基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市旅游環(huán)境承載力預(yù)警評(píng)價(jià)

王 慧 修新田

1.太原旅游職業(yè)學(xué)院，山西太原 030032；2.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建福州 350002

引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，旅游業(yè)和現(xiàn)代城市的聯(lián)系日益緊密，旅游開(kāi)始“城市化”[1]，城市旅游目前已成為我國(guó)旅游業(yè)的主要組成部分，但其快速發(fā)展帶來(lái)一系列環(huán)境問(wèn)題[2]。如餐飲、住宿等旅游服務(wù)活動(dòng)造成大氣、水體污染，使城市旅游環(huán)境系統(tǒng)脆弱性不斷增加[3-4]。大連、?？诤望惤陙?lái)均因旅游開(kāi)發(fā)出現(xiàn)了自然災(zāi)害、環(huán)境污染等問(wèn)題。在追求城市旅游快速發(fā)展時(shí)如何預(yù)警并降低其環(huán)境系統(tǒng)的承載壓力，已成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)課題。目前廣泛用于山體滑坡、地震等的預(yù)警理論具有現(xiàn)實(shí)借鑒性，將其用于探索建立城市旅游環(huán)境承載力預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)緩解環(huán)境系統(tǒng)壓力，促進(jìn)可持續(xù)旅游發(fā)展具有重要意義。

一 預(yù)警理論研究綜述

預(yù)警理論源于國(guó)外，在經(jīng)濟(jì)研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)[5-6]等均有廣泛應(yīng)用，但用于旅游環(huán)境承載力的成果較少[3]，早期Edwards等為英格蘭海岸建立了相應(yīng)的旅游環(huán)境承載力預(yù)警機(jī)制[7]。20世紀(jì)80年代，翁鋼民[8]、曾琳[9]率先將其理論引入旅游環(huán)境承載力研究領(lǐng)域，為實(shí)證研究奠定了理論基礎(chǔ)。從研究對(duì)象看，旅游海島[10-11]、森林旅游景區(qū)[12-13]等均是重點(diǎn)。城市旅游環(huán)境承載力預(yù)警研究?jī)H有少數(shù)成果。趙永峰[14]、王麗[4]分別利用加權(quán)求和法、BP網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)警研究了烏蘭察布和大連。但研究對(duì)象側(cè)重北方沿海城市，定性多于定量研究，缺乏可應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的實(shí)際成果。由此，論文引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以福州市為研究對(duì)象，以期拓展相關(guān)研究成果，為有關(guān)政策制定提供可借鑒性建議。

二 研究區(qū)概況及方法

福州是我國(guó)優(yōu)秀的旅游城市，AAA級(jí)（含）以上旅游景區(qū)26家。近年來(lái)隨著海絲國(guó)際旅游節(jié)活動(dòng)等一系列措施的采取，旅游經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但同時(shí)出現(xiàn)了大氣和水體污染、公共衛(wèi)生環(huán)境受到破壞等問(wèn)題，旅游環(huán)境系統(tǒng)受到威脅。福州市從2000年便開(kāi)始探索建立旅游預(yù)警管理機(jī)制，如啟動(dòng)黃金周假日旅游預(yù)警系統(tǒng)；2020年時(shí)因新冠肺炎疫情防控在五一假期通過(guò)e福州APP發(fā)布景區(qū)游客承載預(yù)警，為其旅游環(huán)境承載力預(yù)警研究奠定了基礎(chǔ)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由Rumelhart等于1986年提出，是基于人腦神經(jīng)元處理信息的過(guò)程而建立的一種抽象性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)一層或多層的隱含層完成輸入到輸出的非線(xiàn)性映射。采用MATLABR_2014a中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)作為預(yù)警評(píng)價(jià)工具[12-13]。

（一）城市旅游環(huán)境承載力預(yù)警系統(tǒng)

1 預(yù)警監(jiān)測(cè)模塊

參考相關(guān)研究成果[4，15-16]，構(gòu)建了指標(biāo)體系（見(jiàn)表1）。

表1 福州市旅游環(huán)境承載力預(yù)警指標(biāo)體系

2 預(yù)警信息處理模塊

（1）預(yù)警指標(biāo)數(shù)值處理

首先對(duì)各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；其次采用變異系數(shù)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重；最后采用加權(quán)平均法求得預(yù)警指數(shù)。

（2）預(yù)警預(yù)測(cè)

采用滾動(dòng)預(yù)測(cè)法（前3年預(yù)測(cè)第4年）預(yù)測(cè)預(yù)警指標(biāo)2020、2021的值。根據(jù)研究的需求，設(shè)定了一個(gè)3×β×1的預(yù)測(cè)模型（β根據(jù)公式：試算確定）。采用tansig+logsig、traingd作為模型隱含層、輸出層的激活函數(shù)及訓(xùn)練函數(shù)，訓(xùn)練目標(biāo)誤差設(shè)為0.01，最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為15000，附加學(xué)習(xí)率設(shè)為0.05。

預(yù)警警界區(qū)間采用控制圖方法[17]及e福州APP中的信號(hào)燈確定（見(jiàn)表2）。

表2 福州市旅游環(huán)境承載力預(yù)警警界區(qū)間

3 預(yù)警評(píng)價(jià)模塊

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建旅游環(huán)境承載力預(yù)警評(píng)價(jià)模型，步驟如下。

（1）節(jié)點(diǎn)數(shù)量。2008年—2019年16個(gè)預(yù)警指標(biāo)值為輸入節(jié)點(diǎn)；隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)上述公式及試算確定為13，輸出層為預(yù)警警度（用向量0000、1000、0100、0010、0001對(duì)應(yīng)警度），節(jié)點(diǎn)數(shù)為 4；由此構(gòu)建一個(gè)16×13×4的預(yù)警評(píng)價(jià)模型。

（2）模型的訓(xùn)練與檢驗(yàn)。2008年—2017年、2018年—2019年分別為訓(xùn)練和檢驗(yàn)樣本，將主要函數(shù)和參數(shù)設(shè)定如預(yù)測(cè)模型中一致，完成網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和檢驗(yàn)。結(jié)果顯示第1次訓(xùn)練時(shí)即達(dá)到目標(biāo)誤差要求，此時(shí)利用Y=sim（net·P_test）對(duì) 2018年—2019年的樣本進(jìn)行仿真，判斷結(jié)果正確率100%，可用于預(yù)警評(píng)價(jià)。

（二）預(yù)警結(jié)果分析

1 預(yù)警子系統(tǒng)預(yù)警指數(shù)

描繪出福州市2008年—2019年旅游環(huán)境承載力預(yù)警子系統(tǒng)預(yù)警指數(shù)的變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖1），并進(jìn)行警情判別（見(jiàn)表3）。

圖1 2008年—2019年旅游環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)變化趨勢(shì)

圖1顯示，生態(tài)環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，預(yù)警狀態(tài)從成長(zhǎng)區(qū)過(guò)渡到健康區(qū)，再到適載區(qū)。2008年—2009年，受金融危機(jī)影響，福州市旅游資源開(kāi)發(fā)力度下降，AAAA級(jí)以上景區(qū)僅6個(gè)，反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的幾個(gè)指標(biāo)值都較小，預(yù)警狀態(tài)為成長(zhǎng)區(qū)，預(yù)警級(jí)別為輕警Ⅰ，警示燈為綠燈。2010年后，隨著對(duì)旅游發(fā)展的重視及生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，旅游資源得到良好的開(kāi)發(fā)，資源質(zhì)量逐步提升，AAAA級(jí)以上景區(qū)數(shù)量9個(gè)，2013年后達(dá)到13個(gè)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷提升，空氣質(zhì)量始終處于優(yōu)級(jí)狀態(tài)，對(duì)固體廢棄物和污水的處理率不斷提高，預(yù)警狀態(tài)為健康區(qū)，無(wú)警，顯示黃色。從2016年開(kāi)始，福州市不斷加快旅游產(chǎn)業(yè)布局，相繼出臺(tái)政策加快旅游業(yè)發(fā)展。2017年后，AAAA級(jí)以上景區(qū)數(shù)量增為15個(gè)，但反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的其他幾個(gè)指標(biāo)值也上升了。說(shuō)明生態(tài)環(huán)境承載力雖得到了充分發(fā)揮，但開(kāi)始出現(xiàn)承載壓力。旅游環(huán)境一定程度上可能已遭破壞，需開(kāi)始加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)力度。

經(jīng)濟(jì)環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)變化呈“W”形。2008年—2016年波動(dòng)下降，從健康區(qū)過(guò)渡到成長(zhǎng)區(qū)，警示燈從黃色變?yōu)榫G色。源于反映旅游服務(wù)接待能力的幾個(gè)指標(biāo)數(shù)值均下降。2016年后上升，預(yù)警狀態(tài)從健康區(qū)到適載區(qū)到超載區(qū)，處于超載預(yù)警狀態(tài)，已發(fā)布紅色預(yù)警。主要原因是隨著近年來(lái)游客接待量的不斷增加，福州市旅游服務(wù)設(shè)施和接待能力呈現(xiàn)壓力，旅游收入占GDP比重和人均GDP指標(biāo)值逐步提高，服務(wù)業(yè)用水量和社會(huì)用電量持續(xù)上升，增加了經(jīng)濟(jì)環(huán)境承載力預(yù)警子系統(tǒng)的壓力。福州市目前旅游經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、服務(wù)設(shè)施已在可承受的旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展給經(jīng)濟(jì)環(huán)境造成的壓力范圍之外，需開(kāi)始重視旅游經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

社會(huì)環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)呈下降趨勢(shì)。2008年預(yù)警狀態(tài)為超載區(qū)，警示燈為紅色（重警Ⅱ），說(shuō)明旅游業(yè)帶來(lái)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了居民滿(mǎn)意度下降等壓力，需要及時(shí)關(guān)注和處理。2009年，預(yù)警狀態(tài)由超載區(qū)過(guò)渡到適載區(qū)，預(yù)警級(jí)別由重警Ⅱ變?yōu)檩p警Ⅱ，警示燈由紅色變?yōu)槌壬?010年—2016年處于健康區(qū)，無(wú)警，警示燈為黃色。2017年—2019年過(guò)渡到成長(zhǎng)區(qū)，警示燈為綠色。說(shuō)明福州市居民從對(duì)游客的排斥過(guò)渡到接受狀態(tài)，旅游業(yè)與社會(huì)發(fā)展程度協(xié)調(diào)一致。

2 福州市旅游環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)分析

預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 2008年—2021年預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1顯示，福州市旅游環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)呈波動(dòng)遞增趨勢(shì)。2008年—2009年預(yù)警狀態(tài)為成長(zhǎng)區(qū)，發(fā)布警示燈為綠色的輕警Ⅰ。2010年—2018年，旅游業(yè)發(fā)展平穩(wěn)，環(huán)境承載能力持續(xù)增強(qiáng)，預(yù)警狀態(tài)始終為健康區(qū)。福州市2010年后旅游市場(chǎng)不斷擴(kuò)展，旅游業(yè)得到快速發(fā)展。2015年“四區(qū)疊加”，旅游產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐不斷加快，生態(tài)環(huán)境受旅游業(yè)快速發(fā)展的影響自2018年開(kāi)始逐步顯現(xiàn)，2019年開(kāi)始進(jìn)入適載區(qū)，發(fā)布輕警Ⅱ，警示燈為橙色。

3 預(yù)警防控對(duì)策

福州市應(yīng)從旅游業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，打造旅游項(xiàng)目推動(dòng)旅游業(yè)發(fā)展的同時(shí)注重塑造良好的生態(tài)環(huán)境，提高對(duì)游客的吸引力；注重對(duì)旅游資源要素的合理配置，科學(xué)調(diào)控宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)走向，優(yōu)化旅游經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)；采取措施合理分流游客，控制旅游人數(shù)，保障居民對(duì)旅游的支持度和游客的旅游滿(mǎn)意度。

三 結(jié)語(yǔ)

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，以福州市為研究對(duì)象進(jìn)行了城市旅游環(huán)境承載力預(yù)警評(píng)價(jià)研究，結(jié)論如下。生態(tài)環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，預(yù)警狀態(tài)從成長(zhǎng)區(qū)過(guò)渡到健康區(qū)，再到適載區(qū)。生態(tài)環(huán)境承載力雖然得到了充分發(fā)揮，但開(kāi)始出現(xiàn)承載壓力，旅游環(huán)境一定程度上可能已遭到破壞，需開(kāi)始加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)力度。經(jīng)濟(jì)環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)變化趨勢(shì)呈“W”形，波動(dòng)最明顯，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響最顯著，2016年后預(yù)警狀態(tài)過(guò)渡明顯，從健康區(qū)到適載區(qū)到超載區(qū)，處于超載預(yù)警狀態(tài)，已發(fā)布紅色預(yù)警，需要開(kāi)始重視旅游經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化，促進(jìn)旅游經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步可持續(xù)發(fā)展。社會(huì)環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)呈下降趨勢(shì)，預(yù)警過(guò)渡到成長(zhǎng)區(qū)，福州市居民從對(duì)游客的排斥過(guò)渡到接受狀態(tài)，旅游業(yè)與社會(huì)發(fā)展程度協(xié)調(diào)一致。整體環(huán)境承載力預(yù)警指數(shù)呈波動(dòng)遞增趨勢(shì)。預(yù)警狀態(tài)從2008年的成長(zhǎng)區(qū)過(guò)渡到2018年的健康區(qū)。生態(tài)環(huán)境受旅游業(yè)快速發(fā)展的影響自2018年逐步顯現(xiàn)，2019年開(kāi)始進(jìn)入適載區(qū)。