基于人工神经网络的山区生态安全预测研究 ——以石家庄西部山区为例

论文摘要

20世纪中叶以来,科学技术的飞速发展,一方面使人类社会生产力得到了巨大的发展,另一方面也使得全球人地矛盾日益尖锐,生态环境总体上呈现恶化趋势。土地荒漠化、水土流失、水资源短缺、水污染、大气污染、森林破坏和生物多样性锐减等环境问题日益突出,生态环境安全引起人类越来越多的重视,成为了人类社会普遍关注的焦点问题。石家庄西部山区位于河北省中南部的太行山东麓,具有独特的政治、经济和区域特点,既属于典型的生态环境脆弱带,又是河北省防护林建设、农林牧综合发展的重要基地和石家庄市的天然生态屏障,在维护该地区生态平衡中处于重要地位。基于这一背景,对石家庄西部山区生态安全进行预测及调控研究,将有助于准确地、科学地选择生态建设的策略,对政府部门把握生态安全的变化并及时做出调控和治理措施,确保该区域生态安全,维持该区域自然、经济和社会的可持续发展,具有十分重要的现实意义。本文从可持续发展理论、生态系统服务功能理论、人地关系理论和生态安全预警理论出发,在PSR框架模型下建立起生态安全预测指标体系,通过层次分析法确定各指标权重,利用人工神经网络模型对各指标标准化值进行预测,然后通过生态安全度的计算及其趋势曲线的描绘预测分析石家庄西部山区未来9年生态安全状况的发展趋势,结果表明:石家庄西部山区总体生态安全状态呈现上升的发展趋势,2007～2015年该区域处于生态安全“较好”状态。生态安全度最大值将出现在2015年,为0.6940,比1996年增长74.96%,比2006年增长21.58%。但是,各年份生态安全度均小于0.8,说明该区域生态环境问题还未彻底解决,需进一步采取措施保护生态环境。最后通过情景分析法对研究区进行调控研究,并提出相应对策,以期为该区域生态环境管理和可持续发展提供理论参考和决策依据。本研究的创新点:(1)利用人工神经网络模型对山区生态安全进行了中短期预测研究;(2)综合现有研究方法,将生态安全预测—调控有机的融为一体,并对石家庄西部山区进行案例研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 生态安全的涵义
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 国外研究进展
• 1.3.2 国内研究进展
• 2 理论基础
• 2.1 可持续发展理论
• 2.2 生态系统服务功能理论
• 2.3 人地关系理论
• 2.4 生态安全预警理论
• 3 研究区概况
• 3.1 自然概况
• 3.1.1 地质
• 3.1.2 地形地貌
• 3.1.3 气候
• 3.1.4 土壤与植被
• 3.2 社会经济概况
• 3.2.1 人口状况
• 3.2.2 产业结构
• 3.3 生态环境概况
• 3.3.1 水土流失
• 3.3.2 土壤污染
• 3.3.3 森林破坏
• 4 人工神经网络基本理论
• 4.1 人工神经网络概述
• 4.1.1 人工神经元
• 4.1.2 神经网络的结构
• 4.1.3 神经网络的学习方式
• 4.2 BP 人工神经网络
• 4.2.1 BP 神经网络的结构及其算法
• 4.2.2 激活函数
• 5 BP 神经网络预测模型的整体设计
• 5.1 BP 人工神经网络的实现
• 5.1.1 MATLAB 简介
• 5.1.2 MATLAB 神经网络工具箱及其相关函数介绍
• 5.2 BP 人工神经网络预测模型构建思路
• 5.2.1 学习样本构造
• 5.2.2 网络训练
• 5.2.3 数值预测
• 5.3 程序设计
• 5.3.1 人工神经网络参数
• 5.3.2 MATLAB 程序设计
• 6 基于BP 人工神经网络的石家庄西部山区生态安全预测及结果分析
• 6.1 区域生态安全状态的表征
• 6.2 区域生态安全预测指标体系的建立
• 6.2.1 指标体系建立原则
• 6.2.2 多因子大综合评价指标体系建立及指标说明
• 6.2.3 指标权重确定
• 6.3 指标数值预测过程
• 6.3.1 数据采集与处理——学习样本构建
• 6.3.2 神经网络的训练
• 6.3.3 指标标准化数值的预测
• 6.4 石家庄西部山区生态安全度计算
• 6.4.1 生态安全度计算公式
• 6.4.2 子系统生态安全度计算及预测结果分析
• 6.4.3 总系统生态安全度计算及预测结果分析
• 7 石家庄西部山区生态安全调控及对策研究
• 7.1 生态安全调控
• 7.2 石家庄西部山区生态安全对策
• 7.2.1 控制人口数量、提高人口素质，增强全民环保意识
• 7.2.2 采取多种措施减轻农业化学物质的污染
• 7.2.3 切实关注石家庄西部山区开发与保护之间的平衡
• 7.2.4 加强立法和执法维护生态安全
• 7.2.5 增加环境建设资金维护区域生态安全
• 7.2.6 调整产业结构维护区域生态安全
• 7.2.7 建立全区域生态安全预警和防护体系
• 8 结论与不足
• 8.1 主要结论
• 8.2 问题和不足
• 参考文献
• 致谢