一种生态安全预警评价可视化系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种生态安全预警评价可视化系统及方法，包括动态监测子系统、安全评价子系统、警情预报子系统和决策管理子系统；所述动态监测子系统以待评价区域为对象，进行数据的录入、更新操作；所述安全评价子系统依据动态监测系统对待评价区域的生态安全进行生态安全评价；警情预报子系统对待评价区域进行生态安全预警评价；决策管理子系统根据动态监测子系统、安全评价子系统和警情预报子系统所得出的数据和结果给出决策、规划意见。本发明算法科学、简单，容易实现。本发明占用计算机软硬件资源小，易管理。本发明补充了生态安全评价的可视化应用。
【专利说明】
-种生态安全预譬评价可视化系统及方法
技术领域
[0001] 本发明设及生态安全领域，具体设及一种生态安全预警评价可视化系统及方法。
【背景技术】
[0002] 生态安全是二十世纪末国际上出现的一个新的研究领域，目前人类对生态环境保 护的意识日渐增强，对生态安全的关注程度倍增，国际上已把生态安全纳入一个国家安全 体系的重要组成部分，与军事安全、政治安全、经济安全、科技安全一样，在国家安全体系中 占有重要的地位;生态安全评价成为一个国家或地区进行宏观规划、政府决策的重要根据； 生态安全评价也是可持续发展、地理学、生态学及资源与环境科学等学科的关注点，而生态 安全评价是生态安全研究的基础与核屯、；区域性的生态安全评价是一个国家或地区进行宏 观规划、政府决策的重要依据，随着中国城镇化和工业化的发展，我国生态环境安全性的保 持和维护将面临更加严重的威胁和挑战，研究人类活动对生态安全性的作用势在必行。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种生态安全预警评价可视化系统，本发明 的目的之二是提供一种生态安全预警评价方法。
[0004] 本发明的目的之一是通过运样的技术方案实现的，一种生态安全预警评价可视化 系统，一种生态安全预警评价可视化系统，包括动态监测子系统、安全评价子系统、警情预 报子系统和决策管理子系统；
[0005] 所述动态监测子系统W待评价区域为对象，采集数学模型建模中需要的指标数 据，进行数据的录入、更新操作；
[0006] 所述安全评价子系统依据动态监测系统所更新的数据按照AHP-PSR数学建模的方 法，计算待评价区域的生态安全评价指数，并根据评价指数，确立各个指数评级区间，对待 评价区域的生态安全进行生态安全评价；
[0007] 警情预报子系统根据模糊物元模型计算出的结果，对待评价区域进行生态安全预 警评；
[000引决策管理子系统根据动态监测子系统、安全评价子系统和警情预报子系统所得出 的数据和结果，对待评价区域的生态安全评级和各项指标数据进行总结，对已有的研究成 果进行参考和延展，结合待评价区域的经济社会发展情况给出决策、规划意见。
[0009] 进一步，还包括地图控件，所述地图控件提供色切片地图的数据显示功能，提供影 像图的显示功能。
[0010] 进一步，所述地图控件包括比比例尺控件、图例控件和导航控件，所述比例尺控件 提供放大、缩小的功能，显示当前LOD下的比例尺;所述图例控件显示专题地图中的图例信 息，表达生态安全评级信息;所述导航控件提供放大、缩小、旋转、平移导航功能。
[0011] 进一步，警情预报子系统根据模糊物元模型计算出的结果，对待评价区域进行生 态安全预警评;具体步骤为：
[0012] 步骤I).建立复合模糊物元矩阵
[0013] 若待评价区域M，有n项待评价属性Cl，C2，……Cn，其对应的属性值为U (Xi )，U (X2)......U(X3)，则有：
[0014] 式…
[001引式（1)中：Rmn为n列，m行的矩阵，Cn为第n项评价模型的指标或指标、Mm为第m项评价 区域，u(x皿)为第m个区域的第n个属性值；
[0016] 步骤2).建立差平方模糊物元矩阵
[0017] 对于不同隶属度分别采用不同计算公式
[0018] 越大越优型指标计算：
[0019] U(Xij) =xij/max Xij 式（2)
[0020] 越小越优型指标计算：
[0021] U(Xij)=Hiin x(ij)/xij 式（3)
[0022] 式(2)、式(3)中为第i个评价区域第j项指标值;111曰义^表示所有评价区域中该 指标最大值;min XU为所有评价区域中该指标最小值;U(XU)为隶属度，隶属度值替换原复 合物元矩阵中第j行、第n列：
[0023] 由式(2)和式(3)建立标准模糊物元矩阵，使用计算后的值替代原位置的值，则可 得：
[0024]
式（4)
[0025] 式(4)中:Mo为任一评价指标;Cn为评价区域，U(XOl)为隶属度计算值替换值;Ron为 单一指标的标准模糊物元矩阵，此处仅为举例给出了 "0"属性项。
[0026] Wau表示标准模糊物元矩阵和复合模糊物元矩阵差的平方，则可构成差平方模糊 物元矩阵：
[0027]
式（5); 12 式(5)中:Mm为第m项属性，Cn为第n个评价区域，anm为第n个评价区域的第m项物元 矩阵的差平方替换值，构成差平方物元矩阵。 2 步骤3).使用差平方模糊物元矩阵与AHP-PSR所得出的权值综合加权，得到物元的 节域与经典域，根据经典域，对评价值进行划分，得到待评价区域的评价结果。
[0030] 本发明的目的之二是通过运样的技术方案实现的，一种生态安全预警评价方法， 包括W下步骤：
[0031] SI.利用AHP层次分析决策和PSR结构模型相结合，建立由目标层X、准则层Y和指标 层Z成的生态安全评价体系；
[0032] S2.在指标层把待评价区域的评价指标划分为压力、状态和响应=个方面；
[0033] S3.对准则层进行赋权；
[0034] S4.按照AHP的权值计算方法对PSR各准则下的指标进行权值计算，得到的结果与 准则层的权值相乘，得到组合权重；
[0035] S5.利用步骤S2计算得到的权值与差平方模糊物元矩阵进行综合加权，得到评价 值，并按照值的大小，用自然断点法，对评价结果进行划分，得到各待评价区域的评价结果。
[0036] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0037] 1.本发明算法科学、简单，容易实现。
[0038] 2.本发明占用计算机软硬件资源小，易管理。
[0039] 3.本发明补充了生态安全评价的可视化应用。
[0040] 4.本发明具有跨平台特性，能在电脑、手机等电子用品上运行。
【附图说明】
[0041] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中：
[0042] 图1为PSR结构模型示意图；
[0043] 图2为整个WebGIS系统的工作原理图；
[0044] 图3为本发明的结构。
【具体实施方式】
[0045] W下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述;应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0046] 实施例一
[0047] AHP决策法是将事件、或事物的各项属性或指标，经由人工决策或经验将评价体系 的各项指标按照有序的层次进行分级，将类似的属性或按照对于评价成果正负相关的进行 分类。在每一个类别中，分别主观给予权值，最后在顶层中算出最终评价值的分析方法。AHP 层次分析决策法将有多个复杂因素共同决定、参与的问题按照模块化分类的思维进行了简 化，从而对决策方案的优劣进行了量化的评价，并通过数字给出了直观的对比。
[0048] PSR结构模型是指将整个指标系统划分为"压力、状态、响应"立个方面。该模型最 早用于经济学研究，用于评估资源利用和可持续发展等方面的研究中，计量地理学研究也 采用该模型研究生态环境。图1中展示了 PSR模型中个分类系统的作用。
[0049] -种生态安全预警评价可视化系统，一种生态安全预警评价可视化系统，包括动 态监测子系统、安全评价子系统、警情预报子系统和决策管理子系统；
[0050] 所述动态监测子系统W待评价区域为对象，采集数学模型建模中需要的指标数 据，进行数据的录入、更新操作;在指标选取的过程中，需要注意指标数据的时相、更新的频 率、单位等因素的同时，各项指标的相关性越小越好。
[0051] 所述安全评价子系统依据动态监测系统所更新的数据按照AHP-PSR数学建模的方 法，计算待评价区域的生态安全评价指数，并根据评价指数，确立各个指数评级区间，对待 评价区域的生态安全进行生态安全评价;对待评价区域的生态安全按照"很不安全、不安 全、安全、较安全、非常安全"进行生态安全评价。
[0052] 警情预报子系统根据模糊物元模型计算出的结果，对待评价区域进行生态安全预 警评；
[0053] 决策管理子系统根据动态监测子系统、安全评价子系统和警情预报子系统所得出 的数据和结果，对待评价区域的生态安全评级和各项指标数据进行总结，对已有的研究成 果进行参考和延展，结合待评价区域的经济社会发展情况给出决策、规划意见。
[0054] 本发明 WMicrosof t Visual Studio spl为开发平台，ArcGIS API for Silver lightV2.3为控件包、工具包，W浏览器/服务器的框架下开发出S峡库区重庆段生态安全 预警系统。GIS二次开发的目的是把原软件或系统的组件进行拆分并按照开发者自身的实 际需求，重新把组件用于新算法、用法。WebGIS是地理信息系统W网络协议为基础的开发技 术，GIS网页应用开发成本小、因应用本地服务器且具有快速部署的能力。本地服务器选择 ESRI公司的ArcGI S server 10.2，其提供了界面美观、方便、的服务器管理服务。本生态安全 评价系统由自底向上的方式进行设计、由自顶向下的方式进行开发。主系统下，包括动态监 测子系统、安全评价子系统、决策管理子系统、预警子系统。整个WebGIS系统的工作原理如 图2所示：
[0055] WebGIS产品不同于桌面级GIS系统对功能的要求，桌面级GIS要求能够有完备的数 据输入、输出、管理、分析、功能，其处理的数据对象不定向；WebGIS产品的数据初始化由服 务器完成，、但WebGIS同样具有数据输出、管理、分析等能力。S峡库区生态安全评价系统的 主界面功能主要实现地图数据浏览与查询功能，并依靠Microsoft Blend组件，进行进一步 的优化。
[0056] 本生态安全预警评价可视化系统还包括地图控件，所述地图控件提供色切片地图 的数据显示功能，提供影像图的显示功能。
[0057] 所述地图控件包括比比例尺控件、图例控件和导航控件，所述比例尺控件提供放 大、缩小的功能，显示当前LOD下的比例尺;所述图例控件显示专题地图中的图例信息，表达 生态安全评级信息;所述导航控件提供放大、缩小、旋转、平移导航功能。
[005引警情预报子系统根据模糊物元模型计算出的结果，对待评价区域进行生态安全预 警评;具体步骤为：
[0059] 步骤1).建立复合模糊物元矩阵
[0060] 若待评价区域M，有n项待评价属性Cl，C2，……Cn，其对应的属性值为U (Xi )，U (X2)......U(X3)，则有： 12
2 式U)
[0062] 式（I)中：Rmn为n列，m行的矩阵，Cn为第n项评价模型的指标或指标、Mm为第m项评价 区域，u(Xm〇为第m个区域的第n个属性值(经过标准化）。
[0063] 步骤2).建立差平方模糊物元矩阵
[0064] 各个评价指标的属性值从属于标准样本各对应评价指标响应的模糊量值隶属程 度，称之为从优隶属度。据此而建立的原则，成为从优隶属原则。从优隶属度把指标分为越 大越优型评价指标和越小越优型评价指标。
[0065] 对于不同隶属度分别采用不同计算公式
[0066] 越大越优型指标计算：
[0067] U(Xij) =XijZmax Xij 式（2)
[0068] 越小越优型指标计算：
[0069] u(xij) =minxij/xij 式（3)
[0070] 式(2)、式(3)中为第i个评价区域第j项指标值;!!!曰义^表示所有评价区域中该 指标最大值;min XU为所有评价区域中该指标最小值;U(Xij)为隶属度，隶属度值替换原复 合物元矩阵中第j行、第n列：
[0071] 由式(2)和式(3)建立标准模糊物元矩阵，使用计算后的值替代原位置的值，则可 得：
[0072]
式（4)
[0073] 式(4)中：Mo为任一评价指标;Cn为评价区域，U(XOl)为隶属度计算值替换值;Ron为 单一指标的标准模糊物元矩阵，此处仅为举例给出了 "0"属性项。
[0074] Wau表示标准模糊物元矩阵和复合模糊物元矩阵差的平方，则可构成差平方模糊 物元矩阵：
[0075]
式（5); 1234567 式(5)中:Mm为第m项属性，Cn为第n个评价区域，anm为第n个评价区域的第m项物元 矩阵的差平方替换值，构成差平方物元矩阵。 2 步骤3).使用差平方模糊物元矩阵与AHP-PSR所得出的权值综合加权，得到物元的 节域与经典域，根据经典域，对评价值进行划分，得到待评价区域的评价结果。 3
[007引实施例二 4 -种生态安全预警评价方法，包括W下步骤： 5 Sl.利用AHP层次分析决策和PSR结构模型相结合，建立由目标层X、准则层Y和指标 6 层Z成的生态安全评价体系;在指标层把待评价区域的评价指标划分为压力、状态和响应= 7 个方面。
[0081] AHP层次分析决策法和PSR结构模型相结合，将生态安全评价的问题进行了简化、 系统化、结构化、量化。在建模过程中，结合研究局域的实际情况，将十屯个指标按照科学性 的原则按照准则层的要求进行了划分=峡库区重庆段生态安全评价体系如下表：
[0082] 表1=峡库区重庆段生态安全评价建模表
[0083] 1234567
2 S2.对准则层进行赋权； 3 在赋权过程中，为了消除个人主观的影响，采用专家讨论的方法，可将各个指标的 权值进行后处理，如求平均数等方法。 4 圭〇、/估而旧Iii库to非咎 5
[008引 6 S3.按照AHP的权值计算方法对PSR各准则下的指标进行权值计算，得到的结果与 准则层的权值向乘，得到组合权重 7 表3组合权重表
[0091] 123
2 S4.利用步骤S2计算得到的权值与差平方模糊物元矩阵进行综合加权，得到评价 值，并按照值的大小，用自然断点法，对评价结果进行划分，得到各待评价区域的评价结果。 3 用表3的权值与均衡化处理后的指标值进行综合加权，得到评价值，并按照值的大 小，用自然断点法，对评价结果进行划分。
[00巧]表4生态安全状态划分
[0096]
[0097] W上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人 员可W对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。运样，倘若本发明的 运些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含运些 改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种生态安全预警评价可视化系统，其特征在于:包括动态监测子系统、安全评价子 系统、警情预报子系统和决策管理子系统； 所述动态监测子系统以待评价区域为对象，采集数学模型建模中需要的指标数据，进 行数据的录入、更新操作； 所述安全评价子系统依据动态监测系统所更新的数据按照AHP-PSR数学建模的方法， 计算待评价区域的生态安全评价指数，并根据评价指数，确立各个指数评级区间，对待评价 区域的生态安全进行生态安全评价； 警情预报子系统根据模糊物元模型计算出的结果，对待评价区域进行生态安全预警 评； 决策管理子系统根据动态监测子系统、安全评价子系统和警情预报子系统所得出的数 据和结果，对待评价区域的生态安全评级和各项指标数据进行总结，对已有的研究成果进 行参考和延展，结合待评价区域的经济社会发展情况给出决策、规划意见。2. 根据权利要求1所述的生态安全预警评价可视化系统，其特征在于：还包括地图控 件，所述地图控件提供色切片地图的数据显示功能，提供影像图的显示功能。3. 根据权利要求2所述的生态安全预警评价可视化系统，其特征在于:所述地图控件包 括比比例尺控件、图例控件和导航控件，所述比例尺控件提供放大、缩小的功能，显示当前 LOD下的比例尺;所述图例控件显示专题地图中的图例信息，表达生态安全评级信息；所述 导航控件提供放大、缩小、旋转、平移导航功能。4. 根据权利要求1所述的生态安全预警评价可视化系统，其特征在于:警情预报子系统 根据模糊物元模型计算出的结果，对待评价区域进行生态安全预警评;具体步骤为： 步骤1).建立复合模糊物元矩阵 若待评价区域Μ，有η项待评价属性Q，C2，……Cn，其对应的属性值为u(X1)，u(χ 2)……u (X3)，则有：式(1)中：Rmn为η列，m行的矩阵，Cn为第η项评价模型的指标或指标、Mm为第m项评价区域， U ( Xmn )为第m个区域的第η个属性值； 步骤2).建立差平方模糊物元矩阵 对于不同隶属度分别采用不同计算公式 越大越优型指标计算： u(Xij)-xij/maxxij ?ζ (2) 越小越优型指标计算： u(xij)=min x(ij)/xij 式⑶ 其中max xuj)表示单一评价指标中属性值最大的数，min xuj)则表示最小的数； 由式(2)和式(3)建立标准模糊物元矩阵，使用计算后的值替代原位置的值，则可得：式(4)中:Mo为任一评价指标;Cn为评价区域，U(XQ1)为隶属度计算值替换值;Ron为单一 指标的标准模糊物元矩阵，此处仅为举例给出了 "〇"属性项。 以au表示标准模糊物元矩阵和复合模糊物元矩阵差的平方，则可构成差平方模糊物元 矩阵：式(5)中:Mm为第m项属性，Cn为第η个评价区域，anm为第η个评价区域的第m项物元矩阵的 差平方替换值，构成差平方物元矩阵。 步骤3).使用差平方模糊物元矩阵与AHP-PSR所得出的权值综合加权，得到物元的节域 与经典域，根据经典域，对评价值进行划分，得到待评价区域的评价结果。5. -种生态安全预警评价方法，其特征在于:包括以下步骤：51. 利用ΑΗΡ层次分析决策和PSR结构模型相结合，建立由目标层X、准则层Y和指标层Z 成的生态安全评价体系；52. 在指标层把待评价区域的评价指标划分为压力、状态和响应三个方面；53. 对准则层进行赋权；54. 按照ΑΗΡ的权值计算方法对PSR各准则下的指标进行权值计算，得到的结果与准则 层的权值相乘，得到组合权重；55. 利用步骤S2计算得到的权值与差平方模糊物元矩阵进行综合加权，得到评价值，并 按照值的大小，用自然断点法，对评价结果进行划分，得到各待评价区域的评价结果。
【文档编号】G06F19/00GK105956390SQ201610271970
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】官冬杰, 曾笑, 曾一笑
【申请人】重庆交通大学