基于SPSS軟件的主成分分析法探析——榆次區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價

郭瓊

（晉中師范高等?？茖W(xué)校，山西 榆次030600）

人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展已對某些區(qū)域的土地生態(tài)系統(tǒng)造成沖擊與破壞，某些破壞已經(jīng)達到甚至超過了土地的生態(tài)承受能力。因此，對土地生態(tài)系統(tǒng)健康進行科學(xué)評價，準確掌握土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展測度的一個重要內(nèi)容，也是進行土地生態(tài)系統(tǒng)健康分析、土地利用規(guī)劃與建設(shè)、土地生態(tài)健康預(yù)測和預(yù)警的重要依據(jù)。

國外將生態(tài)系統(tǒng)作為全球環(huán)境變化研究的重要領(lǐng)域，其研究內(nèi)容主要集中在基因工程生態(tài)安全、化肥農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的施用、對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康與生態(tài)安全的影響等方面。

我國對于生態(tài)系統(tǒng)健康的研究，還處于起步階段，把生態(tài)系統(tǒng)健康引入具體操作還比較少，并且主要是從土地生態(tài)恢復(fù)的角度去研究和探討生態(tài)系統(tǒng)健康的問題。

圍繞區(qū)域環(huán)境、經(jīng)濟、社會特點及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、服務(wù)等問題，針對榆次區(qū)的區(qū)域特點，依據(jù)當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)健康研究理論，建立了生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價的壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型，在SPSS軟件中運用主成分分析法，對生態(tài)系統(tǒng)進行綜合分析。

1 材料與方法

1．1 數(shù)據(jù)材料

本文數(shù)據(jù)主要來源于榆次區(qū)第二次土地調(diào)查，通過屬性查詢，將屬于同一鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、辦事處）的行政村進行合并，生成鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、辦事處）的行政區(qū)域面文件（＊．wp）及行政界線文件（＊．wl）。根據(jù)屬性修改參數(shù)，將不同的地類存放于不同圖層，再分別輸出，得到各主要地類分布圖（林地、耕地、建設(shè)用地、未利用土地等）。從 MAPGIS中輸出屬性表，在EXCEL里進行統(tǒng)計，計算各地類的面積、比例和斑塊數(shù)量，作為健康評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。綜合指標采用SPSS對標準化之后的數(shù)值進行主成分分析，計算得出狀態(tài)及健康綜合指標分值，再用EXCEL圖表分析。

1．2 采用主成分分析法進行綜合評價的原因

第一，主成分分析的降維處理技術(shù)能較好地解決多指標評價的要求。

第二，主成分分析進行多指標綜合評價時的權(quán)數(shù)處理與其他方法相比有很大的區(qū)別。主成分分析在進行多指標綜合評價時，權(quán)數(shù)是從信息量和系統(tǒng)效應(yīng)角度來確定的。在數(shù)理統(tǒng)計中，信息量通常是用離差平方和或方差來表示的［1］。

主成分分析計算綜合評價時用的是信息量權(quán)數(shù)。信息量權(quán)數(shù)是從指標所含區(qū)分樣本的信息量多少來確定重要程度的。而指標估價權(quán)數(shù)是根據(jù)評價者對指標自身重要程度的估價而確定的，可以人為調(diào)整。信息量權(quán)數(shù)是伴隨數(shù)學(xué)變換過程生成的，不能人為調(diào)整。

1．3 主成分分析法具體步驟

運用主成分分析法進行決策時，大體上應(yīng)分為以下幾個步驟進行：

Ⅰ數(shù)據(jù)標準化；

Ⅱ求相關(guān)系數(shù)矩陣；

Ⅲ一系列正交變換，使非對角線上的數(shù)置0，加到主對角上；

Ⅳ得特征根Xi（即相應(yīng)那個主成分引起變異的方差），并按照從大到小的順序把特征根排列；

Ⅴ求各個特征根對應(yīng)的特征向量；

Ⅵ用下式計算每個特征根的貢獻率Vi：

Ⅶ根據(jù)特征根及其特征向量解釋主成分物理意義。

1．4 指標數(shù)界定

結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標的選取原則［2～4］，在選取指標時緊緊圍繞生態(tài)系統(tǒng)功能和人類活動進行，綜合考慮榆次區(qū)區(qū)域的社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用格局狀況、土地利用和土地覆被狀況，并通過壓力—狀態(tài)—響應(yīng)指標概念框架來表述［5～9］。具體指標體系見表1。

表1 指標計算實值Table 1 Index calculation real value

1．5 數(shù)據(jù)處理

在前期的分析研究中已經(jīng)采樣了榆次區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的多種指標數(shù)，標準化處理后各項指標值如表2所示。

表2 標準化后指標值Table 2 After standar dization to the index

2 結(jié)果與分析

健康綜合指標在SPSS中采用主成分分析法，提取特征值＞1的指標數(shù)，如表3所示。

通過表3可以看出，特征值大于1的有3個成分，通過表4的載荷矩陣可以看出，人口密度、人口干擾度、區(qū)域平均碳密度、優(yōu)勢度指數(shù)、破碎度指數(shù)、林地覆蓋率、人均收入在第1主成分上有較高的載荷，說明第1主成分基本反映了這些指標的信息；土地墾殖率、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、林地覆蓋率在第2主成分上有較高的載荷，說明第2主成分在反映了這些指標的信息；破碎度指數(shù)、生態(tài)彈性度在第3主成分上有較高的載荷，說明第3主成分在反映了這些指標的信息。用3個新變量代替原來的11個變量。

表3 特征值、貢獻率和累積貢獻率Table 3 Eigenvalue，contribution and cumulative contribution

表4 主成分載荷矩陣Table 4 Main co mponent scores

在整個計算過程中，標準化后的指標數(shù)和生態(tài)健康都成正向相關(guān)，而所引用的指標標準是指標值越小越健康，所以在綜合指標歸整化處理中做了反向處理，即10－所得值。所得結(jié)果如表5所示。

表5 健康綜合指數(shù)Table 5 Healt hy co mprehensive index grading

通過表5可以看出，長凝鎮(zhèn)的主成分1和3所起的作用最大，而主成分1是通過人口密度、人口干擾度、區(qū)域平均碳密度、優(yōu)勢度指數(shù)、破碎度指數(shù)、林地覆蓋率、人均收入反映的，主成分3是通過破碎度指數(shù)、生態(tài)彈性度體現(xiàn)的，說明長凝鎮(zhèn)人口密度、人口干擾度、區(qū)域平均碳密度、優(yōu)勢度指數(shù)、破碎度指數(shù)、林地覆蓋率、人均收入比較大，由于人口密度、人口干擾度、破碎度指數(shù)、人均收入和生態(tài)健康指標存在反向影響，而區(qū)域平均碳密度、優(yōu)勢度指數(shù)、林地覆蓋率和生態(tài)健康指標屬于正向影響，所以說，長凝鎮(zhèn)的生態(tài)狀態(tài)較好；受主成分2影響大的是烏金山鎮(zhèn)，而主成分2是通過土地墾殖率、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、林地覆蓋率體現(xiàn)的，同樣土地墾殖率和生態(tài)指標存在反向影響，說明烏金山鎮(zhèn)的生態(tài)狀態(tài)相對還可以；綜觀健康綜合指標數(shù)，長凝鎮(zhèn)是最高的，由于存在指標負相關(guān)影響，長凝鎮(zhèn)土地生態(tài)系統(tǒng)健康，但是人均收入較低，因此建議能夠多發(fā)展經(jīng)濟；同理東陽鎮(zhèn)的土地生態(tài)系統(tǒng)健康最差，而晉中經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、東趙鄉(xiāng)、郭家堡鄉(xiāng)、張慶鄉(xiāng)、修文鎮(zhèn)都屬于同一區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)也很不好，因此建議這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)在發(fā)展經(jīng)濟的基礎(chǔ)上，加快調(diào)整生態(tài)結(jié)構(gòu)，使經(jīng)濟和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

3 結(jié)論與討論

以榆次區(qū)（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）生態(tài)系統(tǒng)為評價單元，在分析已有的生態(tài)系統(tǒng)健康的理論基礎(chǔ)上，根據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署提出的壓力—狀態(tài)—響應(yīng)（P－S－R）模型，設(shè)計了榆次區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價的壓力—狀態(tài)—響應(yīng)指標體系模型及綜合評價方法，選取土地壓力、人口壓力、活力、組織、恢復(fù)力、自然系統(tǒng)及人類系統(tǒng)響應(yīng)等指標進行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價，采用SPSS科學(xué)計算軟件中主成分分析法進行生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合指數(shù)計算，得出壓力、狀態(tài)、響應(yīng)及健康綜合指標分值。

健康綜合分析結(jié)果表明：榆次區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況北部和東南部相對良好、城區(qū)周圍中部地區(qū)相對較差。林地和未利用地所占比例較大的地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相對良好，耕地所占比例較大的地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相對較差，建設(shè)用地所占比例較大的地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況相對較差。這說明地類對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響有著明顯差異。

區(qū)域的土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況是處于動態(tài)變化中的，以某一基本時間段為本底，進行時間序列的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況動態(tài)變化研究，是很有研究價值和實際意義的。由于時間及數(shù)據(jù)的限制，只進行了現(xiàn)狀評價，但為以后進行土地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況動態(tài)變化研究打下了基礎(chǔ)。

由于受研究資料數(shù)據(jù)及手段的限制，建立的指標體系不夠完善，如沒有采用土壤侵蝕度、坡耕地比例等相關(guān)指標。希望今后通過加大數(shù)據(jù)收集及實地調(diào)查力度，對數(shù)據(jù)及指標體系進行完善。

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