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        模糊聚類分析法在聲環(huán)境功能區(qū)劃分中的應用

        2014-06-08 01:13:14李麗尹衛(wèi)萍
        環(huán)境監(jiān)控與預警 2014年3期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境噪聲區(qū)劃定量

        李麗,尹衛(wèi)萍

        (1.南通市環(huán)境監(jiān)測中心站,江蘇 南通 226006;2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

        隨著城市建設(shè)發(fā)展和區(qū)域功能變化,南通市“十一五”環(huán)境保護規(guī)劃中聲環(huán)境功能區(qū)劃部分內(nèi)容已不適應目前實際情況,現(xiàn)行區(qū)劃依據(jù)標準已經(jīng)廢止。環(huán)保部于2008年10月1日起正式實施了3項新的環(huán)境噪聲標準,南通市于近期對現(xiàn)行的市區(qū)環(huán)境噪聲功能區(qū)劃進行了調(diào)整,區(qū)劃時嘗試采用模糊聚類分析法進行確定,取得了較為滿意的結(jié)果。

        1 模糊聚類分析

        根據(jù)南通市城市總體規(guī)劃(2009—2030),依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境噪聲適用區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》),將南通市中心城區(qū)劃分為58個環(huán)境噪聲單元。根據(jù)區(qū)劃說明,依次對各單元區(qū)劃:其中12個單元滿足《規(guī)范》所述1類區(qū)要求,劃分為1類區(qū);22個單元滿足2類區(qū)要求,劃分為2類區(qū);18個單元滿足3類區(qū)要求,劃分為3類區(qū);中心城區(qū)的交通干線和鐵路劃為4類區(qū);無0類區(qū)。

        剩余6個單元,A類用地占地率在60% ~70%之間,B類與C類用地占地率為15% ~25%,介于1類區(qū)和2類區(qū)之間,由于區(qū)域內(nèi)規(guī)劃較紊亂,用地類型混亂,噪聲源分布零散,用《規(guī)范》較難準確界定。

        模糊聚類分析是將樣本的種種性質(zhì)數(shù)量化,成為樣本的指標。若有n個樣本,每個樣本有m種指標,用Xij表示第i個樣本的第j個指標,則i個樣本可以用向量表示為:Xi=(Xi1,Xi2,……,Xim),而全部樣本可以用矩陣元為Xij的一個張量表示。

        1.1 各代表點的統(tǒng)計指標的數(shù)據(jù)標準化

        對樣本的各類數(shù)字化的指標進行標準化處理,取消量綱,使各指標間數(shù)據(jù)具有相對穩(wěn)定性和可比性。

        式中:m——變量因素個數(shù);n——被分類對象的個數(shù);Xij——第i個被分類對象的j個變量的原始統(tǒng)計數(shù)據(jù);Xij——第i個被分類對象的j個變量的原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)的標準化值;Xj——n個被分類對象的第j個變量的平均數(shù);Sj——n個被分類對象的第j個變量的標準差。

        1.2 計算統(tǒng)計量 和模糊關(guān)系R

        應用下面公式構(gòu)造聚類分析的模糊關(guān)系矩陣:

        R=(rij)n×n

        其中,n為樣本,即待劃分單元個數(shù),其中矩陣元用夾角余弦法計算:

        用上述方法建立的模糊關(guān)系矩陣R的主對角線上的元素為1,且所得的矩陣為對稱矩陣。

        1.3 對模糊關(guān)系進行復合求模糊等價關(guān)系

        在模糊數(shù)學中,設(shè)有兩個模糊關(guān)系R和S,稱R·S為模糊關(guān)系的復合,即模糊關(guān)系矩陣的積。對模糊關(guān)系R作自身的復合運算,即R2=R·R,R3=R2·R,…,Rn=Rn-1·R??梢宰C明,若上述模糊關(guān)系對稱R滿足:

        式中:t——任意自然數(shù)。

        計算得到的模糊關(guān)系 Rn-1即為模糊等價關(guān)系。據(jù)此對樣本在一定聚類水平下分類。

        1.4 選定聚類水平λ對樣本聚類

        對于模糊等價關(guān)系Rn-1,給定一個聚類水平(λ可取矩陣中的rij值)。

        則矩陣各行或各列中元素相同的即為一類,于是可將樣本按一定的聚類水平劃分成若干類。調(diào)整聚類水平,直到得到所要求的分類。

        2 聲環(huán)境功能區(qū)劃分實例

        “區(qū)劃”時,3類區(qū)和4類區(qū)易區(qū)分確定,因此對部分單元采用聚類分析法劃分其屬1類區(qū)或2類區(qū)。當某個單元的4個定量指標均落入“1類區(qū)”或“2類區(qū)”臨界值內(nèi),就稱其為典型區(qū)。若某個單元的某幾個定量指標落入“1類區(qū)”臨界值內(nèi),而另外幾個定量指標落入“2類區(qū)”臨界值內(nèi),用聚類分析法做出判斷,確定該單元所屬的類別。

        2.1 選擇“區(qū)劃”的定量指標

        Xi1:區(qū)域內(nèi)工業(yè)用地面積占總面積的百分比;Xi2:區(qū)域內(nèi)商業(yè)用地占總面積的百分比;Xi3:區(qū)域內(nèi)交通用地占總面積的百分比;Xi4:區(qū)域內(nèi)按網(wǎng)格布點求得的噪聲等效聲級平均值Leq,dB(A)。

        根據(jù)全市的統(tǒng)計資料、文獻資料,確定不同類別區(qū)域定量指標的臨界值,見表1。

        表1 聲環(huán)境功能區(qū)定量指標臨界值

        對尚未確定的6個聲環(huán)境單元評判,首先選取典型的1類區(qū)X0,其與6個待區(qū)劃的噪聲單元的定量指標見表2。

        2.2 數(shù)據(jù)標準化處理

        利用式(1)將表2中的數(shù)據(jù)標準化,見表3。

        表2 聲環(huán)境單元定量指標

        表3 數(shù)據(jù)標準化

        2.3 計算統(tǒng)計量 ,建立模糊關(guān)系矩陣

        運用式(2)計算統(tǒng)計量 ,得到模糊關(guān)系矩陣,見表4。

        表4 模糊關(guān)系矩陣

        2.4 復合運算得出模糊等價關(guān)系

        可見,R5為模糊等價關(guān)系。

        2.5 給定聚類水平進行分類

        λ=0.99時對樣本聚類分析

        此時樣本被分為 2 類,即(1,4,5,6,7)為同一類,(2,3)為同一類。所以,當 λ 取 0.99時,X3、X4、X5、X6為1 類區(qū),X1、X2為2 類區(qū)。

        3 結(jié)語

        聚類分析表明,參與統(tǒng)計的各單元中,虹橋2單元、新城區(qū)單元、港閘區(qū)2單元以及和平橋單元均與典型一類區(qū)單元——學田文峰單元存在共性,而新城橋單元和任港2單元則與其存在較大差別。實例分析表明,利用模糊聚類分析對環(huán)境進行評價結(jié)果較為全面客觀,可以反映出單個或多個因素對環(huán)境的突出影響,也可以反映多個因素的綜合影響。

        [1]劉曉石.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].北京:科學出版社,2001.

        [2]孫浩添.梅河口市環(huán)境噪聲功能區(qū)劃研究[D].沈陽:東北師范大學環(huán)境科學系,2009.

        [3]張強.模糊集理論及其應用[Z].北京:北京理工大學管理與經(jīng)濟學院,2001.

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