基于主成分分析法軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估模型研究

黃茜茜， 奚江琳， 李 鋒, 吳文明

(1. 61517部隊(duì)，北京 100039； 2.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

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基于主成分分析法軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估模型研究

黃茜茜1， 奚江琳2， 李 鋒1, 吳文明1

(1. 61517部隊(duì)，北京 100039； 2.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估定級(jí)的科學(xué)性及合理性是遺產(chǎn)分級(jí)保護(hù)工作客觀有效的重要保證。文章選取了24處典型軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)作為研究樣本，基于主成分分析法建立了軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估模型，根據(jù)樣本綜合評(píng)估結(jié)果提出了三級(jí)保護(hù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，最終以美齡舞廳為例應(yīng)用模型分析，驗(yàn)證了模型的有效性。

軍隊(duì)營(yíng)區(qū)； 建筑遺產(chǎn)； 主成分分析法； 綜合評(píng)估模型

軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)是我國(guó)文化遺產(chǎn)的重要組成部分，具有極高的歷史、科學(xué)、藝術(shù)和軍事等諸多方面獨(dú)特價(jià)值[1-2]。由于軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)種類繁多、分布地域廣、數(shù)量較大，相關(guān)保護(hù)工作缺乏統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。近年來，軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)的保護(hù)和利用越發(fā)的引起國(guó)家和社會(huì)的廣泛關(guān)注，其保護(hù)工作也得到了軍隊(duì)高層的高度重視。但有限的社會(huì)資源難以在短時(shí)間內(nèi)解決眾多營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)的保護(hù)問題。對(duì)建筑遺產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的保護(hù)評(píng)估定級(jí)是節(jié)約資源以及對(duì)重點(diǎn)文物優(yōu)先保護(hù)的必要技術(shù)手段[3-4]。本文所提出的基于主成分分析法綜合評(píng)估模型是對(duì)建筑遺產(chǎn)評(píng)估定級(jí)的數(shù)學(xué)模型。該模型在已知專家組對(duì)建筑遺產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)打分基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，一旦打分結(jié)束，便不再引入主觀因素，極大程度的減少了主觀因素對(duì)遺產(chǎn)評(píng)估定級(jí)的影響。數(shù)學(xué)評(píng)估模型的準(zhǔn)確性、客觀性能夠有效保證建筑遺產(chǎn)分級(jí)保護(hù)的合理性。

1 研究方法

主成分分析法是基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的，它是將所研究系統(tǒng)的主要因素和其他因素進(jìn)行相關(guān)性分析，采取降維手段，把原本大量的變量數(shù)據(jù)分析用少量的綜合變量替代的方法[5]，基本原理如下：

設(shè)X為n維空間的隨機(jī)變量，且E(X)=0，E(XTX)=σ，則X的第k個(gè)主成分為Zk，表達(dá)式為：Z=AX，即

(1)

其中，σ是實(shí)對(duì)稱的n階協(xié)方差矩陣，n個(gè)非負(fù)特征根為λ1≥λ2≥…≥λn≥0，Ai=(ai1,ai2，…,ain)為λi的單位化特征向量。正交矩陣A=(A1，A2,…,An)T。

對(duì)主成分進(jìn)行遴選。設(shè)Pj為第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率

(2)

在主成分分析中，一般按照各主成分方差比重Pj(j=1,2,…,n)由大到小排序依次選出k個(gè)主要因子，Ak=(A1，A2,…，Ak)T即為主成分的載荷矩陣，此處k的取值由所選主成分信息量之和占總體信息量的85 %來確定。由此便通過主成分分析，將原始的n個(gè)指標(biāo)的分析用k個(gè)主成分的分析代替，簡(jiǎn)化了分析。

經(jīng)過主成分分析后，設(shè)Fi為第i個(gè)研究樣本的綜合分值，則令主成分的貢獻(xiàn)率作為主成分權(quán)重可以得到樣本綜合評(píng)估分值。

(3)

第i個(gè)樣本的綜合分值Fi由其主成分分值與對(duì)應(yīng)方差貢獻(xiàn)比重Pi的乘積之和得到。方差貢獻(xiàn)比重Pi代表著第i個(gè)主成分占總體信息量的百分比，由其作為綜合評(píng)估得分權(quán)重能夠科學(xué)、客觀的反映出樣本的綜合評(píng)估結(jié)果。主成分分析法采用Matelab軟件編程實(shí)現(xiàn)。

2 軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估計(jì)算模型

選取24處典型營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)作為研究樣本，樣本的各項(xiàng)指標(biāo)具體量化數(shù)據(jù)由專家組結(jié)合實(shí)地普查情況給出。通過主成分分析法對(duì)24處建筑遺產(chǎn)32項(xiàng)指標(biāo)的專家組打分結(jié)果進(jìn)行分析，得到綜合評(píng)估模型的主成分、載荷矩陣A以及主成分貢獻(xiàn)率Pi(即權(quán)重)，由此建立了基于主成分分析法的軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)的綜合評(píng)估模型。模型建立后，在已知某處軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)樣本指標(biāo)評(píng)估分值的情況下便可應(yīng)用該模型對(duì)樣本進(jìn)行評(píng)估定級(jí)。

2.1 建立模型

利用主成分分析法對(duì)樣本進(jìn)行計(jì)算和處理，經(jīng)分析得到主成分載荷矩陣、主成分貢獻(xiàn)率(表1)。由主成分分析結(jié)果可以看出，應(yīng)用主成分分析法可以將32項(xiàng)指標(biāo)變量簡(jiǎn)化為涵蓋85 %信息總量的7個(gè)主成分。將7個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率應(yīng)用為綜合得分的權(quán)重，可以科學(xué)的表現(xiàn)出主成分分值的重要程度，由此以數(shù)學(xué)的方法給出分值權(quán)重解決了以往權(quán)重確定時(shí)主觀因素的干擾問題。

表1 主成分貢獻(xiàn)率

通過主成分分析，得到了主成分載荷矩陣A以及各主成分的貢獻(xiàn)率Pi，由此便可建立軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估模型。在樣本空間中，第i個(gè)樣本的主成分分值通過式(1)求得，綜合評(píng)估得分Fi由式(3)求得。樣本的綜合評(píng)估得分越高表明樣本的綜合保護(hù)價(jià)值越高，反之樣本的綜合保護(hù)價(jià)值越低。當(dāng)樣本綜合評(píng)估得分為正時(shí)，表明該樣本的綜合保護(hù)價(jià)值處于平均水平以上；反之樣本的綜合保護(hù)價(jià)值處于平均水平以下；當(dāng)樣本綜合評(píng)估得分為0時(shí)，表明該樣本的綜合保護(hù)價(jià)值處于平均水平。

2.2 保護(hù)等級(jí)劃分

通過模型計(jì)算分析得到如下結(jié)果：24處軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)，其中12處綜合評(píng)估得分為正，12處得分為負(fù)，最高分值為3.043，最低分值為-2.081?；?4處樣本的綜合評(píng)估結(jié)果，將軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)劃分為三級(jí)：綜合評(píng)估得分大于等于1的定為一級(jí)保護(hù)遺產(chǎn)；綜合評(píng)估得分大于等于-1且小于1的定為二級(jí)保護(hù)遺產(chǎn)；綜合評(píng)估得分小于-1的定為三級(jí)保護(hù)遺產(chǎn)。對(duì)24處樣本的保護(hù)等級(jí)劃分結(jié)果見表2。

表2 軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)保護(hù)等級(jí)劃分

3 計(jì)算模型應(yīng)用——以美齡舞廳為例

軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估模型的建立，為軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)保護(hù)等級(jí)劃定提供了科學(xué)的理論依據(jù)。本節(jié)選取具有典型代表性的重慶林園官邸大客廳(又稱美齡舞廳)作為實(shí)例，通過對(duì)其概況和價(jià)值進(jìn)行分析，獲得專家組對(duì)其指標(biāo)的打分，應(yīng)用綜合評(píng)估模型計(jì)算出綜合得分、劃定保護(hù)級(jí)別，從而檢驗(yàn)軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估模型的科學(xué)性、適用性。

3.1 遺產(chǎn)概況

美齡舞廳選址在林園石崗子中部山腰上，附近怪石嶙峋、景觀別致，舞廳底層采用毛石砌筑的方法筑牢地基。美齡舞廳周圍并未鋪設(shè)道路，而由兩處階梯通往，巧妙地保護(hù)了建筑周圍獨(dú)特的山林景觀。美齡舞廳外觀設(shè)計(jì)遵循中國(guó)古典建筑的比例、尺度和整體輪廓，采用中國(guó)宮殿式大屋頂形式，磚木混合結(jié)構(gòu)，坐北朝南。建筑平面為矩形，規(guī)模中等，建筑面積254.8 m2，面闊9間24.5 m，進(jìn)深5間13.25 m(圖1、圖2)。

圖1 美齡舞廳模型

圖2 美齡舞廳實(shí)景

3.2 綜合評(píng)估

結(jié)合實(shí)地普查資料，專家組給出對(duì)美齡舞廳的打分結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化分值。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)分值應(yīng)用(4.15)及(4.18)兩式進(jìn)行處理，得到主成分分值及綜合評(píng)估分值(表3)。

表3 美齡舞廳主成分分值及綜合評(píng)估得分

由美齡舞廳的綜合得分可以看出，其保護(hù)價(jià)值較高。美齡舞廳建筑雖規(guī)模有限、裝飾簡(jiǎn)樸，然而與林園其他建筑形成統(tǒng)一風(fēng)格，細(xì)部處理具有特色，整體協(xié)調(diào)，與山林環(huán)境相得益彰，是抗戰(zhàn)時(shí)期重慶地區(qū)高級(jí)官邸活動(dòng)場(chǎng)所的典型代表。

美齡舞廳原為省級(jí)文物保護(hù)單位，軍隊(duì)營(yíng)區(qū)文化遺產(chǎn)保護(hù)研究中心結(jié)合實(shí)地勘察情況以及相關(guān)專家意見，會(huì)同有關(guān) 部門為美齡舞廳申報(bào)了第七批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位且申報(bào)成功，相關(guān)情況于2013年3月由國(guó)務(wù)院公布?？梢姂?yīng)用軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)綜合評(píng)估模型將美齡舞廳評(píng)估為一級(jí)保護(hù)遺產(chǎn)是合理的，由此證明了綜合評(píng)估模型的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

5 結(jié)束語

豐富的建筑遺產(chǎn)是祖先留給我們的寶貴財(cái)富，軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)是我國(guó)文化遺產(chǎn)的重要組成部分。然而隨著侵蝕風(fēng)化、戰(zhàn)火洗禮、社會(huì)高速發(fā)展以及軍營(yíng)建設(shè)活動(dòng)的愈加頻繁，軍隊(duì)營(yíng)區(qū)內(nèi)許多優(yōu)秀的建筑遺產(chǎn)正遭遇著前所未有的沖擊與破壞。集中有限力量對(duì)具有特殊意義的軍隊(duì)建筑遺產(chǎn)實(shí)施優(yōu)先保護(hù)迫在眉睫。本文所建模型為軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)保護(hù)等級(jí)劃定提供科學(xué)、適用的決策依據(jù)，為軍隊(duì)營(yíng)區(qū)建筑遺產(chǎn)得以科學(xué)、持續(xù)地使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)遺產(chǎn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)保護(hù)提供了實(shí)效性的技術(shù)支撐。

[1] 鄧浩,奚江琳,楊涵. 軍隊(duì)建筑遺產(chǎn)研究與群體價(jià)值認(rèn)知[J]. 中國(guó)園林,2012(1).

[2] 陳蔚. 我國(guó)建筑遺產(chǎn)保護(hù)理論和方法研究[D]. 重慶大學(xué),2008.

[3] 童喬慧,劉天楨. 歷史建筑評(píng)估中的結(jié)構(gòu)方程模型研究[J]. 華中建筑,2008(12).

[4] 張帆. 近代歷史建筑保護(hù)修復(fù)技術(shù)與評(píng)價(jià)研究[D]. 天津大學(xué),2011.

[5] 林海明. 對(duì)主成分分析法運(yùn)用中十個(gè)問題的解析[J]. 統(tǒng)計(jì)與決策, 2007(8):16-18.

黃茜茜(1990～)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)閲?guó)防工程規(guī)劃與系統(tǒng)分析；奚江琳(1969～)，女，博士，副教授，主要從事建筑遺產(chǎn)及防護(hù)工程方面的工作；李鋒(1980～)，男，本科，工程師，主要從事建筑設(shè)計(jì)工作；吳文明(1982～)，男，本科，工程師，主要從事建筑設(shè)計(jì)工作。

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[定稿日期]2016-04-28