(1.成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，四川 成都 610059; 2.中國地質調查局 成都地質調查中心，四川 成都 610059)

城市生態(tài)環(huán)境問題已然成為社會發(fā)展的限制性因素，而對于城市生態(tài)環(huán)境評價不僅可以幫助公眾了解自身生活環(huán)境的狀況，也能為城市規(guī)劃的設計者及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、治理人員提供幫助，因此如何準確、有效地對城市生態(tài)環(huán)境進行評價顯得尤為重要[1-2]。

目前，國內外有許多針對城市生態(tài)環(huán)境評價的研究，并取得較大的進步，研究策略也開始從單一因素模型向多因素的模型評價模式轉變，并且逐漸從定性向定量過渡[2-5]。

雖然國內已經建立了許多城市環(huán)境評價體系，但是這些體系大都為某單一模型設計，其區(qū)域擴展性較差，并且需要評價人員進行大量繁雜的計算。因此，本文從多模型多指標的角度出發(fā)，建立了一套通用的城市生態(tài)環(huán)境評價體系，并以GIS空間分析和可視化技術對評價模型的結果進行顯示與分析，以此來解決體系擴展性較差的問題。而針對評價體系復雜多變，計算繁雜的問題，本文利用ArcGIS Engine二次開發(fā)出了一個評估系統(tǒng)，以提高人員的操作性和評價的準確率。

1 城市生態(tài)環(huán)境評價體系的構建

1.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

本文選取天府新區(qū)成都直管區(qū)為研究區(qū)，研究區(qū)下轄有15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道，常住人口54.19萬人，氣候春夏日照足，秋冬云霧多，四季分明。該區(qū)地處成都平原南部邊緣地帶，所處大地構造位置為新華夏系四川沉降帶成都斷陷的東南邊緣地帶，其地質構造主要表現(xiàn)為褶皺與斷裂。

遙感影像數(shù)據(jù)采用高分2號影像，過境時間段為2016年6月；在室內遙感解譯之后，研究團隊分別于2017年7～9月及2018年8月對研究區(qū)域進行野外實地驗證考察；并結合《成都市統(tǒng)計年鑒——2018》的數(shù)據(jù)整理出城市生態(tài)環(huán)境評價所需數(shù)據(jù)種類，主要包括以下4種：① 行政區(qū)劃等基礎地理數(shù)據(jù)；② 地形地貌、道路、地質災害等城市生態(tài)環(huán)境評價因子指標數(shù)據(jù)；③ 生態(tài)環(huán)境評價指標量化分級數(shù)據(jù)；④ 評價指標權重數(shù)據(jù)。其中①、②為城市生態(tài)環(huán)境評價所需的矢量柵格數(shù)據(jù)，由于空間數(shù)據(jù)的復雜性，本文采用ArcGIS的Personal Geodatabase管理空間數(shù)據(jù)集；③為評價指標量化分級提供數(shù)據(jù)支撐，有唯一賦值和區(qū)間賦值兩種。

1.2 評價指標確定

由于城市生態(tài)環(huán)境影響指標眾多，且各影響因素重要程度各不相同，因此要想建立一個包含完整影響因素的評價模型是不現(xiàn)實的。本文在兩次野外實際考察驗證，以及充分考慮城市生態(tài)環(huán)境復雜性和多樣性基礎上，查閱相關文獻[6-9]和征詢專家意見，制定了適合于城市生態(tài)環(huán)境的評價的體系。

該評價體系一共分為3層，第1層為目標層，第2層為要素層，第3層為指標層。其中要素層又分為：自然要素層、社會要素層和生態(tài)環(huán)境層。自然要素層主要包括：植被覆蓋程度、地形地貌、水系、坡度、斷層、海拔、降水量、日照時間共8種自然環(huán)境指標因子。社會要素層包括：公路交通、土地利用類型、居民點分布、軌道交通、地區(qū)GDP共5種社會環(huán)境指標因子。生態(tài)要素層包括：地質災害點、土壤重金屬污染、水體重金屬污染、噪聲污染、空氣污染共5種生態(tài)環(huán)境指標因子，見表1。

表1 城市生態(tài)環(huán)境評價指標體系Tab.1 Urban ecological environment assessment index system

通過分析、比較將目標地區(qū)實際存在的影響環(huán)境因子作為評價指標，并以此來建立適合目標區(qū)域的評價體系。本文針對研究區(qū)實際情況，選?。旱匦蔚孛?N1)、河流(N2)、坡度(N3)、斷層(N4)、海拔(N5)，國道(S1)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路(S2)、高速(S3)、地鐵(S4)、鐵路(S5)、居民地分布(S6)，土地利用類型(E1)、地質災害點(E2)、土壤重金屬污染(E3)、水體重金屬污染(E4)共15個指標作為評價因子，并對15個評價指標按評價標度賦值，見表2。

1.3 評價指標權重確定

評價指標的權重可以在多屬性評價中反映各個評價指標對同一評價單元的相對重要程度，并直接影響評價結果的可信度。目前，權重確定的方法分為主觀賦權和客觀賦權兩類。主觀賦權主要有：層次分析法、最小平方法、專家打分法等，該類方法的優(yōu)點是考慮到人為主觀因素根據(jù)實際問題進行排序，但未考慮到指標數(shù)據(jù)本身的依賴關系；客觀賦權主要有：變異系數(shù)法、熵值法、主成分分析法等，該類方法的優(yōu)點是可以避免人為主觀因素，但是未考慮評價指標之間的相對重要性[10-12]。

為了準確地刻畫評價單元的重要程度，本文根據(jù)兩類方法的優(yōu)缺點，擬采用主客觀綜合賦權法來最大程度地優(yōu)化權重取值。并通過查閱文獻和多次實驗，最終采用層次分析法計算主觀權重，變異系數(shù)法計算客觀權重，再通過組合賦權法得到可信度較高的權重分配。

1.3.1基于層次分析法的權重賦值

層次分析法是一種將復雜目標分解為多層次、多指標的主流權重計算方法。它的核心是通過把目標問題分解為相關聯(lián)的元素，各關聯(lián)元素再通過屬性及關系形成若干層次，上一層元素作為準則對下一層次有決定作用，這些層次分為3層：目標層、中間層、決策層[13]。層次分析方法最關鍵部分是根據(jù)判斷矩陣計算中間層各個評價指標的權重，從而在最終方案中衡量評價指標對環(huán)境的影響程度，計算權重的主要步驟如下。

(1) 計算各個指標因子的權重

(1)

(2) 計算判斷矩陣的最大特征值λmax及對判斷矩陣的一致性檢驗。

表2 天府新區(qū)成都直管區(qū)指標標度等級Tab.2 Indicator scale of Chengdu direct management area of Tianfu new District

(2)

(3)

(4)

由于人們對客觀事物的認知有限，在選取評價指標的相對重要性會存在偏差，因此一般會借用式(3)式和(4)對判斷矩陣進行一致性檢驗。若C.R<0.1，則判斷矩陣滿足要求，否則需反復調整判斷矩陣直至滿足要求為止。計算得出的研究區(qū)評價指標的主觀權重值見表3。

表3 評價指標權重賦值Tab.3 Evaluation index weight assignment table

1.3.2基于變異系數(shù)法的權重賦值

變異系數(shù)法是通過衡量統(tǒng)計數(shù)據(jù)中特征值變異程度，來刻畫評價指標的影響程度。在多指標評價系統(tǒng)的指標中，各觀測值的差異程度越大，表明此指標重要性越高，也即此指標權重越大[12,14-15]。計算步驟如下。

(1) 由于評價指標的量綱不同，在進行變異系數(shù)權重計算之前要先進行無量綱化處理。

(5)

(6)

其中，Di為對i個指標標準化之后的值，Xi為第i類指標的原始數(shù)據(jù)，max(Xi)為第i類指標數(shù)據(jù)的最大值，min(Xi)為第i類指標數(shù)據(jù)的最小值。式(6)針對正向指標數(shù)據(jù)，式(7)針對負向指標數(shù)據(jù)。

(2) 計算變異系數(shù)。

(7)

(3) 計算權重：

(8)

2 評價模型的建立與二次開發(fā)系統(tǒng)

2.1 評價指標量化分級

按構建的評估體系標準對城市環(huán)境評價指標進行量化分級，其核心思想是對影像像元灰度值進行二次賦值。量化分級數(shù)據(jù)的標準根據(jù)評價指標數(shù)據(jù)類型的不同而不同，一般分為兩種：唯一賦值和區(qū)間賦值，其中區(qū)間賦值是最常用的模式，使用者可自行指定起始、終止、新值的區(qū)間范圍 。對研究區(qū)15個指標數(shù)據(jù)進行量化分級，其中S1，N1，N4，E4評價指標量化分級結果如圖1所示。

圖1 部分評價指標量化分級Fig.1 Quantification and grading of some evaluation indicators

2.2 評價模型的建立

評價模型建立的基本思想是利用地圖代數(shù)理論將評價體系和量化分級數(shù)據(jù)組合。再通過層次分析法和變異系數(shù)法計算指標權重之后，對單個評價單元引用線性組合賦權的模型計算指標權重，并組合量化分級數(shù)據(jù)，模型如下：

(9)

其中，Ni為每個像元新的灰度值，Mi為第i類指標層次分析法計算權重，Ai為第i類指標變異系數(shù)法計算的權重，γ為喜好系數(shù)(0<<γ<<1)，PIXi為第i類指標的影像量化分級影像，為了后期分析展示，需要對數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

2.3 二次開發(fā)的輔助系統(tǒng)

在實際過程中，層次分析法和變異系數(shù)法計算繁雜，對操作人員專業(yè)知識要求較高，為了便于后續(xù)評價結果的可視化與分析，本文另行設計了一個基于ArcGIS Engine的二次開發(fā)系統(tǒng)。該評估系統(tǒng)屬于地理信息系統(tǒng)，基于地理信息系統(tǒng)基本理論，在計算機硬件與C#基礎應用框架下，調用ArcGIS Engine中的GeoAnalyst類庫及RasterMapAlegbraOp單元作為核心技術進行二次開發(fā)。由于系統(tǒng)開發(fā)不屬于本文討論的主要內容，因此僅在此作簡要說明。

3 評價模型的應用

《成都市統(tǒng)計年鑒——2018》的數(shù)據(jù)顯示，天府新區(qū)成都直管區(qū)在規(guī)劃之前屬于待開發(fā)區(qū)域，沒有大型污染企業(yè)，后期經濟建設嚴格按照國家標準執(zhí)行，因此基本不存在由經濟建設造成的嚴重生態(tài)污染；并且該區(qū)發(fā)展規(guī)劃也較為合理，即社會因素對城市生態(tài)環(huán)境影響相對較小，所以生態(tài)環(huán)境的主要影響因素為自然因素。為了選取合適的評價指標以及對評價結果進行驗證，研究團隊在2017年7～9月與2018年8月兩次對研究區(qū)進行實地考察。考察發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)東部沿龍泉山方向有較多連續(xù)磚瓦廠，開采規(guī)模較大；龍泉山中發(fā)育許多零散分布的地質災害點，其中大部分已經得到治理恢復；在西部主城區(qū)域內部及城鎮(zhèn)周邊含有大量待建或正在建設的區(qū)域，地面大片裸露，部分水體污染也較為嚴重，生態(tài)環(huán)境有較大破壞；除此之外的大部分研究區(qū)域均為農村未開發(fā)區(qū)域，除有少量生活、生產垃圾，整體生態(tài)環(huán)境較好。

因為各個評價指標具有不同的量綱，為了便于后期的統(tǒng)計分析，對各個評價指標進行無量綱化處理。在利用計算主觀權重賦值和客觀權重之后，為體現(xiàn)主客觀權重對評價結果的影響程度，根據(jù)多次實驗調整優(yōu)化，分別取研究區(qū)的喜好系數(shù)γ為0.25,0.50,0.75進行計算比較,其第i類指標對應的綜合權重見表3。對每一個評價指標進行量化分級處理后利用設計的二次開發(fā)系統(tǒng)中的評價模型編輯模塊將各個指標因子分級結果與指標因子權重進行地圖代數(shù)處理，如圖2所示。然后對取不同偏好系數(shù)情況評價結果分析，并進行彩色渲染展示，如圖3所示。為充分體現(xiàn)研究區(qū)域內生態(tài)環(huán)境等級分布及波動情況，在充分考慮3種喜好系數(shù)以及兩次野外調查結果之后，最終將本研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境區(qū)間設定為：差、較差、一般、好、較好5個等級，對應圖3的圖例等級1～5。

圖2 二次開發(fā)系統(tǒng)的模型計算編輯界面Fig.2 Model calculation editing interface of the secondary development system

圖3 天府新區(qū)成都直管區(qū)城市生態(tài)等級空間分布Fig.3 Spatial distribution of urban ecological hierarchy in the Chengdu direct management area of Tianfu new District

將3種不同喜好系數(shù)的評價結果與兩次野外考察結論進行對比后發(fā)現(xiàn)：γ=0.25時,對研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境較差區(qū)域進行準確的劃分，評價結果與兩次實際考察結論最為接近；γ=0. 50時,對西部城市區(qū)域的評價效果不明顯；γ=0.75時,對西部城市區(qū)域的評價效果不佳，且對中部未開發(fā)區(qū)域評價也存在過度劃分的情況。因此，γ=0.25時整體效果最優(yōu)，γ=0.50時次之，γ=0.75時效果最差。

將圖3(a)與兩次野外考察驗證結果對比分析，并結合《成都市統(tǒng)計年鑒——2018》可以得出天府新區(qū)成都直管區(qū)生態(tài)等級較低區(qū)域主要分布在西北部和東部邊界區(qū)域，中間大部分區(qū)域評價等級較高。西部區(qū)域主要沿城市主干道分布，集中于人類活動較為強烈的低坡度低高程地區(qū)，植被覆蓋程度較低，生態(tài)環(huán)境等級以較差及差為主，其對應面積占比為28.93%，人類活動是導致生態(tài)環(huán)境變差的重要因素。東部邊界呈條狀分布主要是由于該區(qū)域位于東北-西南走向的龍泉山斷裂帶上，該區(qū)域海拔高、坡度大以及包含一些地質災害點從而影響評價等級。在此之間的中部及南部區(qū)域大都為未開發(fā)地區(qū)，植被覆蓋程度高，區(qū)域內分布零星居住地及農莊，但人類活動強度不大對整體評價等級影響較小，生態(tài)環(huán)境評價等級為一般、好、較好的面積占總研究區(qū)的比例為71.07%，整體生態(tài)環(huán)境良好。

4 結 語

基于主客觀賦權的城市生態(tài)環(huán)境評價方法，可以準確地建立城市生態(tài)環(huán)境中各層次、其指標與城市生態(tài)質量等級之間的映射關系，而且對于城市環(huán)境評價精度較高，評價體系及模型簡潔實用。在實際運用中結合ArcGIS Engine對評價系統(tǒng)進行二次開發(fā)，進一步簡化了流程，操作人員無需進行繁復的運算和擁有很強的專業(yè)知識即可完成，為大范圍的城市生態(tài)環(huán)境評價提供了新的思路。