基于极差标准化和熵权法预测森林生态系统资源综合承载力的方法

摘要

本发明公开了一种基于极差标准化和熵权法预测森林生态系统资源综合承载力的方法，包括：收集能反映森林生态系统综合承载力的评价指标；采用极差标准化法对上述评价指标数据进行处理；通过熵权法确定每个评价指标的权重；计算得到每个评价指标的承载度；根据每个评价指标的权重和承载度，计算得到能反映该森林的生态系统资源综合承载力的数值，通过数值查表得到森林生态系统资源综合承载力等级。

说明书

技术领域

本发明涉及森林管理技术领域，具体涉及一种基于极差标准化和熵权法预测森林生态系统资源综合承载力的方法。

背景技术

森林是陆地生态系统的主体,森林承载力是关系到资源,环境与社会经济发展的关键,也是衡量区域社会可持续发展能力的一个重要指标。国内已有不少学者从不同的空间纬度、时间差异等方面构建森林生态承载力评价指标,

如姜杰等.森林生态承载力评价指标体系构建——以广东省为例[J].林业与环境科学,2021,37(04),146-153一文,以及桂靖等.城市化与森林生态承载力协调关系研究[J].花卉,2020,第6期51-52一文，对各区生态健康度及生态质量进行评价,从宏观、微观、模型评价等方面讨论生态承载力的现状。研究成果对于区域森林可持续性的评价、林业发展战略规划的制定,以及可持续林业理论的研究具有重要的理论和实践意义。

但以上现有技术存在研究指标单一、评价结果缺乏数据支撑的缺点，因而得出的承载力结果可能存在主观因素，影响结果的科学性。

发明内容

本发明的目的是解决现有的森林承载力计算方法存在研究指标单一、评价结果缺乏数据支撑的问题，综合考虑森林生态影响因素，将其分成生态支撑力、经济支撑力和社会支撑力，并且选择多个子指标进行数据支撑，建立森林生态系统资源综合承载力指标体系，从三个不同的方面去综合评价森林的资源承载力。

本发明采用如下技术方案：

基于极差标准化和熵权法预测森林生态系统资源综合承载力的方法，包括：

步骤1，收集能反映森林生态系统综合承载力的评价指标；

步骤2，采用极差标准化法对上述评价指标数据进行处理；

步骤3，通过熵权法确定每个评价指标的权重；

步骤4，计算得到每个评价指标的承载度；

步骤5，根据每个评价指标的权重和承载度，计算得到能反映该森林的生态系统资源综合承载力的数值为：

其中，G

进一步地，步骤5中计算得到的E值与森林生态系统资源综合承载力的对应关系为下表1所示：

表1

在此利用三分法原则，即在层次划分、成分分析等问题中，极端值常为中间值的一半。在此我们将其衍生为极端范围为中间范围的一半，即危机状态、富裕状态的等级范围为预警状态、平衡状态的等级范围的一半。同时如此划分有利于分析更多森林生态系统资源承载力以及减少极端状态，有利于采取相应的森林合适的管理措施。

优选地，步骤1所述评价指标包括碳封存量、生物多样性、森林产品年均收益、林业项目收入、环境质量指数、土壤污染度、年均伐木量、护林费、房地产开发比例和周边人口密度。

其中，碳封存量、生物多样性、土壤污染度和年均伐木量代表森林生态系统的生态支撑力，四个指标分别考虑森林的碳含量、动植物量、土壤沃度、原木量，这四个量均属于生态圈的基本检测量，所以可以作为生态支撑力的指标量。森林产品年均收益、林业项目收入和护林费代表森林生态系统的经济支撑力，这些指标值均与森林的经济收益相关，所以可以作为经济支撑力的指标量。周边人口密度、环境质量指数和房地产开发比例代表森林生态系统的社会支撑力，这三个指标对于森林的社会效益、知名度和社会环境等均会有所影响，所以可以作为社会支撑力的指标量。

以生态支撑力、经济支撑力和社会支撑力为一级指标，碳封存量、生物多样性、森林产品年均收益、林业项目收入、环境质量指数、土壤污染度、年均伐木量、护林费、房地产开发比例和周边人口密度等为二级指标，建立森林生态系统资源综合承载力评价指标体系，如下表2所示：

表2

优选地，步骤2中对所有评价指标区分正向指标和负向指标来处理，正向指标标准化后为：

负向指标标准化后为：

其中，C

本发明方案中，碳封存量、生物多样性、森林产品年均收益、林业项目收入、环境质量指数为正向指标，土壤污染度、年均伐木量、护林费、周边人口密度、房地产开发比例为负向指标。

优选地，森林生态系统指标值与其对综合承载力的影响并不是线性关系。当指标值较低时，其对综合承载力的影响较小；当指标值在中间层级时，对综合承载力的影响随指标值的增大而增大；当指标值较大时，对综合承载力的影响又逐渐减小，趋于饱和。因此步骤4中采用优化的升半Γ型分布指数公式，反映每个评价指标值与其对森林生态系统资源综合承载力的影响之间的关系：

其中，G

本发明的有益效果在于：

本发明将影响森林的诸多因素纳入研究中，多指标多因素地研究森林生态系统资源承载力，和现有技术相比，解决了评价结果缺乏数据支撑、带有过多主观性的缺点，因而研究方法的科学性有所提高，研究结果更加精确。

具体实施方式

本实施例中选取我国大兴安岭北部兴安落叶松林为例，研究其森林生态系统资源综合承载力，具体包括：

步骤1，建立大兴安岭北部兴安落叶松林森林生态系统资源综合承载力评价指标体系，为简化指标分类以及预测结果的明确，选择生态支撑力、经济支撑力和社会支撑力为一级指标，相关二级指标选取如下表3所示。

表3

搜集大兴安岭北部兴安落叶松林森林近十年内的相关数据如下表4所示：

表4

步骤2，采用极差标准化法对上述指标数据进行处理：

正向指标标准化后为：

其中，C

本实施例中碳封存量、生物多样性、森林产品年均收益、林业项目收入、环境质量指数为正向指标。

以碳封存量为例，指标数据中最大值为18.569，最小值为13.232，即：

以此类推所有的正向指标标准化计算方法均如此计算。

负向指标标准化后为：

本实施例中土壤污染度、年均伐木量、护林费、房地产开发比例、周边人口密度为负向指标。

以土壤污染度为例，指标数据中最大值为7.8092，最小值为6.4949，即：

以此类推所有的负向指标标准化计算方法均如此计算。

以此极差标准化的方法，所有的指标数据标准化之后的数据如下表5所示：(均保留四位小数)

表5

步骤3，通过熵权法确定指标权重，具体算法如下：

其中，P

在此项体系中，指标一共有10个，即m＝10，每个指标均有12个样本值，即n＝12，所以：

对于比重P

依次计算，得到碳封存量的指标占比比重如下表6所示：

表6

计算得到：

同理得到E

表7

因此算得

计算得到W

表8

步骤4，因为每个指标值与其对森林生态系统资源综合承载力的影响之间不是线性关系，此处采用优化的升半Γ型分布指数公式来更准确地反映指标值与其对森林生态系统资源综合承载力的影响之间的关系。

其中，G

以第一项指标碳封存量为例：

同理可以依次算出G

表9

则该森林生态系统资源综合承载力为：

据此，大兴安岭北部兴安落叶松林生态系统资源综合承载力尚处于预警状态，即环境资源在现有条件下所能容纳的压力处于较大水平，资源承载力水平较低，具有较大提升空间。大兴安岭自开发以来，已经成为全国最大的木材生产基地之一。由于长期以来的过度采伐，过度利用森林资源以及自然灾害森林大火等，遭受到了极大的森林资源危机和经济危险中。根据中国统计年鉴上面记载的资料，1988年之前的资料和2021年统计结果可以看出，有林地面大幅度减少，从曾经的639万公顷变成了538万公顷，减少了15.8％左右；而由于其特殊的地理形势和自然情形，既在高寒地区，生长周期慢，且环境容量较小，生态系统的平衡维持在较为脆弱的状态，因此其森林生态系统资源综合承载力自然会处于劣势。

根据本发明预测得到的结果与现实相符，因此森林管理者可以据此制定相应的保护措施和政策制度，为提高森林生态系统资源综合承载力作出努力。