基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法研究

王心　徐方石

摘要：為提高生態(tài)環(huán)境脆弱性評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法。選擇秦嶺地區(qū)作為研究對象，采集該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過模糊估計提取生態(tài)環(huán)境擾動特征，并對生態(tài)環(huán)境脆弱性數(shù)據(jù)采樣結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，以提高評估結(jié)果的真實性。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果給出秦嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系，并通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模擬生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)狀態(tài)，描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，明確外界擾動攻擊和環(huán)境可靠度間關(guān)系，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境脆弱性的評估。經(jīng)實驗證明所提方法具備準(zhǔn)確評估生態(tài)環(huán)境脆弱性的能力，置信度水平高。

關(guān)鍵詞：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；生態(tài)環(huán)境；脆弱性評估；敏感性；生態(tài)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：X826 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在人為活動的影響下，生態(tài)環(huán)境受到了不同程度的破壞，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)逐漸脆弱，對外界干擾或攻擊的抵抗力降低，無法形成生態(tài)屏障，這與可持續(xù)發(fā)展的理念是背道而馳的。研究生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法，能更好地了解當(dāng)前生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，才能進(jìn)一步對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

周玲美等人綜合考慮自然條件受到的人為干擾，基于遙感技術(shù)建立熵函數(shù)，在綜合指數(shù)條件設(shè)定下完成對生態(tài)環(huán)境的脆弱性評估；楊雯娜等人研究出一種分區(qū)集成評估法，通過對生態(tài)環(huán)境中不同自然因素的劃分，建立分區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)和體系，通過乘法模型對自然因素所在空間進(jìn)行評價量化，實現(xiàn)生態(tài)脆弱性評估。但上述兩種方法對特定區(qū)域有用，并不適合不同區(qū)域內(nèi)的生態(tài)評估，存在一定的局限性。除了上述方法外，基于遙感和空間分析的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法也是一種常用的評估方法，利用遙感技術(shù)獲取大范圍的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行空間分析，以識別和評估生態(tài)系統(tǒng)脆弱性。但是遙感圖像的分辨率可能無法滿足精確測量需求，可能導(dǎo)致評估結(jié)果的局限性。

針對上述問題，提出一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法。

1 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)采樣及其處理

為保證真實有效地評估出生態(tài)環(huán)境的脆弱性，在前期需要采集大量的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，獲得生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)：

其中，p0表示外界干擾力，ρ表示數(shù)據(jù)特征分量，Ⅳ表示數(shù)據(jù)量，pK，ni表示生態(tài)擾動特征向量。

利用模糊均值對脆弱性數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理時，會受到模糊擾動的影響，因此統(tǒng)計敏感數(shù)據(jù)數(shù)量K：

其中，γ表示環(huán)境的模糊估計，K表示生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)在高維特征分布狀態(tài)下的特征量。

在處理生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的過程中，通過分層決策模型識別數(shù)據(jù)主成分特征量，完成對環(huán)境敏感數(shù)據(jù)間的特征相似度分析：

其中，di表示脆弱性環(huán)境數(shù)據(jù)中包含的先驗分布特征向量因子，dj表示貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中對敏感數(shù)據(jù)融合后的特征向量定位，M表示環(huán)境敏感系數(shù)。通過上述分析，可以實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)采樣和特征提取處理。

由于生態(tài)環(huán)境脆弱性評估指標(biāo)，在不同的體系中存在多種類型，因此無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的直接對比，為保證在對生態(tài)環(huán)境的脆弱性分析和評估的過程中，能得到最真實的評估結(jié)果，接下來對生態(tài)環(huán)境脆弱性數(shù)據(jù)采樣結(jié)果進(jìn)行歸一化處理：

其中，p指的是原始數(shù)據(jù)，Pmin和pmax分別描述數(shù)據(jù)的最大值和最小值。

2 生態(tài)環(huán)境脆弱性評估實現(xiàn)

基于生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)采樣及其處理結(jié)果，結(jié)合秦嶺地區(qū)的實際情況，選擇不同的指標(biāo)建立評估體系，具體情況見表1。

針對表1給出的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估體系，通過創(chuàng)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)環(huán)境脆弱性進(jìn)行評估。在創(chuàng)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)之初，首先給出一個父節(jié)點，父節(jié)點與直接子節(jié)點之間存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，但在整個網(wǎng)絡(luò)中與其他節(jié)點間均保持相對獨立的狀態(tài)，在獨立的狀態(tài)下，分散并簡化脆弱性評估的聯(lián)合概率，構(gòu)建成生態(tài)環(huán)境的脆弱性狀態(tài)圖，將父節(jié)點的狀態(tài)條件逐步向子節(jié)點轉(zhuǎn)移，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程中，脆弱點之間存在相互作用關(guān)系。

生態(tài)環(huán)境脆弱性狀態(tài)圖包含串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)和多條件組合結(jié)構(gòu)。當(dāng)生態(tài)環(huán)境的脆弱結(jié)構(gòu)處于串聯(lián)結(jié)構(gòu)狀態(tài)時，生態(tài)環(huán)境脆弱結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移具有一定的方向性，父節(jié)點描述的是脆弱性條件被利用后，子節(jié)點將會發(fā)生的攻擊行為。

分別用Ci和λi表示第i個對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的攻擊行為他們所對應(yīng)的代價和成功速率，此時對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)而言，其整體的可靠度可通過式（5）表示：

當(dāng)生態(tài)環(huán)境的脆弱結(jié)構(gòu)處于并聯(lián)狀態(tài)時，當(dāng)狀態(tài)集合S1n，S2n，…，Snm中的任意狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移時，證明生態(tài)環(huán)境的結(jié)構(gòu)狀態(tài)在被攻擊，不同狀態(tài)之間存在“或”關(guān)系，在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，狀態(tài)關(guān)系之間的條件邏輯需要完成對應(yīng)的推理，在已知狀態(tài)下實現(xiàn)狀態(tài)攻擊變量的消元，此時并聯(lián)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整體可靠度函數(shù)為式（6）：

當(dāng)生態(tài)環(huán)境所處狀態(tài)之間存在“或”關(guān)系，脆弱狀態(tài)中包含多種條件之間的組合，此時生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體可靠度函數(shù)表示為式（7）：

結(jié)合脆弱性狀態(tài)圖，若生態(tài)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移，對應(yīng)的生態(tài)結(jié)構(gòu)也同樣會發(fā)生概率性轉(zhuǎn)移，此時通過對貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中事件概率的分析，可以有效地計算出整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的可靠度函數(shù)：

通過上述分析可知，生態(tài)環(huán)境脆弱性評估可以通過生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體可靠度函數(shù)來實現(xiàn)。具體為首先確定指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系包括與生態(tài)環(huán)境脆弱性相關(guān)的指標(biāo)。然后，根據(jù)指標(biāo)體系中的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，計算出生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體可靠度函數(shù)，整體可靠度函數(shù)的數(shù)值越低，代表生態(tài)系統(tǒng)越脆弱，由此實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境脆弱性評估。

3 實驗驗證分析

為能快速有效地評估出研究方法的有效性，選擇秦嶺地區(qū)的某一處作為生態(tài)環(huán)境脆弱性評估實驗對象。

3.1 研究區(qū)域概況

研究地點選擇秦嶺，該地區(qū)俗稱南北分界線，其中存在不同形態(tài)的生態(tài)體系，不僅有水資源豐富的地區(qū)，也存在土壤相對貧瘠的地區(qū)，因此更具代表性。研究區(qū)域地勢相對較高，經(jīng)渭河橫斷，分成不同階層的地勢，且存在部分黃土臺塬，經(jīng)過十幾個區(qū)縣，屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，生態(tài)資源豐富，植物生長茂盛，礦產(chǎn)資源也相對豐富。實驗中所用的氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象局發(fā)布的公開數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤污染數(shù)據(jù)以及生物多樣性數(shù)據(jù)來自當(dāng)?shù)乇O(jiān)測站發(fā)布的公開數(shù)據(jù)，共獲取1 200個數(shù)據(jù)樣本，其中200個作為數(shù)據(jù)樣本，其余的1 000個作為訓(xùn)練集合。初始信息采樣中設(shè)定的脆弱性數(shù)據(jù)采樣頻率為20 kHz，數(shù)據(jù)中對應(yīng)的特征分布寬度為16 dB。

3.2 結(jié)果分析

決定系數(shù)衡量了評估方法評估結(jié)果與實際值之間的擬合程度，值越接近1表示擬合效果越好，即評估結(jié)果越精準(zhǔn)，通過多次實驗測試文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法和所提方法的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估效果，結(jié)果見表2。

從表2中，可以清晰地看到所提方法的決定系數(shù)平均值為0. 93，而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的決定系數(shù)平均值分別為0. 89和0.85，說明所提方法在擬合實際生態(tài)環(huán)境脆弱性數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)更好，其評估結(jié)果與實際結(jié)果之間的偏差更小，這可能意味著所提方法在生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方面更為準(zhǔn)確。

在此基礎(chǔ)上，通過計算評估結(jié)果的置信度水平，對三種方法得出的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估結(jié)果對應(yīng)的準(zhǔn)確度進(jìn)行量化評估，結(jié)果見圖1。

根據(jù)圖1可知，所提方法的置信度水平相對較高，證明研究方法針對生態(tài)環(huán)境脆弱性評估結(jié)果更加準(zhǔn)確，能很好地完成生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的分析。這是因為所提方法通過模糊估計提取了生態(tài)環(huán)境擾動特征，并對生態(tài)環(huán)境脆弱性數(shù)據(jù)采樣結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，使得評估結(jié)果準(zhǔn)確性更高。

4 結(jié)束語

為了提高生態(tài)環(huán)境脆弱性評估效果，提出一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估方法。以秦嶺地區(qū)為研究區(qū)域，獲取該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采樣后，為保證評估結(jié)果符合整個生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)，對大數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。然后針對秦嶺地區(qū)的實際情況，選擇評估指標(biāo)建立評估體系。構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，利用節(jié)點描述生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)，利用函數(shù)計算生態(tài)環(huán)境攻擊代價和可靠度之間的關(guān)系，由此完成對脆弱性的評估。由實驗結(jié)果可知，所提方法的置信度水平相對較高，說明該方法具備準(zhǔn)確評估生態(tài)脆弱性的能力，具有較高的實際應(yīng)用價值。通過該方法能夠提供準(zhǔn)確的生態(tài)環(huán)境脆弱性評估結(jié)果，為環(huán)境管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

基金項目：西安醫(yī)學(xué)院2022年度科研能力提升計劃項目（2022NLTS108）