基于PCA算法的安徽省城市綜合承載能力評價研究

何剛　楊黎　張宏　喬國通

摘要：基于城市綜合承載能力的要求，選取經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境和社會等4個層面的28項(xiàng)指標(biāo)，采用主成分分析法（PCA）建立評價體系，分析評價安徽省16個城市的綜合承載能力。結(jié)果顯示，城市的經(jīng)濟(jì)承載能力對其綜合承載能力有主要的影響，但與資源、環(huán)境和社會承載能力幾乎成反比。然而，要提高城市綜合承載能力，我們不僅要注重實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也要注重第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高綠色能源的使用，以保證經(jīng)濟(jì)的綠色發(fā)展。因此，只有讓經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境、社會建設(shè)協(xié)同發(fā)展，共同推進(jìn)城市綜合承載能力，才能真正提高城鎮(zhèn)化質(zhì)量。此研究結(jié)果還可以為城市綜合承載能力評價提供一個新的研究思路。

關(guān)鍵詞：綜合承載能力；評價指標(biāo)；主成分分析法

中圖分類號：F290

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

16721101（2015）02001906

Abstract： Based on the requirements of comprehensive carrying capacity of cities， comprehensive carrying capacity of 16 typical cities of Anhui province is evaluated by principal component analysis （PCA） from four aspects， which are economic development， resources， environment and society. The findings show that economic development plays a pivotal role in the comprehensive carrying capacity， yet disproportionate to the other three aspects. In order to improve comprehensive carrying capacity， we should not only pay attention to the development of entity economy， but also attach importance to the advance of tertiary industry and increasing the use the green energy to ensure the eco-friendly and sustainable growth of economy. Consequently， only through the coordinated development of the four aspects ，can the comprehensive carrying capacity and the quality of urbanization be improved. The findings of this study may provide a new approach for the evaluation of the comprehensive carrying capacity of cities as well.

Key words： comprehensive carrying capacity； evaluation index； principal component analysis （PCA）

2013年，我國城鎮(zhèn)化率已達(dá)53.73%[1]，但安徽省城鎮(zhèn)化率只有47.86%[2]，較全國平均水平低5%左右。為縮小差距，提高城鎮(zhèn)化率，安徽省先后出臺了《提升中心城市承載力和改善人居環(huán)境》、《加快發(fā)展縣級中等城市》、《培育200個特色鎮(zhèn)》等一系列相關(guān)政策。在此影響下，雖然安徽省城鎮(zhèn)化率有所提高，但其城市綜合承載能力問題卻凸顯出來。如何在提高城鎮(zhèn)化率的基礎(chǔ)上，提升綜合承載能力，促進(jìn)資源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等協(xié)同發(fā)展，已經(jīng)成為推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重要課題。

一、文獻(xiàn)綜述

就目前城市的承載能力來說，國內(nèi)外的學(xué)者都已經(jīng)取得了一定的成果。英國學(xué)者M(jìn)althus（1842）就提出了人口承載力的概念；帕克（1921）等人指出特定環(huán)境下物種存在的最高數(shù)量即為生態(tài)承載力；上世紀(jì)70年代Millington等人研究了澳大利亞的土地資源承載力；1998年Joardor等人基于水資源的角度，對城市的資源承載能力做出了一定的研究；2000年Saveriades更是創(chuàng)新地對城市的旅游承載力進(jìn)行了綜合研究。

自上世紀(jì)八十年代以來，我國學(xué)者以不同角度、采用不同方法對城市承載能力開展一系列研究。按研究內(nèi)容分，大致可分為對水資源、土地資源、環(huán)境資源等的承載能力研究，如王濟(jì)干博士的《區(qū)域水資源配置及水資源系統(tǒng)的和諧性研究》、劉莊博士的《祁連山自然保護(hù)區(qū)生態(tài)承載力評價研究》、于冠營學(xué)者的《東營市土地資源承載能力分析》等。按研究方法分，可分為模糊評價法、層次分析法、主成分分析法等。高彥春和劉昌明（1997）通過模糊評價方法研究漢中盆地平壩區(qū)的水資源承載力；高吉喜（2001）采用層次分析法，分析研究黑河流域的生態(tài)承載力；郭海丹等（2009）通過指標(biāo)體系評價法，建立水資源承載能力評價指標(biāo)體系，并對遼寧省朝陽市區(qū)進(jìn)行實(shí)證分析[3]；馬源和馬珊珊（2010）使用主成分分析法，評價中原地區(qū)9個地級市城市綜合承載力[4]；胡敏和劉心雨（2013）運(yùn)用層次分析法，對江蘇省近十年的資源環(huán)境承載力進(jìn)行了綜合評價等[5]。

綜上所述，已有研究多針對某一項(xiàng)資源的承載能力展開分析，如水資源、土地資源等，而對于城市的綜合承載能力的研究較少；分析方法多采用因子分析法、層次分析法等，但缺乏應(yīng)用量化分析方法，評價影響因子貢獻(xiàn)的大小。主成分分析法則強(qiáng)調(diào)評價信息貢獻(xiàn)影響力[6]，更適合城市綜合承載能力問題的研究。

二、城市綜合承載能力評價指標(biāo)體系

依據(jù)科學(xué)性、完整性、可操作性和通用性等原則，選取城市綜合承載能力評價指標(biāo)。在已有研究基礎(chǔ)上，鑒于城市綜合承載能力影響因素的多元性和復(fù)雜性，通過問卷和專家訪談，并結(jié)合城市綜合承載能力的內(nèi)涵，建立包括4個一級指標(biāo)和28個二級指標(biāo)的評價體系（見表1）。

三、城市綜合承載能力評價

城市綜合承載能力評價指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要依據(jù)《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒（2013）》，選擇主成分分析方法對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。主成分分析（Principal Component Analysis， 簡稱PCA）是一種常用的降維分析法，通過分析計(jì)算把原本較多的因子線性組合成若干“主成分”，且保證主成分兩兩之間互不相關(guān)，并且最大程度保留原有的指標(biāo)信息。

（一）數(shù)據(jù)的凈化處理

由于28種指標(biāo)數(shù)據(jù)的測度方式不同，則需要無量綱化處理，即標(biāo)準(zhǔn)化和正向化。本文通過SPSS19.0軟件，采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法，令數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

（二）提取主成分因子

以凈化后的樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計(jì)算相關(guān)矩陣的特征值和特征向量，再根據(jù)解釋的總方差以及累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，確定主子個數(shù)和因子載荷矩陣。

（三）計(jì)算各因子得分

根據(jù)主成分矩陣，將公因子作為新變量，主成分指數(shù)作為因子系數(shù)，進(jìn)行線性回歸，各主因子得分公式為：

fi=ηi1x1+ηi2x2+…+ηimxmi=1，2，…，n，n≤m（1）

其中，fn表示主因子分?jǐn)?shù)；ηim表示指標(biāo)系數(shù)；xm表示指標(biāo)變量。

（四）計(jì)算各城市的綜合承載能力

將各個主因子的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，計(jì)算各個城市綜合承載力得分，其計(jì)算公式為：

F=α1f1+α2f2+…+αnfn（2）

其中，αn表示各主因子的方差貢獻(xiàn)率，F(xiàn)為各城市的綜合承載力得分，得分越高，城市的綜合承載能力就越強(qiáng)。

四、評價結(jié)果

以安徽省16市為研究對象，結(jié)合《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒（2013）》的相關(guān)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算城市綜合承載能力，并加以分析。

（一）輸出結(jié)果

通過統(tǒng)計(jì)軟件SPSS19.0，分析指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)。以累計(jì)貢獻(xiàn)率超過85%或方差的百分比大于1%為原則，提取8個主因子，得到主成分提取的總方差表和因子成分矩陣表，分別見表2、表3。

由表2可知，前8個主成分累計(jì)百分比達(dá)到89.747%，且特征值都超過1，則前8個因子可作為主因子代表上述指標(biāo)，反映城市的綜合承載能力。由表3可得，第一個主因子主要受到人均GDP （EC1）、人均社會固定資產(chǎn)投資（EC2 ）、萬人擁有病床數(shù)（S10 ）和萬人擁有醫(yī)生數(shù)（S11）等指標(biāo)影響，即經(jīng)濟(jì)水平和醫(yī)療水平是影響城市綜合承載能力的重要因素；第二個主因子主要由人均水資源（R6）和城市人口密度（S1）控制；第三至第八主因子分別受到單位產(chǎn)值用地（R5）、第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占GDP比重（EC4）、城市道路交通噪聲均值（EN2）、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率（S3）和人均住房建筑面積（R3）等指標(biāo)影響。其中，城市道路交通噪聲均值（EN2）影響第五和第六個主因子。由此可見，提取8個主因子基本能夠代表全部指標(biāo)信息，確定采用8個新變量替代原有的28個指標(biāo)。

由表2和表3的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各城市的8個主因子得分，再利用加權(quán)平均方法，計(jì)算出其城市綜合承載能力得分，即F值（見表4）。

（二）評價結(jié)果分析

由表4可以分析得出各城市的綜合承載能力大小，具體按照F值把安徽16市的城市承載能力劃分為四個階層。

第一階層是銅陵、合肥。銅陵市在經(jīng)濟(jì)水平、醫(yī)療水平的表現(xiàn)更為突出，其主要得益于豐富的金屬資源；另外，其地理位置優(yōu)越，是對外籍輪開放的國家一類口岸，這大大促進(jìn)其地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但作為傳統(tǒng)的資源型城市，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對落后。合肥作為省會，在地理位置、經(jīng)濟(jì)政策、資源供給等方面都有先天的優(yōu)勢，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，來肥工作生活的人口迅速增多，使得人口密度增長過快，導(dǎo)致人均水資源供給水平有所不足，水資源的承載能力有待加強(qiáng)。

第二階層是蕪湖、淮南、馬鞍山和黃山。蕪湖處在青弋江與長江匯合處，是國務(wù)院批準(zhǔn)的沿江重點(diǎn)開放城市、皖江城市帶承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)核心城市、南京都市圈成員城市之一。因此，其具有得天獨(dú)厚的特色區(qū)位優(yōu)勢，并且得到眾多的政策、資源等支持，在城市的綜合承載能力方面表現(xiàn)良好?；茨虾婉R鞍山作為典型的資源型城市，在土地利用率、噪音環(huán)境狀況等表現(xiàn)較弱，可見其經(jīng)濟(jì)仍多以粗放型發(fā)展。黃山市在其旅游資源、水資源和人口密度等方面的表現(xiàn)較為突出。

第三階層是池州、淮北、蚌埠、宣城、安慶和滁州。從表4可以看出，這六個城市的F值都在0值附近，即城市的綜合承載能力處在臨界值邊緣。在經(jīng)濟(jì)承載能力方面，除了淮北是正值，其他均表現(xiàn)為負(fù)值，即經(jīng)濟(jì)承載能力不夠，這大大降低了城市的綜合承載能力。但安慶在土地經(jīng)濟(jì)利用率方面處于全省領(lǐng)先地位，這主要是因?yàn)槠涫突?、輕紡、建材、機(jī)械四大支柱產(chǎn)業(yè)的初步穩(wěn)定，并且吸引了一大批國內(nèi)外知名企業(yè)的進(jìn)駐。另外，宣城市在城市噪音污染問題上較為嚴(yán)重，作為環(huán)境承載力的一方面，噪音污染應(yīng)受到當(dāng)?shù)卣母叨戎匾?。此外，淮北和蚌埠的人均住房面積位于全省末位，可見兩市的土地資源特別是已開發(fā)的土地資源有待增加，以提高城市的綜合承載能力。

第四階層是六安、宿州、阜陽和亳州。這4個城市的F值皆低于臨界值，可見城市的綜合承載能力還有很大提升空間。因此，大力發(fā)展城市經(jīng)濟(jì)，增強(qiáng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力，是其提高城市綜合承載能力的關(guān)鍵。

五、結(jié)論

通過對安徽省16個市的城市綜合承載能力分析，得出以下結(jié)論。

（1）城市的經(jīng)濟(jì)承載能力與其綜合承載能力幾乎成正比。由于經(jīng)濟(jì)承載能力的主因子占綜合承載能力的比重高達(dá)35%，因此，經(jīng)濟(jì)承載能力較強(qiáng)的城市，綜合得分排名相對靠前，從而綜合承載能力較強(qiáng)。

（2）經(jīng)濟(jì)承載能力較強(qiáng)的城市，環(huán)境和資源承載能力偏弱。例如，合肥經(jīng)濟(jì)承載能力較強(qiáng)，但由于人口密度大，使得其環(huán)境、資源方面的承載能力較弱。反之，亳州經(jīng)濟(jì)承載能力較弱，但其環(huán)境、資源方面的承載能力比較突出?？梢?，各城市在單項(xiàng)承載能力方面都有自己的優(yōu)勢。

綜上所述，對于依托資源發(fā)展的工業(yè)型城市，如何提升其環(huán)境承載力，增強(qiáng)城市的基礎(chǔ)建設(shè)，是發(fā)展的關(guān)鍵；而過分依靠第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的城市，應(yīng)在保證環(huán)境承載力的前提下，努力提高實(shí)體經(jīng)濟(jì)的實(shí)力，才能增強(qiáng)其綜合承載能力。因此，雖然經(jīng)濟(jì)對城市綜合承載能力的影響十分重要，但只有使經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源、城市的基礎(chǔ)建設(shè)等協(xié)同發(fā)展，才是有效提升城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化率的重要保障。參考文獻(xiàn)：

[1]中國新聞網(wǎng).國家統(tǒng)計(jì)局：2013年中國城鎮(zhèn)化率為53.73%[EB/OL].http：//www.chinanews.com/gn/2014/01-20/5755331.shtml，2014-01-20.

[2]央視網(wǎng).2013年安徽省城鎮(zhèn)化率達(dá)47.86%[EB/OL].http：//news.cntv.cn/2014/02/27/VIDE1393499404426942.shtml，2014-02-27.

[3]郭海丹，邵景力，謝新民.城市水資源承載能力評價指標(biāo)體系構(gòu)建[J].節(jié)水灌溉，2009（10）：47-49.

[4]馬源，馬珊珊.中原城市群城市綜合承載力評價與對策研究[J].周口師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（11）：120-123.

[5]胡敏，劉心雨.基于層次分析法的江蘇省城市資源環(huán)境承載力的綜合評價[J].經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2013（35）：101-104.

[6]林海明，張文霖.主成分分析與因子分析的異同和SPSS軟件[J].統(tǒng)計(jì)研究，2005（03）：65-69.

[責(zé)任編輯：范君]