基于GIS和组合赋权法的滁州市生态环境质量分析

王妮，陈泰生，赵明伟，王本林，陈梦琳，陈洋

(1.滁州学院地理信息与旅游学院，安徽滁州　239000；2. 安徽省地理信息集成应用协同创新中心，安徽滁州　239000)



基于GIS和组合赋权法的滁州市生态环境质量分析

王妮1,2，陈泰生1,2，赵明伟1,2，王本林1,2，陈梦琳1,2，陈洋1

(1.滁州学院地理信息与旅游学院，安徽滁州239000；2. 安徽省地理信息集成应用协同创新中心，安徽滁州239000)

区域生态环境质量评价在明确区域生态环境质量基本情况、制定区域生态环境治理对策和促进区域经济可持续发展方面具有重要意义.利用滁州市2005、2010年土地利用数据和统计年鉴为数据源，建立滁州市生态环境质量综合评价指标体系，采用基于层次分析法和熵权法的组合赋权法，合理科学计算评价指标权重，运用综合评价模型评价滁州市生态环境质量，分析滁州市生态环境质量空间差异和时间变化特征.结果表明，2005年滁州市定远县生态环境质量最好；2010年滁州市琅琊区生态环境质量最好.总之，2005至2010年滁州市生态环境质量整体逐年改善.

GIS；生态环境质量分析；组合赋权法；时空变化分析①

0　引言

生态环境是人类赖以生存的基础和前提，区域生态环境质量是实施国家经济社会可持续发展的保证.我国中东部地区的生态环境基础较好，但由于人口密度的不断增大、城市化、工业化的迅猛发展导致生态环境质量问题随之出现.因此，研究滁州市生态环境质量时空变化，认识生态环境质量恶化的驱动力，为提高滁州市生态环境质量和制定国民经济发展规划奠定坚实的理论基础.

国外的生态环境质量分析研究开始于20世纪60时代，70年代得到发展，随着计算机的普及发展以及一些新兴科技技术如地理信息系统、全球定位系统、遥感的广泛应用，生态环境质量分析工作得以蓬勃发展[1].我国随着生态环境问题的出现，逐渐开始生态环境质量评价分析工作并在生态环境改善方面进行了大量的研究工作[2-3].在此期间出现了大量的生态环境质量评价方法，如层次分析法[4-6]、指数分析法[7-8]、主成分分析[9-10]、模糊评价法[11-14]、人工神经网络分析法[15]、物元分析法[16]、灰色系统分析法[17-18]等等，这些方法为生态环境质量均提供了有效地数据支持，由此可以看出生态环境质量评价分析的重要性和关注性.所以本文在前人的研究成果上，选择中东部迅猛发展经济和生态环境质量相对冲突的滁州市为研究区域，构建生态环境质量综合评价模型，并利用基础性较好的层次分析法，以及根据信息量确定权重的熵权法进行组合，能有效且客观地计算指标因子的权重，科学地评价分析滁州市生态环境质量状况.

1　研究基础与方法

1.1研究方法

1.1.1层次分析法

层次分析法是由美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初提出，并在20世纪80年代传入我国，由于其具有高度的科学性、严谨性和逻辑性，本文采用该方法确定指标因子权重.

1.1.2熵权法

熵，这一热力学概念是由申农C.E.Shannon参考并引入信息论中，故称之为信息熵.根据信息论的注释，信息作为系统有序程度的量度，熵为系统无序程度的量度；指标因子的信息熵大小和指标的信息量和作用成正比，因此权重则越大.

熵权法计算步骤如下所示：

(1)原始数据矩阵标准化

m为评价区域的个数，n为评价指标的个数，形成原始数据矩阵.

作为评价生态环境质量优劣的指标因子可以分为以下两种：指标因子越大代表生态环境越好的指标(草地覆盖率)和指标因子越好代表生态环境越好的指标(水污染面积).为了综合评价，需要根据实际情况采用正向指标或负向指标，本文采用正向指标的研究方法评价生态环境质量.处理公式如下所示：

对正向指标而言，有：

(1)

对负向指标而言，有：

(2)

(2)定义熵ej

m为评价区域的个数，n为评价指标的个数，确定第j个指标的熵权公式为：

(3)

k作为待定系数，与所采用的样本数量有关，ej>0.

(3)计算差异系数dj

如果某个指标的信息熵越小，说明该指标值得变异系数越大，即指标的信息效用值越大，则权重值也越大.反之，某个指标的信息熵越大，则权重值越小，若熵值为1，则说明该指标的信息效用值为0.

(4)定义熵权

计算第j个指标的熵值之后，计算该指标的熵权大小：

(4)

1.1.3组合赋权法

主观赋权法计算指标因子权重具有一定的优势，但是决策的结果主观随意性较大，科学性有待提高.而运用客观赋权法确定指标因子的权重虽然具有较强的数学理论基础，但是无法表现评判者对不同指标的重视程度.为兼顾主观赋权法和客观赋权法的优缺点，对指标因子的赋权达到主观和客观的统一性，进而得到客观、可靠的决策结果，提出综合主、客观赋权法的组合赋权法.通过将层次分析法和熵权法得到的权重通过线性组合得到最终权重值.本文采用线性加权法计算组合权重值，这种方法既克服了乘法合成归一化方法的“倍增情况”，具有较好的实际应用效果.

1.2研究区域概况

滁州市位于安徽省东部长江下游北岸，属于江淮流域，下辖两区四县及两个县级市(琅琊区、南谯区、来安县、定远县、全椒县、凤阳县、明光市、天长市).滁州市地势西部高，东部低，地貌主要分为丘陵区、岗地区以及平原区，全市亚热带季风湿润性气候，热量充足，雨热同期，年降水量丰富，水资源丰富.作为“南京都市圈”核心城市之一，皖江示范区的一翼，境内有多条高速公路和铁路经过，交通较为便利，工业经济基础雄厚，2005年GDP为321.8亿元，而2010年GDP则达到696.7亿元，工业发展较为迅速.

2　滁州市生态环境质量评价体系

2.1指标因子体系确定的原则

生态环境系统是一个复杂综合的整体，对生态环境质量评价的指标因子的选择是否合理对生态环境质量整体的评价具有重大的影响，在选取指标体系时需要遵循相对完备性、层次性、典型性和科学性、可操作性和可量化、客观性等原则.

2.2滁州市生态环境指标体系

本文根据滁州市自然环境、社会经济，根据个我认识以及查阅相关资料构建滁州市生态环境质量综合分析指标体系，认为年均气温、年均降水、人口密度、人均生产总值、人均耕地、水污染面积等20个指标因子可以全面客观的反映滁州市生态环境质量状况.

表1滁州市生态环境质量分析指标体系

2.3评价指标权重确定

指标因子权重的确定对生态环境质量分析指标体系的构建具有重大的影响，采用层次分析法得到指标因子权重是基于前人的研究方法与成果.根据滁州市地理位置、资源环境、社会经济，结合实际情况，并查阅相关资料和分析研究成果的基础上确定指标因子权重.通过对20个指标因子对生态环境质量的重要性进行打分，得到各指标因子的权重.

表2采用层次分析法确定的指标因子权重

根据所构建的指标因子体系，以滁州市2005年、2010年统计数据和土地利用数据为基础数据源，同时参考相关的研究资料和研究成果获得滁州市区县20个评价指标的统计数据，并建立原始数据矩阵，对数据进行标准化处理得到表3、4中的数据，最后将标准化的数据计算各指标因子的信息熵，得到各指标因子的熵权，指标因子的权重及排序见表3.

将滁州市生态环境质量综合等系指标因子原始数据标准化后的数据如表3所示.

采用组合赋权法得到的滁州市生态环境质量分析指标权重值及其排序如表6所示.

从表8可知，滁州市2005、2010年生态环境质量分析评价指标的权重值排序及变化.2005年，人口密度的权重值最大，排名第一，人均耕地的权重值最小，排名最后；2010年，当年造林面积的权重值最大，排名第一，年均气温的权重值最小，排名最后.

2.4生态环境质量综合评价模型

本研究利用综合评价模型评价和分析滁州市生态环境质量，评价模型如下所示：

(5)

公式中：Wi(t)代表第i个指标的组合赋权权重值；n代表指标因子的数量；Ei(t)代表第i个指标因子在t时刻的标准化数据；EQ(t)为t时刻研究区域的生态环境质量综合指数.

利用综合评价模型并根据表6、7的组合权重值以及表3、表4的数据乘以10得到的标准数据得到滁州市生态环境质量综合评价指数以及各子系统的分指数.

表32005年标准化数据

表4　2010年标准化数据

表5　采用熵权法的指标因子权重

表6　采用组合赋权法的滁州市2005年生态环境质量分析指标权重

表7　采用组合赋权法的滁州市2010生态环境质量分析指标权重

表8　指标因子权重降序排列

2.5生态环境质量指数分级

采用综合评价模型评价生态环境质量，可用生态环境综合指数反映区域生态环境质量状况，并将综合指数进行分级处理以方便分析生态环境状况.依据本区生态环境质量状况分为5级，采用实数区间[0，10]来表示，环境质量为最理想状态时为10，处于最恶劣的状态时值为0.

表9生态环境质量指数分级表

3　滁州市生态环境质量指数计算

表10滁州市生态环境质量综合指数和分级分布

图1　滁州市生态环境质量综合指数年变化柱状图

2005滁州市生态环境质量综合指数最大的县为定远县，综合指数为4.8646，处于一般状态；综合指数最小的是来安县，综合指数为2.6375，为较差状态；2010年滁州市生态环境质量最好的是琅琊区，综合指数为6.5454，处于较好状态；综合指数最小的是凤阳县，综合指数为3.0746，为较差状态.滁州市生态环境质量综合指数整体处于上升状态，其中琅琊区综合指数增长幅度最大.南谯区、来安县、全椒县、天长市、明光市的生态环境综合指数皆处于上升状态，生态环境质量有所改善，定远县和凤阳县综合指数处于下降趋势，生态环境质量逐年下降.

资源环境、社会经济、环境压力和人为响应系统作为生态环境系统的子系统，三者之间的相互作用会影响生态环境整体状况.三个子系统之间的转化作用和相互影响作用对生态环境质量的变化具有深远的影响，因此，合理评价分析子系统的生态环境质量也是至关重要的.三个子系统的生态环境质量评价指数如表11所示.

表11滁州市生态环境质量评价分指数

采用ArcGIS建立滁州市2005年、2010年生态环境质量状况评价数据库，以定量分析为基础，生成滁州市2005年、2010年生态环境质量综合指数、分级指数系列图.

图2　滁州市2005年综合指数分级图　　　　　图3　滁州市2010年综合指数分级图

图4　滁州市2005年资源环境系统指数分级图　　图5　滁州市2010年资源环境系统指数分级图

图6　滁州市2005年社会经济系统指数分级图　图7　滁州市2010年社会经济系统指数分级图

图8　滁州2005环境压力和人为系统指数分级图　图9　滁州市2010年环境压力和人为系统指数分级图

4　滁州市生态环境质量时空变化分析

4.1生态环境质量空间分布变化分析

(1)根据2005年、2010年滁州市生态环境质量综合指数和生态环境质量综合指数分级图来看，滁州市整体生态环境质量偏低，并且各区、县、市的生态环境质量的空间差异性较大.2005年，所有区县中定远县、明光市、天长市生态环境质量一般，琅琊区、南谯区、来安县、全椒县、凤阳县生态环境质量较差.2010年，所有区县中，琅琊区生态环境较好，南谯区、全椒县、天长市和明光市生态环境质量一般，来安县、定远县、凤阳县生态环境质量较差.

滁州市琅琊区生态环境质量较好，有以下几点原因：长江下游北岸，滁州市境东南部，地势西南高、东北低，境内拥有国家4A级森林公园——琅琊山，森林、草地覆盖率较高.属于亚热带季风湿润气候，雨热同期，热量充足，降水量丰富，空气质量较好，2005年琅琊区年降水量达1205mm，滁河、清流河绕城而过直通长江，水资源较为充裕.作为滁州市市中心，经济发展水平较高，2010年琅琊区人均生产总值达到44229元，是所有区县中人均经济水平最高的.2005至2010年来，政府有关部门对琅琊区的生态环境质量改进投入较大，生态环境质量取得很大的改善.

(2)根据2005、2010年滁州市资源环境、社会经济、环境压力和认为响应系统的综合指数以及指数分级分布图，可知滁州市各区县生态环境质量的空间差异性：

2005年，资源环境系统质量最好的是明光市，琅琊区、全椒县、定远县、凤阳县、天长市都处于一般状态，质量较差的是南谯区和来安县；2010年，资源环境系统质量最好的是全椒县，琅琊区、南谯区、定远县、天长市、明光市处于一般状态，来安县最差；

2005年，社会经济系统质量最好的是琅琊区，定远县、凤阳县、明光市处于一般状态，南谯区、来安县、全椒县、天长市社会经济系统质量较差；2010年，社会经济系统质量最好的仍然是琅琊区，其余的区县社会经济系统质量相对下降，处于较差的状态；

2005年，生态环境压力和人为响应系统质量最好的是定远县，明光市处于一般状态，而其余的区县生态环境压力和人为响应系统质量均处于较差状态；2010年，生态环境压力和人为响应系统质量最好的是明光市，而琅琊区、南谯区、天长市质量相对上升，处于较好状态，一般状态的是来安县、定远县，凤阳县最差.

4.2生态环境质量时间变化趋势分析

根据两期的生态环境质量分级图，可以直观的看到滁州市生态环境的动态变化趋势，但是缺乏动态变化程度的定量化表达，本次研究采用生态环境质量动态变化模型来反映滁州市生态环境质量的动态变化程度，生态环境质量动态变化模型通过将研究末期生态环境的质量指数sb和研究初期生态环境的质量指数sa的相减结果与研究初期生态环境的质量指数sa的相除结果除以时间段T(T以年度表示)并乘以100%，得到以百分比形式出现的生态环境质量的年变化率S.

根据动态模型，可以得到滁州市生态环境质量综合指数动态程度(表12).

表12滁州市生态环境质量综合指数动态度

根据综合指数时间变化程度可看出：2005-2010年，滁州市生态环境质量整体呈好转的趋势，但是各县区之间又存在差异性，其中琅琊区、南谯区、来安县、全椒县、天长市、明光市的生态环境质量有所改善和提高，并且琅琊区和南谯区的生态环境质量改善速率大于其他县区，其中：琅琊区的生态环境质量综合指数变化率为8.111，南谯区的变化率为7.442；定远县和凤阳县的生态环境质量下降，并且定远县的下降速率大于凤阳县.通过分析可知：滁州市琅琊区、南谯区近年来大力推进生态环境保护进程，通过退耕还林、植树造林提高森林覆盖率、加大生态环境保护宣传力度、促进经济发展和环境保护的平衡发展.而定远县和凤阳县的森林覆盖率较低、环保投入力度较小等造成生态环境质量综合指数为负数.

因此，对于目前的生态环境现状，滁州市政府应该根据本市辖各县市的具体情况实施实际的优化措施：定远县、凤阳县根据本区的实际生态环境现状制定环保方案，通过退耕还林、退垦还林提高森林覆盖率，促进经济发展和环境保护的共同发展；而生态环境质量有所改善的琅琊区、南谯区等应继续推进生态环境质量保护的进程.

5　结论

(1)对滁州市生态环境质量进行综合评价分析并研究空间分布差异和时间变化.从空间尺度看，滁州市生态环境质量整体处于一般的状态，其中琅琊区的生态环境质量较好，但空间差异较大；从时间范围看，滁州市生态环境质量整体呈上升趋势，但是变化趋势也具有较大的差异性.

(2)建立具有普遍性意义的生态环境质量分析指标体系.指标体系的建立是生态环境质量评价分析的理论基础和基本条件.每个地区的自然、经济、社会背景不同，难以有相同的指标体系，需要根据地区的特殊性建立合理的指标因子体系.指标因子体系的是否科学合理对生态环境质量综合分析的实施具有重大影响，如何建立科学真实合理的指标因子体系是本研究的重点.

(3)采用基于层次分析法和熵权法相结合的组合赋权法，合理科学的计算生态环境质量分析指标因子权重.因为各指标因子对生态环境的影响程度不同，需要根据其对生态环境的相对重要性确定权重，所以选择科学有效的方法确定指标因子的权重也是本次研究的重点.

(4)根据研究结果可知滁州市生态环境质量总体处于一般状态，但是空间和时间的差异性较大，各区县之间的生态环境质量状态差异性较大，其中部分区县的生态环境质量在2005到2010年间有所改善，而部分区县的生态环境质量却有所恶化.加大所有地区的生态环境质量保护力度是今后工作的重点.

生态环境质量分析的指标因子体系建立有待完善；在建立指标因子体系时出于研究的可操作性、实用性考虑放弃了部分对生态环境质量具有影响的因子，因此研究结果不能从全面反映生态环境质量，分析结果客观性有待提高，在今后研究中要尽可能选择更多的指标因子.生态环境质量的评价方法和评价模型有待改进和完善，生态环境是由自然-经济-社会构成的复杂系统，各个系统之间相互影响、相互作用，因此构建数学模型来评价生态环境质量的科学性还有待改进.如何寻找更为科学的评价方法和客观的数学模型分析生态环境质量是生态环境研究的重点.

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[责任编辑：吕海玲]

Analysis of Eco-Environmental Quality of Chuzhou City Based on GIS and Combination Weighting Method

WANG Ni1,2, CHEN Tai-sheng1,2, ZHAO Ming-wei1,2,WANG Ben-lin1,2, CHEN Meng-lin1,2, CHEN Yang1

(1.School of Geographic Information and Tourism, Chuzhou University, Chuzhou,239000,China;2. Anhui Centerfor Collaborative Innovation in Geographical Information Integration and Application,Chuzhou 239000, China)

Analysis of regional eco-environmental quality is significant in clarifying the basic situation of regional eco-environmental quality, formulating regional eco-environmental quality and prompting regional sustainable development. In this study, land use data and statistical yearbook of Chuzhou city in 2005 and 2010 were selected as data source，then establish comprehensive evaluation system of eco-environmental quality in Chuzhou city. The evaluation index weight is carried out by using combination weighting method of analytic hierarchy process and entropy weight method. Finally, evaluate eco-environmental quality and analyze spatial and temporal difference of eco-environmental quality of Chuzhou with comprehensive evaluation model. The result shows that the best quality of eco-environmental in Dingyuan country of Chuzhou city in2005 is at a fair state, the composite index is 4.86 . The best quality of eco-environmental in Langya country of Chuzhou city in2010,the composite index is 6.54. From 2005 to 2010, the overall ecological environment quality of Chuzhou city has improved year by year.

GIS; analysis of eco-environmental quality ; combination weighting method; analysis of space and time changes.

2016-09-21

王妮(1984- )，女，山东烟台人，滁州学院地理信息与旅游学院讲师，博士，主要从事遥感与GIS研究.

S126、S181

A

1004-7077(2016)05-0059-13

[基金来源]安徽高校省级自然科学研究重点项目(项目编号：KJ2016A531).