基于主成分分析法的廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價

(廣東財經大學經濟學院 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，對外部的強烈依賴性和密集的人流、物流、能流、信息流、資金流等。科學的城市生態(tài)規(guī)劃與設計能使城市生態(tài)系統(tǒng)保持良性循環(huán)，呈現(xiàn)城市建設、經濟建設和環(huán)境建設協(xié)調發(fā)展的格局。近年來，全球很多區(qū)域的城市生態(tài)系統(tǒng)都面臨著機能失調所帶來的壓力，城市生態(tài)系統(tǒng)的再生能力與恢復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，廣州市經濟發(fā)展的步伐一直在不斷地加快，城市建設取得了舉世矚目的成就，城市綜合實力不斷加強。但與此同時，隨著城市的擴張、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)評價指標體系的建立

由于城市生態(tài)系統(tǒng)是一個復合生態(tài)系統(tǒng)，正確的建立評價指標體系是合理評價城市生態(tài)系統(tǒng)的前提，著名生態(tài)學家馬世駿先生提出的“社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)”指出在當代若干重大社會問題中，無論是糧食、能源、人口和工業(yè)建設所需要的自然資源及其相應的環(huán)境問題，都直接或間接關系到社會體制、經濟發(fā)展狀況以及人類賴以生存的自然環(huán)境，社會、經濟和自然是三個不同性質的系統(tǒng)，都有各自的結構、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)結構、功能的制約。此類復雜問題不能只單一地看成是社會問題、經濟問題或自然問題，而是若干系統(tǒng)相結合的復雜問題。根據(jù)此定義，城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標體系可以分為社會子系統(tǒng)、經濟子系統(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，共同構成了一個復雜的城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標體系，本文指標選取參考社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)的概念，并且參考關于城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價的相關研究論文的指標體系，結合廣州市的實際情況，堅持科學、嚴謹、反映城市生態(tài)系統(tǒng)本質的指標作為廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合評價指標體系進行科學評價，具體指標體系構建詳見表1.

表1 廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系

(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個指標之間存在一定的相關性，不能保證各個指標間的獨立性，并且多指標計算較為復雜，因此為了能夠更好的評價廣州的城市生態(tài)系統(tǒng)，需要剔除重復的指標部分，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，它通過研究指標體系的內在結構關系，把多指標轉化成少數(shù)幾個互相獨立而且包含原有指標大部分信息的綜合指標，它確定的權數(shù)是基于數(shù)據(jù)分析而得到的指標之間的內在結構關系，不受主觀因素的影響，而且得到的綜合指標之間相互獨立，減少信息的交叉，這使得分析評價結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)進行綜合評價。

三、實證分析

(一)數(shù)據(jù)選擇

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

(二)數(shù)據(jù)預處理和分析

1.通過獲取到的原始數(shù)據(jù)構建階矩陣，并對30個指標進行標準化處理，以消除指標之間變化趨勢、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，在正向化之前，還需進行正向化處理，正向化方法我們采取倒扣逆變換法。即對逆向指標正向化公式為，之后，對數(shù)據(jù)進行標準化，標準化公式為式中：為年第個指標的原始數(shù)據(jù)；和分別為第個指標的樣本均值和標準差。

2.根據(jù)標準化數(shù)據(jù),計算相關系數(shù)矩陣，相關系數(shù)矩陣說明了各個指標之間的相關程度。其中，為原變量和的相關系數(shù)，=。

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

根據(jù)表2中主成分方差貢獻率分析可以得出：第一主成分方差貢獻率為75.87%，其包含的主成分信息最多，其次是第二主成分，方差貢獻率為9.58%，再者是第三主成分，方差貢獻率為6.30%；前三個主成分累計方差貢獻率大于90%，其很好的保留了原有30個指標的信息，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率累計方差貢獻率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的權重，其計算結果見表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)生產總值、單位GDP能耗、常住人口數(shù)、平均每萬人在校大學生數(shù)相關系數(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、空氣達標率、城鎮(zhèn)居民人均消費性支出恩格爾系數(shù)相關系數(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包含了原始指標體系大部分指標的信息。

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中各個主成分指標的權重，可以得出主成分F1、F2、F3的表達式，即

5.計算廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)綜合得分。根據(jù)表2中各主成分貢獻率在累計貢獻率的比率，可以得出其在綜合得分中的權重，最終綜合得分表達式為F=0.6085F1+0.2162F2+0.1753F3。由于前面數(shù)據(jù)預處理時，對逆向指標進行了正向化，所以預處理后的各項指標均為正向指標，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)結果分析和評價

通過主成分分析結果可以看出廣州市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)經濟，加大環(huán)境保護力度。經濟、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)作為一個復雜的復合人工生態(tài)系統(tǒng)，需要通過多指標對其進行綜合評價，本文利用“社會-經濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)”理念，通過經濟、社會、環(huán)境三個方面對廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)進行分析，因此選取的指標較多，多指標評價計算較為復雜，而本文采用的主成分分析方法采用少數(shù)保留了原有多指標大部分信息的綜合指標對城市生態(tài)系統(tǒng)進行評價。簡化了計算，使得分析結果更加科學合理、準確和客觀。

2.采用主成分分析方法對廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)進行綜合評價，結果表明，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，經濟、社會、環(huán)境三個方面的指標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，還要重視經濟、社會、環(huán)境各個子系統(tǒng)的協(xié)調發(fā)展，在城市環(huán)境建設方面，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。在城市經濟建設方面，大力發(fā)展特色區(qū)域經濟，不斷提高經濟發(fā)展水平。在城市社會建設方面，不斷完善城市功能、社會保障、教育醫(yī)療等基礎設施的建設。共同促進廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展步伐，促進廣州市建設又好又快發(fā)展。

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