基于主成分分析法的環境質量　綜合評價方法應用研究*

李軍民，李鑫瑞

(西安科技大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710054)

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基于主成分分析法的環境質量綜合評價方法應用研究*

李軍民，李鑫瑞

(西安科技大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710054)

根據中國31個地區在2011，2012年的環境質量監測統計，以13個二級指標的具體數據為樣本因子，用主成分分析法篩選出4個主成分因子，然后以每個主成分對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，得到各地區的環境質量評價模型，進而對各地區環境質量綜合水平進行評價。結果顯示，不同地區之間環境質量分布不均衡，差異明顯；西部地區的綜合環境質量最好，東部和東北地區略低于全國均值水平，中部地區最差。同時從結果也可以看出，文中所采用的方法與其它方法的評價結果基本一致，可以達到綜合評價地區環境質量的目的，并且過程簡單、易操作，是一種較好的評價方法。

環境質量；主成分分析法；特征值；綜合評價

0　引　言

環境質量是一個地區生態環境、空氣質量、環境治理及公共綠化設施等的綜合體現。創建良好的城市環境，是一項涉及面寬、工作量大的系統工程，也是一項復雜而艱巨的工作，但是對其研究又有一定的實用價值。環境質量是環境系統客觀存在的一種本質屬性，并能用定性和定量的方法加以描述的環境系統所處的狀態。環境始終處于不停的運動和變化之中，所以環境質量也是處于不停的運動和變化之中，由于人類的生活、生產行為和自然的原因都會引起環境質量的變化，通過環境質量評價可以反映部分變化。

環境質量評價概念是從環境衛生學角度按一定評價標準和評價方法對一定區域范圍內的環境質量加以調查研究并在此基礎上作出科學、客觀和定量的評定和預測。通過環境評價可以揭示環境質量狀況及其變化趨勢，找出污染治理的重點對象，為環境規劃和環境綜合治理方案提供依據。因此，迫切需要建立一個科學、合理且簡便易行的綜合評價方法，來評價與衡量各地區的環境質量綜合水平及差距。

在綜合評價分析環境質量狀況時，常常涉及到眾多指標變量，有些指標變量就會被其他變量的信息所掩蓋，出現信息重疊，這樣會丟失一些重要信息，影響研究對象的本質和準確性[1-3]。目前，常用的環境質量綜合評價的方法有單元面積法、指數法、模糊綜合評價法、灰色數學法、神經網絡法、動態評價法等等[4-6]。雖然這些方法都能用于環境質量的評價，但上述方法會存在計算量大過程復雜、信息重疊的問題。文中采用主成分分析法，首先從多個指標變量中去除有相關性的變量因子，篩選出少數獨立的，但卻能代表大部分信息的主成分因子，然后以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重，得到各地區的環境質量評價模型，進而對各地區環境質量綜合水平進行評價。

1　數據處理及評價方法

1.1指標體系的建立及數據獲取

影響環境質量評價的因素有很多，為了科學合理地進行環境質量水平評價，全面真實地反映各地區城市環境質量現狀并進行比較，文中依據2012，2013年《中國統計年鑒》[7-8]的數據(數據量較大，沒有列出)，主要從31個省域的生態環境、環境污染、污染物處理3個方面具體選取了3個一級指標，13個二級指標，來研究各地區環境質量水平，評價指標體系見表1.

表1　環境質量評價指標體系

1.2樣本數據預處理

1.2.1數據指標的處理

為了使主成分分析具有的客觀性和科學性，文中對指標做了處理

1)正向指標保持不變。正向指標是指標值越大對城市環境質量評價越有利的指標，在分析時不需要對其做處理。正向指標有：城市綠地面積、林地面積、森林覆蓋率、生活垃圾無害化處理率、城市污水日處理能力、工業固體廢物綜合利用率；

2)逆向指標的同向化。逆向指標：二氧化硫、氮氧化物、煙(粉)塵排放量、廢水排放總量、工業固體廢物產生量、生活垃圾清運量、化肥施用量。采取最大值減逆向指標數值的方法對逆向指標進行同向化處理。

1.2.2數據標準化處理

1.2.3KMO和Bartlett檢驗

數據標準化處理后，對2011，2012年變量之間的相關程度進行檢驗，計算其相關系數矩陣，2 a的相關系數矩陣都不是一個單位陣，并且各系數矩陣的數據表明各項指標的相關性比較大，說明可以用主成分分析來進行研究。然后進行KMO檢驗和球形Bartlett檢驗[12]，進一步判斷樣本數據是否適用于主成分分析法。在采用Bartlett對數據進行檢驗時，如果KMO值>0.5，且P<0.05(P為Bartlett球體檢驗的χ2統計值的顯著性概率)，說明可以運用主成分因子分析方法來對指標進行分析。根據分析可知，文中選定的各項指標2011，2012年的KMO值分別為0.723，0.692，且P<0.05，因此可以對所選數據的因子進行主成分分析。

1.3評價方法

由于多個變量存在一定的相關性，可能會出現信息的重疊，使用主成分分析法，用較少的變量來代替較多的變量，并可以反映多個變量的大部分信息。主成分分析是考察多個變量間的相關性，是研究如何通過少數幾個主成分來解釋原變量間的內部關系結構，其數學模型是：設p個指標變量構成的p維隨機向量為X=(X1，…，Xp)′.對X作正交變換，令Y=T′X，其中T為正交矩陣，要求Y的各個分量是不相關的，并且Y的第一個分量的方差是最大的，第二個分量的方差次之，……[13]；文中采用主成分分析法來研究地區環境質量的綜合評價。設由累積方差貢獻率確定主成分個數為m，指標變量的個數為p，研究對象的個數為q，則其各主成分的表達式為

其中Yj是第j個省份的綜合評價函數；λn是第n個主成分對應的特征值。

2　環境質量評價應用研究

2.1環境質量主成分分析法

由于這13個指標變量可能存在一定的相關性，會出現信息的重疊，因此首先用主成分法提取幾個公共因子來反映原變量的大部分信息。具體分析2011年的數據，由上節知，已經對數據進行了標準化處理和相關性檢驗。下面利用SPSS19.0統計軟件進行主成分分析，得出特征值和方差貢獻率，見表2.

表2　主成分對應的特征值和方差貢獻率

2.2環境質量綜合評價

表3　2011,2012年部分地區環境質量 主成分分析綜合評價指數值

1)在樣本區間內2012年環境質量較好的省份(評價指數排名前10位)依次為：海南、西藏、北京、天津、上海、重慶、福建、青海、寧夏、吉林。最差的省份(評價指數排名后5位)為：內蒙古、山西、河南、山東、河北；

2)不同地區之間環境質量分布很不均衡。有近一半的地區環境質量評價指數集中在0～1之間，整體上看得分都比較分散，而且呈現偏態分布。各省份間的差距也比較明顯，2011年靠前的11個省份的平均評價指數為1.18，中間的10個省份的平均評價指數為0.25，靠后的10個省份平均評價指數為-1.26，比差為1∶0.21∶-1.07，2012年的比差為1∶0.20∶-1.30；2011年與2012年相比評價指數相對穩定；

3)從全國區域間環境質量評價指數來看，2011年全國4大區域環境質量的平均評價指數為：東部地區-0.31，中部地區-0.55，西部地區0.56，東北地區-0.11，比差為-0.55∶-0.98∶1∶-0.2，2012年比差為-0.01∶-1.68∶1∶-0.11.2年數據都顯示，西部地區的綜合環境質量最好，東部和東北地區略低于全國均值水平，中部地區最差。環境評價指數靠后的10個省份中，中東部省份占到7～8個(其中，東部4個，中部3～4個)。

3　環境質量評價結果對比分析

將文中計算的2011，2012年地區綜合環境質量評價結果與文獻[14]中的結果做對比(圖1，圖2)結果顯示，總體上排名趨勢一致，統計曲線基本吻合，誤差較小。2 a數據都顯示，西部地區的綜合環境質量最好，東部和東北地區略低于全國均值水平，中部地區最差，與文獻[14]結果一致。文中2011年綜合環境質量排序前十名：海南、北京、青海、天津、寧夏、福建、重慶、甘肅、上海、江西，除了江西以外，其余9個省份和文獻[14]中的一致，排序后十位(評價指數排序在21～30位的省份)：湖北、安徽、內蒙古、遼寧、山西、廣東、河南、江蘇、河北、山東，與文獻[14]完全一致；文中2012年綜合環境質量排序前10名：海南、北京、天津、上海、重慶、福建、青海、寧夏、吉林、江西，除了江西以外，其余9個省份和文獻[14]中的一致，排序后十位：安徽、新疆、廣東、遼寧、江蘇、內蒙古、山西、河南、山東、河北，除了新疆以外，其余9省份與文獻[14]完全一致。綜上所述，說明文中所采用的方法與文獻[14]中的結果基本一致，可以達到評價地區綜合環境質量的目的，并且過程簡單易操作，是一種較好的評價方法。

根據2012年中國環境保護數據庫中的數據顯示，空氣質量排名前3的是海南、西藏、福建的省會城市(海口、拉薩、福州)，評價中這些地區環境質量排名也是靠前的；從歷年中國31個省市區(除臺灣和港澳地區)的環境污染治理投資總額的數據顯示，環境污染治理投資總額持續增加，在2013年治理投資排名靠前的是山東、江蘇、河北、內蒙古，這些地區在文中2012年的環境質量綜合評價指數都相對較低，因此表現出在2013年環境污染治理投資力度大，以上相關部門的數據也都與文中的評價結果一致。

圖1　2011年各地區環境環境質量排名統計圖Fig.1　Statistics of regional environment quality ranking in 2011

圖2　2012年各地區環境環境質量排名統計圖Fig.2　Statistics of regional environment quality ranking in 2012 注：由于文獻[14]中沒有對西藏作評價，因此文中對其余30個地區與文獻[14]做了比較。

4　結　論

1)通過對中國 31個地區的生態環境、環境污染、污染物處理3個方面進行系統的研究，將復雜的信息簡單化，通過分析建立相關的綜合評價模型，對中國各地區環境質量狀況做了評價分析，也取得了較好的評價結果。對地區環境質量的研究有助于各地區探索既能保護生態環境，又能符合自身經濟快速發展的道路，以改善環境質量。評價結果也啟示各地區要繼續增強環境保護意識，加快轉變經濟發展形式，把節能減排作為經濟發展的約束指標；要控制污染物排放，以改善大氣環境質量優化經濟增長，以科學發展來提升環境保護水平；將新的科學技術應用到環境優化上，產研結合，用新能源技術改造傳統產業，開發清潔環保產品，構建低耗環保的生產方式和生活模式；增加環境保護投入，拓寬城市綠化資金來源，提高環境管理能力和資源利用率；積極提倡環保出行，增強公民環保理念，自覺維護公共環境，以人為本，實現環境和經濟協調發展，從而使環境質量得到顯著提升;

2)同時，因為注意到環境質量的評價因素是很多的，對其界定與研究是個系統而又繁雜的工程，涉及到諸多的因素與條件。文中對地區生態環境、環境污染、污染物處理的研究也存在諸多不足，如在指標選取的全面性、分類界定的普適性、環境的獨特性等方面還存在著較大的改進之處，這也是本研究今后需要進一步努力的方向。

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Application of regional environment quality assessment based on principal component analysis

LI Jun-min，LI Xin-rui

(CollegeofComputerScienceandEngineering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710054，China)

According to the environmental quality monitoring and statistics of the 31 regions in China in 2011 and 2012，this article uses principal component analysis method to screen the four principal component factor，with 13 secondary indicators specific data as sample factor.Using the proportion of the eigenvalues of the each principal component to the total as the weight，to get an evaluation model of regional environment quality，and then to evaluate the environment quality level of the regions.The results show that the distribution of environmental quality among different regions is unbalanced with obvious difference；the comprehensive environmental quality in the western region is the best，the eastern and northeastern regions are slightly lower than the national average level，and the central region is the worst.It is also indicated that the method is basically consistent with the evaluation results of other methods.It can be used to evaluate the regional environment quality.And the process is simple and easy to operate.

environmental quality；principal component analysis；eigenvalues；comprehensive evaluation

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0324

1672-9315(2016)03-0445-06

2015-12-11責任編輯：高佳

西安市科學

SF1232-5)

李軍民(1959-)，男，陜西西安人，教授，E-mail：ljmfyy@vip.sina.com

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