基于主成分分析法的環(huán)境質(zhì)量　綜合評價(jià)方法應(yīng)用研究*

李軍民，李鑫瑞

(西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

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基于主成分分析法的環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)方法應(yīng)用研究*

李軍民，李鑫瑞

(西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

根據(jù)中國31個(gè)地區(qū)在2011，2012年的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，以13個(gè)二級指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)為樣本因子，用主成分分析法篩選出4個(gè)主成分因子，然后以每個(gè)主成分對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重，得到各地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量評價(jià)模型，進(jìn)而對各地區(qū)環(huán)境質(zhì)量綜合水平進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果顯示，不同地區(qū)之間環(huán)境質(zhì)量分布不均衡，差異明顯；西部地區(qū)的綜合環(huán)境質(zhì)量最好，東部和東北地區(qū)略低于全國均值水平，中部地區(qū)最差。同時(shí)從結(jié)果也可以看出，文中所采用的方法與其它方法的評價(jià)結(jié)果基本一致，可以達(dá)到綜合評價(jià)地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的目的，并且過程簡單、易操作，是一種較好的評價(jià)方法。

環(huán)境質(zhì)量；主成分分析法；特征值；綜合評價(jià)

0　引　言

環(huán)境質(zhì)量是一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境、空氣質(zhì)量、環(huán)境治理及公共綠化設(shè)施等的綜合體現(xiàn)。創(chuàng)建良好的城市環(huán)境，是一項(xiàng)涉及面寬、工作量大的系統(tǒng)工程，也是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作，但是對其研究又有一定的實(shí)用價(jià)值。環(huán)境質(zhì)量是環(huán)境系統(tǒng)客觀存在的一種本質(zhì)屬性，并能用定性和定量的方法加以描述的環(huán)境系統(tǒng)所處的狀態(tài)。環(huán)境始終處于不停的運(yùn)動(dòng)和變化之中，所以環(huán)境質(zhì)量也是處于不停的運(yùn)動(dòng)和變化之中，由于人類的生活、生產(chǎn)行為和自然的原因都會(huì)引起環(huán)境質(zhì)量的變化，通過環(huán)境質(zhì)量評價(jià)可以反映部分變化。

環(huán)境質(zhì)量評價(jià)概念是從環(huán)境衛(wèi)生學(xué)角度按一定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方法對一定區(qū)域范圍內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量加以調(diào)查研究并在此基礎(chǔ)上作出科學(xué)、客觀和定量的評定和預(yù)測。通過環(huán)境評價(jià)可以揭示環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化趨勢，找出污染治理的重點(diǎn)對象，為環(huán)境規(guī)劃和環(huán)境綜合治理方案提供依據(jù)。因此，迫切需要建立一個(gè)科學(xué)、合理且簡便易行的綜合評價(jià)方法，來評價(jià)與衡量各地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量綜合水平及差距。

在綜合評價(jià)分析環(huán)境質(zhì)量狀況時(shí)，常常涉及到眾多指標(biāo)變量，有些指標(biāo)變量就會(huì)被其他變量的信息所掩蓋，出現(xiàn)信息重疊，這樣會(huì)丟失一些重要信息，影響研究對象的本質(zhì)和準(zhǔn)確性[1-3]。目前，常用的環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)的方法有單元面積法、指數(shù)法、模糊綜合評價(jià)法、灰色數(shù)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、動(dòng)態(tài)評價(jià)法等等[4-6]。雖然這些方法都能用于環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)，但上述方法會(huì)存在計(jì)算量大過程復(fù)雜、信息重疊的問題。文中采用主成分分析法，首先從多個(gè)指標(biāo)變量中去除有相關(guān)性的變量因子，篩選出少數(shù)獨(dú)立的，但卻能代表大部分信息的主成分因子，然后以每個(gè)主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重，得到各地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量評價(jià)模型，進(jìn)而對各地區(qū)環(huán)境質(zhì)量綜合水平進(jìn)行評價(jià)。

1　數(shù)據(jù)處理及評價(jià)方法

1.1指標(biāo)體系的建立及數(shù)據(jù)獲取

影響環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的因素有很多，為了科學(xué)合理地進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量水平評價(jià)，全面真實(shí)地反映各地區(qū)城市環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀并進(jìn)行比較，文中依據(jù)2012，2013年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[7-8]的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)量較大，沒有列出)，主要從31個(gè)省域的生態(tài)環(huán)境、環(huán)境污染、污染物處理3個(gè)方面具體選取了3個(gè)一級指標(biāo)，13個(gè)二級指標(biāo)，來研究各地區(qū)環(huán)境質(zhì)量水平，評價(jià)指標(biāo)體系見表1.

表1　環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系

1.2樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.2.1數(shù)據(jù)指標(biāo)的處理

為了使主成分分析具有的客觀性和科學(xué)性，文中對指標(biāo)做了處理

1)正向指標(biāo)保持不變。正向指標(biāo)是指標(biāo)值越大對城市環(huán)境質(zhì)量評價(jià)越有利的指標(biāo)，在分析時(shí)不需要對其做處理。正向指標(biāo)有：城市綠地面積、林地面積、森林覆蓋率、生活垃圾無害化處理率、城市污水日處理能力、工業(yè)固體廢物綜合利用率；

2)逆向指標(biāo)的同向化。逆向指標(biāo)：二氧化硫、氮氧化物、煙(粉)塵排放量、廢水排放總量、工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量、生活垃圾清運(yùn)量、化肥施用量。采取最大值減逆向指標(biāo)數(shù)值的方法對逆向指標(biāo)進(jìn)行同向化處理。

1.2.2數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

1.2.3KMO和Bartlett檢驗(yàn)

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對2011，2012年變量之間的相關(guān)程度進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)矩陣，2 a的相關(guān)系數(shù)矩陣都不是一個(gè)單位陣，并且各系數(shù)矩陣的數(shù)據(jù)表明各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性比較大，說明可以用主成分分析來進(jìn)行研究。然后進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和球形Bartlett檢驗(yàn)[12]，進(jìn)一步判斷樣本數(shù)據(jù)是否適用于主成分分析法。在采用Bartlett對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，如果KMO值>0.5，且P<0.05(P為Bartlett球體檢驗(yàn)的χ2統(tǒng)計(jì)值的顯著性概率)，說明可以運(yùn)用主成分因子分析方法來對指標(biāo)進(jìn)行分析。根據(jù)分析可知，文中選定的各項(xiàng)指標(biāo)2011，2012年的KMO值分別為0.723，0.692，且P<0.05，因此可以對所選數(shù)據(jù)的因子進(jìn)行主成分分析。

1.3評價(jià)方法

由于多個(gè)變量存在一定的相關(guān)性，可能會(huì)出現(xiàn)信息的重疊，使用主成分分析法，用較少的變量來代替較多的變量，并可以反映多個(gè)變量的大部分信息。主成分分析是考察多個(gè)變量間的相關(guān)性，是研究如何通過少數(shù)幾個(gè)主成分來解釋原變量間的內(nèi)部關(guān)系結(jié)構(gòu)，其數(shù)學(xué)模型是：設(shè)p個(gè)指標(biāo)變量構(gòu)成的p維隨機(jī)向量為X=(X1，…，Xp)′.對X作正交變換，令Y=T′X，其中T為正交矩陣，要求Y的各個(gè)分量是不相關(guān)的，并且Y的第一個(gè)分量的方差是最大的，第二個(gè)分量的方差次之，……[13]；文中采用主成分分析法來研究地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的綜合評價(jià)。設(shè)由累積方差貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù)為m，指標(biāo)變量的個(gè)數(shù)為p，研究對象的個(gè)數(shù)為q，則其各主成分的表達(dá)式為

其中Yj是第j個(gè)省份的綜合評價(jià)函數(shù)；λn是第n個(gè)主成分對應(yīng)的特征值。

2　環(huán)境質(zhì)量評價(jià)應(yīng)用研究

2.1環(huán)境質(zhì)量主成分分析法

由于這13個(gè)指標(biāo)變量可能存在一定的相關(guān)性，會(huì)出現(xiàn)信息的重疊，因此首先用主成分法提取幾個(gè)公共因子來反映原變量的大部分信息。具體分析2011年的數(shù)據(jù)，由上節(jié)知，已經(jīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理和相關(guān)性檢驗(yàn)。下面利用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析，得出特征值和方差貢獻(xiàn)率，見表2.

表2　主成分對應(yīng)的特征值和方差貢獻(xiàn)率

2.2環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)

表3　2011,2012年部分地區(qū)環(huán)境質(zhì)量 主成分分析綜合評價(jià)指數(shù)值

1)在樣本區(qū)間內(nèi)2012年環(huán)境質(zhì)量較好的省份(評價(jià)指數(shù)排名前10位)依次為：海南、西藏、北京、天津、上海、重慶、福建、青海、寧夏、吉林。最差的省份(評價(jià)指數(shù)排名后5位)為：內(nèi)蒙古、山西、河南、山東、河北；

2)不同地區(qū)之間環(huán)境質(zhì)量分布很不均衡。有近一半的地區(qū)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指數(shù)集中在0～1之間，整體上看得分都比較分散，而且呈現(xiàn)偏態(tài)分布。各省份間的差距也比較明顯，2011年靠前的11個(gè)省份的平均評價(jià)指數(shù)為1.18，中間的10個(gè)省份的平均評價(jià)指數(shù)為0.25，靠后的10個(gè)省份平均評價(jià)指數(shù)為-1.26，比差為1∶0.21∶-1.07，2012年的比差為1∶0.20∶-1.30；2011年與2012年相比評價(jià)指數(shù)相對穩(wěn)定；

3)從全國區(qū)域間環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指數(shù)來看，2011年全國4大區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的平均評價(jià)指數(shù)為：東部地區(qū)-0.31，中部地區(qū)-0.55，西部地區(qū)0.56，東北地區(qū)-0.11，比差為-0.55∶-0.98∶1∶-0.2，2012年比差為-0.01∶-1.68∶1∶-0.11.2年數(shù)據(jù)都顯示，西部地區(qū)的綜合環(huán)境質(zhì)量最好，東部和東北地區(qū)略低于全國均值水平，中部地區(qū)最差。環(huán)境評價(jià)指數(shù)靠后的10個(gè)省份中，中東部省份占到7～8個(gè)(其中，東部4個(gè)，中部3～4個(gè))。

3　環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果對比分析

將文中計(jì)算的2011，2012年地區(qū)綜合環(huán)境質(zhì)量評價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)果做對比(圖1，圖2)結(jié)果顯示，總體上排名趨勢一致，統(tǒng)計(jì)曲線基本吻合，誤差較小。2 a數(shù)據(jù)都顯示，西部地區(qū)的綜合環(huán)境質(zhì)量最好，東部和東北地區(qū)略低于全國均值水平，中部地區(qū)最差，與文獻(xiàn)[14]結(jié)果一致。文中2011年綜合環(huán)境質(zhì)量排序前十名：海南、北京、青海、天津、寧夏、福建、重慶、甘肅、上海、江西，除了江西以外，其余9個(gè)省份和文獻(xiàn)[14]中的一致，排序后十位(評價(jià)指數(shù)排序在21～30位的省份)：湖北、安徽、內(nèi)蒙古、遼寧、山西、廣東、河南、江蘇、河北、山東，與文獻(xiàn)[14]完全一致；文中2012年綜合環(huán)境質(zhì)量排序前10名：海南、北京、天津、上海、重慶、福建、青海、寧夏、吉林、江西，除了江西以外，其余9個(gè)省份和文獻(xiàn)[14]中的一致，排序后十位：安徽、新疆、廣東、遼寧、江蘇、內(nèi)蒙古、山西、河南、山東、河北，除了新疆以外，其余9省份與文獻(xiàn)[14]完全一致。綜上所述，說明文中所采用的方法與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)果基本一致，可以達(dá)到評價(jià)地區(qū)綜合環(huán)境質(zhì)量的目的，并且過程簡單易操作，是一種較好的評價(jià)方法。

根據(jù)2012年中國環(huán)境保護(hù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)顯示，空氣質(zhì)量排名前3的是海南、西藏、福建的省會(huì)城市(?？凇⒗_、福州)，評價(jià)中這些地區(qū)環(huán)境質(zhì)量排名也是靠前的；從歷年中國31個(gè)省市區(qū)(除臺(tái)灣和港澳地區(qū))的環(huán)境污染治理投資總額的數(shù)據(jù)顯示，環(huán)境污染治理投資總額持續(xù)增加，在2013年治理投資排名靠前的是山東、江蘇、河北、內(nèi)蒙古，這些地區(qū)在文中2012年的環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)指數(shù)都相對較低，因此表現(xiàn)出在2013年環(huán)境污染治理投資力度大，以上相關(guān)部門的數(shù)據(jù)也都與文中的評價(jià)結(jié)果一致。

圖1　2011年各地區(qū)環(huán)境環(huán)境質(zhì)量排名統(tǒng)計(jì)圖Fig.1　Statistics of regional environment quality ranking in 2011

圖2　2012年各地區(qū)環(huán)境環(huán)境質(zhì)量排名統(tǒng)計(jì)圖Fig.2　Statistics of regional environment quality ranking in 2012 注：由于文獻(xiàn)[14]中沒有對西藏作評價(jià)，因此文中對其余30個(gè)地區(qū)與文獻(xiàn)[14]做了比較。

4　結(jié)　論

1)通過對中國 31個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、環(huán)境污染、污染物處理3個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究，將復(fù)雜的信息簡單化，通過分析建立相關(guān)的綜合評價(jià)模型，對中國各地區(qū)環(huán)境質(zhì)量狀況做了評價(jià)分析，也取得了較好的評價(jià)結(jié)果。對地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的研究有助于各地區(qū)探索既能保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又能符合自身經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的道路，以改善環(huán)境質(zhì)量。評價(jià)結(jié)果也啟示各地區(qū)要繼續(xù)增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展形式，把節(jié)能減排作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的約束指標(biāo)；要控制污染物排放，以改善大氣環(huán)境質(zhì)量優(yōu)化經(jīng)濟(jì)增長，以科學(xué)發(fā)展來提升環(huán)境保護(hù)水平；將新的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境優(yōu)化上，產(chǎn)研結(jié)合，用新能源技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，開發(fā)清潔環(huán)保產(chǎn)品，構(gòu)建低耗環(huán)保的生產(chǎn)方式和生活模式；增加環(huán)境保護(hù)投入，拓寬城市綠化資金來源，提高環(huán)境管理能力和資源利用率；積極提倡環(huán)保出行，增強(qiáng)公民環(huán)保理念，自覺維護(hù)公共環(huán)境，以人為本，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，從而使環(huán)境質(zhì)量得到顯著提升;

2)同時(shí)，因?yàn)樽⒁獾江h(huán)境質(zhì)量的評價(jià)因素是很多的，對其界定與研究是個(gè)系統(tǒng)而又繁雜的工程，涉及到諸多的因素與條件。文中對地區(qū)生態(tài)環(huán)境、環(huán)境污染、污染物處理的研究也存在諸多不足，如在指標(biāo)選取的全面性、分類界定的普適性、環(huán)境的獨(dú)特性等方面還存在著較大的改進(jìn)之處，這也是本研究今后需要進(jìn)一步努力的方向。

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Application of regional environment quality assessment based on principal component analysis

LI Jun-min，LI Xin-rui

(CollegeofComputerScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

According to the environmental quality monitoring and statistics of the 31 regions in China in 2011 and 2012，this article uses principal component analysis method to screen the four principal component factor，with 13 secondary indicators specific data as sample factor.Using the proportion of the eigenvalues of the each principal component to the total as the weight，to get an evaluation model of regional environment quality，and then to evaluate the environment quality level of the regions.The results show that the distribution of environmental quality among different regions is unbalanced with obvious difference；the comprehensive environmental quality in the western region is the best，the eastern and northeastern regions are slightly lower than the national average level，and the central region is the worst.It is also indicated that the method is basically consistent with the evaluation results of other methods.It can be used to evaluate the regional environment quality.And the process is simple and easy to operate.

environmental quality；principal component analysis；eigenvalues；comprehensive evaluation

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0324

1672-9315(2016)03-0445-06

2015-12-11責(zé)任編輯：高佳

西安市科學(xué)

SF1232-5)

李軍民(1959-)，男，陜西西安人，教授，E-mail：ljmfyy@vip.sina.com

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