、ｌ泣 訇 基于ＧＩＳ的农业土壤污染模糊综合评价系统 Ａ ｆｕｚｚｙ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ 戴学标 ，李根 ，邹志文 ＤＡｌ Ｘｕｅ—ｂｉａｏ。，ＬＩ Ｇｅｎ ．ＺＯＵ Ｚｈｉ．ｗｅｎ （１．江苏大学附属医院，镇江２１２００１；２．江苏大学计算机学院，镇江２１２０１３） 摘要：针对农业土壤污染分析研究的需要，揭示农业土壤污染形成与动态发展变化、污染源的迁移 运动规律，为农业土壤污染的防治和规划管理提供有效的辅助决策依据。利用地理信息系统 软件ＡＲＣＧＩＳ开发的技术经验，同时结合模糊数学理论的数学分析方法，实现了农业土壤污染 的模糊综合评价。 关键词：农业污染；土壤污染；模糊综合评价；ＧＩＳ 中图分类号：Ｘ５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１ １）３（下）一０１ ８４一Ｏ４ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１１．３（下）．６２ ０引言 近年来，随着经济的高速发展和城市人口的 不断增长，农业土壤污染正成为水环境的主要污 染源之一。它来源广，并夹带有大量的泥沙、营 映被评事物的模糊指标进行量化，然后利用模糊变 换原理综合各指标 。 假定评价对象用ｎ个因素（指标）来刻画，设 因素集为： Ｕ＝｛“ｌ，Ｕ２，…，“ ） 养物、有毒有害污染物进入江河、湖库，从而引 起水体悬浮物浓度升高，有毒有害物质含量增加， 溶解氧减少，最终导致众多湖泊水质恶化、富营 养化加剧。同时农业土壤污染不仅是水系或水体 水质降低的最主要原因，还是土地生产力退化的 直接动因。所以农业土壤环境质量问题已引起我 国环保相关部门和研究人员的关注。 假设评判因素Ｕ的权重分配集为Ａ，它是 上的一个模糊子集，记作： Ａ＝＜ ｌ，ａ２，…，ａ ），ａｆ是评价因子ｕｆ相应 的权重值。 假设所有可能出现的评语有ｍ个，评语集为： Ｖ＝｛Ｖｌ，Ｖ２，…，Ｖ ＞ 环境问题的研究分析中，由于具有多种因素影 响环境质量，为了客观的反映污染状况，准确地描 述环境质量问题的时空差异，需要从全局考查影响 环境质量的因素，做出综合评价和分析。由于在评 价过程中，受环境问题的复杂性、评价对象的层次 性、评价标准中存在的模糊性以及影响因素的“模 糊性”或“不确定性”、定性指标难以定量化等问题 评语是多种多样的，取决于作出什么类型的 评价。如对水质类型作出评价，Ｖ可以用一些等 级构成，如Ｖ＝＜一级、二级、三级＞。 １．２建立隶属函数 隶属函数的建立是模糊数学应用的关键。鉴 于评价因子与土壤环境质量成负相关关系，选用降 半梯形分布函数，该函数为分段函数，分段界限值 的影响，难以用经典的数学模型加以统一量度ｕ。 。 因此采用模糊集合论上的模糊综合评判方法，不仅 可以顾及评判对象的层次性，又可使评价标准、影 响因素的模糊性得以体现，还可以做到定性和定量 为相应的环境质量标准级数 ’。 。 对于Ｊ＝ｌ级： 因素相结合，扩大信息量，使评价精度得以提高。 １模糊综合评价模型 １．１确定因素集、权重集和评判集 模糊综合评价是通过构造等级模糊子集把反 收稿日期：２０１０－１０－２６ Ｓ１ｊ＜Ｘｌ＜Ｓｉ（ｊ十１） 基金项目：镇江市社会发展项目（ＳＨ２００６０５６，ＳＨ２００８０２８） 作者简介：戴学标（１９７０一），男，江苏宝应人，工程师，硕士在读，研究方向为计算机应用技术。 ［１８４］ 第３３卷第３期２０１１—３（下） 、Ｉ 对于Ｊ－－．２，３，…（ｍ一１）级： 訇 似 算 ４）ｏ取“・一＋”即“取普通矩阵乘法”运算 由于环境质量问题十分复杂，单因素往往不 Ｓｉｊ＜ｘｉ＜ｓｉ（ｊ＋１） 能解决实际问题，需要考虑很多因素，而且这些 因素问相互联系，相互作用，相互制约。各因素 按其属性隶属于不同的层次上。此时，需要把参 ． Ｓｉ（ｊ—１）＜Ｘｉ＜Ｓｉｊ ２ ２ ２ 与评价的因素，按某些属性分成几个层次，形成 评价体系的递阶层次结构，然后按照不同的层次 ０ Ｘ１≤Ｓｉ（ｊ １），Ｘ ≥Ｓ１（ｊ＋１） 对于ｊ＝ｍ级： Ｘｉ≤ＳｉＪ Ｒ Ｓｉ（ｊ—１）＜Ｘｉ＜ｓｉｊ ～ ０ Ｘｌ≤Ｓｉ（ｊ－１） 其中 指第ｉ指标第Ｊ分级标准值。 １．３模糊评判矩阵 根据隶属函数，可确定各指标实际值的隶属 度，进行单因素评价，并得到隶属度模糊关系矩阵： 单因素评判就是从 到 上的一个模糊映射： －，：Ｕ Ｆ（ ） Ｕ －－＞，． １／Ｖ１＋ｒ ２／ｖ２＋…＋ｒ ／ｖ （０≤ｒ ，≤１，ｉ＝ｌ，２，…ｎ； ＝１，２，…ｍ） 从而构成模糊评判矩阵： Ｒ＝ １．４模糊综合评价 对评价对象的模糊综合评价数学模型为 Ｂ＝Ａ ｏＲ 其中。是合成运算符号。 系统提供了四种运算规则，用户可以根据需 要进行选择： １）ｏ取“＾～Ｖ”即“取小、取大”运算 ２）ｏ取“・一Ｖ”即“先乘法再取大”运算 ３）ｏ取“八一①”即“取小再取有界算子”运 先对每一类综合评判，再对评判结果进行类之间 的高层次的综合［７，８１。 设评价因素集Ｕ＝＜“ ，Ｕ２，…，“ ＞，评语集 Ｖ＝＜ｖ ，ｖ ，…，ｖ ＞，先根据评价指标的隶属关 系将评判指标Ｕ分为Ｐ份，设ｕｉ＝（ｉ＝１，２，… Ｐ）且 ｐ ∑Ｕｉ＝Ｕ ｉ＝１ 对每个 ＝（ｉ－－１，２，…Ｐ）按一级模糊综 合评判模型进行运算，得 Ｂ＝Ａ ＯＲ ｉ＝ｌ，２，…Ｐ ～ ～ｉ ～ｚ Ａ 为 的权向量，尺 是对 单因素评判矩阵。 得到 的单因素模糊关系矩阵： １ ～ ２ ～ ●●● 设关于Ｕ１，Ｕ２，…ＵＰ的权重分配为Ａ ＝＜以 ， ａ ，…，ａｐ｝，则得关于Ｕ的综合评判结果为： Ｂ＝Ａ ＯＲ ～ｆ ～ｆ ～ｆ 以上给出的是二级模型，二级以上的评价模 型可以由此延伸。 ２应用实例 针对农业土壤污染分析研究的需要，充分结 合农业土壤污染实际监测成果，其主要目的是结 合农业土壤污染分析评价的数学模型，为揭示农 业土壤污染形成与动态发展变化、污染源的迁移 运动规律，为农业土壤污染的防治和规划管理提 第３３卷第３期２０１１－３（下） 【１８５】 务Ｉ ＩＩ》 化 供有效的辅助决策依据。因此，在结合国家各种 相关规范的基础上，紧密结合各项技术要求，充 分利用地理信息系统软件ＡＲＣＧＩＳ开发的技术 经验，同时结合模糊数学的理论的数学分析方 法，实现镇江市农业土壤污染监测系统的可视 化，提供必要的数据转换、存贮、管理、查询、 分析、显示服务，系统直观方便，便于用户使用 和决策。 镇江市农业土壤污染监控系统是为了研究镇 江市太湖流域的农业土壤污染定位、定量研究以 及动态监测，为更有效的保护太湖流域水资源环 境，探讨农业土壤污染的模型分析评价方法以及预 测、预报，为更有效的控制太湖流域的水污染以 及为农业土壤的污染规划决策提供一个有效的途 径和信息支撑手段。 ２．１数据库管理 数据库管理子模块主要完成空间数据库的建 立及空间数据的导入／出、连接、查询、拓扑关系 的建立、空间坐标系的定义等功能。 数据库管理子系统是基于ＡＲＣＧＩＳ的Ａｒｃ— Ｃａｔａｌｏｇ环境，视窗主要有主菜单（Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ）、 标准工具条（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｏｏｌｂａｒ）、目录树（Ｃａｔａｌｏｇ Ｔｒｅｅ）、栏目标签（Ｔａｂ）、地理工具条（Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ Ｔｏｏｌｂａｒ）、元数据工具条（ＭｅｔａｄａｔａＴｏｏｌｂａｒ）、位置 条（Ｌｏｃａｔｉｏｎ）和状态条（Ｓｔａｔｕｓ Ｂａｒ）８部分组成， 其中目录树和栏目窗口是视窗中的主要内容。 ２．２模型管理 模型管理子模块能够完成各种分析模型的类 型定义、加载和卸载等功能，主要是对用户二次 开发的类库进行管理，它可以让用户将自己开 发的模型添加到本系统中，也可以从本系统中将 某一模型卸载。模型管理是面向用户的开放型的 环境，根据需要在原有基础上，用户可以进一步 扩展，向系统添加分析模型。模型算法用ＶＢ、 ＶＣ＋＋、Ｄｅｌｐｈｉ等编程语言实现，以动态链接库 （ＤＬＬ）的形式，添加到模型库中。 ２．３空间分析 空间分析主要实现ＧＩＳ基本分析、农业土壤 环境质量模糊综合评判和结果输出等功能。其中， 农业土壤污染模糊综合评判是系统开发的核心内 容，利用系统提供的客户定制功能，将已注册的 应用分析模型，定制到空间分析菜单中，通过调 ［１８６１ 第３３卷第３期２０１１—３（下） 用相应模型而完成农业土壤污染模糊综合评价的 功能。系统分析评价功能的实现，是基于ＡＲＣＧＩＳ 的ＡｒｃＭａｐ环境。 农业土壤模糊综合评价实现对农业土壤采样 监测点使用模糊综合评价的方法，按一定的评价 指标体系，进行定量化综合评价分析，从而对农 业土壤污染状况按标准分类定级。 农业土壤模糊综合评价，包括四个步骤：【设 置评价指标】 【设置评价采样点】 【设置指标 权重】 【模糊综合评判】。选择操作界面对应的 页面选项卡，来完成相应内容。如图１（ａ），１（ｂ）， １（Ｃ），１（ｄ）所示，图２为相应的土壤污染分析 结果图。 （ａ）设置评价指标 （ｂ）设置评价采样点 （Ｃ）设置指标权重 （ｄ）模糊综合评判 图１ 农业土壤模糊综合评价 ３结论 应用模糊综合评价方法评价土壤环境的质量 时，取大取小算法只强调极值的作用，丢失信息比 较多，评价结果往往主要受控于个别参数。通过建 立模糊综合评估模型，可充分获取信息，并具有计 图２土壤污染分析结果 算简单、合理高效的特点，评价结果精度较高。利 用模糊数学的拟人思维和复杂逻辑推理能力，减少 了评价结果中人为因素所造成的误差，保证了评价 结果的精度和可靠性。文中提出的方法，不仅对评 价土壤污染适用，而且对大气和水的污染程度评价 也适用。 参考文献： 【１】李祚泳，丁晶，彭荔红．环境质量评价原理与方法【Ｍ】．北 京：化学工业出版社，２００４． ［２］胡永宏，贺思辉．综合评价方法【Ｍ】．北京：科学出版社， ２０００． ［３］张从．环境评价教程【Ｍ】．北京：中国环境科学出版社， ２００２． 【４】叶文虎，栾胜基．环境质量评价［Ｍ】．北京：高等教育出版 社，１９９７． ［５】钱金平．土地生态系统定量评价初探ＩＪＪ．城市环境与城 市生态，２００１，１４（２）：５４—５７． 【６】杨纶标，高英仪．模糊数学原理及应用【Ｍ］．上海：华东理 工大学出版社，２００２． ［７］朱林，吕宏兴．地面水水质的模糊综合评价［Ｊ】．水资源与 水工程，五卷，１９９４，５（２）：２７． ［８】张乃明，段永惠，毛昆明．土壤环境保护【Ｍ】．北京：中国 农业科学技术出版社，２００２． 第３３卷第３期２０１１—３（下） １１８７１
