基于前向神经网络的广义环境系统评价普适模型

为了建立由水环境、空气环境、生态环境、水资源环境、灾害环境、遥感环境、社会经济环境等不同环境系统组成的广义环境系统评价都能普适、通用的神经网络模型,针对BP神经网络因收敛速度慢、易于陷入局部极值而使实用性受限的缺陷,提出以双极性sigmoid函数作为网络隐层节点(神经元)的激活函数,而网络输出为所有隐层节点输出的线性求和的前向神经网络的广义环境系统评价模型.在设置广义环境系统指标参照值和指标值规范变换式,并对指标值进行规范变换的基础上,分别构建了适用于广义环境系统评价的任意2个指标规范值的前向神经网模型(NV-FNN(2)结构)和任意3个指标规范值的前向神经网模型(NV-FNN(3)结构).而对于指标较多的广义环境系统评价,只要将多指标分解为以上2个指标和3个指标的两种简单结构的前向神经网络的广义环境系统评价模型的组合表示即可.理论分析和实例检验结果表明:该模型对任意广义环境系统的规范指标值皆普适、通用,因而使不同环境系统的评价变得简洁、统一.规范变换和优化算法相结合的建模思想和方法对简化广义环境系统评价的多元回归、投影寻踪回归、回归支持向量机和径向基神经网络建模亦有借鉴和启迪作用.     

基于指标规范值的环境质量突变模糊普适指数公式

针对传统突变模糊归一化公式的问题,在适当设定指标参照值和指标值的规范变换式基础上,使同类环境不同指标同级标准的规范值差异尽可能小,而不同标准的指标规范值差异尽可能大,从而可以认为用规范值表示的同类环境的各指标皆等效于某个规范指标。而任意m项指标的突变模型可用多个尖点突变(m=2)和(或)燕尾突变(m=3)两种突变模型组合表示,且具有可规范的指数分级标准值。基于指标规范值的环境质量突变模糊指数公式具有普适、统一和简单、适用的特点。     

基于指标规范值的生态环境质量评价的引力指数公式

为了建立简单适用的生态环境质量评价模型,受自然界中普遍存在万有引力现象的启发,提出生态环境系统样本之间也存在类似万有引力的聚类相互作用力的思想。在适当设定生态环境指标的参照值和规范变换式的基础上,只要使规范变换后不同指标的同级标准规范值能在一定范围内变化,即彼此差异不大,则可建立对生态环境各指标均普适、通用类似万有引力定律的聚类相互作用的引力指数公式。引力指数公式被用于多实例的评价结果与未确知测度评价模型和模糊物元分析法的评价结果一致,并与生态环境质量的实际情况相符合,表明引力指数公式对于生态环境质量评价具有实用性。     

基于水环境信息规范变换的水质普适指数公式

为了建立科学合理、和谐统一、简洁实用的包括地表水、地下水和湖泊富营养化水体的水环境质量的普适指数公式,借鉴物理学中普遍存在的规范不变性(对称性)原理,适当设定水环境各指标的"参照值"和相对于参照值的指标值规范变换式,使不同指标的同级标准值经规范变换后的"标准规范值"彼此差异很小,从而可以认为用规范值或对数变换值表示的不同指标都与某个指标"等效".因此,基于规范变换的不同指标的某种形式水质指数公式都可以用该"等效指标"的相应水质指数公式等效替代.在满足一定的优化目标准则条件下,采用免疫进化粒子群混洗蛙跳算法对公式中的普适参数进行迭代优化,分别得出优化后对地表水、地下水和湖泊富营养化水体的72项指标皆适用的对数型幂函数、韦伯-费希纳定律、Г型分布函数、污染危害S型函数、参数化组合算子和加和型幂函数等6个水环境质量的普适指数公式.最后对公式的可靠性进行了理论分析,并通过若干实例对公式的实用性进行了效果检验.结果表明:水环境质量的多种形式的普适指数公式皆具有形式简洁、和谐统一、计算简便和普适通用的特点.     

基于指标规范值的环境质量引力普适指数公式

为了建立物理意义明确、科学合理、计算简单和普适通用的环境质量评价模型,借鉴自然界普遍存在的万有引力现象和物理学中的规范对称性(不变性)原理,提出环境样本之间也存在类似万有引力的聚类相互作用引力,并在适当设定指标参照值和指标值的规范变换式及"参照级"样本基础上,定义了环境样本的"规范质量"和"规范坐标"的概念,进而分别建立了基于指标规范值的水环境质量和空气环境质量的引力普适指数公式.通过若干实例对公式的实用性进行了效果检验,结果表明,基于指标规范值的环境质量的引力普适指数公式具有形式简洁、规范统一、计算简便和普适通用的特点.     

富营养化评价的对数型幂函数普适指数公式

为了建立科学合理、简洁直观、普适通用、易于计算和使用方便的湖泊富营养化评价模型,在适当设定富营养化指标"参照值"基础上,定义了相对于"参照值"的指标"规范值"概念,提出了一个对多项指标的"规范值"均适用的富营养化评价对数型幂函数指数公式,并采用粒子群优化算法对公式中的参数进行优化,得到优化后对14项指标皆适用的富营养化评价普适指数公式.将该公式用于我国不同地区和不同类型的45个湖泊及邛海8个断面的富营养化评价,其结果与用修正卡森指数公式TSIm、营养状态指数公式TSIc和幂函数加和型普适指数公式等多种评价法的评价结果几乎完全一致,并与实况相符合,从而为水体富营养化评价提供了一个简单、实用的新公式.     

海水水质评价的突变模糊指数公式及效果验证

为了使突变模糊评价指数公式不受指标数多少的限制和评价指数值的分级标准不随指标的不同和指标数的不同而变化,通过适当设定海水各项指标的参照值及指标值的规范变换式,使海水不同指标的同级标准的规范值差异较小,从而用规范值表示的不同指标皆"等效"于某个规范指标,因此,只需构建海水水质评价的尖点突变和燕尾突变2种突变模糊模型。任意多项指标的海水水质评价可以分解为若干个尖点突变和(或)燕尾突变2种突变模糊评价模型的组合表示。将基于指标规范值的突变模糊指数公式应用于珠江口及青岛某海区的海水水质评价,并将评价结果与BP网络及模糊综合评价法评价结果进行了比较。结果表明,突变模糊指数公式的评价结果与其他方法的评价结果基本一致。与传统的其他评价方法相比,基于指标规范值的突变模糊指数公式具有通用性、普适性和简便性的特点。     

规范变换与误差修正结合的环境系统的前向网络和投影寻踪预测模型

为了建立适用于环境系统的结构简洁、形式统一、程序规范、应用普适的神经网络和投影寻踪回归预测模型,针对传统的神经网络和投影寻踪回归用于多因子、大样本预测建模,存在模型结构复杂、学习效率低的局限,提出设置环境系统预测量及其影响因子参照值和规范变换式的原则和方法,使规范变换后的影响因子皆"等效"于同一个规范影响因子,从而将多因子的的预测建模简化为等效规范因子的预测建模,使模型结构得到极大地简化,提高了学习效率;此外,为了提高预测模型的预测精度,还提出了对预测样本的模型输出值的误差修正公式.在对环境系统的预测量及其影响因子进行规范变换的基础上,将m个规范影响因子的每个建模样本组成m个"等效"训练样本,应用免疫进化算法优化模型参数,分别建立适用于环境系统的2个或3个规范影响因子的前向神经网络和投影寻踪回归两类预测模型;并依据误差理论,对误差修正公式修正后的模型预测精度的提高进行了严格的数学论证.将基于规范变换与相似样本误差修正相结合的两类预测模型,用于某市5个点位的SO_2浓度预测,并与6种传统预测模型和方法的预测结果进行了比较.结果表明:对同一个预测样本,同类模型的两种不同结构的的预测值及其相对误差都几乎完全相同或彼此相差甚小;此外,两种不同结构的两类预测模型用于5个样本预测,其相对误差绝对值的平均值分别为2.59%、2.67%;2.18%、2.62%,均远小于传统BP神经网络模型的25.72%、传统PPR模型的14.20%、传统SVR模型的22.13%、模糊识别模型的21.57%、组合算子模型的18.36%和多元回归模型的25.31%;而两类模型预测的最大的相对误差绝对值分别为4.11%和3.57%,更加远远小于传统的6种预测模型的37.18%、56.07%、27.40%、32.14%、38.38%和60.26%.实例分析结果证实了误差修正公式对提高模型预测精度具有切实可行性.基于规范变换与误差修正相结合的前向神经网络和投影寻踪回归两类预测模型不仅避免了"维数灾难",提高了学习效率和模型的预测精确度,而且具有简洁、普适、规范、统一和稳定的特点,对其他预测建模也有借鉴作用.     

指标变换值表示的空气质量评价的普适指数公式

为了建立形式简单、普适通用的空气质量评价的普适指数公式,适当设定空气指标的参照值和指标值的变换式,使不同指标的同级标准值经变换后的标准变换值差异不大,而标准变换值的对数值的差异更小,从而可以认为用变换值表示的不同指标皆与某个指标"等效"。因此,用变换值表示的不同指标的某种类型的空气质量评价的指数公式都可以用该"等效"指标相应的空气质量评价指数公式代替。在满足一定的优化目标准则条件下,采用猴王免疫进化算法对公式中的参数进行迭代优化,分别得到优化后对基于空气质量标准(GB3095-1996)的7项空气指标皆适用的对数型幂函数、韦伯-费希纳定律、Γ型分布函数、污染危害S型函数、加权加和型幂函数及参数化组合算子等6个空气质量评价的普适指数公式。对公式的可靠性进行了理论分析,对其实用性进行了效果检验,其评价结果与其他方法评价结果基本一致,并与实际相符合。结果表明:空气质量评价的多种形式的普适指数公式皆具有形式简洁、计算简便和普适通用的特点。     

基于规范变换与误差修正的回归支持向量机的环境系统预测

为了建立不同环境系统皆能规范、统一、简洁、实用的回归支持向量机预测模型,针对传统的回归支持向量机预测模型存在结构不能普适、规范和统一及用于大样本、多因子预测会出现学习效率低、求解精度差的局限,提出适用于环境系统预测量及其影响因子参照值和规范变换式的设计原则和方法,使规范变换后的影响因子皆"等效"于同一个规范影响因子;为提高样本的预测精度,还提出预测样本的模型输出的误差修正法.在对环境系统的预测量及其影响因子进行规范变换的基础上,由有m个规范影响因子的每个建模样本生成m个"等效"训练样本,从建模样本中,选择各影响因子的最大规范值组成训练样本集的"参考样本",计算核函数中每个训练样本相对于"参考样本"的范数;并应用优化算法优化模型参数,建立适用于预测量及其影响因子规范值的仅有2个或3个支持向量的两种简单结构的回归支持向量机预测模型.将基于规范变换的两种简单结构的回归支持向量机模型与相似样本误差修正法相结合,用于河津大桥监测断面6个样本的COD月平均值预测,并与多种传统预测模型和方法进行了比较.结果表明:对同一个预测样本,两种模型的预测值十分接近;此外,两种预测模型用于6个样本预测,其相对误差绝对值的平均值分别为2.09%、2.79%,均远小于传统的投影寻踪回归预测的41.63%、支持向量机预测的40.99%、灰色神经网络预测的25.94%和马尔可夫预测的10.16%;而两种预测模型对异常样本预测的最大的相对误差绝对值分别为5.85%、5.13%,更加远远小于传统的4种预测模型的169.07%、180.45%、68.44%、41.96%.两种基于规范变换的回归支持向量机预测模型简洁、普适、规范和统一,避免了"大样本数困难",提高了学习效率和模型的预测精确度,对其他预测建模法也有借鉴作用.     

水资源承载力评价的升半Г型分布指数公式

正确评价区域水资源承载能力,对合理、充分利用水资源以及促进区域社会、经济的可持续发展具有重要的现实意义。论文采用升半Г型分布曲线模拟水资源承载力各指标对评价过程的影响,并通过区域水资源承载力评价指标体系规范化处理,对升半Г型分布函数进行改进,提出用于水资源承载力评价的升半Г型分布指数公式。经过规范化数据处理方式,升半Г型分布指数公式就可以忽略指标个数的影响,具有普适性。公式中的参数采用粒子群算法优化后,得到适用于多区域、多项指标的具有通用性和普适性的水资源承载力评价公式。将优化好的指数公式应用到玛纳斯河流域和塔里木河流域水资源承载力评价等实例分析,研究结果表明：指数公式的评价结果与其他多种方法的评价结果一致,消除了评价指标数目多少的限制和区域性评价指标各异性的限制,省去了复杂的编程计算工作,具有实用性和可行性。在实际评价中,待评价区域的水资源承载力评价指标体系即使与论文选定的评价指标体系不同,也能经过规范化处理后直接采用该指数公式进行评价,为评价模型的普适化、简单化提供了一条途径。     

能值分析理论在耕地可持续利用评价中的应用研究——以南京市为例

评价指标体系是耕地可持续利用评价研究的难点,正确选择评价理论与方法,构建科学、合理的评价指标体系,为正确认识耕地利用的可持续性及制定相应政策提供理论与实践依据。文章引入能值理论,在传统评价方法基础上对耕地利用中物流、能流等以太阳能值为统一衡量标准,建立新的指标体系,并对南京市1995~2004年的耕地利用进行评价。结果表明,研究时段内南京市耕地利用是向可持续方向发展的,且其可持续利用经历了两个阶段:①1995~1998年可持续性下降阶段,综合系数从1995年的1逐渐下降到1998年的0.9570;②1998~2004年可持续性上升阶段,综合系数逐年上升到2004年的1.1123。与传统评价方法相比,引入能值理论后的评价结果更能全面、客观地反映耕地利用的可持续状况。     

基于回归支持向量机的指标规范值的水质评价模型

传统的回归支持向量机的水质评价模型不具有普适性和通用性,当指标较多时,模型的学习效率和求解精度均会受到影响.若适当设定3类水体(地表水、地下水和富营养化水体)各项指标的参照值及指标值的规范变换式,使不同指标的同级标准的规范值差异不大,从而可以认为用规范值表示的不同指标皆“等效”于某个规范指标.因此,可建立用规范值表示的任意m项指标组合皆适用的水质评价的回归支持向量机模型.通过实例对模型的实用性进行了效果检验,结果表明:用基于回归支持向量机的指标规范值的水质评价模型对河桥地表水、黑龙洞泉域地下水和山仔水库富营养化水体的水质评价结果与用BP神经网络评价法、模糊综合评价法和属性识别评价法的评价结果基本一致.