基于主成分分析法的廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價

(廣東財經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 廣東 廣州 510320)

一、引言

城市生態(tài)系統(tǒng)是城市空間范圍內(nèi)的居民與自然環(huán)境和人工建造的社會環(huán)境相互作用形成的統(tǒng)一體，是一種典型的人工生態(tài)系統(tǒng)。其主要的特征是：以人為核心，對外部的強(qiáng)烈依賴性和密集的人流、物流、能流、信息流、資金流等?？茖W(xué)的城市生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計能使城市生態(tài)系統(tǒng)保持良性循環(huán)，呈現(xiàn)城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展的格局。近年來，全球很多區(qū)域的城市生態(tài)系統(tǒng)都面臨著機(jī)能失調(diào)所帶來的壓力，城市生態(tài)系統(tǒng)的再生能力與恢復(fù)能力也正面臨著資源耗竭和污染排放的考驗，因此，正確的評價城市生態(tài)系統(tǒng)，對確定城市正確的發(fā)展方向和城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

廣州市，作為珠三角的國家中心城市，自改革開放以來，廣州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐一直在不斷地加快，城市建設(shè)取得了舉世矚目的成就，城市綜合實力不斷加強(qiáng)。但與此同時，隨著城市的擴(kuò)張、人口的不斷增加、工業(yè)的快速發(fā)展，也出現(xiàn)了住房緊張、環(huán)境污染等生態(tài)問題。廣州的城市生態(tài)系統(tǒng)面臨很大的壓力。因此正確地、合理的評價廣州城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，對廣州市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本文擬采用主成分分析方法，通過一套生態(tài)系統(tǒng)評價體系對廣州市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價，明確廣州城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為其制定合理的優(yōu)化建議。

二、研究方法

(一)評價指標(biāo)體系的建立

由于城市生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，正確的建立評價指標(biāo)體系是合理評價城市生態(tài)系統(tǒng)的前提，著名生態(tài)學(xué)家馬世駿先生提出的“社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”指出在當(dāng)代若干重大社會問題中，無論是糧食、能源、人口和工業(yè)建設(shè)所需要的自然資源及其相應(yīng)的環(huán)境問題，都直接或間接關(guān)系到社會體制、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及人類賴以生存的自然環(huán)境，社會、經(jīng)濟(jì)和自然是三個不同性質(zhì)的系統(tǒng)，都有各自的結(jié)構(gòu)、功能及其發(fā)展規(guī)律，但他們各自的存在和發(fā)展，又受其他系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的制約。此類復(fù)雜問題不能只單一地看成是社會問題、經(jīng)濟(jì)問題或自然問題，而是若干系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)雜問題。根據(jù)此定義，城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系可以分為社會子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、自然子系統(tǒng)三個部分，三者相互作用、相互依賴、相互制約，共同構(gòu)成了一個復(fù)雜的城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系，本文指標(biāo)選取參考社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的概念，并且參考關(guān)于城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價的相關(guān)研究論文的指標(biāo)體系，結(jié)合廣州市的實際情況，堅持科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、反映城市生態(tài)系統(tǒng)本質(zhì)的指標(biāo)作為廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系進(jìn)行科學(xué)評價，具體指標(biāo)體系構(gòu)建詳見表1.

表1 廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系

(二)評價方法的選擇

由于筆者選取的城市生態(tài)系統(tǒng)的三個子系統(tǒng)的30個指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，不能保證各個指標(biāo)間的獨立性，并且多指標(biāo)計算較為復(fù)雜，因此為了能夠更好的評價廣州的城市生態(tài)系統(tǒng)，需要剔除重復(fù)的指標(biāo)部分，并且找出其主要的影響因素，而主成分分析方法作為一種降維方法，它通過研究指標(biāo)體系的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化成少數(shù)幾個互相獨立而且包含原有指標(biāo)大部分信息的綜合指標(biāo)，它確定的權(quán)數(shù)是基于數(shù)據(jù)分析而得到的指標(biāo)之間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系，不受主觀因素的影響，而且得到的綜合指標(biāo)之間相互獨立，減少信息的交叉，這使得分析評價結(jié)果具有客觀性和可確定性。適合用于城市生態(tài)系統(tǒng)這個場景下的綜合評價。因此筆者選取主成分分析方法對廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價。

三、實證分析

(一)數(shù)據(jù)選擇

評價指標(biāo)體系所用原始數(shù)據(jù)均來自于近8年來《廣州市統(tǒng)計年鑒》、廣州市統(tǒng)計公報和相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用開源統(tǒng)計語言R語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析并對廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價。

(二)數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析

1.通過獲取到的原始數(shù)據(jù)構(gòu)建階矩陣，并對30個指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除指標(biāo)之間變化趨勢、量綱的不一致及數(shù)量級的差異等現(xiàn)象，同時對于逆向指標(biāo)，在正向化之前，還需進(jìn)行正向化處理，正向化方法我們采取倒扣逆變換法。即對逆向指標(biāo)正向化公式為，之后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化公式為式中：為年第個指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)；和分別為第個指標(biāo)的樣本均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),計算相關(guān)系數(shù)矩陣，相關(guān)系數(shù)矩陣說明了各個指標(biāo)之間的相關(guān)程度。其中，為原變量和的相關(guān)系數(shù)，=。

3.計算相關(guān)系數(shù)矩陣R的特征值，特征向量、方差貢獻(xiàn)率和累計方差貢獻(xiàn)率。計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中主成分方差貢獻(xiàn)率分析可以得出：第一主成分方差貢獻(xiàn)率為75.87%，其包含的主成分信息最多，其次是第二主成分，方差貢獻(xiàn)率為9.58%，再者是第三主成分，方差貢獻(xiàn)率為6.30%；前三個主成分累計方差貢獻(xiàn)率大于90%，其很好的保留了原有30個指標(biāo)的信息，減少了特征數(shù)量，并且根據(jù)圖2的主成分碎石圖可以看出，特征根大于1的有3個主成分且在第三個主成分之后逐漸平緩，因此選取前三個主成分進(jìn)行后續(xù)分析。

圖1 廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)主成分碎石圖

主成分特征值方差貢獻(xiàn)率累計方差貢獻(xiàn)率F113.493975.87%75.87%F24.79539.58%85.45%F33.88786.30%91.75%F43.27194.46%96.21%F52.17871.98%98.19%F61.68881.19%99.38%F71.22470.62%100.00%F800.00%100.00%

特征向量即為不同主成分中各個指標(biāo)的權(quán)重，其計算結(jié)果見表3。從表3中可以看出：主成分F1中醫(yī)院病床位數(shù)、平均每人房屋建筑面積、常住人口密度、貨運量、人均供水量、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、單位GDP能耗、常住人口數(shù)、平均每萬人在校大學(xué)生數(shù)相關(guān)系數(shù)較高；主成分F2中人均城市道路面積、城鎮(zhèn)登記失業(yè)率、工業(yè)固體廢物綜合利用率、空氣達(dá)標(biāo)率、城鎮(zhèn)居民人均消費性支出恩格爾系數(shù)相關(guān)系數(shù)較高；主成分F3中酸雨頻率、工業(yè)廢氣排放量、地方財政收入增長率、GDP增長率相關(guān)系數(shù)較高。綜上所述，可以看出主成分F1、F2、F3包含了原始指標(biāo)體系大部分指標(biāo)的信息。

表3 廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)主成分特征向量

4.根據(jù)表3中各個主成分指標(biāo)的權(quán)重，可以得出主成分F1、F2、F3的表達(dá)式，即

5.計算廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合得分。根據(jù)表2中各主成分貢獻(xiàn)率在累計貢獻(xiàn)率的比率，可以得出其在綜合得分中的權(quán)重，最終綜合得分表達(dá)式為F=0.6085F1+0.2162F2+0.1753F3。由于前面數(shù)據(jù)預(yù)處理時，對逆向指標(biāo)進(jìn)行了正向化，所以預(yù)處理后的各項指標(biāo)均為正向指標(biāo)，F(xiàn)值越大，說明城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展越好，廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)各主成分得分及綜合得分計算結(jié)果如表4，根據(jù)綜合得分可以得出2009-2016年廣州市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展趨勢，如圖2所示。

表4 各年份主成分得分及綜合得分

圖2 2009-2016年廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合得分趨勢圖

(三)結(jié)果分析和評價

通過主成分分析結(jié)果可以看出廣州市2009-2016年城市生態(tài)系統(tǒng)綜合得分越來越高，綜合得分越高，說明城市生態(tài)系統(tǒng)越好。圖2中得分為負(fù)值的年份不代表該年份廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)不好，圖中的正負(fù)表示各年份城市生態(tài)系統(tǒng)水平的相對趨勢。通過圖2可以看出2009-2016年廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合得分呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢，近年來廣州市充分發(fā)揮自身的特點和優(yōu)勢，努力創(chuàng)新，走可持續(xù)發(fā)展之路，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，加大環(huán)境保護(hù)力度。經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境得到了持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，城市生態(tài)系統(tǒng)也在不斷地優(yōu)化和升級。

四、結(jié)論

1.研究城市生態(tài)系統(tǒng)的目的就是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，而城市生態(tài)系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的復(fù)合人工生態(tài)系統(tǒng)，需要通過多指標(biāo)對其進(jìn)行綜合評價，本文利用“社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”理念，通過經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境三個方面對廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析，因此選取的指標(biāo)較多，多指標(biāo)評價計算較為復(fù)雜，而本文采用的主成分分析方法采用少數(shù)保留了原有多指標(biāo)大部分信息的綜合指標(biāo)對城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價。簡化了計算，使得分析結(jié)果更加科學(xué)合理、準(zhǔn)確和客觀。

2.采用主成分分析方法對廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明，廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展越來越好，同時也看出城市生態(tài)系統(tǒng)涉及到城市的方方面面，經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境三個方面的指標(biāo)都對其有重要的影響，因此為了廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展，不僅要注重城市的整體發(fā)展水平，還要重視經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，在城市環(huán)境建設(shè)方面，要不斷地提高對工業(yè)三廢的處理和利用，合理開發(fā)利用各種資源，防止各種污染，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。在城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面，大力發(fā)展特色區(qū)域經(jīng)濟(jì)，不斷提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。在城市社會建設(shè)方面，不斷完善城市功能、社會保障、教育醫(yī)療等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。共同促進(jìn)廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展步伐，促進(jìn)廣州市建設(shè)又好又快發(fā)展。

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