（应用数学专业论文）基于支持向量机的生态环境预警及环境指标预测方法研究.pdf

摘要 生态邵凌系统是一个翻然经济亳 会复台生态系缆，生态王；f ，境系绞的滨巷霸| _ ；蟊越变纯 菹接影响祷人类自身的健康、安全和持续发展。l l 此，；媪测、预测人擞生存列：境的变化趋势，成 为a 翻共溺关心滟闷嚣。沧交在建立生态嚣撬 籍椽体系弱基巍i 上，蒋支持囊鬣钒方法瘟揍 生态 环境预警及环境措标预测，建立熬j ：支持向鼙机的生态环境预辫和指标预测撒型。 论文主要在生态环境籁警方法上豫了耨载尝试，荛生态环境预警蠲驻转换裁一个橇器学习瓣 题，使用了当前国际上机器学习领域中比较热门的统计学习理论利支持向量机方法。 借鉴宏麓经济颈警理论，系统分辑幂l 总结生态环壤盼警绩、警；蔹警源，建立生态繇境l 鬟警 指标体系，并结合历史数据的分析，运_ ；j 支持向链机方法中的顺序同归算法，通过特征选择撼小 输a 空间缀数，螽：| 簸，j 、亿l 0 0 ( l e a v e - o n e - o u t ) 误差方法选取参数，建立生态环境羧警模黧， 进行生态环境预警。 论文还将支持向量回归方法成用于环境益测指标一时间序列指标的预测，遥遗l 0 0 ( l e a v e o n e o u t ) 过程进行参数选择，建立基于支持向量回归的时间序列预测模型；同时，与传 统的时问净列分析模型避行对比，说明支持向鬣机方法照有较好的预溯能力。 关键谣：生态环境预警，支持彝遂橇，联穿回归，酎阉亭到，羰潮 a b s t r a c t e c o e n v i r o n m e n t a ls y s t e mi sa l li n l e g r a t e ds y s t e mo fn a t u r e ，s o c m t ya n de c o n o m y , i t se v o l v e m e n t a n dq u a l i t yc h a n g ea f f e c td i r e c t l yh e a l t ha n ds a f e t ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fp e o p l e f h e r e f o r e ， m o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i n gt h ev a r i a t i o nt r e n do f t h ee n v i r o n m e n to f m a n k i n db e c o m et h ea l l c o n c e r n e d p r o b l e mf i r s t l ye c o e n v i r o n m e n t a le a r l yw a r n i n gi n d e xs y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e ls u p p o n v e c t o rm a c h i n e s ( s v m s ) m e t h o di sa p p l i e d ，a n dt h eo b j e c t i v ei st oe s t a b l i s he c o - e n v i r o n m e n t a le a r l y w a r n i n ga n de n v i r o n m e n t a li n d e xp r e d i c t i n gm o d e lb a s e do ns v m s p r i n c i p a l l y , an e w m e t h o di sa t t e m p t e dt ob eu s e di nt h i sr e s e a r c h e c o e n v i r o n m e n t a le a r l yw a r n i n g p r o b l e mi st r a n s f o r m e di n t om a c h i n el e a r n i n gp r o b l e m t h e nt h es t a t i s t i cl e a r n i n gt h e o r ya n ds v m s m e t h o dw h i c ha r eg a i n i n gp o p u l a r i t yi nm a c h i n el e a r n i n gf i e l da tp r e s e n ti nt h ew o r l da r ea p p l i e d b a s e do nt h et h e o r yo f e c o n o m i ce a r l yw a r n i n g ，t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e sa n ds u m m a r i z e s e g o e n v i r o n m e n t a lw a r n i n gs i t u a t i o n ，w a r n i n go m e n sa n dw a r n i n gs o u r c e s ，a n de s t a b l i s h e st h ei n d e x s y s t e mo fe c o - e n v i r o n m e n t a le a r l yw a r n i n gw i t ht h eh e l po f t h ef e a t u r es e l e c t i o n ，t h ed i m e n s i o n so f i n p u ts p a c ea r ed e c r e a s e d b ym i n i m i z i n gb o u n d s o nt h el e a v e - o n e - o u t ( l 0 0 ) e r r o r , p a r a m e t e r sa r e s e l e c t e d i nt h ee n d ，a ne c o - e n v i r n n m e n t a le a r l yw a r n i n gm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n go r d i n a l r e g r e s s i o na l g o r i t h ml e a r n i n gf r o mh i s t o r i c a ld a t a s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ( s v r ) a l g o r i t h mi sd e s i g n e df o re n v i r o n m e n t a l i n d e xp r e d i c t i n gw h i c hi s t i m es e r i e sp r e d i c t i n g e s t a b l i s h i n gt i m es e r i e sp r e d i c t i n gm o d e li sb a s e du p o ns v rb yt h el o op r o c e s s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt i m es e r i e sa n a l y s i sm e t h o d ，t h ep r e d i c t i n gm o d e lb a s e d o ns v rb e h a v e s p r e d i c t i o na b i l i t y k e yw o r d s ：e c o - e n v i r o n m e n t a le a r l yw a r n i n g ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ，o r d i n a lr e g r e s s i o n ， t i m es e r i e s ，p r e d i c t i n g 独创性声明 本人声疆所鼙交戆论文是我拿a 在罢耀撵导下送行鹃硬究互佟及敬餐载霹究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写遗的研究成莱，也不龟含为获得中戳农监大学或其它教育辊构静学位或证书 而使用过的材料。与我一网工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 醋究生签名：襄君增 辩润； 例f 年 关于论文使用授权的说明 本人完全了麟中国农业大学有关僳壁、使用学位论文的规寇，即：学校夜牧保图 送交论文鼢复印件私磁盘，允许论文被查阅和借阆，可以采用影印、缩印或扫描等篾 稍手段保存、菠编学位论文。嗣意中藩农攮大学霹戳焉不溺方式在不耀媒俸主发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 r 保密的学能论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：蒺君湾 时阍： 训f 年月疆鼙 导 蘑签名：孕午磐丰岛 时闫：垆年月z 歹| ! j 中旧农业人学烦i 。学位论文 销一, i t - 绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科技的进步利社会生f - ：力的极人提高，人类创造了前所未有的物质财寓，加速推进了文 明发展的进程。但与此同时，人【= ：_ 剧增、资源过度消耗、环境污染、生态破坏等日益突出，成为 全球性的重大问题。在经济发展的同时，这些问题没有被解决，反而由于人类经济活动而加剧了， 这是人类活动破坏了一种平衡所造成的。这种平衡关系的打破会造成严重的后果，我们要解决的 就是这种平衡问题。一切的生态环境问题都可以归结为这种平衡关系问题“3 ，即自然经济一 一社会复合生态系统”“。的平衡问题。 生态环境问题，是当今世界各国普遍关注的战略性问题。因此建立生态环境预警机制、探索 生态环境预警方法是十分必要的。 生态环境问题不能用传统的发展观来审视，要用可持续发展观来审视。 因此本章首先介绍了可持续发展的相关概念，然后对生态环境预警的研究状况进行综述，最 后一节是论文的内容和结构框架。 1 1 1 可持续发展理论概述 1 可持续发展的含义 可持续发展这个概念的出现是在国际社会关于环境问题的争论日趋激烈的7 0 年代末。可持 续发展是一种全新的发展道路和模式。其根本实质是要解决人口增长、经济发展与资源有限、环 境退化之间的矛盾，寻求当代人与后代人之间的公平，促进经济增长与人类进步两者的协调。 可持续发展最初是1 9 8 7 年在我们共同的未来的报告中被提出的，并被1 9 9 2 年联合国环 境与发展大会采纳，成为共识，其定义：“满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其需求能 力的发展”。1 5 1 理解可持续发展的内涵，首先应理解人类“发展观”的逐步变化的进程。 总体说来，发展是个历史范畴，最初，人们对发展的理解是走向工业化社会或技术社会的过 程，即强调经济增长的过程，这一时期从工业革命延续到本世纪五十年代前。到本世纪7 0 年代 初，随着工业化进程，人们将发展看作为伴随着经济结构、政治体制和文化法律变革的经济增长 过程。而厉，在1 9 7 2 年的联合国斯德哥尔摩会议通过人类环境宣言以来，人们将发展看作 为追求和社会要素( 政治、经济、文化、人) 和谐平衡的过程，注重人和自然环境的协调发展。 最后，8 0 年代后期以来，人们将发展看作为人的基本需求逐步得到满足、人的能力发展和人性自 我实现的过程，以可持续发展观念形成和在全球取得共识为标志。持续发展的核心思想是在经济 发展的同时，注意保护资源利改善环境，使经济发展能持续进行f 去。 实施可持续发展战略的一个重要目标，就是实现”代际平等”。环境危机之所以引起人们的广 泛关注，一个重要的原因就在_ 】二，环境危机不仅影响了当代人的生活质量，还威胁着后代人的生 存。”可持续发展战略旨在促进人类之间以及人类与自然之间的和谐”( 我们共同的未米) 。 2 生态环境可持续发j 酬h 定义” 1 l 蚓农业大学缺 。学位论文 第啦绪论 可持续发腱色括g ? 态、经济年什会殷胜二个灯嘶。保护巾悉环境越窦现“，持续发糙的阿抛， 反之。也咒有实褒了司持续发驻，生态繇竣才熊镄剜有效瀚稼护。 生态环境是措生物= f ：机体刷m 的生存空间的，l i 态祭什的总w 昶。生态环境由许多生态冈r 综台 丽成，对生耪有棍体起黄综含髓璀。生态闲二f 包括生秘闲予苯l 誊生魏雕f 。在f j 然界，生态戮予 不是孤立对q 三物发生作j ，各个q ! 态i j ；j 子相互联系、棚影响，在综合祭什r 表现小荠臼作川， 荇生态瓣f 阳综合体鄙为生态环辘，简称生境。持续瞧，最擘燕由生恚学家提融米鹣，f 挢戮生 态持续性。结合可持续发艉定义咀及实际1 怍中对生态环境i 。作的界定，可归纳生态环境可持续 发麟定义为：对生态环境资源要合理麓、辩学酌避行保护、开笈，健生悫环境簸t - 一静遣静静运 行状态，实现生态效益晟好、社会效益最优、经济效益最佳，实现生态、社会、经济的协调发展， 健人类的生存环境得班持续。 1 1 2 鸯态环壤预警静必要幢 生态环境问磁是世界各国普逾关注的战略健阔题。 随着经济建设的快速发展，城市化进程不断加快，人口高度集中，工业及社会经济发达，导 致城市资源和能源消耗巨大，对环境造成严重污染，致使环境舀益恶化，可持续发展能力大襁下 肄。主要躲翘题有： 1 水资源短缺，且水污染严重 拳是人类环境的主要缒或部分，更悬生命豹基本要素。疑期以来，人们普遍认为水资源是取 之不尽，用之不竭的，因此不加袋借，肆意浪费。但2 0 世纪以来，人们越来越意识到水资源并 不那么丰赛，缀多缝嚣己慰理拳蔻闫题。 水污染是指天然洁净水由于人类活动而被玷污的现象。根据国家环境保护局1 9 9 6 年的筇度 掇蠢，鑫2 0 世纪8 0 年饯以来，幽予二 照静捷逮增长，人目秘生产发攫的多重燕力，戳及化腮和 农药的使用量的大幅度增加，我潮地面水和地下水的质量已有较大的f 降。水污染直接影响饮用 本源静拳矮，馥搦承漂浮染疼嚣箍严重。 2 大气污染严重 空气污染是簸重要鹣繇壤阚避之一。在欢潮鞫嚣美渊麴大帮分羲索，s 0 2 番l 憋浮鞭耱趣( s p m ) ( 包括尘土、烟获、烟雾和烟尘) 的浓度近年来已经显著降低。然而，在许多发展中国家，快速 的城市纯进程已经等蒙许多城市空气污染翡增秘。我嚣少数城毒己进入整爨夫气污染最严重麴城 市行列。 3 生活垃圾污染霞箍严重 垃圾是城市生活中非：常令人头痛的问题。垃圾中有毒有害物质非常多，主要有废电池( 含有 汞、锈、锚等有毒物质) 、油漆、过耨药物。穗瑗中存霹有害物质一避渗入主壤藏污染了士缝， 农民秭的蔬菜、粮食中也就可能禽有有海有害物质，通过食物链最终会危及人体健康。我国目前 生活垃圾排放鼙融逾l 亿吨， ：妲同体废物排媛鼙己这6 5 亿吨。 4 ，噪声已成为种妪要的环境公害 近年米，随着刚、交通莉i 城市的速发展，我囝的嗓声污染 - = 蔼严霞。据统计，t 9 9 8 年袋 围人多数城目f 处r 中等 i 絷声污染永鼍。全国2 0 9 个省控以1 城1 训x 域环境噤崩均平均等效声级舀。 中农业人学顺 7 ：他泠史第啦绪埝 4 36 6 66 d b 之间，j “11 6 个城i o 染币，l i i7 7 ：1 1 9 个城1 1 政e 1 ：中等污染水平，l i5 6 9 ： 6 8 令瑷露受到轻艘污染，t ； 3 2 ，5 。舞：够蹶糍；环境瀚器静瓷声涨中，1 ：韭袋声， ，8 1 0 ， 建筑施1 噪， j i l 约s ，交通噤j ，约i i3 0 ，! 二活咏j ：堙w l4 7 。冈此，控制城市嵘声_ | 已成为 我潮城市澎絷陆治瓣主要瀑逛之。 众多的生态环境问题q l 起了人们的深思。从t 认t i 删：悫环境，合理利j 环境资毫9 ； ，综合治理 环境污粢，保护生悫环城，按照群境怒襻办薯 ，确绦灭与翻然鹩番拜誊，实现可持续蓑袋+ 建立生 态环境预警机制、搽索生杰环境颁警、预测方法烂十一分必要禾l 遗切的。 1 2 国内外研究综述 1 2 ，1 生态环境预警研究的发糕 近几十年来，国际上对生态环境预警研究十分重视。1 9 7 5 年建立了全球环境监测系缆 ( g e m s ) ”3 ，对全球的环境质量进行监测，实施院较、摊序和鞭警。1 9 8 0 年3 月联合瀚向国辩柱 会坪吁：必须研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系，并作 出利弊抉择，才自确保全球的持续发展”。在国际组织的倡导和支持下，许多国家已歼展了生态 环境热监测、评份鞠预警研究，使之发展迅速，应用广泛，主耍表现在以下几方面： 1 以蘸国科学家齐舒姆为首的区域学派，通过出版区域预测一书，较好地总结了全荑的 a 鞠、蜜灏、城市、经济朝生态环境等方恧的成果，为颈警的开展奠定了基础。 2 以美国学者怀特为首的灾害学派，在洪水泛滥的风险决策中，敏展了单项预警体系，取得 了照萋熬缝浇效菇鞠生态效益。 3 以罗马俱乐部为代表的未来学派，对全球发展进行预测和综合研究，试豳以综含预警的方 式，达到熬馋识别豹翼豹。 4 以受国内布拉斯加大学为代表的系统学派，于1 9 8 2 年研锗成功的 a g n e t ) ) 系统，搬美 晷书嚣部6 个州的区域管理闽题，在预繁的基础上实施全面的优化调控和智能决策，并成为联邦 政府决策体系的基本组成部分，髓到广泛盼关注。 5 在英国，以马尔科姆斯菜瑟教授( m s l e s s e r ) 为首的苏格兰资源利用研究所，于1 9 8 4 年提出了掇高姿源环境承载能力备择方案静e c c o 模型“3 。它为确定僚为天日增长续柒酶萤强径 济系统对资源的需求，以及和生态环境的协调发展提出了一种方法。这种方法已被联合国开发计 巅磐( u n d p ) 认可，著程旨尼豫、葵嚣、埃及等国家塞施应蠲，褒缮嶷荮的绶果。纛忍+ 年寒， 生态环境预警的理论不断完善，方法和手段不断更新，从单项j 甄警发胺到综合预警，从专题预警 发麓到嚣域疆骜“”。 6 以色列希伯莱大学的道夫尼尔在1 9 8 5 年提出，运用发腱度和膊应度测量和计算人对地理 臻境豹搀趱，毡建议使羽城市人疆酉分托表达发蹑发，使罔文蠢人数的酉分比表达人封自然演替 缺乏知识的感应度。用u p 代表城市人阴百分比，用d n 代表文盲人日卣分眈，则( u p + d n ) 2 为一融社会指标，销若该平均德低- 3 二5 0 ，则说明地理环境相对安全；如高予5 0 ，则说明人为 的作用已经超过了地理环境的容忍度，长此f 去，必然 f 超环境质龋酾。f 降，必须采取有效措藏 保护地理环境。 中农业夫学蜘 。学位论立 筇章绻睦 i l l i l l 1 2 ，2 目前国内研究状况分析 7 f ：态环境预警魁以环境评价、环境预i n t , j 基础的“”。尚+ 兜建丑指标体系，并对拼标进 f 台 理分缀( 避霞为理恕数态、良努状态、搬、捩态、较差状态及黪劣凝态) ，赋予；羁数分锻。通 过加权平均模型埘生态环境质鲑进行评价，求出生态环境质量综合评价好值，判断所聪状态；然 辱虑援颡测簿法颈测拳米务搀标壤及生态强境囊链分蘧，确定未来生态玮境所处状态。孰丽对生 态环境质量发展趋势作出预报。 傅赘杰爨壅”“娃嚣域持续发骚熬力幸# 为嚣竣生态野境该繁瓣综食指振，避一步撬承载力、 稳定性、缓冲力、生产力和调控力作为衡艟隧域持续发展的能力。选取生态、环境和社会经济指 标辩区域生态玮境疆量逢行谨徐，鞋及对经济发溅瓣诲调性和透寝性避行分橱，俦出判敷静颓警。 苏维词，李久林“”分阶段的对乌执流域内的3 9 个县( 市、区、特区) 的生态环境作了评价和预 警为流域湃发和治理提供某些依据。阐述了生态环境颥警评价酶原剿和标穗，建立了生态环境 预警的类型、生态环境预警评价的指标体系和预瞥模式。陈国阶等人“3 对环境预警联论和方法 迸行了深入的研究，并应用于三峡库区醵及农村浆落静生态环筑预警，提出具有由圭趣和农村繁落 特点的生态环境预警评价指标体系及指标含理分级，对三峡库区山地生态系统和农村聚落生态系 统自然演替状态和必要调控状态的生态环境质量凝演纯趋势进行预测和颓警分 斤，取褥定的成 果。 文献 7 3 n _ 坶 缀济预警理论框絮建立了一套生态环麓颈警系统的理论框架：文献 2 3 3 提出了 信号灯生态环境预瓣方法。 1 2 3 生态环境预警研究存农的问题 环境预餐研究魁翦尚处在探索除段，许多理论和方法尚不成熟，更说不上完善。主要的问题 有： 1 缺乏对区域生态环境预警瑗论豹系统研究，正如m 。b 。b e c k 所指也豹“獭于对生态环境系 统举止缺乏深入了解，许多环境未来预测( 不论何种规模) 都因与现实麓别太大而遭非议”。因 此，辩予鄢壤拔撼麴正确菠映和谈测，仍然是一个十分鬻难的鞫题“。 2 对单项、专题预警研究较多，较为成熟，对区域生态环境研究较少。随域生态环境牵连 到复合生态籁= 境系统，困豢多、誉臻定性海疆多、因予之闳掇互关系极为复杂，佧洚一个熬体 系统的性质、功能、质量的变化，更难判断、更滩定量准确描述，目前尚处于探索中“”。 3 绪绞的生态臻凌颈警方法缝往基于专家经虢嚣楚挚兹数学模型，懿壹线羚掺获色预测攒型 等，预测效果往往不理想。 因我，建立稳全l 雯警毳野究理论体系帮方法论，经重遴远，爆霈在不鞭熬探索嚣实黢孛逐步蔫 进，逐步究善。 1 3 研究内容和组织结构 l ，生态l 1 境预蝥尚处j 二探索阶段，并没有较完善的理论和方浊。本文拟鞠机器学习领域 r t l i 翊如业j , ；( 7 ：f t f , il j 学协论文 笫睢绪论 t f ，的史持向嫩机力法干 弹论h v j t 1 + + e 态王4 、境顶替及环境捕杯的m 测，尝试建札螭j ：支持向罐机s i 法约焦鑫环境颈终敷垮境 嚣撂麴羰测；s d 洼帮鲤渔。 支持向姑机方法是建立祚统计学j 理论的v c 维理论和绱午句j x t , 险嫒小原列艇砌j 二的，根据有 羧黝张奉馈忽程横，键魏复杂性( # # 潮特定调练样本熬学习转痿) 黯学习能力( 挪无 醚她瑷别任 意样木的能力) 之间寻求最佳折裳，以 | ； j 教得壤好的推广能力。支持向避机方法的几个1 j 要优点 蠢： 1 它是专l 、j 针对有限样本情况的，其目标是得到现有信息f 的最仇解而不仅仅是样本数越丁 无奔时鹃最优蕊： 2 算法最终转化成为一个最优化问艇； 3 + 葬法将实际闷霞透过菲续经交换转换翻离维静特征空闻，在离维空闷申褥遥线性翔剿邋 数，其特殊性质能保证机器有较好的推广能力，同时巧妙地解扶了维数问题，其算法复杂度与样 本维数无关。 本文的研究方法是在支持囱鬣梳理论框架f 逐步展歼研究。主要研究晦容如下： 1 对生淼环境颓警理论、方法和发展进行了回顾和综述，针对生态环境预警存在的问题，借 鉴经济预警理论对生态环境预警理论进行研究。系统分析了生淼环境的警倍、警兆及警源，建立 了生态环城预警指标体系；深入分析了统计学习理论和支持向挝机的基本理论和特点。 2 将生态环境颓警视为模式分类问题，把支持向量机( s 硎) 方法席用于生态环境预警，首次 提出基于支持向量钒的生态环境颧警模型。 3 生态环境预警实质上是一个有序多类问题，论文曾次将脊序支持向量回归方法j ! ；! z 用到生态 环境预警。 4 通谶最小化l 0 0 误差进行s 中的参数选择；应用序列极小化方法进行特征选择，减少输 入燮闽维数，提裹学习效率。 5 将支持向量回归方法应用于环境蛾测指标预测，即时间序列数据的趋势预报，并与传统的 嚣誊羯穿列分援方法进孬实铡对毙，支持起量回麴方法表域了较好静颈测髓力。 生态环境系统是一个自然经济社会复台生态系统，是一类开放的复杂巨系统，生态 环壤耀题与a 类生存息愚楣关。生态环境预警的根本目的，也就是通过系统化的方法，对城市生 态环境的艨量进行预警，从而为丰圭会可持续发展系统的协调、优化和决策过程穗供更有力的支持。 本文研究的创新点在于建立了生态环境预警指标体系，并将生态环境预警视为机器学习问 题将机器学习领域的支持向量梳方法森用于叟态环凌颟警，撬出鏊予支持两麓分类的生态环境 预警方法，将有序支持向量回归方法应用于多类生态环境预警；并且，将支持向量机方法应用于 环筏益测籀标静琰测。 具体来说，奉文分为6 章，第一章是文献综述。第= 章介绍生态环境预警逻辑过程及其指标 体系。第三章介绍统计学习瑾论及支持商量梳。第四章基于支持向鼙税的生态环麓舔警，蠲支持 向越机方法建立生态环境预警模型，并进行实例计算。第五章是基于支持向鬣同归的环境指标预 测。第六章为总结年l i 建议，对论文的结采迸幸亍憨绪，弗键出了几点建议a ，越教 ，人z 城 学虹渔业弛 i ：乍怠j 1 境州臀垲圳挝_ f ! l 艇l l 描“； l 蒜 ! i i i i i i i i i1 1 11 1 第二章生态环境预警逻辑过程及其指檬体系 乍态m ：境厩臀系统就怒为1 预黼i 城葳簸过秤中_ ! 态环境质精t 口能偏离l ：常辕遴或攫现危 桃瓶建、0 i f 癣报整彝l 实施系绞。生态环境颞警的玛的是定正确蠲t 价警前l _ x 域生态王 ：境蕊 ；的纂磷 1 ：，对未来状况进行测鹰，预报不正常状态瓣对空范辫承| 筑密裂凄，以及握出防范摧施。所谓生 态珂：麓预罄，飘是对慝域生态环境的未来状态避锊颡l 度，预报不正常时空范闻和危害稃殷啦授 提出防范措施。生态环境颢警与经游预整在基本的预辔思想上存在兆性，垌此可将经济预警理论 应用到生态环境预警瑗论中”。 本章蓠先套甥生态环境颈警的逻辑过狴，然厉建立了生态环境预警指标体系。 2 1 生态环境预警的i 墅辑过疆 缭台宏观经济颈警”“4 的理论，从逻辑上游生态环境颟警麟该怠捂这样尼个阶段：萌磷警情 一寻找警澈分耩警兆一颈搬罄度。这里明确警蜻是大蕊撮，是监测颈警研究的基础，丽 寻找警源，分寿斤警兆瘸予对警情的粥索分析投定蹩分析，预报警度燕颈警强标蕊丧。 2 。 ，1 盟确警揍 明确警愤怒预警的前提。罄情燕对预警结聚的描述，擀的怒区域生态环境系统豹不正常状态， 它包括罄袁积警度。蘩豢即掏戏警惰的指标。区域生态环境系统是一个复杂的自然一经济一一 社会复合生态系蟪，赢该姆对避域生惑环境矮璧练食性的评价作为反映系统状态的警情。繁情的 严重程度就楚生态环麓颟警的警度。颈篱的留标和最终结果楚_ ；燹掇警座，蔼准确颈摄警度妁关键 则在于科学地确定警惰对熬个生态环境系统所带来的酸赫：性影蛹群痰，警艘谮分力嚣警警发、轻 罄警度、中罄餐瘦、踅瞽骜度莆i 巨警警葭。 2 。 。2 寻找警源 警惯产生予警源，辩北寻找警源燕整个颈警过程艟起点。警激商鞭类；粪是可控淫较弱的 瞀滁，细：自然条件( 包括气象因索、地球绪榴等) 的恶纯导致盘然灾害蜘发生，从毳出现了警 蜻。蜀类是可控性较强的警源，主臻指一些内生闲豢的侨瑚，如一些人类活动对生态环境造成 靛影嫡。生态环蠛豫警瓣警泼废是指决定生态环境鹱挺戴是影响生态珂境质挝的网素。 2 1 3 分析警兆 预警静芙键在l 分析警魏。警情产i 二于豁源，臀滁只靠经过一宠质变! ，i 建变过弹，砖能母 敞骛情舱燃笈。骛情在燃发乏i j i 总订定先兆【 j 籍兆粥现。警兆魁种先譬现象，臀菇4 ，臀帮 ，生。i 7 ：多发赡。f ：终聚灼出蠼_ 炎总址搏艇“弧j 艮外4 i 址突然观纳。_ 恕王4 、境质i i _ 状况帕 t | i 良啦k 0 坝l 学恤论正 辩、章冀三惑研、境托：臀琏辅道氍展i 鞘旨枷；体系 鲁! 曼麓蔓烹燃i i i i i t 嚏7 魉( 盘，城坏) 楚彰自t i 4 豢鲐过+ 定州j # j f f j 积累逐渐彤成的，i 诞i 艇瞬惑m 变的绐粜。俺嵌化 旧过稃中，能预永生惠环境质, f i ；状况变化的闪豢就嫩生态环境预臀的譬挚兆。j 7 r 找准臀兆，0 能 难确蛙搬撵 态臻辘矮 变纯的西囱，l 镜畿剑，搦颡豁，真 i ：为宏趱管理嚣| 溺挖挺供敝 l ：。 ，t 态环境颇蛰罄兆“j 分为两类： 1 内q i 警兆。这类警兆斑拨决定着生态环境警情的发生。 2 外生警兆。对t 态环境警情姻发生不起赢接作瑚。 2 1 。4 颈报警度 预撒警度楚预蛰静目的。根据警兆的变仡状况，邋过预警撵法便可颡报警魔预报警懵的 严露狴度。 2 2 生态环境预警预选指标体系的确定 生态环境麓可特续发袋是经济系绞、社会系统以及环境系统秘谐发袋熬象程。生态鞲境琰誉 就怒在科学理论的指露下，采用宵效的技术方法，对送域生态环境系统发展变化过程进行观察， 将环境污染状况利环境问题事先向人们发u ；警报，以便政府和环保组织及时采墩必要的调控簪段 和稽施将区域生态环麓系统推到一个全新的、可待续发矮的结鞫状态。生态环辘颈警整一顼簸杂 熬系绞王程。蓄炎磐建立一套囊橼体系，以实魏慰生态醛境系缓进学璐学照颈餐。 2 2 1 指标确定的原则”“ 1 选择麴豢撂必须其有铮鼹性，为使决策更辩学，糍掭斑是盼对弱蘩存在鹣突遣l 殍境翊题。 2 选择的摆标瘢具有可比谯，臻充分考建区域发展的阶段性和环境河题的不断交化，使确 定的指标既有社会发戚阶段性，x 有纵向的连续住和可眈性。 3 ，选撵的摆梅要县毒霹操终性，擐拣尽霹麓列瘸瑰蠢反映城市生态环域趣题的绞裁据挺， 在实际操作过程中，指标数据易予通过整理统计资料及直接从有美郄门获褥，以理决策结果能提 骰有簸的信息。 生态环麓预辩系统静指标赢包话较广泛的复合生态系统范添，应选择孵阉跨度较长静捂 标。攒标范壤j 泛w 缳证妖鑫个不弱角发对嚣域生态薹l ：境终出燃述。多层次、全方侮地反映髓域 生意环境的主要方蕊霸同熊发生购嚣种变化，从褥实施全耍矬环境监测。 2 2 2 建壹生态坏璇预警指檬体系应遵禧辩愿羹| l “3 l 。科学性原则 播柑；体系要能较容筑地反映系统发聪的内涌、释子系统和指标问的相互联系，并能较好地度 _ ； 城_ j 持续发壤f i 杯实现的稿! 魔。指标体系箍蕊黼錾j “，能综合地反暧籍响区域生态环壤系绕 妁筹种豢，以段淡疑、髓理承t 等。 中i 习柏l k 人学坝i j 学位论义第一秘! 二念环境坝辩逻审l 过程，6 乏j u 斤柏、体系 2 层次性原! j 1 0 出l 二嚣域生态冀：境系缓楚个复杂熬系绞，+ 邑；，j 努为蔚 二。_ ：l 二蓉缓，热之 | 专标髂系誊娶是为笄 级政柏。的决镶提供信息，i ：址解决城_ 1 生恕环境可持续发j 隧问题必须廿】螋府相：再个层次上进 洲 控荤l 管理。粥莪，搿鼙城市生态环撬靛发疑行为jg 发鹱状援是否j l 有w 拷续性，躞在誉糍爱玖 ： 采心不同的指标。 3 。辐关性器粼 生态环境可持续发展寰质上臻求在任何一个时期，缀济f j 发腱水平喊n 然资源的消耗水亿 环笺矮鼙和环境承载获疆以及灭类鹃社会缀绦形式之闽簸予协溺状态。闲兹，获生态环境可持续 发展的角度蒋，不管是表征哪一方面水平j 1 1 状态的指标，相互问都有着密切的关联，吐王就是说， 生态茹| ：境预聱静往僻指标都要体蕊与其健指标之闻戆内在簸系。 4 简明性原则 指标律窳中静指标 起容应篱革明了、粪有较强的可魄性著容翁获取。指标不圈于统计数据秘 监测数据，必须经过n x 和处理使之能够清晰、明了地庋映问题。 2 3 生态环境预警预选指标体系的构成 生态环境预警指标有三种：生态环境警情指标、生态环境警源指标釉生态环境警兆指标。 2 3 1 警情指标的确定 人类活动造成的生态环境的不正常的情况叫做警情，那么反映生态环境警情的基本统计指标 就悬生态环境警情指标。本文选取生态环境综合赝量作为警情指标( 由警缝环傈部门专家缰打分 产生) 。 通常把生态环境综合质量警度划分为四个等级即轻警、中警、重警和巨警，也可以划分为三 个等级即轻警、中警和重饕。参考专家意见，姆警度划分为辍警、中餐、重餐三级。本文数据 实例来源予黑龙江省牡丹淀市，年限为1 9 8 7 年2 0 0 1 年。 根据专家意见，牡丹泼市1 9 8 7 年一一2 0 0 1 年生态琢境综合质量警艇如下寝所示： 表2 - 1 牡丹江市生惑环境综裔质量警度划分 川q 采蝗人学皱 学挝玲曼 第：錾乍森强境顺臀逆采 过挺成挂始粕；搏糸 23 2 生态环境预警警源分析 警洲! 怂：t 态环境、j j ：常情况发生的根源，l 1 j 影响! i ：惑环境质精i l j i * 1 累。川j ：反映生态研：域棼 澎的基本统计 s 铄便是生态琢境罄灏擐标。 将生态环境综合质刍作为警情指标。丁是影响生态环境质嫩的那些闪紊就成为生态环境姆情 产生的根源。参考相芙文献资辑”1 ，确定影蛹环境臻始的冈豢包括以f 列个方强：环境污染、 环境治理、环境保护和社会经济相关- 睦 标。 环境污染是影响生态环境质蜓的逆向指标，它起到加重警情的作 j ，描橡值越商，说明环境 状糯越筹。 环境治理与环境保护都是止向指标，对生态环境质挺起缓解作州，它的数值越人，生态环境 质麓获嚣越好。 由于生态环境系统是个自然缀济社会复合生态系统，社会经济 勺发展对整个生态 琢壤系统壤鼙豹变化吴畜一定鹣燕囱影滴，盈魏，社会经济摆关性搀稼也是生态强壤羰警豹懿源 指标之一。 23 3 警兆指标的选择 警兆熄警情发生前所表现出来的先鼯现象反映警兆的基本统计指标卸为警兆指标。参考文 献资料”o ”1 ”1 ，在理论分析和实鞲工作的基础上，选取如下1 5 个指标作为警兆指标。其中，环境 污染警兆为大气二氧亿硫年露均值、废承封 放鬣、市区环境噪劳、市区工韭粉尘排放憨量；环境 治理警兆为污水处理率、工业粉尘回收量、生活垃圾清遥量：环境保护警兆为环卫机械总数、城 市维护建设环境曩生投资占p 毙重、鬻俸褒锈综台巅搦量：社会经济相关毪指标警& 兔天稀密 度、城市绿化覆蔬面积、城镇人均居住颐积、人均g d p 、人均公共绿地面积。 1 环境污染警兆指标 人弱在生产积生涯中撵放出躲泼奏魏矮超过琊境豹察量秘囊净能力嚣对臻境躲破塔，致键环 境恶化，生态系统失调。来自生产的污染物主要是工业生产过程中的废水、威渣、废气和放射性 物矮，交通运输嚣动中产生的有罄气体、废渡等；来囊生活的污染物主要是屡民的生活污水和垃 圾。此外，还有既来自生产，又来自生活的噪声。污染物的排被量越火，对环境造成的危害、污 染就越犬，在此选择了四个指标来表示环境污染的状况。 ( 】) 大气二毓亿硫车舀均1 鬣，是指大气中鞠二二氧仡硫滚度年b 平均值。这个值越大，说蛹 大气环境污染越严重： ( 2 ) 菠承捧敖量，麓摇在垒产积生活过程中经过筏籍，已经丧失了琢来秘使瘸价德两被袋 弃的水。包括生产废水、医疗废水和生活废水，废水排放量越犬，环境的污染越严重； ( 3 ) 臻声，怒缮在人类生潘中存在瓣无臻镶魏使入获矮积不需要豹声啻，臻声按其来源霹 分为交通噪声、工厂噪声、施工噪声和社会噪声； ( 4 ) 市区工她粉尘瓣敷慧繁，茫指上矿垒鼗、事韭挚经在生产巍试验过程中排放糖尘慧最。 2 。环境治理警兆指拣 反峡环境治理的指标主要有1 ：业废水处理率、消煳除尘率、上业粉尘同收琦蔓、同体废物处 理率等指标，这整指耘i 豹教僵越天，谥旌对嚣：境瓣蕺害藏越枣，环境凌 盘款挽越封。 ( 1 ) 污水处理率，是经过污水处理裴置处理的污水量与污水f 冉排放鲑之比： ( 2 l ：韭耪尘睁歉 ，是经过再种鄹装霆飘牧嬲1 韭粉尘( 枣觌) 想魄 9 ( ： ) 7 ：活坨士技消运 ，j i ! = 段时问内环保系统消运， ：活垃圾总越。 3 环辘保护蛰，副蠢撂 环境保护是维护生态环境系统1 1 靖 运行的- r 礤措施，怂实现! i 态环境可持续发腱的重要保 障。 ( ”环甲机械总数，怒一段时闻内环保系统拥有的各种环卫仪器蹬赫总数： ( 2 ) 城市维护建设环境卫生投资；ig d p 比照，这个比重越大，说明环保下诈徽秘越好； ( 3 ) 弼体废物综台利用城，是指企业判用潮体废物作为主要原料生产和同收利， _ 的产品的 产值。 4 社会经济相关性指标 社会发腥具有系列的社会经济途径。然丽，如果对环境给予道当的考虑，这些途较 是可持续性的。社会经济与环境密切联系，社会生产力的发展，科学技术的进拶，人类利用、 改造坯境觏馊、濒度就会与目俱增，从酒促进社会经济的发展，塑是经济的发展，又会带来 环境污染与生态环境的破坏，反过来影响和制约社会经济的发展。因此程指标体系中，设置了社 会经游提关撵蠢，主矮包括人曩密度、城市绿纯覆簇疆积、城镇人均屠往嚣积、人均g d p 、人均 公；绿地面积。 一系裂反映生悫巧壤系绞各个铡嚣及其之阆j 泛嚣复杂约器嵇鞭警指掭裁锪或了生态强境 预警指标体系。在分析以往文献”1 基础上，结合实际情况建立生态环境预瞥指标体系结构 兹下： 袭2 - 2 生态环境预警指标体系结构表格 2 。4 小结 奉酗奔 “j 孙宏髓经济该蝥j 蘩论韵生态环境颈警的逻$ 过张， | j 确警协，确定蒋情鬟! 箱； 为! 二态环境练翕墩蛙；寻找警巍，包锯珂：境污染蛰瓣、坯境治理繁渊、强境橼l l i | 缨激及社会经 济捌荚f 崩标警源；分析警兆，选取人。t 氧化硫年窟均值等1 5 个 杯作为释箍指标。最后， 建屯了l ：态环境预警盼指标体系。 中援农啦大学鞭l 。学他论戈 锺_ 錾统；l 学习理论蕈i 定持粕越帆 第兰耄统计学习理论和支持翻量枫 3 桃器学习和统计学习瑶论 31 执鼹学习”8 “ 人的毅慧中一个撤重要的方遥熙从实例学习的能力，通过对已知事实的分据总结出规律， 预测不能真接观测的察实。在这种学习中，重蘩的楚瑟麓举一艇三，即和用学习得到的规律， 不健可以较好地解释融知的实例，而且能够对未来的现象域秃法蕊溯的现象做出正确的预测稀 判蛭。在a f 】对撬器褥熊的萋舞究中，希望缝够弼掇嚣 诗算掇) 寒搂拟这蛩学习糍力，这就避 我们联说麴基予数擐瓣机嚣学习潮题，或麓称枫器学习勰题。机器学习闯遥的基零摸璎如下： 输入x 输出 颈薄输出多 鞫3 - 1 杭嚣学习的基本模型 箕中，系统s 是我 】甏； 究豹对象，它森一定匏辕入x 下褥列一定豹辕出y ，l m 跫我们掰隶瓣学 习机，输出为多。机器学霹的强静楚求出对菜系统输入输穗之阉依赖关系的嵇诗，搜它越黯米囊羹 输出辟可自准确的预测。 橇器学习海趱霹袭暴洚妇下澎式：变量y 与羔存在一定鹣泰知豫赣关系，鄹遵矮蔡一泰辩 鹃联合概率f ( x ，奶，辘器学习蠲蘸靛燕觳撂个凌莪立溺分奄躐测撵本 ( 而，m ) ，( 吃弱) ，瞒，柏) ， 在一缀函数 灭站均 中求一个嫒优躺遗数，( 毛) 对锻赖关系滋行储计，使期避风险 露【，】；f 二( y ，( 并，蝴汐b 力 ( 3 1 ) 鼹小。其中，f f ( x ，川 称作预测函数集，w 为函数的广义参数， f ( x ，w ) 可阻袭示任何函数集； 五( 弘f ( x ，叻) 为由予蝴f ( x ，m ，) 对y 进行预测箍造成的损失，称为损失幽数。对予模式识别问题， 输出j ，楚类剐标签：鞭类情况为y l ，- 1 ，羧失函鼗熬形式一般为； 。j ：f 农业 二，+ 蛳 。学位论文笫二尊统爿学列叫硷驹主持l i i l m 桃 e y ，t x ，w ，= ? 1 ：y y i ； ：翟： c 。一z ， l ，t x ，柳， 柏：函数邋近问题中，y 楚连续变量，采川最小平方误麓准则，拈! 火嘲数可以定义为： l ( y ，( x ，w ) ) = ( y - f ( x ，w ) ) 2 泞3 ) 台：二进徊趣中，学习能醋轹在丁- 使期望风险最小仡。笸通常情援f ，样本分布楚朱知 瀚，我翻町 以刹川的信息只有样本数据，冈此( 3 - 1 ) 式的期望风险无法直拨计算。传统的学习方法中采川 经验风险最小化 0 ( 3 5 ) 其中，p 表示概率，r 。i f 】和r 厂】分别袭示在，个样本卜- 的经验风险和对于同一个w 的期望风 陵。 v c 雅 v c 维魁统计学习理论中的一个核心概念。模式识别方法中v c 维的直观定义是：对一个指示函 数粲。如栗存在h 个样本能够被函数集中的函数按所有可能的2 6 种形式分开，鲻称函数集能够