台和它的基本空间分析功能 的基础上，根据地学空间数据的特点，将机器学习算法引入g i s ，形成自动、智 能化的地学空间数据挖掘与知识发现模型，增强地学数据的分析处理能力，促成 了空间数据挖掘和知识发现。加拿大的s i m o nf r a s e r 大学的h a n j i a w e i 教授领导 的小组，较早对此进行系统全面的研究，并在m a p l n f o 平台上建立了空间数据挖 掘的原型系统g e o m i n e r ，实现了空间数据特征描述、空间比较、空间关联、空间 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 聚类和空间分类等空间数据挖掘方法。史玉峰等使用人工神经网络做为数据挖掘 方法，进行空间聚类对城市进行分区研究，取得了较好的结果。 3 选题背景及意义 1 3 1 选题背景 从研究生态经济区划的文献上来看，生态经济区划研究呈现两种趋势，从区 划方法上看定量化分析方法逐渐成为主流；从分区理论上看，复合生态系统理论 代替区域分异原理成为生态经济区划的理论依据。 就区划方法而言，目前生态经济区划所采用的这些定量性方法都存在一定的 不足和局限性。如区划中常应用的聚类方法多为硬划分，容易产生没有任何实际 意义的结果，大部分聚类算法只能处理数值属性，在小数据集上聚类效果显著， 但对于大型数据集聚类时原有的聚类算法可能产生偏差，甚至出现错误结果；有 一些聚类方法需要用户输入特定参数，比如预先确定聚类的类别数。综合模糊评 价法要求分析者能准确地给出各指标的模糊隶属度函数，这个要求非常苛刻，实 际使用起来非常困难。并且，在实际使用时隶属度函数的确定也受主观因素的影 响。另外，模糊数学方法本身也无法确定各指标的权重，须借助于其它方法。关 联度分析法的科学性还有待于探讨，根据灰色系统理论进行关联度计算时，必须 选择一个参考序列，而参考序列的选择对计算结果却有很大影响。主成分分析法 对样本量要求较为苛刻，尤其当指标个数较多时，样本量必须远远大于指标个数， 因而该方法只有在大样本情况下方可使用。因子分析法与主成分分析法的计算工 作量太大，而且忽略了指标本身的重要性差异，同时丢失了数据的一些有用信息。 主成分分析法在科学性、结果的可信度方面有一定的不足；而定量化分析方法往 往忽视指标本身的重要性差异，丢失了数据的一些有用信息，而且一些方法在操 作的可行性方面过于繁琐、不易实施。 就生态经济区划的理论发展趋势来看，综合系统内部各个要素进行综合考虑 区划，是目前理论研究的重点，系统内部各要素的综合仍需要考虑权重问题，同 样受主观因素影响。其次，在生态经济区划产生至今，就不断与不同学科的思想 理念进行融合。早期生态经济区划的理论基础是源自地理学的地域分异理论，随 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 后生态经济区划理论又加入了社会学的一些理论，1 9 7 1 年，法国记者马雷( p h i l i p p e s a i n tm a r e ) 将福利的理念引入生态经济区划研究中，近年来，区域经济学、管理 学、信息科学、数学、政治学、化学、物理学等众多学科的知识被充实到生态经 济区划理论中，使生态经济区划成为一门集各个学科理论为一身的理论。进入知 识经济时代，生态经济区划理论方法的进步，必然要吸收新的思想、新的理论。 人工智能，机器学习等理论也将成为生态经济区划理论的基础。 基于生态区划的现实紧迫性；多数生态经济区划过程中指标选择、权重确定 所具有的不确定性，即，过份依赖先验知识、专家意见；以及完善生态经济区划 理论的需要；本文尝试以粗糙集和突变级数法相融合提取生态经济区划知识的方 法，进行生态经济区划研究。 1 3 2 选题的意义 将粗糙集和突变理论应用于生态经济区划研究中意义之一在于，弥补传统的 研究方法在指标选取中受先验知识影响大、权重确定难的问题，提出一种基于知 识发现的旨在提高区划结果准确性的方法，丰富生态区划理论，探讨新的指标确 定方法、新的要素评价方法及新的区划方法拓广粗糙集和突变级数法的应用领域。 其二，将粗糙集与突变级数相结合，改善了突变级数模型在确定控制变量重 要性过程中需要依赖先验知识的缺陷，增强了突变级数法的客观性，本研究也将 对突变级数方法本身有所改进。 最后，本研究将人工智能理论中的知识获取( 脚) 思想应用于生态经济区 划研究中，对于拓展现有生态经济区划方法，具有很强的理论探索意义。 1 4 研究内容 本文以国内外本领域研究中存在的问题及发展趋势为背景，利用粗糙集的属 性约简概念和突变理论衍生出的突变级数模型结合的方式，研究生态经济区划问 题。 确定本论文的研究内容为： 在指标选取原则的指导下，用矛盾分析法粗选生态经济区划指标体系： 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 利用粗糙集的属性约简算法对粗选生态经济要素评价指标进行筛选； 通过计算属性在指标体系中的重要性，确定主要控制变量和次要控制变量； 应用突变级数法进行指标浓缩，获取生态经济区划知识，用该知识确定生 态经济区划方案； 以阳城县为例进行实证分析：采用本文提出的分区方法，对阳城县进行生 态经济区划研究。 1 5 研究思路与技术路线 在研读大量文献、参考以往生态经济区划实践经验的基础上，综合考虑生态 经济区划的特点，确定本研究的工作重点流程如下所示： 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章粗糙集和突变级数法的基本理论 2 1 粗糙集的基本理论与方法 2 1 1 粗糙集的基本概念 ( 1 ) 知识 知识被认为是一种分类能力。人类行为基本是分辨现实的或抽象的对象的能 力，如在远古时代，人们为了生存必须能分辨出什么可以食用，什么不可食用； 医生给病人诊断，必须辨别出患者得的是哪一种病。这些根据事物的特征差别， 将其分门别类的能力均可以看作是某种知识。设x u ，u g 是我们感兴趣的 对象组成的有限集合，称为论域。任何子集x u ，称为u 中的一个概念或范畴。 u 中的任何概念族称为关于u 的抽象知识，简称知识。u 上的一族划分称为关于 u 的一个知识库( k n o w l e d g eb a s e ) 。粗糙集( r o u g hs e t ) 理论利用信息表来描述 论域中的对象，它是一张二维表，每一行描述一个对象，每一列描述对象的一个 属性。 假定我们起初对论域内的对象己具有必要的信息或知识，通过这些知识能够 将其划分到不同的类别。若我们对两个对象具有相同的信息，则它们是不可区分 的，即根据已有的信息不能够将其划分开，显然这是一种等价关系，通常用等价 关系代替分替，根据这个等价关系划分样本集合为等价类。 一个知识表达系统或信息系统可以表示为有序四元组： s = ，灭，”，力( 2 - 1 ) 式中，泸 x l ，x 2 ，砀) 为论域，它是全体样本的集合；r 为属性集合，一般的r = cu d ，包括条件属性和决策属性，其中子集c 是条件属性集，反映对象的特征， d 为决策属性集，反映对象的类别。 太原理工大学硕士研究生学位论文 y u v f 为属性值的集合，以表示属性r 的取值范围，e r ；例如属性，表示对 r e r 象大小，那么v , - f 取值为 大，中，小 。 五为一信息函数：u 凇一”用于确定u 中每一个对象x 的属性值，即任一坼 阢r e r ，则 a x , ，) = k ，( 2 2 ) 例如：某一区域，柏，x 2 ，勋，x 4 ，协，x 6 分别代表六个基本研究单元，r 为条件 属性包括生态环境、社会发展、经济发展。v 为属性取值集合，净( 一般，较 好，好) 。可以用一个二维信息表对该区域的生态经济状况进行描述见表2 1 。 表2 - 1 某区域生态经济信息表 t a b l e2 - 1i nar e g i o n a le c o l o g i c a la n de c o n o m i ci n f o r m a t i o nt a b l e ( 2 ) 不可分辨关系 在粗糙集中，论域u 中的对象可用多种知识来描述。当两个不同的对象由相 同的属性来描述时，这两个对象在系统中被归于一类，它们的关系称之为不可分 辨关系( i n d i s c e r n i b i l i t yr e l a t i o n ) 定义2 1 设s = ( ，u ，a 夕为一个信息表，对任给属性集bca ，b 在u 上的不 可分辨关系i n d ( b ) 为： i n d ( b ) = ( x ，协e f ( x i ，a ) = f ( x ir ，q b ) ( 2 3 、) 对象x i ，而e u ，对v b b ，如果满足b ( x o = b ( x j ) ，则称对象麓，而对于属 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 性集b 不可分辨。i n d ( b ) 的等价类称作b 中的基本集，表示最小不可识别对象集， 每个等价类中的对象在属性集b 下是不可分辨的。 假设只用黑白两种颜色把空间中的一些物体划分为两类： 黑色物体) 、 白色 物体，那么同为黑色的物体就是不可分辨的，因为描述它们特征属性的信息相同， 都是黑色。如果在引入方、圆的属性，又可将物体进一步划分为四类： 黑色方物 体) ， 黑色圆物体) 、 白色方物体 、 白色圆物体) 。 ( 3 ) 上逼近集与