基于投影尋蹤模型的陜南三市生態(tài)文明建設(shè)水平研究

董 朕， 武婷婷， 黃雅慧

（1.商洛學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西商洛 726000； 2.陜西高校新型智庫商洛發(fā)展研究院，陜西商洛 726000）

改革開放以來，國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，我國重工業(yè)興起，由于初始階段重工業(yè)體系不夠完善，忽略了對生態(tài)文明的保護(hù)，導(dǎo)致原始生態(tài)受到了嚴(yán)重影響. 針對該事態(tài)，相關(guān)環(huán)境保護(hù)部門實施了一定的措施，近年來，生態(tài)文明建設(shè)一直是我國的重中之重，同樣也面臨著挑戰(zhàn)和機遇. 以秦巴地區(qū)為例，秦嶺素有華夏“龍脈”之稱，與此同時秦巴地區(qū)也是我國重要的生態(tài)安全屏障. 黨的十八大以來，習(xí)近平總書記也強調(diào)了生態(tài)文明建設(shè)的重要性，它關(guān)系到我國的政治、經(jīng)濟(jì)、文明等各個方面，“金山銀山不如綠水青山”的觀念深入人心. 因此，以秦巴地區(qū)的陜南三市為研究對象，總結(jié)分析近些年陜南三市在生態(tài)文明建設(shè)水平上的變動及差異，為陜南生態(tài)文明建設(shè)提供參考.

國外有關(guān)生態(tài)文明建設(shè)測度與評價的研究較少，但國外學(xué)者在生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域所采用的PSR 模型、DPSIR 模型、HDI 人類發(fā)展指數(shù)、生態(tài)足跡法等評價方法［1-4］，給我國學(xué)者的研究提供了良好的理論引導(dǎo). 國內(nèi)學(xué)者采用了多種方法對不同地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)行了評價與測度. 茍廷佳和陸威文［5］構(gòu)建包括63 個指標(biāo)的復(fù)合生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)體系，運用組合賦權(quán)TOPSIS 模型對青海省2008—2017 年生態(tài)文明建設(shè)水平進(jìn)行綜合評價. 耿鵬和鄭中團(tuán)［6］基于長三角26 個城市2008—2017 年的面板數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建生態(tài)文明建設(shè)水平測量指標(biāo)體系，運用熵權(quán)TOPSIS 法、探索性空間數(shù)據(jù)分析法等系統(tǒng)分析長三角城市群生態(tài)文明建設(shè)水平的時空分布特征. 賈海發(fā)等［7］從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步和生態(tài)環(huán)境保護(hù)三個維度構(gòu)建指標(biāo)體系，運用熵值法對2008—2018 年青海省生態(tài)文明發(fā)展水平進(jìn)行了測度與評價，并構(gòu)建耦合協(xié)調(diào)度模型對生態(tài)文明各子系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度及其演變規(guī)律進(jìn)行了分析. 李昌新等［8］建立基于PSR 模型的農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)水平評價指標(biāo)體系，采用灰色關(guān)聯(lián)模型診斷江蘇省農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)水平. 陳炳等［9］運用熵權(quán)TOPSIS 法、耦合協(xié)調(diào)模型，分析了2008—2015 年長三角城市群26 市生態(tài)文明建設(shè)與城市化耦合協(xié)調(diào)度及演變過程. 王二威等［10］從生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)和內(nèi)容出發(fā)，構(gòu)建了涵蓋經(jīng)濟(jì)生態(tài)文明子系統(tǒng)、社會生態(tài)文明子系統(tǒng)、自然環(huán)境生態(tài)文明子系統(tǒng)的城市生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)體系，并采用集結(jié)主觀和客觀信息的熵權(quán)TOPSIS 方法對珠三角地區(qū)九個城市的生態(tài)文明建設(shè)水平進(jìn)行了評價. 宓澤鋒等［11］通過復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論和“PSR”模型構(gòu)建生態(tài)文明評價指標(biāo)體系，運用熵權(quán)TOPSIS法、協(xié)調(diào)度模型、耦合協(xié)調(diào)度模型、生態(tài)文明建設(shè)潛力模型對5 大城市群生態(tài)文明建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行評價. 吳旭曉［12］運用拉格朗日函數(shù)優(yōu)化綜合權(quán)重法對2013—2017年中國四大區(qū)域26個?。▍^(qū)）生態(tài)文明建設(shè)水平進(jìn)行綜合測度，并利用系統(tǒng)動態(tài)方程實證分析其驅(qū)動因素. 此外，還有部分學(xué)者利用層次分析法結(jié)合因子分析［13］、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［14］、分層聚類法［15］、DPSIRM 模型［16］、“縱橫向拉開檔次評價法+空間自相關(guān)+收斂性分析”相結(jié)合的方法［17］，對區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)水平進(jìn)行測度.

學(xué)者們對生態(tài)文明建設(shè)的研究，為中國生態(tài)文明建設(shè)提供了一定程度的理論支撐，同時為進(jìn)一步的研究提供了諸多參考與借鑒. 但是也存在一些不足：第一，從研究對象上看，有涉及城市、農(nóng)村、省域及不同地區(qū)，但對秦巴地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的研究很少；第二，從研究方法上來看，有主觀評價法，也有客觀評價法，但未考慮到評價指標(biāo)高維度、非正態(tài)、非線性的數(shù)據(jù)特征. 因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)體系，通過使用投影尋蹤模型對陜南三市生態(tài)文明建設(shè)水平進(jìn)行評價測度，并對不同區(qū)域進(jìn)一步推動生態(tài)文明建設(shè)提出建議.

1 評價指標(biāo)體系

生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展是一個復(fù)雜多樣的系統(tǒng)概念，包含多個子維度，所以必須結(jié)合秦巴地區(qū)發(fā)展的特殊性來構(gòu)建多維度、多指標(biāo)的評價體系. 根據(jù)指標(biāo)選取的科學(xué)性、權(quán)威性和可操作性等原則，結(jié)合秦巴地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展目標(biāo)，從經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、公共服務(wù)系統(tǒng)四個維度，構(gòu)建一個生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展水平指標(biāo)體系（表1）. 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反映區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，包含產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)質(zhì)量兩個方面；社會系統(tǒng)反映區(qū)域的社會發(fā)展質(zhì)量，包含人口就業(yè)、消費水平和科技創(chuàng)新三個方面；環(huán)境系統(tǒng)反映環(huán)境建設(shè)發(fā)展情況，包含污染排放和生態(tài)治理兩個方面；公共服務(wù)系統(tǒng)反映提供公共服務(wù)的能力，包含教育文化和醫(yī)療衛(wèi)生兩個方面. 其中4個一級指標(biāo)，9個二級指標(biāo)，31個三級指標(biāo)，既有正向指標(biāo)，也有負(fù)向指標(biāo).

表1 生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation index system of ecological civilization construction

2 計量模型

2.1 投影尋蹤模型

投 影 尋 蹤（projection pursuit，PP）是處理和分析高維數(shù)據(jù)的一類新興統(tǒng)計方法，基本思想是將高維數(shù)據(jù)投影到低維子空間上，并在該子空間上尋找出能夠反映原高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征的投影，從而達(dá)到研究和分析高維數(shù)據(jù)的目的，在克服“維數(shù)禍根”以及解決小樣本、超高維等問題中具有明顯優(yōu)勢. 與其他非參數(shù)方法一樣，投影尋蹤方法也可用來解決非線性問題.

投影尋蹤評價模型的建模過程如下：

1）樣本評價指標(biāo)集歸一化處理

設(shè)各指標(biāo)的樣本集為{x*(i,j)|i=1,2,…,n,j=1,2,…,p} ，其中x*(i,j)為第i個樣本的第j個指標(biāo)值，n和p分別為樣本的個數(shù)和指標(biāo)的數(shù)目. 歸一化處理以消除各指標(biāo)值的量綱和統(tǒng)一各指標(biāo)值的變化范圍.

本文所構(gòu)建的綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)體系中具有正向影響的指標(biāo)，也有對具有逆向影響的指標(biāo)，因此，本文采取極值標(biāo)準(zhǔn)化方法對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.

正向型指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法：

逆向型指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法：

2）構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)Q( )

a

其中：a為單位長度向量. 為了使局部投影點盡可能密集，最好凝聚成若干個點團(tuán)，整體上投影點團(tuán)之間盡可能散開. 因此，投影指標(biāo)函數(shù)可以表達(dá)成：

3）優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)

當(dāng)樣本集給定時，投影指標(biāo)函數(shù)Q( )a只隨著投影方向a的變化而變化. 最佳投影方向就是最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)的投影方向. 因此，可以通過求解投影指標(biāo)函數(shù)最大化問題來實現(xiàn)，即：

4）綜合評價

把上一步求得的最佳投影方向a*代入式（3）后可得各樣本投影值z*()i，據(jù)此可進(jìn)行分類或優(yōu)劣排序.

2.2 GA-PSO混合算法優(yōu)化

粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一種群人工智能算法，其主要思想是模擬鳥類捕食過程，捕食過程即尋找全局最優(yōu)解過程，所有粒子都有記憶功能，一次尋找過程中每個粒子通過平衡自身尋找過的最優(yōu)位置pbest（局部最優(yōu)位置）和粒子群分享信息得到的最優(yōu)位置gbest（全局最優(yōu)位置）來決定本次尋找的方向和運動的速度，再通過預(yù)先設(shè)置的適應(yīng)度函數(shù)來判斷本次尋找位置的優(yōu)劣，通過有限次尋找得到全局最優(yōu)解［18］.

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA），它是一種模擬方法，使用數(shù)學(xué)模型來模仿生物的一系列進(jìn)化過程，生物進(jìn)化是通過染色體作為遺傳基因的承載體，遺傳算法則用一串?dāng)?shù)組來模擬染色體，并通過不斷地選擇、交叉、變異等遺傳操作，對問題進(jìn)行優(yōu)化以獲得相對最優(yōu)解［19］.

粒子群算法具有收斂速度快、參數(shù)設(shè)置少、結(jié)構(gòu)簡單和易于實現(xiàn)等優(yōu)點，不過其在運算過程中也存在一定的局限性，由于缺乏速度的動態(tài)調(diào)節(jié)，容易陷入局部最優(yōu)，導(dǎo)致收斂精度低和不易收斂. 遺傳算法中的交叉操作體現(xiàn)了全局搜索能力，變異操作體現(xiàn)了局部搜索能力，使得遺傳算法在運算過程中不易陷入局部最優(yōu)解，不過遺傳算法往往收斂較慢，或是容易過早收斂.

因此，可以將遺傳算法的思想融入粒子群算法中，引入遺傳算法的交叉操作提高粒子的全局搜索能力，預(yù)防陷入局部最優(yōu)；當(dāng)陷入局部最優(yōu)時，利用遺傳算法中的變異操作改變粒子結(jié)構(gòu)，從而跳出局部最優(yōu)狀態(tài)［20］. 所以，利用遺傳算法中交叉操作和變異操作的思想對粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可以彌補粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)和收斂精度低的缺陷，最終獲得精度更高的解.

GA-PSO混合算法實現(xiàn)流程如圖1所示.

3 實證分析

3.1 數(shù)據(jù)來源及參數(shù)設(shè)置

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是取自于2010—2019年《陜西省統(tǒng)計年鑒》《安康市統(tǒng)計年鑒》《漢中市統(tǒng)計年鑒》和《商洛市統(tǒng)計年鑒》的經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計公報. 根據(jù)上文所確定的生態(tài)文明建設(shè)評價指標(biāo)體系，應(yīng)用GA-PSO 混合算法優(yōu)化的投影尋蹤模型對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價分析. 依據(jù)圖1所述的GA-PSO 混合算法實現(xiàn)流程圖，利用MATLAB 2013a 軟件進(jìn)行編程計算，采用混合算法來求解投影指標(biāo)函數(shù)的最大值，解決投影向量的優(yōu)化問題.

圖1 GA-PSO混合算法實現(xiàn)流程圖Fig.1 Flow chart of GA-PSO hybrid algorithm implementation

MATLAB 參數(shù)設(shè)置如下：指標(biāo)數(shù)p=19；學(xué)習(xí)因子c1=2，c2=2；交叉率Pc1=0.6，Pc2=0.7；變異率pm=0.2；最大迭代次數(shù)Tmax=1000.

3.2 分地區(qū)縱向生態(tài)文明建設(shè)水平評價

3.2.1 漢中地區(qū)

2010—2019年漢中地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)評價結(jié)果如表2和圖2所示.

表2 漢中2010—2019年生態(tài)文明建設(shè)水平投影值表Tab.2 Projection value table of ecological civilization construction level in Hanzhong from 2010 to 2019

圖2 2010—2019年漢中生態(tài)文明建設(shè)水平發(fā)展趨勢圖Fig.2 The development trend of the level of ecological civilization construction in Hanzhong from 2010 to 2019

從表2和圖2可以看出，漢中地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)水平隨著時間的推移都有著不同程度的增長. 其中，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展水平的增長幅度最大，社會系統(tǒng)增長與公共服務(wù)系統(tǒng)增長幾近相同，而環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展相對較慢，并且在2014—2015環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展水平還略有下降. 不過從綜合投影值可以看出2010—2019年漢中生態(tài)文明建設(shè)水平呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢.

3.2.2 安康地區(qū)

2010—2019年安康地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)評價結(jié)果如表3和圖3所示.

表3 安康2010—2019年生態(tài)文明建設(shè)水平投影值表Tab.3 Projection value table of ecological civilization construction level in Ankang from 2010 to 2019

圖3 2010—2019年安康生態(tài)文明建設(shè)水平發(fā)展趨勢圖Fig.3 The development trend of the level of ecological civilization construction in Ankang from 2010 to 2019

從表3和圖3可以看出，安康地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)不同的子維度呈現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢. 其中，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的增長幅度最大，社會系統(tǒng)次之，環(huán)境系統(tǒng)雖有波動，但在2015年后也呈快速上漲態(tài)勢，而公共服務(wù)系統(tǒng)方面總體來說呈下降趨勢. 公共服務(wù)系統(tǒng)下降的主要原因在于：第一，小學(xué)數(shù)量在不斷縮減，2010—2019年小學(xué)數(shù)量減少了50%；第二，醫(yī)院、衛(wèi)生院個數(shù)在2015 年后也有所減少. 不過從綜合投影值可以看出，在2010—2019年安康生態(tài)文明建設(shè)水平依舊呈現(xiàn)穩(wěn)步上漲趨勢.

3.2.3 商洛地區(qū)

2010—2019年商洛地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)評價結(jié)果如表4和圖4所示.

圖4 2010—2019年商洛生態(tài)文明建設(shè)水平發(fā)展趨勢圖Fig.4 The development trend of the level of ecological civilization construction in Shangluo from 2010 to 2019

表4 商洛2010—2019年生態(tài)文明建設(shè)水平投影值表Tab.4 Projection value table of ecological civilization construction level in Shangluo from 2010 to 2019

從表4和圖4可以看出，商洛地區(qū)的生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展?fàn)顩r與安康類似，不同子維度呈現(xiàn)不同發(fā)展趨勢. 經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的增幅最大，社會系統(tǒng)緊隨其后. 環(huán)境系統(tǒng)雖然在2014—2016年有所波動，但總體上呈現(xiàn)上漲趨勢. 而公共服務(wù)系統(tǒng)總體呈下降趨勢，在2014—2019年逐漸持平. 究其原因，主要在于小學(xué)數(shù)量的極度銳減，商洛市自2010年開始推進(jìn)縣域義務(wù)教育均衡發(fā)展，進(jìn)行了學(xué)校布局調(diào)整，農(nóng)村小學(xué)逐步向鄉(xiāng)鎮(zhèn)和中心行政村集中，使得小學(xué)數(shù)量從2010 年的1306 所下降至2019 年的387 所. 不過從綜合投影值可以看出，2010—2019年商洛的生態(tài)文明建設(shè)呈現(xiàn)穩(wěn)定上漲趨勢.

3.3 分指標(biāo)橫向生態(tài)文明建設(shè)水平評價

將陜南三市橫向進(jìn)行對比，運用本文構(gòu)建的投影尋蹤模型，評價結(jié)果如表5和圖5所示.

圖5 2010—2019年陜南三市分指標(biāo)生態(tài)文明建設(shè)趨勢圖Fig.5 The development trend of the level of ecological civilization construction in three cities of southern Shaanxi province from 2010 to 2019

表5 綜合2010—2019年生態(tài)文明建設(shè)水平投影值表Tab.5 Comprehensive projection value table of ecological civilization construction level from 2010 to 2019

從表5和圖5可以看到，2010—2019年在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和公共服務(wù)系統(tǒng)方面，均是漢中領(lǐng)先于安康，安康領(lǐng)先于商洛. 在環(huán)境系統(tǒng)方面，三座城市在不同年份的排名均在變動，在近10年里有7年安康都居于首位，同時商洛有7年都居于末位，總體來說安康在環(huán)境系統(tǒng)的建設(shè)方面整體上還是略高于漢中與商洛，而在2019年商洛的環(huán)境系統(tǒng)位于首位，說明近兩年隨著生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，商洛在環(huán)境治理方面取得了不錯的成效. 從生態(tài)文明建設(shè)的綜合度量來看，漢中依舊居于首位，安康其次，商洛第三.

4 結(jié)論

本文從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展、環(huán)境建設(shè)發(fā)展、公共服務(wù)發(fā)展等四個方面構(gòu)建了生態(tài)文明建設(shè)水平評價指標(biāo)體系，運用遺傳算法和粒子群算法混合優(yōu)化的投影尋蹤模型對位于秦嶺地區(qū)的陜南三市2010—2019年生態(tài)文明建設(shè)水平進(jìn)行實證分析. 得到結(jié)論如下：

1）從分地區(qū)的縱向視角來看，2010—2019年漢中、安康、商洛三市的綜合生態(tài)文明建設(shè)水平呈穩(wěn)步增長態(tài)勢，但是不同地區(qū)的發(fā)展特征也各有特點. 2010—2019年漢中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展、環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展、公共服務(wù)發(fā)展等方面總體上均保持上升態(tài)勢，其綜合值也在三市中遙遙領(lǐng)先；安康在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展、環(huán)境發(fā)展方面呈現(xiàn)上升趨勢，公共服務(wù)發(fā)展總體呈下降趨勢；商洛與安康情況類似，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展、環(huán)境發(fā)展方面呈現(xiàn)上升趨勢，公共服務(wù)發(fā)展總體呈下降趨勢.

2）從分指標(biāo)的橫向視角看，在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和公共服務(wù)系統(tǒng)方面，均是漢中領(lǐng)先于安康，安康領(lǐng)先于商洛.

3）在環(huán)境系統(tǒng)方面，三座城市在不同年份的排名均在變動，總體來說安康在環(huán)境系統(tǒng)的建設(shè)方面整體上還是略高于漢中與商洛.

4）從生態(tài)文明建設(shè)的綜合度量來看，漢中依舊居于首位，安康其次，商洛第三.