張 珂， 孫 升

(安徽建筑大學(xué)a.城市建設(shè)學(xué)院建筑與藝術(shù)系,安徽 巢湖 238076;b.建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥 230022)

0 引 言

城市環(huán)境保護(hù)建設(shè)的不斷推進(jìn)和發(fā)展，需要進(jìn)行城市景觀環(huán)境的承載水平分析，進(jìn)行環(huán)境承載力預(yù)測(cè)，提高環(huán)境承載水平。根據(jù)環(huán)境承載力的預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行環(huán)境保護(hù)控制，提高城市環(huán)境管理能力，相關(guān)的環(huán)境承載力預(yù)測(cè)方法研究受到人們的極大關(guān)注[1]。對(duì)城市景觀環(huán)境承載力的預(yù)測(cè)建立在對(duì)環(huán)境承載水平的自適性控制和特征分析基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)的融合性跟蹤識(shí)別方法，進(jìn)行環(huán)境承載力的優(yōu)化預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)方法中，對(duì)環(huán)境承載力預(yù)測(cè)方法主要有關(guān)聯(lián)特征檢測(cè)方法、模糊信息聚類方法和統(tǒng)計(jì)分析方法等[2-3]，建立環(huán)境承載大數(shù)據(jù)分析模型，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行環(huán)境承載力預(yù)測(cè)，但傳統(tǒng)方法進(jìn)行環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的自適應(yīng)性較差。對(duì)此，此次研究提出基于深度學(xué)習(xí)的環(huán)境承載力預(yù)測(cè)模型。建立城市景觀環(huán)境承載力的模糊相關(guān)性特征辨識(shí)模型，結(jié)合模糊信息聚類方法進(jìn)行環(huán)境承載力的統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)城市景觀環(huán)境承載力數(shù)據(jù)分析結(jié)果，采用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的自適應(yīng)尋優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)城市景觀環(huán)境承載力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。進(jìn)行仿真測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 城市景觀環(huán)境承載力的統(tǒng)計(jì)分析和大數(shù)據(jù)建模

1.1 環(huán)境承載力的統(tǒng)計(jì)分析

為了實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)，需要構(gòu)建環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析模型。根據(jù)約束變量分析的方法進(jìn)行環(huán)境承載力的優(yōu)化預(yù)測(cè)和自適應(yīng)尋優(yōu)，建立環(huán)境預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析模型。采用模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則分析方法，進(jìn)行環(huán)境預(yù)測(cè)的自適應(yīng)控制，提高城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的輸出穩(wěn)定性，構(gòu)建環(huán)境承載力的統(tǒng)計(jì)分析模型[4]。采用模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法，建立城市景觀環(huán)境承載力統(tǒng)計(jì)分析的模糊度分析模型，表述為公式(1)：

(1)

式(1)中，φa為環(huán)境承載力評(píng)估的關(guān)聯(lián)規(guī)則系數(shù)，ω為環(huán)境承載力分布的自適應(yīng)加權(quán)學(xué)習(xí)系數(shù)。采用統(tǒng)計(jì)分析方法，構(gòu)建城市景觀環(huán)境承載力的先驗(yàn)信息分布式融合模型[5]，環(huán)境承載力自動(dòng)化預(yù)測(cè)的模糊迭代計(jì)算式(2)為：

(2)

式(2)中，Newi′=(ei′,1，ei′2，…，ei′D)，表示城市景觀環(huán)境承載力評(píng)估的分布式調(diào)度集，取c=1/nj，采用模糊C均值聚類，得到環(huán)境承載體檢測(cè)的大數(shù)據(jù)聚類分布表示為公式(3)：

(3)

通過(guò)上述模型，采用自適應(yīng)尋優(yōu)方法進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力的可靠性預(yù)測(cè)，通過(guò)量化尋優(yōu)方法，進(jìn)行環(huán)境承載力控制[6]，得到環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的最優(yōu)參數(shù)估計(jì)值為公式(4)：

opij=k*(minj+maxj)-xij

(4)

式(4)中，opij為環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的最佳統(tǒng)計(jì)特征量，minj為環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的模糊度特征分布融合系數(shù)。采用自適應(yīng)量化尋優(yōu)方法，進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)，得到梯度分析模型，如公式(5)：

(5)

式(5)中，F(xiàn)(x)表示城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)控制目標(biāo)函數(shù)，vi(x)表示自適應(yīng)擴(kuò)展系數(shù)，構(gòu)建環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的模糊隸屬度函數(shù)，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.2 環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的大數(shù)據(jù)建模

采用模糊信息融合方法進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力的特征分布式檢測(cè)，建立環(huán)境承載力的模糊相關(guān)性特征辨識(shí)模型，進(jìn)行環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的相似度分析[7]。得到相似度函數(shù)為公式(6)：

(6)

式(6)中，vi是第i個(gè)模糊相似特征的集合。

依據(jù)環(huán)境承載力預(yù)測(cè)相似度分析結(jié)果，在有限狀態(tài)空間中，提取環(huán)境承載力大數(shù)據(jù)分布特征量，得到大數(shù)據(jù)空間分布集，如公式(7)：

(7)

通過(guò)式(7)，得到城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的大數(shù)據(jù)分析模型，采用模糊信息融合方法進(jìn)行環(huán)境承載力的特征分布式檢測(cè)[8]。根據(jù)環(huán)境承載力大數(shù)據(jù)分布特性進(jìn)行多維參數(shù)融合，建立空間規(guī)劃模型為公式(8)：

(8)

式(8)中，usi(k)表示環(huán)境承載力分布式檢測(cè)函數(shù)，結(jié)合模糊度特征構(gòu)造方法，進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)和自適應(yīng)評(píng)估。

2 城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)模型優(yōu)化

2.1 環(huán)境承載力統(tǒng)計(jì)特征分布式檢測(cè)

在構(gòu)建城市景觀環(huán)境承載力的大數(shù)據(jù)分析模型，在提取反映環(huán)境承載力特征量信息分布集的基礎(chǔ)上，進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)。提出基于深度學(xué)習(xí)的城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)模型。根據(jù)環(huán)境承載力分布特征進(jìn)行環(huán)境信息檢測(cè)，建立城市景觀環(huán)境承載力的模糊相關(guān)性大數(shù)據(jù)分析模型[9]。環(huán)境承載力實(shí)體負(fù)載為Cij，采用關(guān)聯(lián)規(guī)則性檢測(cè)的方法進(jìn)行環(huán)境承載力的負(fù)載檢測(cè)，得到檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量為公式(9)：

(9)

(10)

通過(guò)上述數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，建立城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的多參數(shù)融合模型，采用自適應(yīng)參量融合方法進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)函數(shù)滿足公式(11)：

gk+AkΔxk=0

(11)

環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的模糊隸屬度函數(shù)滿足公式(12)：

(12)

采用深度學(xué)習(xí)方法，得到城市景觀環(huán)境承載力的自適應(yīng)學(xué)習(xí)函數(shù)如公式(13)：

usi(k)=netsi(k)

(13)

城市景觀環(huán)境承載力的空間負(fù)荷表示為公式(14)：

xi=

(14)

式(14)中，wj為第j個(gè)城市景觀環(huán)境空間的分析參數(shù)，n為環(huán)境空間的分區(qū)范圍。

根據(jù)以上計(jì)算，建立環(huán)境承載力統(tǒng)計(jì)特征分布式檢測(cè)模型，根據(jù)環(huán)境承載力數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得到環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)特征量。

2.2 環(huán)境承載力預(yù)測(cè)輸出

建立城市景觀環(huán)境承載力的模糊相關(guān)性特征辨識(shí)模型，結(jié)合模糊信息聚類方法進(jìn)行環(huán)境承載力的統(tǒng)計(jì)分析，城市景觀環(huán)境承載的應(yīng)力分布表示為公式(15)：

(15)

式(15)中，Φk為環(huán)境承載力的自回歸統(tǒng)計(jì)平均值，ζ(n)為環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的回歸系數(shù)，pk為尺度參數(shù)。構(gòu)建城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的自相關(guān)特征匹配函數(shù)，得到匹配特征集為公式(16)：

(16)

式(16)中，bk為環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的主成分特征量，φ為相似度信息，m為期望的響應(yīng)，ck為環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到輸出的關(guān)聯(lián)規(guī)則集：

(17)

(18)

(19)

圖1 城市景觀環(huán)境信息承載分布的原始數(shù)據(jù)

圖2 城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 不同方法環(huán)境特征識(shí)別準(zhǔn)確率

式(19)中，rect(t)=1,|t|1/2。對(duì)城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)尋優(yōu)，優(yōu)化預(yù)測(cè)模型為公式(20)：

(20)

式(20)中，Gj和Gk都具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)關(guān)聯(lián)性分布，進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為了測(cè)試研究方法在實(shí)現(xiàn)城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)中的應(yīng)用性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。對(duì)城市景觀環(huán)境承載力的檢測(cè)信息長(zhǎng)度為1024GB，特征采樣的頻率12.8Hz，城市景觀環(huán)境信息的干擾強(qiáng)度為-10dB～10dB，得到原始數(shù)據(jù)如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的環(huán)境數(shù)據(jù)分布，采用研究方法進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力的特征分布式檢測(cè)，建立環(huán)境承載力的模糊相關(guān)性特征辨識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)。得到預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

分析圖2得知，研究方法進(jìn)行環(huán)境承載力的預(yù)測(cè)結(jié)果與原始數(shù)據(jù)貼合程度高，說(shuō)明預(yù)測(cè)精度較高。主要是因?yàn)榇舜窝芯坎捎媚：畔⒕垲惙椒▽?duì)城市景觀環(huán)境承載力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，縮減的預(yù)測(cè)范圍，進(jìn)一步提高了預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度。

在城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)過(guò)程中，識(shí)別相關(guān)環(huán)境特征的準(zhǔn)確率影響預(yù)測(cè)結(jié)果。為了驗(yàn)證研究方法的環(huán)境特征識(shí)別準(zhǔn)確率，在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)比傳統(tǒng)方法方法的城市景觀相關(guān)環(huán)境特征識(shí)別準(zhǔn)確率。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

分析圖3得知，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳統(tǒng)方法的環(huán)境特征識(shí)別準(zhǔn)確率低于70%，而研究方法的環(huán)境特征識(shí)別準(zhǔn)確率高于傳統(tǒng)方法，且最高識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)90%。說(shuō)明研究方法的識(shí)別準(zhǔn)確率高，城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)城市景觀環(huán)境承載力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，此次研究提出一種基于深度學(xué)習(xí)的城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)模型。根據(jù)環(huán)境承載力分布特征進(jìn)行環(huán)境信息檢測(cè)，構(gòu)建環(huán)境承載力的大數(shù)據(jù)分析模型。提取反映環(huán)境承載力特征量的環(huán)境物理信息分布集，建立城市景觀環(huán)境承載力的模糊相關(guān)性特征辨識(shí)模型。結(jié)合模糊信息聚類方法進(jìn)行環(huán)境承載力的統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)環(huán)境承載力數(shù)據(jù)分析結(jié)果，采用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的自適應(yīng)尋優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)城市景觀環(huán)境承載力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。經(jīng)驗(yàn)證，運(yùn)用研究方法進(jìn)行城市景觀環(huán)境承載力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較高，收斂性較好，在環(huán)境保護(hù)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。