于成学

(1.大连民族学院 国际商学院，辽宁 大连 116605；2.大连理工大学 管理与经济学部，辽宁 大连 116024)

生态安全(ecological security/safety或是environment security/safety)是地理科学、生态学、资源与环境科学、环境管理学和可持续发展等多学科交叉研究的热点。随着全球的环境问题日益严重，人们对生态安全的关注呈倍增态势，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，在国家安全大局中占有重要地位，生态安全评价已成为一个国家和地区进行宏观规划、政府决策的重要根据［1］。生态安全是20世纪90年代国际上出现的一个全新的研究领域，生态安全评价是生态安全研究的核心。目前，生态安全评价的相关理论和方法有了很大的发展，评价对象广泛，其中区域生态安全评价是近年来研究热点，评价方法多种多样，所进行的生态安全评价多集中对现状的评价。由于生态安全是一个动态的过程，从静态的现状评价转向动态的评价［2-3］是大势所趋。所以，近年来应用3S技术对生态安全进行研究逐渐成为新的思路和方法。因此，作者在生态安全研究过程中，通过规范检索近年来基于3S技术的生态安全研究，从相关概念识别到生态安全评价方法的结合应用，评价指标量化和评价标准，再到存在的问题和发展趋势进行梳理和总结，有利于正确把握“3S”技术在生态安全评价中的研究态势，进而完善相关学科体系。

一、相关概念识别

(一)“3S”技术

3S技术是遥感(Remote Sensing，RS)、地理信息系统(Geographical Information System，GIS)与全球定位系统(Global Position System，GPS)的统称。地理信息系统(GIS)是由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策等服务。遥感(RS)通常是指通过某种传感器装置，在不与被研究对象直接接触的情况下，获取其特征信息(一般是电磁波的反射辐射和发射辐射)，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学和技术。遥感技术包括传感器技术，信息传输技术，信息处理、提取和应用技术，目标信息特征的分析与测量技术等。全球定位系统(GPS)是一种基于卫星的定位系统，用于获得地理位置信息以及准确的通用协调时间，该系统由美国政府放置在太空轨道中的24颗卫星组成。

(二)生态安全

生态安全的概念早在20世纪70年代就已被提出，但是由于生态安全内涵的丰富和复杂性，以及人们对生态安全的研究尚不够深入，因而一直未能形成统一并普遍接受的定义。1987年世界环境与发展委员会在《我们共同的未来》的报告中首次提出生态安全这一概念。目前对于生态安全的理解存在狭义和广义两种，广义的理解以1989年国际系统分析研究所(IASA)提出的定义为代表，即生态安全是指在人的生活、健康、安全、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化能力等方面不受威胁的状态，它包括自然、经济和社会生态安全，组成一个复合人工生态安全系统。狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映［4］。生态安全评价是对特定的评价对象在一定的时空范围内，对环境的影响过程和状况进行定性或定量化描述。

(三)二者之间的关系

3S技术拥有庞大的系统服务功能，具有与多学科结合起来进行跨学科研究的特点。GIS的空间分析方法中可以嵌入生态学空间复合模型，集成各评价要素进行综合分析；RS技术可以提供生态系统时间序列的多要素、多层次的影像数据，支持变化监测分析和地表参数的反演；GPS在点位数据不确定的情况下可以提供精确在2-10米之内的地理校准和地面实况采集，可在任何天气条件下、全球任何地方工作，不受时间、空间和气候等条件限制，可以有效地提供生态安全所需的现勘技术数据。3S技术不仅能够实现生态要素的综合评价，还能使评价结果的空间特征得以完整地表达。

二、基于“3S”技术的生态安全评价方法现状

目前，生态安全评价尚处于探索阶段，没有形成系统综合的评价指标体系，更没有规范的数据用于生态安全评价；由于不少学者热衷于 “3S”技术在生态安全评价中的应用，所以，生态安全评价已开始从静态转向动态化评价。目前基于“3S”技术的生态安全评价从宏观视角进行评价较多，主要表现为对区域或城市、县域［5-17］和高原［18-20］的生态安全评价；其次从微观视角进行评价，主要表现在流域［21-27］、森林［28-30］、草原［31］、生物多样性［32］、土地利用［33-37］、海岸带湿地［38］、灾区［39］和矿区［40-41］的生态安全评价。本文将从指标体系设计、评价方法和指标量化方法及评价标准三个方面进行梳理，并加以归纳。

(一)基于“3S”技术的生态安全评价指标体系

生态安全评价需依托科学可行的指标体系，因此，构建指标体系是生态安全评价的关键。目前基于“3S”技术的生态安全评价指标体系以区域(城市、县域)研究较多，同时也在流域、森林、草原、高原和矿区等领域有所研究。基于“3S”技术的生态安全指标体系构建主要以P-S-R(压力-状态-响应)理论模型为主来设计各级指标(见表1)，一般都设计目标层、准则层和指标层三级指标，指标层因研究对象不同，指标选取也各异。目标层主要反映的是生态安全总态势；准则层主要包括生态安全的各相关因素，并可以进一步细化；指标层是生态安全评价指标体系设计的关键，是最基本的要素，所有要素都可以量化，且指标选取具有可获得性、层次性、真实性、可比性和可操作性等特点，涵盖经济、社会和生态等诸多内容。

表1 基于“3S”技术的生态安全评价指标体系

(二)基于“3S”技术的生态安全评价方法

生态安全评价在综合各相关学科的研究基础上，在研究方法上逐步从定性研究转向定量化研究，由静态向动态化发展，目前应用“3S”技术对生态安全进行评价的方法主要表现在层次分析法、综合指数法、模糊物元法、景观分析法、马氏距离法等(见表2)，以数学方法进行研究的最多。由于评价对象不同，采用的研究方法各异，评价结果也不同，因此，存在一定的优缺点。

(三)基于“3S”技术的生态安全指标量化方法及评价标准

由于生态安全评价涉及多指标评价问题，评价指标因子量化方法及权重赋值的确定是生态安全研究中非常重要的环节；同时，标准确定是否科学合理，直接关系到生态安全评价结果的正确与否；由于各级指标的量纲、数量级和指标类型存在一定的差异性，因此在评价时，针对不同的研究对象，指标的量化和权重赋值方法不一，评价标准各异，目前基于“3S”技术的指标量化方法和生态安全评价标准主要以以下六种为主：

表2 基于“3S”技术的生态安全评价方法

(2)综合评价法(LESCV)(禚昌芬，2008)，LESCV=；式中，LESCV为评价区域综合安全值，Wi为第i个指标的权重值， pi为第i个指标的安全指数，n为指标总项数。通过专家咨询，划分5个等级：0～0.3(严重危险)，0.3～0.5(危险)，0.5～0.6(预警)，0.6～0.8(较安全)，0.8～1(安全)，确定生态安全程度。薛亮(2011)也采用综合评价法，结合应用ArcGIS栅格叠加运算，将关中地区的生态安全划分为5个等级：安全［0.53～0.60］，临界安全［0.47～0.53)，不安全［0.42～0.47)，较不安全［0.37～0.42)，很不安全［0.32～0.27)。钟凯文等(2011)同样采用综合评价方法对东江流域各县市1988-2007年的生态安全进行评价，将生态安全指数值划分为6个等级，即非常安全，较安全，基本安全，预警，不安全和极不安全，结果显示东江流域近20年的平均生态安全指数由6.5502降到6.1806。张艳丽等(2011)也应用综合评价法对石羊河流域的生态安全等级分为5级，即ESI≥9理想状态(安全状态)，7≤ESI＜9良好状态(较安全状态)，6.5≤ESI＜7一般状态(预警状态)，4.5≤ESI＜5较差状态(中警状态)和＜3恶化状态(重警状态)。郭斌等(2010)在综合评价的基础上，结合应用3S技术对城市土地利用变化的生态安全进行动态评价，提出了5个生态安全级别，即理想安全(＞0.75)，安全(＞0.55～0.75)，临界安全(＞0.45～0.55)，不安全(＞0.35～0.45)和很不安全(≤0.35)。谢华林(2008)基于GIS对内蒙古自治区翁牛特旗的典型农牧交错区土地利用进行了生态安全评价，应用综合评价方法，给出了5级标准，即安全(＞8)，较安全(6～8)，欠安全(6～4)，不安全(4～2)和极不安全(＜2)。

(3)模糊综合比较法(周宁2010)，运用ArcGIS建立的标准网格，将GIS数据库中各项标准化的评价指标值赋给网格，利用模糊综合比较法，计算各单元格压力指标、状态指标和反应指标的安全指数，做归一处理得出百分值。即基于某一体系，假设存在n个评价因子，可构建集合(u1,u2,…,un)和m个单元，每个因子un都存在一个类属度R=(ri1,ri2,…,rin)，n个因子就存在单因子评价矩阵R；存在因子的权重 A'， A'=(a1,a2,…,an)，其中 ai≥0，且，根据A与R计算模糊综合评价B，，其中，对于更多体系，可一次计算B值，将值做归一处理得到生态安全基础指数M。再运用模糊综合比较法和加权平均法计算压力指数、状态指数和响应指数，做归一处理得到生态安全指数W，划分生态安全类型区为：生态安全过度区(3 0 ＜W≤40)；生态较安全区(4 0＜W≤60)；生态安全区(W ＞60)。

(4)综合运用GIS技术及模糊物元关联分析方法(郝敬锋2011)。首先确定生态安全模糊物元R，评价标准M，对应评价标准M的特征C，特征C的模糊量值μ(X)，则有；其次，确定生态安全水平经典域与节域物元，，通过对数据的离散化处理确定各评价指标值，采用等值法得到各评价指标的经典域值，并使节域物元与经典域重合，则有；R为生态安全水平经典0j物元，Ci为第i个评价指标，区间(a0ji,b0ji)为Ci对评价等级 j的经典域，通过关联函数和类属函数kji=μ(Xji),j=1,2,…,m;i=1,2,…,n， X为中介元，m为事物数量，n为特征数量；类属函数采用S形曲线，对于正效指标，指标值越大，生态安全越高；通过关联度计算公式,确定各单元评价结果，应用ArcGIS软件中的空间分析功能对评价结果重新分类，得到4个生态安全级别标准：不安全(90.250～0.355］，临界安全(0.355～0.460)，较安全(0.460～0.565)和安全(0.565～0.670)。

(5)马氏距离法(李晶，任志远2008)。由于马氏距离可以定义为两个服从同一分布并且其协方差矩阵为∑的随机变量与的差异程度：通过两个服务功能关系的拟合曲线拐点阈值，判断是否处于安全状态，利用Arcview中的Mahalanobis Disstances扩展模块计算马氏距离，判定不安全点与其周围相邻点的相似行，并将每个生态点距不安全点的频数分类汇总，进行卡方分析，将陕北黄土高原的生态安全等级划分为5个级别，0～0.2(生态安全区)，0.2～0.4(生态较安全区)，0.4～0.6(临界安全区)，0.6～0.8(生态欠安全区)，0.8～1(生态不安全区)。

(6)AH P与熵权法结合赋权法(刘欣等2009)，能有效克服各自的主客观缺点，能综合考虑主客观因素的指标权重，对河北太行山区的小流域通过加权和法确定各小流域的生态安全状况。首先，基于AHP法，建立判断矩阵和各子系统一致性检验的指标权重排序，确定各项指标对目标层的权重；其次，定义熵权得到第i项指标熵权w"i值；进而对两种计算方法的权重进行排序，按照其一致程度，根据公式wi=aw'i+(1-a）w"i，结合指标体系实际情况取a=0.5，进而得出综合权重wi，采用指数和法对各指标加权平分，得到太行山区各小流域的综合生态安全值S为5级， S＞0.9(理想)， 0.7＜S≤0.9(良好)， 0.5＜S≤0.7(预警)，0.4＜S≤0.5(中警)，S≤0.4(重警)。

三、问题及发展趋势

(一)主要问题

由于“3S”技术的特殊性，在选取研究对象进行生态安全评价时，必然受到各种限制。因此，目前的研究问题主要体现以下几个方面：第一，在指标体系设计上，目前研究主要依据P-S-R模型作为指标体系构建的理论模型较多，用来反映社会活动、经济发展、生态变化等各方面的关系，尚没有形成P-S-R的拓展模型，如D-S-R(驱动力-状态-响应)模型、D-P-S-R(驱动力-压力-状态-响应)模型、D-P-S-I-R(驱动力-压力-状态-影响-响应)模型等；同时，评价指标没有一个固定的模式，多以主观经验获得，准确性不够［50］，同时指标的选取过程中包括重复信息。由于P-S-R模型不能把握系统的结构和决策过程，指标选取具有主观性等弱点；第二，在评价方法上，生态安全研究融合了多学科交叉研究，特别是从静态研究到基于“3S”技术的空间动态研究。目前的评价方法仍以定量化研究为主，但所应用的评价方法是基于现有的生态安全评价方法或拓展，再结合“3S”技术进行的研究较多。由于“3S”技术本身系统功能的特殊性，应用“3S”技术对不同研究对象进行生态安全评价取得了一定的成果，但所采用的生态安全评价方法仍有一定的难点和不足(见表2)，虽然应用了“3S”技术，但仍处于对现状的前期状态进行评价，缺乏对未来一定周期内的预测预警研究；第三，由于生态安全研究的对象不同，时空范围和尺度各异，指标选取的差异化，评价方法及指标权重赋值迥异，造成评价标准不统一，使得生态安全等级划分存在着随意性和评价结果主观性等问题。

(二)发展趋势

基于以上的问题，本文认为基于“3S”技术的生态安全评价发展趋势主要体现以下三个方面：第一，在基于“3S”的生态安全评价指标体系设计时，需进一步拓展评价模型，设计能恰当表达各种因果关系的评价模型，修正现有模型的不足，指标的选取要兼顾主观和客观因素。将3S技术与评价模型相结合，用模型将区域各种因素系统化，构建一套完整的指标体系，形成在区域层面的评价、预测与预警功能于一体的生态安全评价体系，是未来研究的重点，因此评价模型和指标体系的进一步完善将仍然是生态安全研究的主要方向，特别在宏观上的国家、海洋及领空等层面和微观层次的物理、化学、微生物、重金属等领域的生态安全指标体系有待进一步研究；第二，在评价方法研究上，由于目前的研究仍处于前期的静态现状评价，所应用的评价方法大部分都集中对生态系统的风险性和健康性的研究，而生态系统的脆弱性恰恰是评判生态系统安全与否的核心，从生态系统的脆弱性视角，应用3S技术进行动态分析和预警，确定生态系统的脆性值将成为生态安全研究的新方向。同时，基于“3S”技术的生态安全评价又是一个动态的过程，从静态转向动态的评价及预警是生态安全评价发展的必然趋势，所以只有将评价方法、预测、预警与生态化改造方案结合起来研究才算是一个完整的生态安全研究体系，也是未来生态安全研究的发展方向；第三，在评价标准确定上，评价标准难以统一化主要是因为所研究的领域、行业及地域范围等原因造成的。所以，应用3S技术，将生态安全评价标准等级按领域、行业、地域范围等方面合理分类，系统化地确定国家级生态安全评价标准将是未来生态安全研究的一项艰巨而重要任务，将会大大推动区域生态安全的管理和科学决策。

四、结 论

通过对国内外基于3S技术的生态安全评价研究现状的梳理，在指标体系设计、评价方法和评价标准研究上，都存在一定的问题或不足；但由于3S技术的特殊应用功能，解决了生态安全评价从静态转向动态评价的难题；实现了将评价指标体系、评价模型、预测与预警有效结合起来的新方法，对生态安全管理和科学决策起到一定的指导作用。由于3S技术需要大量的数据做支撑，因此在数据获得、调研和分析周期上，需要大量的人力、物力和财力，较之于静态生态安全评价，基于3S的生态安全评价成本代价高。鉴于以上分析，在数据可获得的前提下，基于3S技术的生态安全评价可以在任何国家和地区应用，能有效回答不同阶段的生态安全动态变化状况，具有重要的科学意义和应用价值。

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