1、第九章 城市生态系统的系统分析,城市生态学研究的核心是城市生态系统的系统分析，即对城市生态系统内错综复杂相互关系的辩证分析、预测与调整。,系统分析除了继续依赖经验、实物模型等传统手段外，越来越多地以数学和计算机作为工具。 城市是一类极其复杂的人工生态系统，其中各种社会、经济、自然因素通过各种功能和反馈关系结成一个错综复杂的时空网络。 对于城市这个巨大的复杂系统，如果不使用强有力的分析手段，是不可能进行分析处理的，故系统分析已成为城市生态系统研究中的重要手段。,第一节 城市生态系统分析的步骤,对一个城市生态系统进行系统分析，首先要确定此系统的范围， 接着就是辨识系统结构组分， 选择一套观察分析的
2、指标， 收集这些指标的数据， 用一定的方法对这些数据进行分析， 最后对分析结果加以评判，从而得到该城市生态系统现状的描述。其步骤如图9一1所示。,1.边界确定 边界确定包括对所研究系统性质的确定和范围的确定。 确定研究系统的性质是系统分析的起点；系统范围可以按研究目的、经费来源和有关部门的要求以及相关单位的协同情况来选定研究的区域，划定一定的边界。 城市生态系统的边界划分必须是管理上或地理上有明确定义的，如按区域生态划分、按行政界限划分、按物资集散关系划分。一般来讲，把自然地理联系以及社会经济联系较为密切的地区或一个城市的市区和市郊成在一起较为合理。,例如从不同的功能指标出发，可将上海城市生态
3、系统划分为如下不同的边界线或功能范围： （1）市中心区：由浦西中心城和浦东新区中心城两部分组成。 （2）市区：由市中心区及其相邻的（如宝山、闽行）二级城市（如金山、嘉定、松江）组成。 （3）市行政区：以市区管辖范围划界，包括市辖的各个区、县。,（4）生态经济圈：以城市生态系统的物质能量流动规律及社会经济联系密切程度划界，包括上海市及邻省近沪各县。 （5）腹地：主要以原材料供应地及产品销售市场划界，包括华东地区及长江沿岸地区原材料供应地及产品销售地。,2系统辨识系统辨识包括系统结构组分辨识、功效辨识和过程辨识（王如松，1988）。 （1）组分辨识：城市生态系统中结构组分辨识主要包括环境辨识、资源
4、辨识、人口及人类活动辨识、土地利用强度辨识等。,（2）功效辨识：城市生态系统辨识的第二步是系统功效辨识，即辨别城市的生产功能、生活功能和还原自净功能等的高低和效益的好坏。生产功能常以经济效益来衡量；生活功能反映城市的生活质量，包括居民的收入水平、供应水平等；城市的还原自净功能包括污染消除效应、生物效应、地学效应等。,（3）过程辨识：对城市生态系统进行辨识，不仅要注意考察系统在空间上的纵横交错的联系，而且还要注意研究系统在实践上发展变化的趋势和规律。 任何系统都有其产生、发展和灭亡的过程。城市生态系统的发展状况取决于系统中生态流的流通状况、组分协调状况和自我调控能力的高低，若这三个因素有不合理的
5、状况存在，就可能导致系统平衡的破坏，造成系统结构与功能的退化。故过程辨识必须从生态流、生态协调及自我调控能力等方面对系统进行分析。,3建立指标体系 对系统的研究要落实到具体的结构单元以及各单元可能的联系上，每一项具体事物的研究都要落实到指标上。 为了能互相交流和比较，每个指标有统一的标准，对所有指标进行系统化整理，选定一个规范化的指标体系。 为适应不同研究目的，可以建立不同的相应指标体系，在相似性质的研究中尽量保持指标体系的一致性，使研究结果具有可比性； 但应重视系统结构功能指标的整体性和系统性，从而才能使城市生态系统的各个方面或各项具体问题的研究相互衔接沟通。,4数据的收集与处理 在确定指标
6、体系之后，进一步的工作就是收集这些指标的数据。数据的来源可以通过各种自然科学的调查方法，如大地测量、气象观察、土壤调查、水文地质测量、环境监测等获得；也可以通过各种社会科学的调查方法，如访问、抽样统计、专家咨询等获得；有的还要依据统计部门的统计报表、统计年鉴等。总之，由于城市系统包含的方面很多，其数据来源也各式各样。 收集到的数据要进行整理，应用适当的数学方法对合理的数据进行处理和分析，以说明系统的现状，并作出恰当的评价。,5建立模型建立模型的目的是为了深入认识系统的结构与功能，了解系统结构与功能的相互关系及其影响因素，以便优化系统。系统分析的模型可采用多种计算机语言进行程序化，并在给定的条件
7、下运行模型，获得系统分析结果。通过参数、初始值和外部条件的变化，模型可代表具有同类结构的不同系统或不同管理策略。,6系统分析结果的应用 模型试验得到的结果仅仅是一种主观认识，应付诸实践应用以检验其是否符合客观实际。只有在实际应用中才能最终判断模型的预测是否准确，模型的诊断和评价是否合理，模型提出的方案是否可行。系统分析结果的应用可使人们对系统的认识进一步加深，并促进对原有的系统模型作进一步的更新和修正。,第二节 城市生态系统建模与案例,模型按其与原型之间相似关系的特点可分为： 实物模型和抽象模型。前者是真实系统的放大或缩小，但却具有和原型系统相似的形状或具有某些相似的功能，如河道水力模型和沙盘
8、模型等都属实物模型。 抽象模型又可分为： 概念模型，即一般用文字、符号、图表或语言来模拟系统，使人们能够一目了然地掌握系统组分间的主要依存关系或主要功能过程； 数学模型，是在研究真实系统掌握大量统计数据的基础上，找出系统组分间的数量变动关系，并通过数学语言将这些关系表达出来； 仿真模型，是通过进一步地改变系统参数观察系统的响应，推测系统组分间相互的动态关系。,数学模型和仿真模型都要通过大量的运算，计算机普及之后，一些复杂的数学运算都可由计算机完成，此类模型已逐渐成为城市生态系统分析中最常用的模型。城市生态系统建模是城市生态系统分析的核心。,一、建模步骤1.建立原因环图原因环图即系统成分及其结构
9、联系图。系统成分用自然语言标记加以鉴别，彼此间用箭头联系起来，箭头指向按照各因子的因果方向划出。系统的原因环图结构是更详细的模型框图的基础。,2分析函数关系在原因环图中，只鉴别出系统成分之间的相互联系，没有给出它们的函数关系。建立模型必须知道这些函数关系，如必须确定两个输人量相加还是相乘的关系或更复杂的关系，确定关系后，各关系及参数、初始值、中间值均要定量化。,3模型框图在系统成分、功能、结构、参数及成分间的函数关系被确定以后，选择计算方法，画出模型的框图，它含有计算机程序中需要的所有信息。 4编程模型可以用各种计算机语言编程，如 BASIC语言、FORTRAN语言DYNAMO语言等。,5运行
10、运行是对模型进行计算。模型的目的很少通过一次运算就能达到，通常需要经过多次的运行调试，从中了解系统及其响应效果。,6检验和有效化在建立模型并进行了初始运算后，必须对模型进行检验，以保证模型在结构上、行为上、经验上及应用上的有效性，这种有效化过程通常要对模型中的错误和误差加以鉴别，需要对模型和公式进行部分修改。,二、模型案例 （一）能量模型 图92是HTOdum(1983)描述的一个城市的组分与其许多外部驱动函数的一般性模型。通过合并各种函数（仅留主要驱动函数），Zucchetto(1975)给出了迈阿密的模拟模型（图93）。Forrster(1969)根据大量事实作出了一个城市动态模型（图94
11、）,其中包括了商业发展的三个阶段、房屋的三个水平和劳动力的三个水平（管理者、劳动者和非充分就业者）。 图中所要表示的能源被包括在点线里。,（二）投入产出模型投入产出模型又称部门联系平衡模型，是利用现代数学方法和计算机来研究和分析各种经济活动的投入与产出之间的数量关系。,以一个农业生态工程为例，说明投入产出模型的应用。 假设一农业生态工程由几个组分或亚系统组成，以Xi(i=1,2，3，4，5， ，n)表示第 i个亚系统的总产值，以Xij表示第 j个亚系统在生产过程中所消耗的第i个亚系统的中间产品的产值，以 Yi表示第i个亚系统最终产品的产值，以 Cj表示第j个亚系统的来自外部的原料和动力消耗，以
12、 Dj表示第j个亚系统的固定资产折旧，以 Vj和Mj分别表示第j个亚系统的劳动报酬和纯收入，我们就可以得到农业生态工程系统的投入产出表的一般形式（表9一1）。,显然，投入产出分析表能比较直观而全面地反映一个农业生态工程的经济特征。这些基本的经济特征是进一步做好系统分析的基础。例如，我们可以很容易地从投入产出表中得出一个农业生态工程的各种产品的价值构成，各亚系统的中间产品率和最终产品率，最终产品的构成，各产品的原料消耗、成本和利润，通过该表还可以进一步分析原材料和产品价格变动与工资提高之间的相互影响。,对于一些结构比较简单的农业生态工程系统，可以直接制表和计算分析，但对于复杂的农业生态工程系统就
13、必须依靠计算机来进行这些工作了。表92是环保型投入产出表的一个简化例子。该表从水平方向看，表明各组分或亚系统的产品及副产品的去向。产品包括两大部分，即中间产品及最终产品。中间产品是该农业生态工程系统生产的尚需进一步加工的产品，可用作该系统中其他亚系统的原料、辅助材料、动力消耗用的材料或副产物。,表92中第一行所表示的食用菌培养亚系统,（三）系统动力学模型系统动力学模型（简称SD模型）适用于解决复杂大系统的模拟问题，从原理上来说是一组变微分方程组在计算机上的模拟解，其建模步骤如图9一5所示。,1. 长兴岛SD模型 2北京城市 SD模型在确定变量集和选择指标时，采用了Delphi法加以辅助，聘请了
14、49位专家，经过两轮调查研究后，确定了变量集。变量集共分为6个子系统，即城市人口、城市用地、工业、城市服务、政治文化和环境污染；反馈环50个，包括24个正环和26个负环；变量163个，方程351个（王如松，1988）。,（四）灵敏度模型德国法兰克福灵敏度模型以一个城市为研究对象，将系统科学的思想、生态学的理论以及城市规划融为一体，去评价、解释和规划城市复杂的系统关系。基本工作程序为界定问题、筛选变量、建立模型、宏观模拟、系统行为总体解释与评价、系统决策、政策试验和优化选择等八个步骤（王如松，1988）。,（五）可能一满意度模型,北京环保所吴峙山、赵彤润等在1987年运用可能一满意度模型评价北京
15、东城分区的城市生态现状和规划。,除上述介绍的分析方法外，其他方法如线性规划、泛目标生态规划、蒙特卡罗法、系统动力学方法等亦可用于城市生态系统的分析，详情可参考有关书籍，在此不一赘述。,第三节 系统的评估与优化,城市生态系统分析的根本目的是要最大限度地提高城市生态系统的效益。 城市是各类不同利益的集团（包括生产者、消费者等）冲突的统一体，每个子系统都在追求本系统的最优目标，这是城市生态系统演替的动力，也是城市问题的症结所在。 因此，长期以来，城市生态系统分析的最优目标就是实现城市总体的最优规划、建设和管理。,城市生态系统评估与优化的常用方法,一、专家评估法 以专家为取得信息的源泉，组织各有关领域
16、的专家，运用其经验和专业知识，对城市生态系统的过去和现在进行综合分析，对发展远景作出推断。 其最大优点是在缺乏足够数据资料的情况下，可以对城市生态系统的发展前景作出推断。,专家评估法主要有四大类：,（1）个人判断预测法：依靠专家对预测对象未来的发展趋势及状况作出专家个人的判断。 （2）专家会议预测法：指依靠一定数量的专家，对预测对象未来的发展趋势及状况作出判断，做到集思广益、互相启发。 （3）头脑风暴法：是专家会议预测方法的具体运用，通过专家之间的信息交流，引起“思维共振”，产生组合效应，进行创造性思维，形成宏观智能结构的方法。 （4）专家系统：专家系统是自20世纪60年代以来迅速发展的一种以
17、总结专家的经验和知识，通过推理解决非结构化问题为特色的一种智能软件系统。,二、特尔斐法,美国兰德公司1964年首先采用的一种方法，其核心是充分发挥专家对问题的独立看法，然后归纳、反馈，逐步收缩、集中，最终导致评价与判断的产生。其基本过程： （1）确定提问的提纲：列出的调查提纲应当用词准确，层次分明，集中了要判断和评价的问题。 （2）选择专家：为了得到较好的评价和决断结果，通常需要选择对问题了解较多的专家1050人，少数重大问题可选择100人以上。 （3）调查结果的归纳、反馈和总结：收集到专家对问题的判断后，应作一归纳。定量判断的归纳结果通常符合正态分布。,三、层次分析法,按系统分析的观点，若一整体系统必须满足一定条件，则各级子系统也必须满足相应的条件，如果每一子系统都能达到其规定的目标，则整体目标也能达到。如：城市环境质量的层次分析基本步骤。 （1）建立层次系统 （2）构造判断矩阵 （3）计算相对权重（4）计算综合评价结果,思考题,城市系统分析的目的和内容是什么？ 城市生态系统分析的步骤是什么？ 试述城市生态系统分析中数学模型的主要类型及特点。 试述城市生态系统分析的评估与优化的主要方法及特点。,
