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        基于AHP-熵權(quán)法的海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2021-02-22 04:00:58賴正清
        關(guān)鍵詞:劃界定性可視化

        徐 敏,王 靜,賴正清,杜 雯,王 露

        (南京師范大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

        海洋占據(jù)著廣袤的面積,擁有豐富的自然資源,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及各個(gè)國(guó)家海權(quán)意識(shí)的增強(qiáng),海洋在國(guó)家經(jīng)濟(jì)與戰(zhàn)略中的地位越來(lái)越高,海洋爭(zhēng)端也進(jìn)入了新的時(shí)期[1-3]. 其中,海洋劃界成為沿海國(guó)之間亟待解決的問(wèn)題. 1982年頒布的《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》是目前國(guó)際司法機(jī)構(gòu)判決海洋劃界的主要依據(jù),《公約》雖明確了專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)和大陸架的定義、概念及范圍,但對(duì)于劃界問(wèn)題缺少具體說(shuō)明,導(dǎo)致解決實(shí)際劃界問(wèn)題時(shí)困難重重[4-6].

        海洋劃界受多方面因素影響,包括自然條件因素、歷史遺留因素、自然資源因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、政治、安全等其他因素[7-9]. 這些因素是涉界方提出劃界主張所考慮的因素,也是涉界方衡量劃界方案是否合意的重要因素. 海洋劃界過(guò)程是一個(gè)涉及到多種因素的實(shí)際問(wèn)題. 實(shí)際情況中,決策者往往都是在遵守劃界法理的基礎(chǔ)上,爭(zhēng)取最大利益[10-11]. 如何判斷方案線的影響程度,如何選擇更有利的方案線,這就需要對(duì)每條方案線進(jìn)行評(píng)估與比較,進(jìn)而給出量化數(shù)據(jù),便于決策者判斷與選擇[12-13].

        目前,我國(guó)國(guó)內(nèi)在海洋劃界的法理方面和方法論方面的研究比較深入,成果云集,但缺乏在海洋劃界方案評(píng)價(jià)方面的研究. 在陸地邊界領(lǐng)域內(nèi)有極少對(duì)劃界方案評(píng)價(jià)的研究,具有代表性的是武麗麗等[14-15]提出的一種基于六角格方法的方案線綜合評(píng)價(jià)技術(shù). 通過(guò)六角格模型與傳統(tǒng)方法分別劃定方案,從利益分配綜合評(píng)價(jià)和區(qū)域重要性評(píng)價(jià)兩個(gè)方面,統(tǒng)計(jì)并比較分析雙方在格網(wǎng)內(nèi)的面積及資源屬性值,建立一個(gè)二級(jí)三層的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu),從自然資源、人文資源和劃界潛在影響三個(gè)方面,進(jìn)一步細(xì)分出16項(xiàng)指標(biāo),應(yīng)用AHP-模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)而得出一條或多條方案線綜合結(jié)果. 此外,李四海等[16]設(shè)計(jì)了一個(gè)省際間海域勘界方案線評(píng)估模塊,分別計(jì)算劃界雙方在同一劃界方案下各自獲得海岸線長(zhǎng)度與海域面積,同時(shí),加以考慮海岸的形狀、岸線長(zhǎng)度、經(jīng)濟(jì)因素、資源因素、歷史沿革等因素,調(diào)整臨時(shí)線并進(jìn)行公平性檢驗(yàn),使最終結(jié)果盡可能公平.

        陸地邊界問(wèn)題和海洋劃界問(wèn)題有異曲同工之處,陸地邊界評(píng)價(jià)的研究對(duì)本論文海洋劃界方案評(píng)價(jià)研究具有重要的借鑒意義. 本研究基于AHP-熵權(quán)法構(gòu)建海洋劃界方案線綜合評(píng)估決策模型[17-19],研發(fā)海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從海洋劃界決策支持系統(tǒng)中讀取海洋劃界方案參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)進(jìn)行劃界方案的定量評(píng)估.

        1 海洋劃界方案評(píng)估方法

        1.1 指標(biāo)體系

        通過(guò)對(duì)海洋劃界影響因素的分析,衡量劃界方案的優(yōu)劣可從劃界方案對(duì)資源因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,以及所產(chǎn)生的預(yù)期效果來(lái)進(jìn)行綜合比選. 建立一個(gè)二級(jí)3層結(jié)構(gòu)的海洋劃界綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(如圖1所示),該指標(biāo)體系包括海洋資源因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和預(yù)期效果3個(gè)一級(jí)指標(biāo),以及各一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的若干二級(jí)指標(biāo). 海洋資源包括海域面積、漁業(yè)資源、礦產(chǎn)和油氣資源等二級(jí)指標(biāo),社會(huì)經(jīng)濟(jì)包括社會(huì)穩(wěn)定和交通狀況等二級(jí)指標(biāo),預(yù)期效果包括對(duì)方可接受度、可持續(xù)發(fā)展能力和安全影響評(píng)價(jià)等二級(jí)指標(biāo). 海域面積、漁業(yè)資源、礦產(chǎn)資源、油氣資源、社會(huì)穩(wěn)定和交通狀況等屬于定量評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)方可接受度、可持續(xù)發(fā)展能力和安全影響等屬于定性評(píng)價(jià)指標(biāo).

        圖1 海洋劃界方案評(píng)估指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system for the marine delimitation plan

        1.2 計(jì)算方法

        1.2.1 指標(biāo)計(jì)算

        (1)定量指標(biāo)

        對(duì)于定量指標(biāo),在海洋基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用GIS技術(shù),定量計(jì)算各方案內(nèi)資源量或資源區(qū)面積.

        (2)定性指標(biāo)

        對(duì)定性指標(biāo)采取層次分析法進(jìn)行計(jì)算,針對(duì)不同方案中的某一定性指標(biāo),進(jìn)行兩兩比較:假如研究中確定3個(gè)劃界方案,分別為方案1、方案2、方案3,對(duì)于這3個(gè)方案,進(jìn)行兩兩比較孰優(yōu)孰劣,將定性指標(biāo)定量化. 通過(guò)構(gòu)建專家打分判斷矩陣計(jì)算特征向量,得到所有劃界方案各定性指標(biāo)的數(shù)值(如表1所示).

        表1 判斷矩陣標(biāo)度準(zhǔn)則Table 1 Judgment matrix scaling criteria

        1.2.2 權(quán)重計(jì)算

        (1)計(jì)算主觀權(quán)重

        通過(guò)專家輔助打分采用層次分析法計(jì)算各海洋劃界方案評(píng)估指標(biāo)的主觀權(quán)重. 將準(zhǔn)則層的3個(gè)指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較,通過(guò)專家打分并用德?tīng)柗品ㄇ笕【?構(gòu)建準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重判斷矩陣,計(jì)算其對(duì)應(yīng)的特征向量;進(jìn)一步構(gòu)建指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的權(quán)重判斷矩陣并計(jì)算其特征向量;通過(guò)一致性檢驗(yàn)得到各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的主觀權(quán)重.

        (2)計(jì)算客觀權(quán)重

        通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算各海洋劃界方案評(píng)估指標(biāo)的主觀權(quán)重. 根據(jù)各海洋劃界方案線對(duì)海域的劃分結(jié)果,計(jì)算每一項(xiàng)指標(biāo)在各海洋劃界方案參數(shù)所占比重,通過(guò)熵值、信息熵冗余度計(jì)算,獲得各指標(biāo)的客觀權(quán)重. 計(jì)算公式如下:

        式中,w″j為指標(biāo)j的客觀權(quán)重,ej為指標(biāo)j的熵值,pij為劃界方案i的指標(biāo)j的值在所有劃界方案中所占的比重,m為評(píng)估指標(biāo)的數(shù)量,n為海洋劃界方案的數(shù)量.

        (3)綜合權(quán)重計(jì)算

        綜合熵權(quán)法計(jì)算的客觀權(quán)重和層次分析法計(jì)算的主觀權(quán)重,計(jì)算獲得綜合權(quán)重,計(jì)算公式為:

        式中wj為指標(biāo)j的綜合權(quán)重,w′j為通過(guò)層次分析法計(jì)算指標(biāo)j的主觀權(quán)重,w″j為通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)j的客觀權(quán)重,m為評(píng)估指標(biāo)的數(shù)量.

        1.2.3 綜合評(píng)價(jià)

        在計(jì)算出各定量和定性指標(biāo)數(shù)值和權(quán)重的基礎(chǔ)上,運(yùn)用加權(quán)和合成運(yùn)算,得到各方案綜合評(píng)價(jià)值,對(duì)各劃界方案進(jìn)行綜合排序,選出相對(duì)較優(yōu)的方案.

        2 海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

        海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)由劃界方案輸入和方案評(píng)價(jià)及可視化兩大功能模塊組成,系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖2 所示. 實(shí)現(xiàn)從海洋劃界GIS系統(tǒng)中讀取海洋劃界方案參數(shù)并進(jìn)行劃界方案的定量評(píng)估.

        圖2 海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖Fig.2 Data flow diagram of the marine delimitation plan evaluation system

        2.2 系統(tǒng)主要功能模塊

        海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)兩大功能模塊可細(xì)分為評(píng)估指標(biāo)選取、指標(biāo)權(quán)重設(shè)定、定性指標(biāo)輔助打分、劃界方案參數(shù)可視化、評(píng)估結(jié)果計(jì)算與可視化5個(gè)子模塊.

        (1)評(píng)估指標(biāo)選取

        實(shí)現(xiàn)用戶勾選用于海洋劃界方案評(píng)估的指標(biāo),包括主要指標(biāo)和可選指標(biāo). 系統(tǒng)提示每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的含義和取值方法.

        (2)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置

        實(shí)現(xiàn)用戶所選定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的設(shè)置. 系統(tǒng)提供默認(rèn)權(quán)重值,用戶可以結(jié)合專家輔助打分和系統(tǒng)中圖表展示的各劃界方案針對(duì)各定量指標(biāo)的參數(shù),通過(guò)層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重值,對(duì)系統(tǒng)界面提供的權(quán)重值進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化.

        (3)定性指標(biāo)輔助打分

        如果用戶勾選的評(píng)估指標(biāo)包含定性指標(biāo),則通過(guò)用戶提供的針對(duì)不同方案對(duì)于某一定性指標(biāo)兩兩比較的專家打分表,計(jì)算獲得所有劃界方案各定性指標(biāo)的數(shù)值.

        (4)劃界方案參數(shù)可視化

        實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)讀入和計(jì)算獲得的所有劃界方案各評(píng)估指標(biāo)數(shù)值的可視化展示,包括表格形式和柱狀圖形式. 用戶可以根據(jù)劃界方案對(duì)比查看該方案各評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的參數(shù),也可以根據(jù)選定評(píng)估指標(biāo)對(duì)比查看各劃界方案對(duì)應(yīng)的該指標(biāo)參數(shù).

        (5)評(píng)估結(jié)果計(jì)算與可視化

        實(shí)現(xiàn)所有劃界方案綜合評(píng)分的計(jì)算,并根據(jù)評(píng)分評(píng)定劃界方案優(yōu)劣等級(jí),通過(guò)柱狀圖、表格、文字描述3種方式進(jìn)行展示.

        3 海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

        3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可執(zhí)行動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)[20],利用C#語(yǔ)言進(jìn)行調(diào)用即可執(zhí)行. 系統(tǒng)采用向?qū)浇换ソ缑?經(jīng)過(guò)初始化界面讀取劃界參數(shù)、評(píng)估指標(biāo)設(shè)定、指標(biāo)權(quán)重設(shè)置、(定性指標(biāo)輔助打分)、評(píng)估結(jié)果可視化4(或5)個(gè)交互界面完成劃界方案的評(píng)估.

        圖3 模擬海洋劃界示意圖Fig.3 Simulated marine delimitation

        3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

        結(jié)合國(guó)際典型海洋劃界案例,模擬2個(gè)海洋相向國(guó)家A國(guó)與B國(guó)之間的海洋劃界. 考慮等距離原則、資源因素、成比例等劃界依據(jù),生成4條劃界方案線(如圖3所示). 方案線1,依據(jù)等距離原則. A國(guó)與B國(guó)為海岸相向國(guó)家,在兩國(guó)海岸之間畫(huà)一條中間線,中間線上每一點(diǎn)到兩國(guó)基線距離相等. 方案線2,依據(jù)自然延伸原則. 將兩國(guó)海域中的海溝作為一條自然界線. 方案線3,按照三階段劃界法. 首先,在相關(guān)海域劃分一條臨時(shí)中間線. 然后,將漁業(yè)資源和礦產(chǎn)資源作為相關(guān)情況,按照兩國(guó)在相關(guān)海域內(nèi)年漁獲量比例和礦產(chǎn)占有量對(duì)臨時(shí)分界線進(jìn)行調(diào)整. 最后,成比例檢驗(yàn). 方案線4,依據(jù)岸線比值原則. 使得界線上每一點(diǎn)到兩國(guó)基線距離比例與兩國(guó)岸線長(zhǎng)度比例一致.

        圖4 海洋劃界方案評(píng)估指標(biāo)選擇與權(quán)重計(jì)算Fig.4 Evaluation index selection and weight calculation for the marine delimitation plans

        選擇用于海洋劃界方案評(píng)估的定量指標(biāo)與定性指標(biāo),通過(guò)ArcGIS軟件計(jì)算本模擬案例中4種海洋劃界方案對(duì)A、B兩國(guó)海域面積、漁業(yè)資源、油氣資源、礦產(chǎn)資源、航道等劃分面積比例,確定方案線劃分后影響兩側(cè)生產(chǎn)者的數(shù)量,獲得海域面積、漁業(yè)資源、礦產(chǎn)資源、油氣資源、社會(huì)穩(wěn)定和交通狀況等定量指標(biāo)值. 針對(duì)對(duì)方可接受度、可持續(xù)發(fā)展能力和安全影響等定性指標(biāo),分別對(duì)不同海洋劃界方案進(jìn)行兩兩比較打分構(gòu)建判斷矩陣,獲得定性指標(biāo)值. 基于層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法計(jì)算海洋劃界方案評(píng)估指標(biāo)的綜合權(quán)重(如圖4所示). 在計(jì)算海洋劃界方案各指標(biāo)數(shù)值和權(quán)重的基礎(chǔ)上,運(yùn)用加權(quán)合成運(yùn)算,得到海洋劃界方案綜合評(píng)分(如圖5所示). 將劃界評(píng)估綜合評(píng)分分為極好、優(yōu)、良、中、差、極差6個(gè)等級(jí),分別對(duì)應(yīng)90~100分、80~90分、70~80分、60~70分、50~60分、0~50分. 根據(jù)本例中劃界方案評(píng)分結(jié)果可知,岸線比值法評(píng)估等級(jí)為優(yōu),距離比例法評(píng)估等級(jí)為良,而等距離法和深泓線法在本例中評(píng)估等級(jí)為極差.

        圖5 海洋劃界方案評(píng)估指標(biāo)選擇與權(quán)重計(jì)算Fig.5 Evaluation index selection and weight calculation for the marine delimitation plans

        通過(guò)本海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)在該兩國(guó)之間多種劃界方案的應(yīng)用,可滿足海洋劃界方案評(píng)估的需求,并具有如下特點(diǎn):

        (1)評(píng)估指標(biāo)選取靈活

        系統(tǒng)提供多影響因素包含的評(píng)估指標(biāo),用戶可根據(jù)不同劃界案例的特征靈活選取適宜的評(píng)估指標(biāo),體現(xiàn)了海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)的可定制性.

        (2)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重可調(diào)整

        系統(tǒng)提供各評(píng)估指標(biāo)默認(rèn)權(quán)重,同時(shí)也允許用戶根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和劃界方案參數(shù)進(jìn)行權(quán)重的調(diào)整優(yōu)化,以滿足不同海洋劃界場(chǎng)景的應(yīng)用.

        (3)指標(biāo)計(jì)算方法多樣化

        系統(tǒng)不僅支持定量指標(biāo)通過(guò)GIS工具計(jì)算獲得,也支持定性指標(biāo)通過(guò)專家輔助打分計(jì)算獲取,體現(xiàn)了海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)的可擴(kuò)展性.

        (4)多形式可視化展示

        系統(tǒng)針對(duì)多種海洋劃界方案對(duì)應(yīng)的各種評(píng)估指標(biāo)參數(shù)通過(guò)柱狀圖、表格等多種形式可視化展示. 對(duì)于評(píng)估結(jié)果提供了柱狀圖、表格、文本等多種形式展示,并提供了劃界方案參數(shù)與評(píng)估結(jié)果的導(dǎo)出功能,體現(xiàn)了海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)的靈活性.

        (5)簡(jiǎn)單易懂的交互界面

        系統(tǒng)采用向?qū)浇换ソ缑?并包含相應(yīng)提示信息,引導(dǎo)用戶逐步完成海洋劃界方案的評(píng)估,界面友好,提現(xiàn)了海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng)的易用性.

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文介紹了基于AHP-熵權(quán)法構(gòu)建的海洋劃界方案線綜合評(píng)估決策模型開(kāi)發(fā)的海洋劃界方案評(píng)估系統(tǒng),該系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)為可執(zhí)行動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),實(shí)現(xiàn)從海洋劃界GIS系統(tǒng)中讀取海洋劃界方案參數(shù)并進(jìn)行劃界方案的定量評(píng)估. 系統(tǒng)提供靈活的指標(biāo)選取和指標(biāo)權(quán)重設(shè)定功能,能滿足多種類型指標(biāo)的計(jì)算,并提供多形式的可視化展示界面,為海洋劃界方案決策提供依據(jù).

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