基于層次分析法與主成分分析法的鄭州市人居環(huán)境質(zhì)量評價研究

王 楊， 孟慶香,2， 宋文博， 康 凱， 郭子龍

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省高校農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002)

隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的急劇加快，城市在發(fā)展過程中不斷出現(xiàn)環(huán)境污染、能源短缺、交通擁擠等影響居住的問題，人居環(huán)境作為一直伴隨著人類生存與發(fā)展的客觀存在而不斷變化著.道薩迪亞斯(DOXIADIS)[1～3]創(chuàng)立人類聚居學(xué)后才開始了系統(tǒng)的人居環(huán)境方面的研究.吳良鏞[2, 4]首次提出要建立“人居環(huán)境科學(xué)”，即以人與環(huán)境的協(xié)調(diào)為中心、以居住環(huán)境為研究對象的新的學(xué)科群.廣義的人居環(huán)境是指在一定的地理背景下，人們在城市居住生活的自然的、經(jīng)濟(jì)的、社會的和文化的物質(zhì)環(huán)境和精神環(huán)境的總稱，是人類與其生存環(huán)境相互作用的存在形式[5]，狹義的城市人居環(huán)境僅指城市居民的居住和社區(qū)環(huán)境.本研究中的城市人居環(huán)境范圍不僅包括居民居住和社區(qū)環(huán)境，還包括經(jīng)濟(jì)收入支配、教育文化醫(yī)療資源等社會經(jīng)濟(jì)因素.城市人居環(huán)境評價是認(rèn)識和研究人居環(huán)境，對其質(zhì)量優(yōu)劣進(jìn)行科學(xué)的定性描述和定量評估的一種科學(xué)方法，本研究認(rèn)為層次分析法界定指標(biāo)權(quán)重時，不僅指標(biāo)權(quán)重賦值有一定的主觀性，而且分層次比較指標(biāo)的重要性會導(dǎo)致全部指標(biāo)最終權(quán)重可比性較差；而主成分分析法可以客觀地對多指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行降維處理，可以突出影響評價結(jié)果的重要因子.因此，采用層次分析法和主成分分析法對鄭州市人居環(huán)境進(jìn)行對比綜合評價，全面評價鄭州市人居環(huán)境，重點(diǎn)分析影響其發(fā)展的因素.

鄭州市位于東經(jīng)112°42′～114°14′，北緯34°16′～34°58′，北臨黃河，西依嵩山，東南為廣闊的黃淮平原，總面積約為7 446.2 km2，建成區(qū)面積354 km2，2011年年底常住人口為886 萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值為4 979.85億元.鄭州地處國家地理中心，是國家級戰(zhàn)略“中原經(jīng)濟(jì)區(qū)”的中心城市，是中國重要的有色冶金工業(yè)基地、食品工業(yè)基地、煤炭工業(yè)基地、建筑和耐火材料基地、紡織工業(yè)基地以及綜合性交通通訊樞紐.本研究對象是鄭州市轄區(qū)，即：中原區(qū)、二七區(qū)、管城回族區(qū)、金水區(qū)、惠濟(jì)區(qū)、上街區(qū)、中牟縣、鄭東新區(qū)和鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū).2001—2011年，鄭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速穩(wěn)定，城市人居環(huán)境不斷改善，但隨著城市化進(jìn)程不斷加快，人口密度逐年增加，城市公共基礎(chǔ)設(shè)施和社會保障體系等建設(shè)可能出現(xiàn)滯后居民需要的現(xiàn)象，本研究在評價結(jié)果的基礎(chǔ)上綜合分析影響鄭州市人居環(huán)境發(fā)展的因素，為鄭州市城市建設(shè)、社區(qū)改造和環(huán)境美化提供依據(jù).

1 研究方法

層次分析法(Analytical Hierarchy Process)，簡稱AHP，是一種定性與定量相結(jié)合的決策方法，常將綜合評價指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3層，依據(jù)各因子的重要性構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行兩兩比較，就每一層次的相對重要性給予定量表示，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得出權(quán)重，然后按照加權(quán)求和方法計算綜合分值.

主成分分析法(Principal Component Analysis), 簡稱PCA，是一種常用的基于變量協(xié)方差矩陣對信息進(jìn)行處理、壓縮和抽提的有效方法.在計算標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)得到相關(guān)系數(shù)矩陣中，大部分相關(guān)系數(shù)都小于0.3且未通過統(tǒng)計檢驗(yàn)，則這些變量就不適合主成分分析法[6].一般取方差分解主成分提取分析表中特征值大于1的主成分，且這些主成分累計貢獻(xiàn)率大于80%[7]，主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根，便得到主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的特征向量，由特征向量和所對應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加權(quán)求和，便可得到基于主成分分析法的人居環(huán)境綜合評價分值.

2 城市人居環(huán)境評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1城市人居環(huán)境評價指標(biāo)體系建立原則

一個真正有效評價描述城市人居環(huán)境的評價指標(biāo)體系，不僅可以綜合評價城市人居環(huán)境發(fā)展階段、程度和質(zhì)量，而且有利于對人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展水平進(jìn)行橫向和縱向的比較，從而找出不足[8].因此，選取指標(biāo)應(yīng)遵循以下幾個原則，以人為本的原則、科學(xué)性原則、區(qū)域性原則、整體性原則、可操作性原則、穩(wěn)定性與動態(tài)性原則.

2.2鄭州市人居環(huán)境評價體系的確定

國內(nèi)關(guān)于人居環(huán)境質(zhì)量評價研究的指標(biāo)體系各具特色，本研究以人居環(huán)境科學(xué)理論和相關(guān)文獻(xiàn)[5,9]為基礎(chǔ)，從鄭州市人居環(huán)境的實(shí)際狀況出發(fā)，充分考慮指標(biāo)選取原則，選取15個評價指標(biāo)，反映鄭州市城市人居環(huán)境質(zhì)量(表1).

2.3數(shù)據(jù)來源

本研究以鄭州市2001—2011年人居環(huán)境質(zhì)量為研究對象，評價指標(biāo)體系的數(shù)據(jù)主要選取自2001—2011年《河南省統(tǒng)計年鑒》和《鄭州市統(tǒng)計年鑒》中國民經(jīng)濟(jì)核算、人口、城市概況、人民生活等統(tǒng)計指標(biāo)數(shù)據(jù).2001—2011年，鄭州市人均GDP、社會固定資產(chǎn)投資總額、城鎮(zhèn)居民人均可支配收入、每萬人參加醫(yī)療保險人數(shù)、人均公共綠地?fù)碛忻娣e、污水處理率逐年提高；第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、市區(qū)人口密度、城市市區(qū)燃?xì)馄占奥?、建成區(qū)綠化覆蓋率總體呈上升趨勢；每萬人在校學(xué)生數(shù)量、每萬人醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)、人均城市道路面積年變化不穩(wěn)定，整體呈波動發(fā)展.

表1 鄭州市人居環(huán)境評價指標(biāo)

3 鄭州市人居環(huán)境評價

3.1鄭州市人居環(huán)境評價數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

本研究采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法處理數(shù)據(jù)，此方法適用于數(shù)據(jù)的最大值和最小值未知的情況，或有超出取值范圍的離群數(shù)據(jù)的情況[13]，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)中負(fù)值表示與平均數(shù)據(jù)相比偏低，正值表示與平均數(shù)據(jù)相比偏高(表2)，其公式為：

(1)

3.2鄭州市人居環(huán)境評價

3.2.1 基于層次分析法的計算過程 將綜合評價指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層3層，并對各層的相關(guān)因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，公式如下(2).準(zhǔn)則層判斷矩陣U和4個指標(biāo)層判斷矩陣C見圖3.

表2 鄭州市人居環(huán)境評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

(2)

式中：Ui為評價指標(biāo)的量度；Uij為Ui對Uj的相對重要性數(shù)值；

準(zhǔn)則層相對目標(biāo)層的判斷矩陣如圖1所示：

3.2.2 基于層次分析法的計算結(jié)果 計算可得各層次評價因子的權(quán)重值(表3)，總權(quán)重為1.準(zhǔn)則層中，對鄭州市人居環(huán)境質(zhì)量影響最大的方面是人民生活水平(C2)，權(quán)重達(dá)到0.458 9，影響最小的方面是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(C1)，僅占0.132 5，公共設(shè)施水平(C3)和生態(tài)環(huán)境水平(C4)權(quán)重分別是0.239 4,0.169 3；指標(biāo)層中，對鄭州市人居環(huán)境質(zhì)量影響最大的3個因素是城鎮(zhèn)居民人居可支配收入(A5)、每萬人參加醫(yī)療保險人數(shù)(A7)和每萬人醫(yī)療機(jī)構(gòu)數(shù)(A9)，總計占到0.439 9.各指標(biāo)權(quán)重與相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加權(quán)求和，計算綜合分值(表4)；負(fù)值表示本年度人居環(huán)境評價得分相對于平均分值偏低，正值表示本年度人居環(huán)境評價得分相對于平均值偏高.

圖1 準(zhǔn)則層的判斷矩陣

指標(biāo)層相對準(zhǔn)則層的判斷矩陣如圖2所示：

3.2.2 基于主成分分析法的評價 本研究采取層次分析法對鄭州市人居環(huán)境進(jìn)行評價分析后，再運(yùn)用主成份分析方法與其進(jìn)行對比檢驗(yàn)修正.通過SPSS軟件分析數(shù)據(jù)結(jié)果得出，指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣表中數(shù)值大于0.3的系數(shù)占78.2%，表明各變量間大多為強(qiáng)相關(guān)，適合于主成分分析法.主成分1，2，3的特征值分別是9.104，2.652，1.756(表5)，且累積貢獻(xiàn)率為90.08%，大于85%，因此取這3個主成份即可.

圖2 準(zhǔn)則層的判斷矩陣

表3鄭州市人居環(huán)境評價指標(biāo)權(quán)重

Table3TheindexesweightofZhengzhouhumansettlements

指標(biāo)IndexA1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15權(quán)重Weight0．0410．0530．0270．0120．1880．0690．1470．0540．1050．070．0220．0390．0530．0330．084

表4 鄭州市人居環(huán)境評價綜合分值

表5 方差分解主成分提取分析表

載荷值的大小反映了各主成分和原始指標(biāo)間的相關(guān)程度的大小，在主成分分析中，一般認(rèn)為大于0.3的載荷就是顯著的.由表6可知，第1主成分在人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重、社會固定資產(chǎn)投資總額、城鎮(zhèn)居民人居可支配收入、市區(qū)人口密度、每萬人參加醫(yī)療保險人數(shù)、人均衛(wèi)生機(jī)構(gòu)數(shù)、每萬人擁有公共圖書數(shù)量、建成區(qū)綠化覆蓋率、人均公共綠地面積、污水處理率上載荷較大，從指標(biāo)的實(shí)際意義可看出，該指標(biāo)主要反映了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市公共設(shè)施建設(shè)和人民生活水平相協(xié)調(diào)，可以認(rèn)為F1是城市人居環(huán)境發(fā)展的基礎(chǔ)水平，其貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到60.695%.第2主成分在城鎮(zhèn)登記失業(yè)率、每萬人在校學(xué)生人數(shù)、人均城市道路面積上載荷較大，貢獻(xiàn)率達(dá)到17.682%.第3主成分在城市燃?xì)馄占奥噬陷d荷較大，它反映了城市居民生活環(huán)境的便利性，F(xiàn)3稱為城市支撐系統(tǒng)水平，貢獻(xiàn)率達(dá)到11.704%.

表6 主成分載荷

用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根，便得到3個主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的特征向量(表7).由表7所得主成分因子特征向量和所對應(yīng)的每年評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加權(quán)求和，便可得到基于主成分分析法的人居環(huán)境綜合評價分值(表8)；負(fù)值表示本年度人居環(huán)境評價得分相對于10年平均分值偏低，正值表示本年度人居環(huán)境評價得分相對于10年平均值偏高.

表7 主成分因子特征向量

3.3鄭州市人居環(huán)境評價結(jié)果分析

通過層次分析法和主成分分析法分別求得鄭州市2001—2011年城市人居環(huán)境評價分值，繪制曲線圖(圖1)，直觀表現(xiàn)其變化規(guī)律.2種統(tǒng)計方法結(jié)果的趨勢都基本一致，準(zhǔn)確性相互驗(yàn)證，所得到的結(jié)果可以反映事實(shí)情況.從評價結(jié)果可以看出，鄭州市人居環(huán)境綜合評價水平整體呈上升趨勢, 但是主成分分析法突出表明，2008年的鄭州市人居環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)下降.

表8 鄭州市人居環(huán)境評價綜合分值

圖1 鄭州市人居環(huán)境評價分值對比

2001—2011年11 a內(nèi)，鄭州市人居環(huán)境質(zhì)量不斷優(yōu)化.以2006年為分界線，在2001—2006年，鄭州市人居環(huán)境質(zhì)量處在直線上升時期；2006—2011年，鄭州市人居環(huán)境發(fā)展緩中有升.

2001—2006年，鄭州市政府不斷進(jìn)行經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，經(jīng)濟(jì)實(shí)力顯著增強(qiáng)，傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)發(fā)展水平不斷提升，第三產(chǎn)業(yè)值占GDP比重逐年增加，社會固定資產(chǎn)投資總額逐年增多.城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，城市市區(qū)燃?xì)馄占奥蔬_(dá)到91.2%，建成區(qū)綠化率35.1%，達(dá)歷年最高值.生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，全市飲用水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%，污水處理率達(dá)到64.34%.社會保障網(wǎng)絡(luò)逐步完善，失業(yè)、工傷、醫(yī)療保險順利推進(jìn)，城市居民最低生活保障實(shí)現(xiàn)了應(yīng)保盡保，每萬人中有857人參加了基本醫(yī)療保險.基礎(chǔ)教育質(zhì)量不斷提高，高中教育規(guī)模擴(kuò)大，民辦教育發(fā)展迅速，每萬人中有2 752人在校接受教育.

2006—2011年，鄭州市人居環(huán)境發(fā)展緩慢的原因是經(jīng)濟(jì)增長趨緩、城市框架不斷拉大、人口增多、第三產(chǎn)業(yè)增長放緩等因素，進(jìn)而產(chǎn)生了城鎮(zhèn)失業(yè)率上升、建成區(qū)綠化建設(shè)滯后等后果.城市人居環(huán)境與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口數(shù)量和密度有著密切關(guān)系，2008年金融危機(jī)爆發(fā)后，全國經(jīng)濟(jì)增長總體趨緩，部分行業(yè)的勞動力需求增長減緩，特別是沿海地區(qū)第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展增長放緩，造成用工量下降，使大量打工者失業(yè)回流家鄉(xiāng)；作為外出務(wù)工人口大省的河南，其省會鄭州市城鎮(zhèn)居民人口數(shù)量增加，市區(qū)人口密度隨之增大，但是鄭州市經(jīng)濟(jì)增速下行，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展放緩，用工需求降低，農(nóng)民工等群體繼續(xù)求職難度增大；同時，高校畢業(yè)生的就業(yè)期望值與社會需求差異較大，待業(yè)畢業(yè)生數(shù)量增多；以上2個方面造成人均生產(chǎn)總值下降、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率上升.隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，鄭州市全面實(shí)施城市總體規(guī)劃，建成區(qū)面積由262 km2擴(kuò)大到354 km2，盡管城市功能不斷完善，但按照實(shí)際人口計算，鄭州市的綠化建設(shè)等公共設(shè)施建設(shè)仍滯后于城市發(fā)展及人口增加，導(dǎo)致建成區(qū)綠化率下降、人均道路面積減少，居民生活舒適性、出行便利性降低.因此，2009—2011年鄭州市人居環(huán)境發(fā)展緩慢.

4 結(jié)論與討論

本研究基于層次分析法和主成分分析法選取經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人民生活水平、公共設(shè)施水平、生態(tài)環(huán)境水平4個方面共15個評價指標(biāo)，對鄭州市2001—2011年城市人居環(huán)境進(jìn)行評價分析，從2種方法的評價結(jié)果看，鄭州市人居環(huán)境朝著正向發(fā)展，經(jīng)歷了高速發(fā)展和穩(wěn)定發(fā)展2個階段.但隨著城市化進(jìn)程的加快，城市框架不斷拉大、人口聚集、第三產(chǎn)業(yè)增長放緩等因素間接影響到鄭州市人居環(huán)境質(zhì)量的提高.在2008年，城鎮(zhèn)登記失業(yè)率上升和建成區(qū)綠化率下降，直接影響到鄭州市人居環(huán)境穩(wěn)步發(fā)展.因此，鄭州市人居環(huán)境建設(shè)的努力方向應(yīng)在保持經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的情況下，注重提升中心城區(qū)功能，在舊城區(qū)的改造過程中，要特別注重與歷史文化名城保護(hù)融合與促進(jìn)，在新城區(qū)建設(shè)發(fā)展過程中，要注意保護(hù)原有的自然生態(tài)環(huán)境；要改善城市排水基礎(chǔ)設(shè)施水平，優(yōu)化城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，解決金水路、花園路等城市主干道的擁堵問題，優(yōu)化連接中心城區(qū)、鄭州新區(qū)的支線路網(wǎng).要完善社會保障體系層次，擴(kuò)大就業(yè)，大力開發(fā)勞動就業(yè)崗位和公益性崗位，幫助高校畢業(yè)生、失業(yè)人員、進(jìn)城務(wù)工人員等重點(diǎn)群體實(shí)現(xiàn)就業(yè)再就業(yè)，做好復(fù)員退伍軍人的就業(yè)安置工作.解決流動人口子女入學(xué)問題，切實(shí)解決留守兒童無學(xué)上或上學(xué)難的問題.加大自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，注重社區(qū)生態(tài)環(huán)境作用，促進(jìn)工業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)市區(qū)內(nèi)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)、社會與人口、資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展和良性循環(huán)，建設(shè)具有安全性、健康性、便利性、舒適性的人居環(huán)境.

基于條件限制，本研究側(cè)重于鄭州城市基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展、社會保障體系完善、教育醫(yī)療資源均衡分配和城市環(huán)境優(yōu)化等客觀因素影響，未考慮在生活消費(fèi)、出行便利度、文娛生活等居民主觀感受對人居環(huán)境的影響，因此，在今后的研究中，可通過生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會復(fù)合模型評價體系與居民主觀感受度問卷調(diào)查評價相結(jié)合的方式，對人居環(huán)境進(jìn)行剖析，找出影響人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的全面原因，提出更好的優(yōu)化建議措施.

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