生態(tài)城市多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

孫紅躍，范 文

(1. 天津城建大學(xué)，天津 300384；2. 天津大學(xué)，天津 300072)

經(jīng)濟(jì)與管理

生態(tài)城市多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

孫紅躍1,2，范 文1,2

(1. 天津城建大學(xué)，天津 300384；2. 天津大學(xué)，天津 300072)

依托已有的生態(tài)城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)天津市生態(tài)城市建設(shè)特點(diǎn)，對(duì)體系中各指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充．利用主成分分析方法和聚類(lèi)分析法構(gòu)建生態(tài)城市綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用仿真數(shù)據(jù)在綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)證分析，給出生態(tài)城市建設(shè)的評(píng)價(jià)及建議．

生態(tài)城市；評(píng)價(jià)系統(tǒng)；主成分分析；聚類(lèi)分析

《天津市城市總體規(guī)劃(2005—2020)》確定了天津的城市性質(zhì)：是環(huán)渤海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)中心，要逐步建設(shè)成為國(guó)際港口城市、北方經(jīng)濟(jì)中心和生態(tài)城市．生態(tài)城市是一個(gè)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)、社會(huì)繁榮昌盛、人民安居樂(lè)業(yè)、生態(tài)良性，城市環(huán)境及人居環(huán)境清潔、優(yōu)美、舒適、安全、失業(yè)率低、社會(huì)保障體系完善，高新技術(shù)占主導(dǎo)地位，技術(shù)與自然達(dá)到充分融合，有利于提高城市文明程度的穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1]．天津市在2006年創(chuàng)建生態(tài)城市以來(lái)，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)，社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面已取得重大成效．

生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是對(duì)生態(tài)城市內(nèi)涵的詳細(xì)描述，也是生態(tài)城市建設(shè)效果的重要評(píng)定工具，更是指導(dǎo)生態(tài)城市規(guī)劃建設(shè)的總綱領(lǐng)[2]．目前，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)指標(biāo)體系研究的多，對(duì)指標(biāo)具體操作方法研究的很少．多數(shù)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)系統(tǒng)為一維線(xiàn)性模型，難以從總體上綜合評(píng)價(jià)生態(tài)發(fā)展水平[3-4]．目前，針對(duì)天津市地理位置、文化底蘊(yùn)、生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的指標(biāo)體系尚未出臺(tái)，缺乏對(duì)于生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)的定量分析方法．本文構(gòu)建生態(tài)城市多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用主成分分析和聚類(lèi)分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)生態(tài)城市建設(shè)水平進(jìn)行評(píng)估和分析，有利于明確生態(tài)城市建設(shè)的工作方向，構(gòu)建更加和諧的生態(tài)城市．

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 參考指標(biāo)體系

中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)項(xiàng)目“生態(tài)城市指標(biāo)體系構(gòu)建與生態(tài)城市示范評(píng)價(jià)(2009—2014)”得到階段性成果為：“2010—2011年度生態(tài)城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系．”[5]該指標(biāo)體系分為目標(biāo)、專(zhuān)題、指標(biāo)三層．五項(xiàng)目標(biāo)分別為：資源節(jié)約、環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)持續(xù)、社會(huì)和諧、創(chuàng)新引領(lǐng)．資源節(jié)約下設(shè)水資源、能源、土地資源三項(xiàng)專(zhuān)題；環(huán)境友好下設(shè)空氣質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、垃圾處理、噪聲、公園綠地五項(xiàng)專(zhuān)題；經(jīng)濟(jì)持續(xù)下設(shè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、收入水平、就業(yè)水平四項(xiàng)專(zhuān)題；社會(huì)和諧下設(shè)住房保障、醫(yī)療水平、文體設(shè)施、科技教育、收入分配、交通便捷、城市安全七項(xiàng)專(zhuān)題；創(chuàng)新引領(lǐng)下設(shè)綠色建筑、綠色交通、特色風(fēng)貌、生物多樣性、防災(zāi)減災(zāi)、綠色經(jīng)濟(jì)、綠色生活、數(shù)字城市、公眾參與九項(xiàng)專(zhuān)題．其中，前四項(xiàng)目標(biāo)下各指標(biāo)具有指標(biāo)參考值，可進(jìn)行定量分析，而創(chuàng)新引領(lǐng)目標(biāo)下各專(zhuān)題只有定性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)．多元統(tǒng)計(jì)分析方法只針對(duì)于定量指標(biāo)的分析，故本文需在此指標(biāo)體系上加以調(diào)整，然后建立生態(tài)城市多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)．

1.2 指標(biāo)調(diào)整

根據(jù)天津市自身的地理位置，歷史文化特點(diǎn)，為突出天津生態(tài)城市建設(shè)特色，本文在原有指標(biāo)體系基礎(chǔ)上加以調(diào)整和補(bǔ)充，同時(shí)將一部分只有定性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)進(jìn)行量化，以便于系統(tǒng)分析評(píng)價(jià)．主要調(diào)整指標(biāo)如下．

(1)“環(huán)境友好”目標(biāo)下的“公園綠地”專(zhuān)題中增加“本地植物指數(shù)”和“人均公共綠地”兩項(xiàng)指標(biāo)；“社會(huì)和諧”目標(biāo)下增加“生活模式健康”專(zhuān)題，下設(shè)“日人均生活耗水量”、“日人均垃圾產(chǎn)生量”、“綠色出行所占比例”三項(xiàng)指標(biāo)．

(2)刪除“社會(huì)和諧”目標(biāo)下的“收入分配”專(zhuān)題和“交通便捷”專(zhuān)題中的指標(biāo)“平均通勤時(shí)間”以及“住房保障”專(zhuān)題中的指標(biāo)“住房?jī)r(jià)格收入比”．

調(diào)整后用于構(gòu)建多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的指標(biāo)體系共計(jì)4個(gè)目標(biāo)，19項(xiàng)專(zhuān)題，32項(xiàng)指標(biāo)．

2 多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

2.1 多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)原理

主成分分析和聚類(lèi)分析是多元統(tǒng)計(jì)分析中的重要方法．主成分分析是模式識(shí)別中比較常用的特征生成和降低維數(shù)的方法，它是在數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，對(duì)高維變量空間進(jìn)行降維處理，同時(shí)，還可以提供許多重要的系統(tǒng)信息，如數(shù)據(jù)群點(diǎn)的重心位置，數(shù)據(jù)變異的最大方向，群點(diǎn)的散布范圍等[6]．主成分分析有著廣泛的應(yīng)用，當(dāng)研究的問(wèn)題涉及很多變量，并且變量相關(guān)性明顯，應(yīng)用主成分分析的方法更容易抓住事物的主要矛盾，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化．

聚類(lèi)分析是將分類(lèi)對(duì)象按照一定規(guī)則分成由數(shù)據(jù)特征所決定的若干類(lèi)，同一類(lèi)中的對(duì)象在某種意義上傾向于彼此相似，而不同類(lèi)中的對(duì)象傾向于不相似．聚類(lèi)能夠突出事物的類(lèi)別屬性，便于分析事物的本質(zhì)[7]．

2.2 評(píng)價(jià)方法及過(guò)程

2.2.1 評(píng)價(jià)方法

生態(tài)城市評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及社會(huì)生活的各個(gè)方面，各指標(biāo)量綱不同，且指標(biāo)之間有相互關(guān)聯(lián)的可能．為了更好地表達(dá)各指標(biāo)在評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的地位和作用，需要在評(píng)價(jià)之前對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和去除相關(guān)性工作．指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主成分分析，選擇能夠反映原始指標(biāo)數(shù)據(jù)85%以上信息的若干個(gè)主成分，以主成分得分進(jìn)行聚類(lèi)分析，將生態(tài)發(fā)展水平相近的區(qū)域聚在一個(gè)聚類(lèi)中心附近，通過(guò)選擇聚類(lèi)中心個(gè)數(shù)，可將參與評(píng)價(jià)的多個(gè)區(qū)域劃分成若干類(lèi)，并對(duì)其生態(tài)城市發(fā)展水平做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)．

2.2.2 評(píng)價(jià)系統(tǒng)組成

多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)由指標(biāo)矩陣，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化模塊，主成分分析模塊，K-均值聚類(lèi)模塊，分析建議模塊組成．系統(tǒng)組成示意框圖如圖1所示．

圖1 生態(tài)城市發(fā)展水平多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

2.2.3 評(píng)價(jià)分析步驟

STEP1根據(jù)調(diào)整后的指標(biāo)體系，建立指標(biāo)矩陣(矩陣大小為m×n，其中m為樣本數(shù)，n為指標(biāo)數(shù)，本文系統(tǒng)為32)；

STEP2 將待分析的m組指標(biāo)數(shù)據(jù)(本系統(tǒng)能夠評(píng)價(jià)m個(gè)生態(tài)區(qū)域的生態(tài)建設(shè)水平)標(biāo)準(zhǔn)化，將每組數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)具有n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的行向量，m組數(shù)據(jù)輸入指標(biāo)矩陣；

STEP3 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，計(jì)算前b個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率(λi是原始數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的特征值)，使θ大于85%，取前b個(gè)主成分得分作為聚類(lèi)分析的原始數(shù)據(jù)；

STEP4 對(duì)b個(gè)主成分得分進(jìn)行K-均值聚類(lèi)，首先隨機(jī)選定k個(gè)聚類(lèi)中心，對(duì)非中心的數(shù)據(jù)點(diǎn)逐一歸類(lèi)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)歸入離它最近的聚類(lèi)中心，然后將該類(lèi)中心更新為該類(lèi)的均值，重復(fù)進(jìn)行歸類(lèi)，直至迭代次數(shù)，所有點(diǎn)歸類(lèi)完畢；

STEP5 對(duì)k類(lèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析，回溯各類(lèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)主成分的原始線(xiàn)性構(gòu)成，即各指標(biāo)數(shù)值貢獻(xiàn)，從而得出區(qū)域生態(tài)建設(shè)優(yōu)勢(shì)與不足，對(duì)未來(lái)生態(tài)城市建設(shè)方向提出建議．

3 多元統(tǒng)計(jì)分析評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證采用主成分分析和聚類(lèi)分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)生態(tài)城市建設(shè)水平進(jìn)行評(píng)估和分析的有效性，本文根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的指標(biāo)值模擬了16個(gè)地區(qū)的32項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，16個(gè)地區(qū)編號(hào)分別為1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16．?dāng)?shù)據(jù)最小值為0.6，最大值為346．指標(biāo)矩陣定義為16× 32矩陣．

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

主成分分析之后，各主成分貢獻(xiàn)率如表1所示．前兩個(gè)主成分貢獻(xiàn)了超過(guò)85%的原始數(shù)據(jù)信息，以此兩個(gè)主成分為坐標(biāo)，做出數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖，如圖2所示．從圖中可以看出，數(shù)據(jù)明顯分為四個(gè)區(qū)域，其中3，4，9，13聚在一起，5，8，10，12，15，16聚在一起，2，6，7，11，14聚在一起，1與其他點(diǎn)分開(kāi)．將主成分得分作為聚類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行K-均值聚類(lèi)，聚類(lèi)結(jié)果如圖3所示．圖中表明，數(shù)據(jù)分為4類(lèi)．?dāng)?shù)據(jù)1為第一類(lèi)，數(shù)據(jù)3、4、9、13為第二類(lèi)，數(shù)據(jù)5、8、10、12、15、16為第三類(lèi)，數(shù)據(jù)2、6、7、11、14為第四類(lèi)．回溯原始指標(biāo)，第二類(lèi)數(shù)據(jù)代表的區(qū)域經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)值較高，環(huán)境和生活模式指標(biāo)數(shù)值較低；第三類(lèi)數(shù)據(jù)代表區(qū)域經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生活模式指標(biāo)分?jǐn)?shù)較高，但環(huán)境指標(biāo)數(shù)值較低；第四類(lèi)數(shù)據(jù)代表的區(qū)域環(huán)境指標(biāo)數(shù)值較高，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生活模式指標(biāo)數(shù)值較低；第一類(lèi)數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生活模式指標(biāo)數(shù)值都較高，說(shuō)明1號(hào)區(qū)域自然環(huán)境良好，生活模式健康，經(jīng)濟(jì)蓬勃高效，達(dá)到比較理想的生態(tài)城市水平．其他三類(lèi)區(qū)域分別在經(jīng)濟(jì)發(fā)展，自然生態(tài)和生活模式方面需要進(jìn)一步加強(qiáng)建設(shè)．

表1 前10主成分貢獻(xiàn)率

圖2 前兩主成分組成二維空間數(shù)據(jù)分布情況

圖3 數(shù)據(jù)聚類(lèi)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)生態(tài)城市建設(shè)缺少綜合分析和評(píng)價(jià)方法的問(wèn)題，筆者提出基于多元統(tǒng)計(jì)分析方法的生態(tài)城市評(píng)價(jià)方法，為生態(tài)城市建設(shè)的評(píng)價(jià)提供了具有較強(qiáng)操作性的定量分析方法；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了生態(tài)城市建設(shè)綜合分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用主成分分析和聚類(lèi)分析得出生態(tài)城市建設(shè)水平的分析結(jié)果及下一步建設(shè)方向的建議；仿真實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠有效地對(duì)生態(tài)城市進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析．

［1］ 張曉瑞. 天津建設(shè)生態(tài)城市的模式選擇[D]. 天津：天津商業(yè)大學(xué)，2009.

［2］ 郭珉媛. 1999年以來(lái)國(guó)內(nèi)生態(tài)城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究述評(píng)[J]. 前沿，2010(23)：142-145.

［3］ 王 偉. 生態(tài)城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及應(yīng)用研究[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，41(4)：715-718.

［4］ 齊芳燕. 江蘇省生態(tài)城市建設(shè)的指標(biāo)體系構(gòu)建與評(píng)價(jià)[J]. 工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2010(12)：93-97.

［5］ 李海龍，于 立. 中國(guó)生態(tài)城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建研究[J]. 城市發(fā)展研究，2011，18(7)：81-86.

［6］ 邊肇祺，張學(xué)工，閻平凡. 模式識(shí)別[M]. 2版．北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［7］ 謝中華. MATLAB統(tǒng)計(jì)分析與應(yīng)用：40個(gè)案例分析[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

On Eco-city Evaluation System based on Multivariate Statistical Analyses

SUN Hong-yue1,2，F(xiàn)AN Wen1,2
(1. Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Tianjin University，Tianjin 300072，China)

According to the characteristics of Tianjin eco-city construction，the indexes of the existing Eco-city evaluation index system are adjusted and added，then Eco-city evaluation system are constructed by using the principal component analysis and cluster analysis method. Empirical analysis are conducted by using the simulation data，and the eco-city construction comments and suggestions are prensented.

eco-city；evaluation system；principal component analysis；cluster analysis

X171.1

A

2095-719X(2014)02-0107-04

2013-09-30；

2013-11-25`

天津市建設(shè)系統(tǒng)軟課題研究項(xiàng)目(2012-軟11)

孫紅躍（1975—），男，江蘇淮安人，天津城建大學(xué)講師，碩士．