一种基于层次分析法为森林选择优先管理方案的方法

1.本发明涉及森林安全防护技术领域，具体为一种基于层次分析法为森林选择优先管理方案的方法。


背景技术：

2.现有技术中有些学者关注森林经营中的过度砍伐和森林危机，因而建立森林动态资源检测和采伐配额管理，有些学者关注森林资源的计划经营和森林的总价值，有些学者认为，森林经营应将生态价值与社会经济价值相结合，以实现森林总价值的最大化，有些学者关注火灾等自然干扰因素对森林生态系统的影响，所以非常需要发展能综合考虑森林各个方面综合实力的管理方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的是综合考虑森林的各种价值，利用层次分析法设计决策模型，通过模型确定最优的森林管理方案。
4.本发明采取如下的技术方案：
5.一种基于层次分析法为森林选择优先管理方案的方法，包括：
6.首先判断该森林是否属于温带大陆性气候以及亚热带、热带季风气候为主的北美地区和亚欧大陆地区，或者热带气候、平原高原地形为主的南美地区；
7.如果属于上述三个地区中的一个，则分别计算该森林的生态效益方案、经济效益方案和社会效益方案的重要性和权重得分，以得分最高者为该森林经营者应优先选择的方案。
8.具体地，本发明中反应森林生态效益即影响生态效益方案的三个指标是碳封存量、生物多样性和年均伐木量；反应森林经济效益即影响经济效益方案的三个指标是森林产品年均收益、旅游业发展项目数量和护林费；反应森林社会效益即影响社会效益方案的三个指标是就业情况、人居环境空气、水资源质量监测和周边人口密度。
9.优选地，重要性和权重得分的具体计算方法是：
10.步骤1，建立递阶层次结构；目标层选择森林管理最优计划，准则层为不同方案的影响指标，措施层为该森林管理计划的三个方案，分别为：优先生态效益方案、优先经济效益方案和优先社会效益方案；
11.步骤2，构造判断矩阵，以矩阵的形式来表述每一层次中各指标相对其上层指标的相对重要程度；
12.步骤3，层次单排序；层次单排序就是把本层所有指标针对上一层某一指标，排出评比的次序，这种次序以相对的数值大小来表示；
13.步骤4，分别对步骤2得到的判断矩阵的每一列归一化，其次对按照列归一化的矩阵进行行求和，得到特征向量，然后将所得的特征向量归一化，计算得到最大特征根；按同样的方式对步骤3得到的判断矩阵进行计算，得到9个特征向量和最大特征根；
14.步骤5，一致性检验；通过计算一致性指标ci和一致性比率cr来检验判断矩阵的一致性：
15.步骤6，得到最终特征向量，分别得到三个方案的重要性和权重得分。
16.具体地，一致性指标ci和一致性比率cr的计算公式为：
17.其中，ci是一致性指标，λ
max
是比较矩阵的最大特征值，n是比较矩阵的阶数；ci的值越小，判断矩阵越接近于完全一致；
18.其中，ri是随机一致性指标，cr是一致性比率；cr的值越小表示一致性比率越高，即判断矩阵的一致性精度越高。
19.具体地，步骤2中采用两两成对比较9个指标，对目标层的影响，以九级标度法分析重要性影响程度，最终得出9行9列的判断矩阵。
20.用a
ij
表示xi与xj对目标z的影响程度之比，其中，xi代表行指标，xj代表列指标，数字1-9及其倒数作为程度比较的标度，当a
ij
》1时，对目标z来说xi比xj重要,其数值大小表示重要的程度。当a
ij
＝1时，对目标z来说xi与xj同样重要；当a
ij
≤1时，对目标z来说xi比xj不重要，其数值大小表示不重要的程度。
21.具体地，步骤3中分别以9个指标对上一层指标的重要性进行列表，并分别得到9个3行3列的判断矩阵。
22.本发明的有益效果在于：
23.本发明结合代表森林综合价值的9个指标，利用层次分析法设计决策模型，通过计算确定最优的森林管理方案，平衡了森林的各种价值，管理者可以在最优方案的基础上，重点选择有利于经济效益、生态效益和社会效益等相关措施和政策，有利于有效保护森林，合理开发使用森林资源等。
附图说明
24.图1为实施例1中世界划分为5组的示意图；
25.图2为递阶层次结构。
具体实施方式
26.下面结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
27.实施例1
28.本实施例中，以自然带、地形和气候三个因素作为判断和分类的依据，将世界划分为5组，如表1和图1所示。
29.表1
30.[30.7
°
n，39.2
°
s][13.2
°
n，55.6
°
s][80
°
n，35
°
n][34.2
°
n，10.2
°
n][10.3
°
s，45.1
°
n][25.3
°
w，35
°
e][82.3
°
w，30
°
w][30
°
e，60
°
w][30
°
e，60
°
w][114.23
°
e，150
°
e]a1a2a3a4a5
[0031]
以碳封存量、森林产品年均收益、就业人数年变化率3个指标分别代表生态效益、经济效益和社会效益。基于自然带、地形和气候3个因素，建立4组比较对象，对每两个组的
来说，其中自然带、地形和气候，保证有两个因素保持不变，只改变其中一个因素，4组分别为：
[0032]
第一组：a1的海拔平均500以上，a2的海拔平均200左右；
[0033]
第二组：a3的自然灾害发生概率低，a4的自然灾害发生概率年均超过80％；
[0034]
第三组：a5是主要沙漠气候，a2是主要草原气候；
[0035]
第四组：a4是主要季风气候，a5是主要沙漠气候。
[0036]
本实施例中，指标为x＝{x1，x2，x3}，指标值为每一个指标有10个样本数据，即：
[0037][0038]
在选取的第j个区域中，其指标值为：每一个指标有10个样本数据：
[0039][0040]
为了分析一种结构对另一种结构冲击的反应程度，定义了结构变动协同系数，它的计算公式为：
[0041][0042][0043]
式中k指的是样本中的第k组数据，j表示的是第j个区域，p代表年份数量，cj是第j个区域的适应性系数，该系数的取值在0-1之间，越接近于1，说明决策模型与区域的变动适应性越强，即模型对区域结构变动越具有敏感性，越能快速做出反应，以便适应区域结构的变动。
[0044]
据此计算得到上述五个区的适应性系数，结果如下：
[0045]ca1
＝0.5642，c
a2
＝0.6012，c
a3
＝0.8932，c
a4
＝0.8451，c
a5
＝0.4911
[0046]
对于适应性系数进行分级量化，如表2所示：
[0047]
表2
[0048]
适应性系数区间适应等级(0,0.375]危险等级适应性极差(0.375,0.575]预警等级适应性较差(0.575,0.805]平衡等级适应性合格(0.805,1]优秀等级适应性良好
[0049]
将适应等级处于平衡等级及以上的区域划分在森林管理计划范围之内。
[0050]
通过比较五个区的适应性系数数值，得出：平原处比高原处的适应性好，草原气候比沙漠气候的适应性好，季风气候适应性相对最好，该气候的地区受到灾害后，适应性变差，但是会在相对较短时间内恢复。
[0051]
据此，本发明所建立的森林管理计划决策模型的适用范围为：温带大陆性气候以
及亚热带、热带季风气候为主的北美地区和亚欧大陆地区，以及热带气候、平原高原地形为主的南美地区。
[0052]
实施例2
[0053]
在已经决策出的森林群的基础上，即如果某一个森林属于以上所述温带大陆性气候以及亚热带、热带季风气候为主的北美地区和亚欧大陆地区，以及热带气候、平原高原地形为主的南美地区的气候和地区，就可以根据层次分析法，用9个指标数据分别计算该森林的生态效益方案、经济效益方案和社会效益方案的重要性和权重得分，以得分最高者为该森林经营者应优先选择的方案。还可以选出不同地区不同特征的森林，分别得到不同地区不同特征森林的最优管理方案，可作为该地区、具备该特征的森林管理方案的模型。
[0054]
本实施例选择中国大兴安岭作为样本，根据层次分析法，得到三个方案的重要性和权重得分，具体包括：
[0055]
步骤1，建立递阶层次结构，如图2所示，目标层选择森林最优管理计划，即决策的目的和要解决的问题，准则层为不同方案的影响指标，如表3所示，措施层为该森林管理计划的三个方案，分别为：优先生态效益方案(pes)、优先经济效益方案(peb)、优先社会效益方案(psp)。
[0056]
表3
[0057][0058]
步骤2，构造判断(成对比较)矩阵，判断矩阵是以矩阵的形式来表述每一层次中各指标相对其上层指标的相对重要程度。
[0059]
在本实施例中，比较表3中9个指标，对目标“最优森林计划”的影响。我们采用两两成对比较，如表4所示。
[0060]
表4
[0061][0062]
用a
ij
表示xi与xj对目标z的影响程度之比，其中，xi代表行指标，xj代表列指标，数字1-9及其倒数作为程度比较的标度，即九级标度法，如下表5所示。
[0063]
表5
[0064]
xi/xj相同重要较重要重要很重要绝对重要a
ij
13579
[0065]
2,4,6,8居于上述两个相邻判断之间，当a
ij
》1时，对目标z来说xi比xj重要,其数值大小表示重要的程度。当a
ij
＝1时，对目标z来说xi与xj同样重要；当a
ij
≤1时，对目标z来说xi比xj不重要，其数值大小表示不重要的程度。
[0066]
表4第一行中：第一列碳封存量和第一行碳封存量一样重要，所以行指标(碳封存量)/列指标(碳封存量)＝1；第二列，生物多样性(列指标)比碳封存量(行指标)较重要，所以行指标(碳封存量)/列指标(生物多样性)＝1/4《1；第三列，年均伐木量没有碳封存量重要，所以行指标(碳封存量)/列指标(年均伐木量)＝5》1；由于第一行第二列为1/4，所以第二行第一列为4；第一行第三列为5，所以第三行第一列为1/5，依次往下。
[0067]
在进行重要性分析时采用相对尺度，以尽可能地减少性质不同的诸指标相互比较的困难，提高准确度，最终得出判断矩阵a：
[0068][0069]
步骤3，层次单排序
[0070]
层次单排序就是把本层所有指标针对上一层某一指标，排出评比的次序，这种次序以相对的数值大小来表示，如下表6-表14所示。
[0071]
表6
[0072][0073]
表7
[0074][0075]
表8
[0076]
[0077]
表9
[0078][0079]
表10
[0080][0081]
表11
[0082][0083]
表12
[0084][0085]
表13
[0086][0087]
表14
[0088][0089]
如表6所示，对于单一考虑碳封存量来说，第一行第一列一样重要，比值为1；对于第一行第二列，为保证碳封存量，pes比peb更加重要，所以行指标(pes)/列指标(peb)＝5》1；对于第一行第三列，为保证碳封存量，pes比psp更加重要，所以行指标(pes)/列指标(psp)＝3》1。依次分析得到以下所有矩阵：
[0090][0091][0092]
步骤4，首先将矩阵a的每一列归一化，其次对按照列归一化的矩阵进行行求和，得到特征向量，然后将所得的特征向量归一化，计算得到最大特征根，具体为：
[0093]
列归一化的矩阵为：
[0094][0095]
特征向量为：
[0096][0097]
特征向量归一化：
[0098]
矩阵a的最大特征根：
[0099][0100]
式中，i代表列矩阵的列数，qi和代表第i列的数据。
[0101]
同理，可以求出b
1-b9的特征向量：
[0102]w(1)
＝(0.6358 0.1052 0.2590)
t
，w
(2)
＝(0.6472 0.0725 0.2802)
t
[0103]w(3)
＝(0.4972 0.1481 0.3547)
t
，w
(4)
＝(0.0926 0.6152 0.2923)
t
[0104]w(5)
＝(0.3235 0.5874 0.0891)
t
，w
(6)
＝(0.3334 0.5914 0.0752)
t
[0105]w(7)
＝(0.1095 0.3090 0.5815)
t
，w
(8)
＝(0.3334 0.0752 0.5914)
t
[0106]w(9)
＝(0.1017 0.2274 0.6709)
t
[0107]b1-b9的最大特征根分别为：
[0108][0109][0110]
步骤5，一致性检验
[0111]
用一致性指标ci和cr、以及一致性检测标准表格进行检验：
[0112]
[0113][0114]
其中λ
max
是比较矩阵的最大特征值，n是比较矩阵的阶数。ci是一致性指标，ci的值越小，判断矩阵越接近于完全一致。反之，判断矩阵偏离完全一致的程度越大；cr是一致性比率，ri是随机一致性指标。
[0115]
一致性检测标准表格如表15所示：
[0116]
表15
[0117]
n1234567891011ri000.580.901.121.241.321.411.451.491.51
[0118]
对于判断矩阵a，n＝9,ri＝1.45
[0119][0120][0121]
步骤6，得到最终特征向量
[0122]
cr《0.1表示a的不一致程度在容许范围内，此时可用a的特征向量代替权重量；同理，对于判断矩阵b
1-b9利用上述原理均通过一致性检验。
[0123]
令w1＝(w
(1)w(2)w(3)w(4)w(5)w(6)w(7)w(8)w(9)
)
[0124]
所以最终特征向量w＝w1w
(0)
＝(0.4173 0.2999 0.2829)
t
[0125]
最终，我们得到三个方案的重要性和权重得分，如下表16和表17所示：
[0126]
表16
[0127] 指标权重pespebpsscss0.12950.72830.08170.19bds0.29290.64720.07250.2802aal0.02780.49720.14810.3547aap0.13220.09260.61520.2923ndt0.18120.32350.58740.0891fpf0.05810.33340.59140.0752eps0.09930.10950.3090.5815mwh0.0450.33340.07520.5914spd0.03410.10170.22740.6709
[0128]
表17
[0129] pespebpssplan score0.41730.29990.2829
[0130]
根据表17的方案最终得分，森林经营者应优先选择生态效益方案。优先生态效益计划的结果是合理的。原因是在衡量生态效益的三个指标中，碳封存量和生物多样性的权重大于其他效益指标。生物多样性的权重达到0.2929，在所有指标中权重最大。同时，碳封存量生物多样性也比其他指标更重要，分别达到0.7283和0.6472。年平均采伐量作为生态
效益的另一个标准指标，权重较小，但相对重要性也较高，达到0.4972。综合以上，优先生态效益计划的得分将高于其他两个计划，所以对于大兴安岭森林区域，管理者应该优先考虑其生态效益，应当重点考虑能够提高生态效益的措施和政策制度。