表征数据的可视化渲染算法的研究

　　城市环境的质量高低与人们生活的方方面面密切相关，要更为准确地掌握城市环境的目前状态和未来的可持续发展态势，根据地域特征和发展特色，选取有代表性的指标，评价分析城市的环境质量，有助于城市的综合性发展。关于长沙市环境质量表征可视化的研究分析还比较少。因此以长沙市为研究对象，参考借鉴国内外具有操作性价值的一些评价指标体系，从多个方面系统综合地对长沙市的环境质量进行研究，可以更准确地为城市的可持续发展提供科学系统的评价依据。
　　（1）为城市内部矛盾提供解决方案。
　　城市是人们日常生活工作的主要区域，也聚集着各种矛盾。城市经济建设是以各种问题的出现为代价的，各种城市病集中反映的就是城市经济建设与环境之间的各种冲突，通过对城市的生境质量发展状况进行研究，可以发现城市建设中的具体矛盾冲突，以及引起各种城市问题的具体原因，分析主导的约束条件和原因，并提出具有针对性的改善方案，有效缓解或解决这些矛盾。
　　（2）为改善城市环境提供参考借鉴。
　　在城市经济的快速提升的进程中，人类生存的环境和自然资源遭到不同程度的伤害，研究城市环境质量的首要目的就是要让人们意识到保护环境的重要性，对于改进优化整体环境质量以及今后的城市生态体系保护和发展工作都有积极的引导作用。
　　（3）助推城市协调、稳定的可持续发展。
　　对城市环境质量进行研究主要是为了实现经济建设、治理污染和谐融洽发展。根据研究结果可以找出城市环境建设的有利条件、成长弊端、实际状况水平和将来发展走向，为制定相应的城市环境规划提供基础和依据，提出更适宜的协调统一发展模式。从而做好整治城市环境水平和改善城市环境管理效率的第一步，促进城市的可持续发展。
　　国外最早关于环境质量的探讨起始于上世纪 60 年代，在之后的 10 年受到更多人追捧，相关研究受到了前所未有的关注并快速发展。在后来几十年的发展中就开始不断有学者提出各种与环境相关的概念，同时相继关注到要对环境做出评价，结合其他学科内容形成适合环境评价的方法和研究，如 70 年代 Dr.Raport提出的生态系统医学概念，80 年代出现的生态系统敏感性，尤其在生态环境研究方面具有里程碑式的可持续发展观念，之后开始出现生态足迹(William R,etal,1992)与生态风险评价(United States Environmental Protection Agency, 1992)的概念。这些概念和评价方法的问世都为后来生态环境的发展探讨留下了有价值的理论基础。
　　a.关于环境质量评价指标体系的研究
　　面对逐步完善的环境内容,国际上对于环境评价指标体系的研究也出现了不同领域、不同等级、不同衡量标准的划分。其中最具影响力的是由联合国可持续发展委员会(UNCSD)构建的，其使用的是＂驱动力—状态—响应＂(DSR)模型，它是包涵了区域可持续发展所相关的社会、经济、环境和制度等四个角度的内容，特别强调政策对于可持续发展的作用。Atkinson A(1995)则联合经济、环境、文化及社会四个维度的要素构建洛杉矶的可持续发展指标体系，然后将各个子系统单独拿出来分析研究，再综合起来研究相互之间的作用，并且积极征求洛杉矶居民的意见建议来构建具有针对性的指标体系。Richardson B J（1998）从城市环境、经济和社会三个维度来分析新西兰玛努卡市的适宜度发展,从以下要素层选择了指标:归属感、社区的稳定、建筑物的质量、社区的健康、当地经济增长、教育水平和就业、健康的环境七个方面与高密度生存空间相关的问题。Zurlini G.（2006）则从资源、经济、社会弹性力三个角度建立城市环境评价指标体系 。Mafull J（2007）等设计的指标体系从土地适宜性的视角,架起包含了自然境适宜性、生物环境适宜性以及功能适宜性三个维度的指标体系,选用的评价方法是地理信息系统(GIS)方法,根据结果提出促进城市可持续发展的对策建议。
　　b.关于环境质量表征方法的研究
　　国外对于城市环境质量的表征更加关注的是过程和结果的实用性和可操作性，从城市的发展建设、维护系统的完整性的立场展开，选取城市环境质量表征方法。 Grossman G 及 Krueger A（1995）应用定量统计计算方法对 43 个经济发展水平较高国家的城市经济发展和环境质量的关系作出研究，并由此诞生了经济学上知名的环境库兹涅茨曲线假设。Thomas wendei JHW 等人基于生态安全的视角，以科罗拉多河附近环境为研究对象。他们结合森林、水域和草地等三个子系统对科罗拉多河附近区域的生态安全性进行了科学严谨的全方位的评价分析。一共选择 11个指标构建环境安全评价的指标体系，采用的方法为改进之后的集群法分析法，先从三个方面分别展开，最后得出综合评价分析结果，通过得出的环境安全水平分成不同程度的三个等级 。Mafull J（2007）选用的评价方法是地理信息系统(GIS)方法,根据结果评价突袭适宜性并提出促进城市可持续发展的对策建议。H.Y.Wu，K.L.Chen 等（2012）等对三个半封闭沿海地区评估生态环境质量，采用层次分析根据生物分子和理化元素构建了一个 11 个指标的指标体系，通过计算权重获得生态质量状态评估。Pierre-Alexandre Rastorgueff 等（2014）以结构运作理论模型构建了地中海海底洞穴生态系统，在此生态系统基础上建立了质量指数框架（EBQI）用于评估地中海海底洞穴及其周围环境的环境质量。其中各成分权重按照洞穴生态系统的结构和功能重要性来确定，然后这些参数被汇总为一个相关指数，即 Cav EBQI，用于评估法国和意大利共 22 个洞穴遗址的环境质量，对结果进行分析发现大多数洞穴介于中度到高度的环境质量。
　　我国研究者从上个世纪 80 年代时关注到对环境质量的评价，到 90 年代逐渐开始发展起来，国内学者随着研究的深入，研究不再继续停留在概念和理论层面，开始利用不同的数理方法对环境的质量进行定量化的研究分析。
　　对于环境质量的评价国内也尚未形成一个统一的评价方法，不同的研究人员和学者所选用的计算方法也不是统一的，但普遍上是选用定性与定量相结合的研究方法。通过大量相关文献的阅读，目前已经应用于环境质量的研究分析算法主要有有主成分分析法、模糊综合评价法、生态评价指数法、层次分析法等。
　　a.主成分分析法
　　主成分分析是1993年由霍太林首次提出的。主成分分析是运用减少维度的思路，在尽最大可能不丢失数据内容的前提下提取出几个综合性变量来代表原始数据的多个指标，从中提取出来的综合变量即主成分，主成分减少了变量的数量，降低了数据信息的重复性和相关性。按照方差由大到小的顺序依次选择主成分，是原始变量的线性组合，而且主成分之间没有相关关系，同时能在最大程度上体现原始数据传达信息，由此主成分的性能比原始数据更优越。
　　许丛（2008）等对构建的环境指标体系中的数据采取主成分分析法模型计算分析，对安徽省所有城市的环境质量水平做了综合评价和对比研究,为安徽文明城市的开展和未来环境规划提供有价值的基础数据。程砚秋、迟国泰（2011）利用DPSIR框架构建了环境指标体系，基于核主成分分析方法的建立了算法模型, 挑选十个有代表性的城市进行评价。孙东升（2013）构建南京市的城市环境质量从环境污染和生态破坏两个角度出发，研究方法选择的是主成分分析法，评价对象为南京市 5 年的环境质量。由主成分分析结果得出南京市的环境质量发展快而稳，而且根据分析结果得出对南京市环境影响最大的污染是大气污染和工业排放污染，分析结果主要是南京市在追求经济总量快速升高的同时，吸引了很多外来居民和单位，由此出现人口膨胀、企业只追求利益而忽略环境，并据此提出了有借鉴性的建议。
　　b.模糊综合评价法
　　模糊综合评价法的理论基础是模糊数学，运用模糊数学中的隶属度函数将多因素的指标体系从定性化评价转换成定量评价，以此得出整体评价。该方法有助于将定性化问题转换成定量化问题，使结果更加清晰直观，具有较强的系统系，很好地解决了很多非确定性问题。目前已经被运用于各种领域，特别是在生态环境质量评价方面的使用已经日渐成熟。具体计算步骤为：①确定各级评价因素，②确定评价细则，③设定各级评价因素的权重分配，④进行评标和评议。
　　王秀（2013）在对环境质量进行评价时，主要运用了用隶属度来对环境质量进行分级，同时关注到分级边界的模糊性，其中的隶属度借助于隶属函数来体现。王宝刚（2006）结合县（市）域的发展特色，从人居环境、社会公平、产业结构、生态建设及资源利用五个角度出发，选择 40 个指标构建指标体系，采用模糊综合分析方法对县（市）域的环境质量进行评价分析。黄晓阳等人（2011）为山东义桥矿区构建生态系统模糊综合评价指标体系，由原始数据得出隶属度函数，应用熵技术改进来为指标赋权，得出最后的矿区生态现状健康值。
　　c.生态指数评价法（EI）
　　国家环保局针对环境评价推出了相关试行规范，试行规范中对环境质量评价指标体系、评价计算过程和分等级情况都给出了规定。此试行规范分别从植被、水、土地和生物情况给出相关指标，根据这五个方面的指数得出综合评价指数来对区域环境质量进行综合评价。目前，此法也已在各地政府和环保部门广泛采用。计算过程是各个指数与其所对应的权重相乘并求和即是某个区域的环境状况指数。根据 EI 数值大小，将环境状况分成五个层次。其中 EI≥75 时状况为优，各方面稳定，环境质量最高，55≤EI＜75 时等级为良，还是具有适合人类生存的条件，35≤EI＜55 时等级为一般，偶尔会出现制约人类生活的因子，20≤EI＜35 等级较差，当 EI＜20 时等级为差，出现这两种情况都代表评价区域的环境极其恶劣。
　　d.层次分析法
　　层次分析法（Analytic Hierarchy Process 简称 AHP）主要是需要解决繁琐问题时，对研究对象的实质、内部结构、外在条件等进行深化细致的分析。层次分析法同样把研究对象逐级分成四个不同级别，从高到低依次为总目标、子系统目标、评价标准以及具体的解决对策，运用的方法是对判断矩阵求解特征向量，根据特征向量得到每一个层次元素对于上一层次特定元素的优先权重值，最终把加权求和逐渐合并到每一个待用对策对总目标层次的整体权重值，结果中最终权重值最大即最优的解决对策。此方法法最适合对那些有分层交错评价指标的复杂体系使用，这些体系的目标值一般不能用定量计算的方法描述分析。