基于投影尋蹤的城市人口社會\\經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境協(xié)調發(fā)展實證分析

[摘 要]在城市化迅速發(fā)展的背景下，城市人口社會、經(jīng)濟與資源環(huán)境的矛盾日益復雜和激化，從科學發(fā)展的角度出發(fā)，迫切需要研究城市人口社會、經(jīng)濟與城市資源環(huán)境之間的協(xié)調關系。本文在分析北京市城市特點的基礎上，建立了能充分反映北京市城市發(fā)展現(xiàn)狀的指標體系，運用投影尋蹤方法，從城市發(fā)展角度上建立城市人口社會、經(jīng)濟、與資源環(huán)境的協(xié)調評價體系，并進行實證分析。計算北京市人口、經(jīng)濟、資源和環(huán)境的協(xié)調發(fā)展度;最后在綜合評價指數(shù)和協(xié)調度的基礎上，發(fā)現(xiàn)北京市協(xié)調發(fā)展的主要問題并給出建議。

[關鍵詞]協(xié)調發(fā)展;投影尋蹤;指標體系

一、引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化建設的推進，人口增長、環(huán)境污染、能源緊缺等制約城市發(fā)展的問題日益凸顯出來。如何在快速發(fā)展經(jīng)濟和完成工業(yè)化、城市化的過程中協(xié)調人口社會、經(jīng)濟發(fā)展、能源利用和環(huán)境保護，已經(jīng)成為我國城市現(xiàn)代化進程中不可忽視的問題。城市的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展歸根到底是協(xié)調人口社會、資源、環(huán)境以及經(jīng)濟發(fā)展之間的聯(lián)系，并最終形成人口社會、經(jīng)濟和自然環(huán)境協(xié)調發(fā)展的城市，使得城市的發(fā)展具有協(xié)調性和可持續(xù)性。對協(xié)調發(fā)展的研究首先是從對經(jīng)濟與環(huán)境的兩系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展開始起步的。

申海元，陳志等人和李勇， 王金南都對城市人居環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展評價中所面臨的問題進行分析，建立了經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護兩系統(tǒng)的評價體系，并將該方法應用于實證研究中?？陆?，李超[4]將數(shù)據(jù)包絡分析理論及數(shù)據(jù)包絡最優(yōu)分割聚類分析方法應用于中國各地區(qū)資源、環(huán)境與經(jīng)濟的協(xié)調發(fā)展評價中，提供了協(xié)調發(fā)展研究方法的新方向。張曉紅，戴昌鈞利用灰色預測計算國民經(jīng)濟與電力產(chǎn)業(yè)的耦合協(xié)調度，以此對兩者的協(xié)調發(fā)展趨勢進行分析。馬敏娜等[6]對改革開放30年來我國經(jīng)濟增長與環(huán)境污染關系進行實證檢驗， 提出了我國工業(yè)二氧化硫排放量與人均GDP之間存在顯著的倒U型關系。

隨著研究的發(fā)展，越來越多的學者將人口因素引入分析當中，由此產(chǎn)生了經(jīng)濟-人口社會-環(huán)境資源的三系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展研究。王西琴、劉小林和郁晶等人等分別建立了經(jīng)濟、社會資源環(huán)境三系統(tǒng)的指標體系，將主成分分析法引入評價中，作為確定各項指標的權重的方法，采用協(xié)調發(fā)展度評價模型，并對成都平原城市群和蘇州市進行實證分析，提出了各自的發(fā)展對策和建議。齊曉娟童玉芬利用模糊數(shù)學中的隸屬度概念和隸屬度函數(shù)對西北五省區(qū)人口、經(jīng)濟和資源環(huán)境協(xié)調發(fā)展狀況進行定量分析，指出陜西省為中級協(xié)調水平，寧夏、甘肅和青海三省區(qū)處于輕度失調狀態(tài)，新疆處于初級協(xié)調。與此同時，一些學者則引入了資源利用作為一個子系統(tǒng)，建立了經(jīng)濟-環(huán)境-資源的三系統(tǒng)評價體系。李芳林，查奇芬建立資源、環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展的核算與評估指標體系，并結合江蘇省的實際情況進行了分析。陳國權從可持續(xù)發(fā)展的概念與思想內(nèi)涵出發(fā)，對經(jīng)濟—資源—環(huán)境系統(tǒng)作了系統(tǒng)分析，著重論述了經(jīng)濟—資源—環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部沖突與協(xié)調的關系。

縱觀整個協(xié)調性評價的研究，目前的協(xié)調發(fā)展對經(jīng)濟-環(huán)境的兩系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展研究和經(jīng)濟-人口社會-環(huán)境資源三系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展研究形成了比較完善的研究體系和研究方法，實證研究也比較充分;其研究方法主要引入主成分分析、數(shù)據(jù)包羅和灰度賦值法。對新的研究方法的引入還比較少。

本文建立人口-經(jīng)濟-資源環(huán)境三系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展的評價體系，并引入投影尋蹤模型作為權重賦值的依據(jù)，以北京市為例進行實證分析。以此探討在經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程中城市協(xié)調發(fā)展進程中不可忽視的問題。城市的協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展歸根到底是協(xié)調人口社會、資源環(huán)境以及經(jīng)濟發(fā)展之間的聯(lián)系，并最終形成人口社會、經(jīng)濟和資源環(huán)境協(xié)調發(fā)展的城市，使得城市的發(fā)展均有協(xié)調性和可持續(xù)性。

二、北京市協(xié)調發(fā)展評價指標體系

經(jīng)濟發(fā)展與人口社會、資源、環(huán)境的協(xié)調是指人口社會、資源、環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展作為一有機整體，不能相互分割。在這個有機整體的發(fā)展演化的過程中，各個子系統(tǒng)之間不斷相互促進、相互協(xié)同，由協(xié)調—不協(xié)調—高層次協(xié)調，循環(huán)往復，處于一種動態(tài)的穩(wěn)定。一個時期內(nèi)一定區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟與人口社會、資源和環(huán)境的協(xié)調度就是衡量和評價該區(qū)域人口社會資源環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展水平高低過程，并由此反映該區(qū)域人口社會資源環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展水平的高低，以達到使該區(qū)域整個有機系統(tǒng)中諸要素和諧地、合理地發(fā)展，達到總體發(fā)展的最佳?！皡f(xié)調”是指系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)要素之間和諧一致、配合得當?shù)年P系，是描述事物之間良性相互關系的概念。由于系統(tǒng)處于動態(tài)變化之中，因而，系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的關系也處在不斷調整中，而協(xié)調度是度量系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部要素之間協(xié)調狀況好壞的定量指標。根據(jù)曾嶸等人對北京市協(xié)調發(fā)展指標體系建立的研究，設計出北京協(xié)調發(fā)展指標體系，如表1。

三、北京市協(xié)調發(fā)展水平的測度與評價

1. 北京市協(xié)調發(fā)展水平測度

投影尋蹤(Projection Pursuit)模型可以將高維數(shù)據(jù)投影到低

維空間上，從而尋找出反應高維數(shù)據(jù)結構或特征的投影，達到研究高維數(shù)據(jù)的目的。利用多指標進行測度能從多方面更全面的刻畫系統(tǒng)的特性，但問題在于指標權重的確定，為了避免主觀因素確實指標權重帶來的誤差，本文使用投影尋蹤進行協(xié)調發(fā)展水平的測度。投影尋蹤建模步驟如下:

步驟一:指標的無量綱處理分為兩步:

首先對原始指標進行歸一化處理，對于越大越優(yōu)的指標，有

(1)

對于越小越優(yōu)的指標，有

(2)

其中， 分別為第j個指標值的最大值和最小值，為指標特征值，為指標特征值歸一化的序列。

然后將 盡享標準化處理，即

(3)

其中， 分別為第j各指標的均值和標準差。

步驟二:設樣本是p維觀測數(shù)據(jù)，投影尋蹤所要研究的是通過研究這些數(shù)據(jù)的一維投影來分析數(shù)據(jù)的結構和特征。設是p維單位向量，數(shù)據(jù)在a方向上的一維投影值為

(4)

步驟三;投影指標就是的函數(shù)，構造為:

式中，為投影值的標準差，為投影值的局部密度，即:

(5)

(6)

式中，的均值，R為求局部密度的窗口半徑，他的選取既要是包含在窗口內(nèi)的投影點平均個數(shù)不能太少，避免滑動平均偏差太大，又不能使他隨著n的增大而增加太快，據(jù)研究，其最佳取值為任意兩個樣本之間的距離，其計算式為為單位階躍函數(shù)，當 ，否則。

步驟四:當給定樣本數(shù)值時，投影指標函數(shù)只隨投影方向a的變化而變化，不同的投影方向反映不同的數(shù)據(jù)結構特征，最佳投影方向可最大可能的揭示高維樣本數(shù)據(jù)的某種等級特征結構。因此通過求投影指標函數(shù)最大化的問題來估計最佳投影方向，即:

(7)

本文利用投影尋蹤方法對北京市各個子系統(tǒng)內(nèi)部進行計算，以求得北京市各個子系統(tǒng)的綜合發(fā)展指數(shù)，從而反映北京市各個子系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)展情況，并作為北京市協(xié)調度計算的基礎。

2. 北京市協(xié)調發(fā)展的測度與評價

作為復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)及其構成要素與外部環(huán)境之間存在著不斷的相互作用、相互影響和相互制約，從而使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定和不協(xié)調現(xiàn)象。只有通過不斷調節(jié)，才能保持系統(tǒng)之間的動態(tài)平衡，使系統(tǒng)整體及各個子系統(tǒng)充分發(fā)揮其功能，進而達到系統(tǒng)的整體最優(yōu)效應。協(xié)調發(fā)展協(xié)調性是指系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)及構成要素之間具有合作、互補、同步等多種關聯(lián)關系，以及由這些關聯(lián)關系使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出的協(xié)調結構和協(xié)調狀態(tài)。其次，這種關聯(lián)關系并非固定不變的，而是呈現(xiàn)出一種動態(tài)的協(xié)調關系。

事實上，協(xié)調發(fā)展系統(tǒng)運行的協(xié)調與否，不能簡單地以“協(xié)調”或“不協(xié)調”來衡量。系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展狀況更多是處于“協(xié)調”與“不協(xié)調”之間。所以，系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展指數(shù)只能用模糊數(shù)學中的隸屬度進行描述。作為[0，1]區(qū)間上的實數(shù)，隸屬度的變化規(guī)律可以通過隸屬度函數(shù)來反映。依據(jù)這一思想，可以構建北京市復雜系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展狀態(tài)協(xié)調函數(shù)。由于北京市復雜系統(tǒng)包含人口、資源、經(jīng)濟和環(huán)境四個子系統(tǒng)，因此，這里涉及的協(xié)調發(fā)展協(xié)調函數(shù)包括某一個子系統(tǒng)的對另一子系統(tǒng)的狀態(tài)協(xié)調函數(shù)，也包括各個子系統(tǒng)之間的狀態(tài)協(xié)調函數(shù)。具體如下:

(1)兩個系統(tǒng)之間相互協(xié)調發(fā)展的協(xié)調系數(shù)方程

(8)

其中，式中:表示i 系統(tǒng)與j 系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展系數(shù)，表示i 系統(tǒng)對j 系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展，x表示i系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù);表示j系統(tǒng)對i系統(tǒng)要求的綜合發(fā)展協(xié)調值;表示i系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)的均方差。其中，j系統(tǒng)對i系統(tǒng)要求的綜合發(fā)展協(xié)調值的定量計算可以采用回歸分析法獲得，以i系統(tǒng)為因變量，j系統(tǒng)為自變量，進行多項式回歸擬合，從中選擇殘差平方和擬合曲線交響的方程作為最佳擬合方程。

(2)描述三個系統(tǒng)之間相互協(xié)調發(fā)展的協(xié)調系數(shù)方程

(9)

其中 。

式中:表示I系統(tǒng)、j系統(tǒng)和k系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展系數(shù);表示i 系統(tǒng)與j 系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展系數(shù)，表示i 系統(tǒng)對j 系統(tǒng)和k系統(tǒng)的狀態(tài)協(xié)調度;表是I系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù)的均方差;對應年j系統(tǒng)和k系統(tǒng)對i系統(tǒng)要求的綜合發(fā)展協(xié)調值。其中，通過建立以i系統(tǒng)為因變量，j系統(tǒng)和k系統(tǒng)為自變量進行一次線性方程、二次方程以及三次以上多項式的回歸擬合，從中選擇殘差平方和擬合曲線較小的方程作為最佳擬合方程。

在本文中，利用投影尋蹤模型計算得出的結果作為各個子系統(tǒng)的投影值作為各個子系統(tǒng)綜合發(fā)展指數(shù);利用線性回歸擬合的方法計算出其他系統(tǒng)對該系統(tǒng)要求的綜合發(fā)展協(xié)調指數(shù)。并以此為基礎計算出兩個(或多個)系統(tǒng)之間的協(xié)調發(fā)展系數(shù)，以及某一子系統(tǒng)相對于其他系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展系數(shù)。從而計算出評價各個子系統(tǒng)之間的協(xié)調發(fā)展的協(xié)調度，并以此作為計算北京市各子系統(tǒng)之間及北京市整體協(xié)調發(fā)展的依據(jù)。

四、北京市協(xié)調發(fā)展實證分析

1.北京市協(xié)調發(fā)展的狀態(tài)評價結果

根據(jù)前述的投影尋蹤模型，對1992～2007年的協(xié)調發(fā)展水平進行了綜合評價，得出人口子系統(tǒng)、資源子系統(tǒng)、經(jīng)濟子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)的分類投影方向參數(shù)(如表2) 和根據(jù)投影方向參數(shù)計算得出某市可持續(xù)發(fā)展評價分類綜合特征值和總體綜合特征值(如表3) 。

特征值19921993199419951996199719981999

人口子系統(tǒng)-3.7561-3.7511-3.7500-2.7666-1.9294-0.9399-0.6576-0.1870

經(jīng)濟子系統(tǒng)-3.2740-2.6555-1.8028-1.8091-2.6079-1.9610-1.8040-1.0788

環(huán)境子系統(tǒng)-3.2103-2.8142-1.4710-1.1577-1.1719-1.1698-0.1392-0.4819

特征值20002001200220032004200520062007

人口子系統(tǒng)0.51220.64541.62921.63152.54913.35414.06223.3541

經(jīng)濟子系統(tǒng)-0.33430.09230.58730.97592.89942.89224.16095.7194

環(huán)境子系統(tǒng)-0.15761.24110.73601.78801.42711.45322.38822.7402

表31992～2007年度北京市可持續(xù)發(fā)展評價分類綜合特征值

2. 北京市可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)協(xié)調性評價結果

為了方便起見，以P、E、R分別表示煤炭城市可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)中的人口、經(jīng)濟、資源環(huán)境子系統(tǒng)。分別以P、E、R的一個為因變量，其他子系統(tǒng)為自變量，進行線性方程擬合、二次方程擬合、三次方程擬合。選擇最優(yōu)的擬合方程，計算出個子系統(tǒng)的最佳估計值。再根據(jù)城市可持續(xù)發(fā)展各個子系統(tǒng)的綜合特征值，到北京市1992年～2007年的兩子系統(tǒng)間、三子系統(tǒng)間的發(fā)展協(xié)調指數(shù)。結果見表3和表4。

3. 北京市協(xié)調發(fā)展協(xié)調性評價的結果分析

從圖1中可以看出，自1992年以來，除了1994年和2007年之外的其他年份人口-資源環(huán)境、人口-經(jīng)濟、資源環(huán)境-經(jīng)濟三種協(xié)調關系處于相對良好的發(fā)展狀態(tài)。從協(xié)調發(fā)展的角度來看在人口-資源環(huán)境、人口-經(jīng)濟、資源環(huán)境-經(jīng)濟三種協(xié)調關系中，人口-資源環(huán)境的協(xié)調性最好，平均協(xié)調發(fā)展指數(shù)0.9450;經(jīng)濟-資源環(huán)境的協(xié)調性次之，平均協(xié)調發(fā)展指數(shù)為0.9351;人口-經(jīng)濟的協(xié)調性最差，平均協(xié)調發(fā)展指數(shù)為0.8927。如果進一步劃分協(xié)調發(fā)展指數(shù)U的范圍，定義[0，0.5]為極不協(xié)調，[0.5，0.85]為不協(xié)調，[0.85，0.95]為基本協(xié)調，[0.95，1]為協(xié)調的話，人口-資源環(huán)境、人口-經(jīng)濟、資源環(huán)境-經(jīng)濟均處于基本協(xié)調的狀態(tài)。特別是自1999年開始至2004年的連續(xù)6年間，人口-經(jīng)濟的協(xié)調度穩(wěn)定處于0.97以上，達到并超過了協(xié)調發(fā)展的要求。但是，人口-經(jīng)濟在某些年份出現(xiàn)了較大的不協(xié)調，主要集中在1994年和2007年的人口-經(jīng)濟協(xié)調度相對較低。從原始數(shù)據(jù)中可以看出，1994年北京市的經(jīng)濟發(fā)展出現(xiàn)了相對的快速的增長，經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)上到了一個較高的發(fā)展平臺，但是1994年人口子系統(tǒng)的特征值與1993年基本持平，沒有顯著地變化。這說明是的發(fā)展不協(xié)調是由于當時經(jīng)濟的發(fā)展早于人口社會的發(fā)展。

年份U(E，R)U(P，R)U(P，E)U(P，E，R)

19920.95590.86450.94070.8959

19930.81250.94180.92070.9724

19940.99470.86230.55950.8049

19950.99000.92800.88840.9020

19960.84190.98980.88230.9874

19970.99990.96530.88600.9390

19980.82230.99380.87890.9670

19990.98950.99220.97270.9686

20000.99600.99670.99500.9388

20010.88520.95220.98970.8688

20020.99150.97710.98730.9724

20030.75050.92980.99940.8830

20040.96740.96950.99950.9625

20050.97480.90060.90100.8696

20060.99920.94240.90260.9341

20070.98980.91350.57870.8608

表41992～2007年度北京市可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)兩子系統(tǒng)間協(xié)調發(fā)展指數(shù)

而2007年出現(xiàn)的人口與經(jīng)濟顯著地不協(xié)調，則是因為2007年的人口子系統(tǒng)的特征值出現(xiàn)了顯著地下降。而其他兩個子系統(tǒng)的特征值依然保持上升的狀態(tài)。從原始數(shù)據(jù)可以看出，自2007年開始人口社會子系統(tǒng)中的北京市的每千人擁有醫(yī)師數(shù)量(人)、每千人擁有床位數(shù)(張)和公共交通運營線路長度(公里)出現(xiàn)了顯著地下降。北京市公交運營總里程從2006年的18582公里下降到2007年的16801公里，降幅達到9.58%。于此同時，北京市的千人擁有醫(yī)師數(shù)量(人)和千人擁有床位數(shù)(張)也出現(xiàn)了下降，北京市的千人擁有醫(yī)師數(shù)量(人)從4.44人下降到3.37人，降幅達24%;而千人擁有病床數(shù)量(張)從2006年的6.77張下降到2007年的4.71張，降幅達到30%。這使得北京市的人口社會子系統(tǒng)的特征值從2006年的4.0622下降到2007年的3.3541。于此同時期的北京市的經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，這使得經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)的特征是從4.1609上升到5.7194。由此導致2007年的北京市人口-經(jīng)濟子系統(tǒng)的協(xié)調度僅為0.5787。同時期的人口-環(huán)境協(xié)調指數(shù)也出現(xiàn)了小幅度的波動。通過人口社會子系統(tǒng)的投影值的變化可以反映出北京市對社會基礎設施發(fā)展和社會福利的調整。北京市的人口社會發(fā)展不僅限于單純的數(shù)量增長，同時重視質量的提高。

從整體的協(xié)調度來看，人口—經(jīng)濟—資源的平均協(xié)調發(fā)展指數(shù)為0.9205，在[0.85，0.95]內(nèi)，處于基本協(xié)調的狀態(tài)。從圖1中可以看出，北京市各年的發(fā)展基本處于相對穩(wěn)定的基本協(xié)調狀態(tài)。這也充分表明北京市的整體發(fā)展基本處于一個基本協(xié)調的良性發(fā)展狀態(tài)。

五、結論

本文從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，提出了北京市協(xié)調發(fā)展評價指標體系，運用遺傳算法優(yōu)化投影尋蹤模型得出了北京市協(xié)調發(fā)展綜合水平，以綜合發(fā)展水平為基礎研究了北京市內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的協(xié)調性問題。1992-2007年度北京市的協(xié)調發(fā)展狀態(tài)從整體上講一直處于較為高的發(fā)展水平，總體上處于基本協(xié)調發(fā)展的狀態(tài)。這說明，北京市的經(jīng)濟發(fā)展一直處于高效利用能源努力走集約發(fā)展道路。人口-經(jīng)濟之間存在著較大的不協(xié)調，這種不協(xié)調的原因是經(jīng)濟發(fā)展的速度與水平在這些年份顯著地快于人口發(fā)展所要求的水平。從三系統(tǒng)整體協(xié)調發(fā)展指數(shù)平均值看，均已達到 基本協(xié)調發(fā)展水平。也就是說，北京市人口、經(jīng)濟與資源環(huán)境三個子系統(tǒng)之間逐步形成積極、良性的互動關系。協(xié)調發(fā)展是城市發(fā)展的目標之一，北京市只有在綜合發(fā)展水平提升的同時不斷提高協(xié)調發(fā)展水平，才能真正實現(xiàn)城市的協(xié)調發(fā)展。

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