基于熵權TOPSIS的湖北省城市人居環境質量時空分異研究

崔世華， 于 婧， 陳艷紅， 韓晨曉

(湖北大學資源環境學院， 區域開發與環境響應湖北省重點實驗室， 武漢 430062)

城市作為人類賴以居住和生產、生活的場所[1]，其人居環境質量是人民獲得感、幸福感、安全感的重要來源.自黨的十八大以來，習近平總書記提出要高度重視城市的建設，指出城市建設要圍繞人民群眾的需要、貼近人民群眾的生活、服務人民群眾的利益，以創造宜業、宜居、宜樂、宜游的良好環境為目標.但隨著城市化的快速發展，城市人口與城市生產、生活、生態之間的矛盾日益突出[2]，城市人居環境質量亟待改善與提高，因此探索城市人居環境質量提升途徑，促進城市全面快速發展是當前城市建設的重要問題之一.

國外對人居環境的研究始于20世紀50年代，由希臘學者Doxiadis 率先提出“人類聚居學”理論[3]，奠定了人居環境科學的理論基礎.隨著人類生活水平的提高，學者們對人居環境科學的研究方向逐漸拓寬.目前，國外關于人居環境的研究主要集中在以下三個領域.第一類主要以生態學為基礎，研究土地、氣候、景觀等自然要素對城市居住模式的影響.如Jenerette以美國鳳凰城為例研究氣候與植被變化對地區居住格局的影響[4]，Mehmet從氣候方向入手對土耳其卡斯塔莫努城市的人居環境適宜性進行評價[5].第二類主要以人地關系為基礎，探討城市的發展對城市空間形態的影響.如Saitluanga以印度東北部喜馬拉雅城市為例研究了城市擴張其對周邊城市的影響[6]， Randall等從地理學角度出發研究地區的城市生活質量[7].第三類主要以城市規劃為最終目的，研究城市交通、景觀、基礎設施等對城市宜居度的影響.如Mohadeseh等以吉隆坡兩條街道為例研究了馬來西亞宜居街道的宜居性特征[8]，Komeily等從經濟、環境、社會和機構四方面出發對居住社區可持續性進行評估[9].

國內對人居環境的研究始于20世紀90年代，由吳良鏞院士在Doxiadis “人類聚居學”理論的基礎上提出了“人居環境科學”一詞，奠定了國內人居環境科學研究的理論基礎[1].此后，隨著城市化水平的不斷提高，國內關于城市人居環境的研究逐漸增多.目前國內關于城市人居環境的研究主要分三類.第一類主要以某一地區或城市為研究對象，通過構建人居環境評價的指標體系，采用層次分析法、主成分分析法、熵權法等研究方法對地區或城市人居環境質量展開評價.如李雪銘采用熵權法對中國主要城市的城市人居環境質量特征和時空差異變化進行了分析[10]，李帥采用層次分析法和熵權法對寧夏的城市人居環境質量展開了研究[11].第二類主要通過構建兩個系統的評價指標體系，采用耦合協調度模型研究城市人居環境質量與某一發展要素的耦合協調關系.如李伯華定量研究了湖南省人居環境與經濟發展之間的關系[12]，李雪銘探究了大連市人居環境質量與其內部子系統之間的耦合協調關系[13].第三類主要對影響地區或城市的人居環境質量影響因素展開研究.如楊晴青采用地理探測器模型對影響長江中游地區城市人居環境演變的主要驅動力進行探討[14]，董鎖成運用主成分分析法探究影響山東半島城市群人居環境質量的主要因素[15].

關于城市人居環境的研究，國內外學者已展開了大量工作并取得豐碩的成果，主要評價方法包括層次分析法[16-17]、熵權法[18-19]、主成分分析法[20-22]、模糊綜合評價法[23]，研究尺度涉及了城市[11]、省域[12-13]、區域[17-20]，這些研究為后期城市人居環境質量評級奠定了良好基礎，但在以下方面仍有可突破的空間：一是研究方法過于單一，綜合研究方法運用較少；二是研究區域局限于整體區域或單一城市，省域尺度研究較少；三是研究時間尺度缺乏連續性，缺乏省域動態研究.基于此，本文以湖北省17個地市州作為研究對象，選取2013—2018年6個時間斷面，從生活、生產和生態質量3個方面建立城市人居環境質量評價指標體系，綜合運用熵權TOPSIS法和地理探測器模型對湖北省城市人居環境質量時空分異特征展開研究，以期為湖北省城市人居環境質量的優化提供理論支持與參考.

1 研究區概況

湖北省地處29°05′～33°20′N，108°21′～116°07′E，位于長江中游地區.全省國土面積共計18.59萬km2，下轄 12個省轄市、1個自治州、1個林區和 3個省管市.湖北省東連“長三角”，西接成渝城市群和關中城市群，南通“粵港澳”，北接中原城市群和京津冀城市群，是我國“中部崛起”戰略的重要支點.湖北省作為國家城鎮化建設的重點省份，在城鎮建設過程中始終堅持“以人為本”的原則，以創造宜業、宜居、宜樂、宜游的良好環境為城市建設目標，先后獲得了“文明城市”“宜居城市”的稱號.2018年湖北省城鎮人口共計3 568.0萬人，城鎮化率達到了60.3%.隨著城市化進程的不斷加快，城市人口與城市生活、生產、生態之間的矛盾日益增多，建設優良城市人居環境的任務依舊繁重.

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 熵權TOPSIS法 本文運用熵權法來確定各指標的權重，再借助TOPSIS法通過比較各評價對象對正負理想解的程度，獲得優劣排序，最終得到湖北省城市人居環境質量的評價結果，具體流程如下.

1) 數據標準化.本文采用極差法進行數據的標準化，公式為：

(1)

(2)

式中，Rij為第i個評價指標的標準化值；Xij表示第i個城市第j項指標的初始值；Xmax表示j指標的最大值，Xmin表示j指標最小值.

2) 權重確定.本文采用熵值法確定各指標的權重，公式為：

(3)

式中，Wj為第j項指標值的權重，n為評價指標的個數，ej表示第j項指標的值.

(4)

式中，Ci取值范圍為0～1，Ci越靠近1，說明城市人居環境質量越好，通過計算得到湖北省城市人居環境質量得分和子系統得分.

2.1.2 地理探測器模型 運用地理探測器模型[24]計算各指標因子X對城市人居環境質量Y的貢獻力q值，q的取值范圍為[0，1]，q值越大，說明X指標對Y的貢獻作用越大.公式為：

(5)

2.2 數據來源

城市人居環境質量評價指標數據主要來源于2013—2018年《中國城市統計年鑒》《湖北省統計年鑒》，及各地市州的《統計年鑒》和《國民經濟和社會發展統計公報》.

3 湖北省城市人居環境質量評價

3.1 評價指標體系的構建

借鑒有關城市人居環境質量評價的相關成果[15-23]，在遵循系統性、代表性、可操作性的基礎上，參考專家意見，結合湖北省城市發展現狀，從城市人居生活、生產和生態質量三個方面構建湖北省城市人居環境質量的評價指標體系.

本文最初篩選了18個指標作為湖北省城市人居環境質量的評價指標，采用熵權法對其進行賦權.在首輪賦權中，公路里程、醫療衛生機構床位數兩個指標由于地區間差異大，導致單一指標賦權值大于0.2，過于強調單一指標對地區的影響力，不能從指標內涵方面綜合考慮多因素的共同作用.為避免極值過于強調單一因素的作用，本文將公路里程轉換成公路里程密度，醫療衛生機構床位數轉換成每萬人醫療衛生機構床位數.最終確定了人口密度、城鎮化率、工業廢水排放總量等18個指標，在重新賦權后構成湖北省城市人居環境質量評價指標體系(見表1).

表1 湖北省城市人居環境質量評價指標體系

3.2 湖北省城市人居環境質量時空演變特征分析

3.2.1 湖北省城市人居環境質量時間演變特征 根據上述的城市人居環境質量評價指標體系、權重和收集數據屬性，計算得到2013—2018年湖北省城市人居環境質量及其子系統平均值和標準偏差的變化趨勢圖(見圖1).

圖1 2013—2018年湖北省城市人居環境質量及其子系統平均值和標準偏差趨勢圖

從城市人居環境及其子系統質量的平均值和標準偏差總體變化趨勢來看，2013—2018年湖北省城市人居環境及其生活、生產、生態子系統質量的平均得分分別從2013年的0.370、0.353、0.330、0.554上升到2018年的0.480、0.513、0.404、0.699，各地市州城市人居環境及其生活、生產、生態子系統質量的標準偏差分別由2013年的0.093、0.084、0.160、0.111下降到2018年的0.092、0.078、0.158、0.086.說明湖北省城市人居環境及其子系統質量總體上呈提升趨勢，各地市州城市人居環境及其子系統質量差距總體上呈縮小趨勢.自2013年以來，湖北省先后聚合西部大開發、促進中部地區崛起、武陵山經濟協作區等發展戰略之力，緊抓“兩圈一帶一群”發展機遇，全面推進湖北省各市州城市經濟的協同發展，加快城市產業結構的調整，不斷完善公共基礎服務設施，大幅提高了各地市州城市人居生活、生產和生態質量，進而帶動了湖北省城市人居環境質量的提升和各地市州城市人居環境質量差距的縮小.

具體來看， 2013—2018年湖北省城市人居環境及其子系統質量的平均值和標準偏差變化趨勢可分為以下兩階段.第一階段(2013—2015年)，城市人居環境及生活、生產子系統質量平均值快速提升，其標準偏差呈現出緩慢增大趨勢，城市人居生態子系統質量平均值逐漸下降，其標準偏差呈快速縮小趨勢.此階段湖北省以促進發展方式轉變，加快經濟結構的戰略性轉型升級為核心發展任務，快速協同推動了各地市州經濟的發展和城市基礎設施的完善，提高了城市人居生產和生活質量.同時經濟的快速發展對城市人居生態質量造成了一定壓力，導致城市人居生態質量呈下降趨勢.第二階段(2015—2018年)城市人居環境及生活、生產子系統質量平均值緩慢提升，其標準偏差逐漸縮小，城市人居生態子系統質量平均值快速提升，其標準偏差呈緩慢縮小趨勢.此階段湖北省總結上一階段城市建設與發展的短板，推動“兩圈兩帶”協同發展、增強“一主兩副多級”城市帶動功能、創新城市基礎設施建設和投融資模式、完善城市生態環境治理體系，全面提高了湖北省城市人居環境的質量，縮小了各地市州人居環境的差距.

3.2.2 湖北省城市人居環境質量空間分布特征 為進一步揭示湖北省城市人居環境質量的空間分布特征，本文對各地市州的多年評價結果取平均值，采用自然斷點法，對地市州的城市人居環境質量及其子系統進行分級，從優到劣分為高水平、中等水平、低水平3個等級，并將分類結果用Arc GIS進行可視化表達(見圖2).

從城市人居環境質量的空間分布上來看，湖北省城市人居環境及其子系統質量的空間分布具有良好的梯度性特征，在整體上呈現出“核心集聚、局部連片”的空間分布特征，形成了以武漢市和鄂州市為核心的城市人居環境質量高水平集聚區，以黃石市-咸寧市、天門市-潛江市-仙桃市、襄陽市-宜昌市為主的城市人居環境質量中等水平連片分布區和以十堰市-神農架林區-恩施土家族苗族自治州、荊州市-荊門市-隨州市-孝感市-黃岡市為主的城市人居環境質量低水平連片分布區；從各子系統的空間分布上來看，城市人居環境高水平地區、中等水平集聚區與城市人居生活和生產高水平、中水平集聚區基本吻合，見圖2(b)和圖2(c)，說明城市人居生活和生產質量是影響城市人居環境質量的主要因素.以武漢市和鄂州市為核心的城市人居環境質量高水平集聚區經濟發展基礎雄厚，城市建設起步早，城市生活保障及基礎設施完善度均位于湖北省前列.以黃石市-咸寧市、天門市-潛江市-仙桃市、襄陽市-宜昌市為主的城市人居環境質量中等水平連片分布區緊抓“兩圈一帶一群”發展機遇，大力提升城市經濟發展實力，加快城市基礎設施的完善和城市生活保障的提升，合理控制人口集聚度，從而促進了城市人居環境質量的提升.以十堰市-神農架林區-恩施土家族苗族自治州、荊州市-荊門市-隨州市-孝感市-黃岡市為主的城市人居環境質量低水平連片分布區雖擁有優質的城市人居生態發展基礎，但由于其城市發展歷史短、經濟發展基礎薄弱、其城市生活保障和基礎設施也處于相對落后水平，難以滿足城市居民的基本需求，最終形成城市人居環境質量低水平集聚區.

圖2 2013—2018年湖北省城市人居環境質量及其子系統空間分布圖

從圖2(a)東中西三個方向上來看，城市人居環境質量提升速度具有明顯的空間分布特征，其中鄂西地區城市人居環境質量提升最為顯著，鄂中地區次之，鄂東地區最小，提升幅度分別為37.59%、34.78%、32.21%.鄂西地區受地形因素影響，城市發展歷史較短，城市人居環境質量相對落后.但隨著西部大開發及“兩圈一帶一群” 戰略實施以來，鄂西城市緊抓發展機遇，大力發展城市經濟，為城市人居生活和生產質量的改善奠定了物質基礎，進而帶動了城市人居環境質量的大幅提升；鄂中地區城市經濟條件相對優越，城市建設起步早，在保持自身優勢的基礎上進一步加大了城市生產規模和城市生產能力的提升，進一步提高了城市人居環境質量；鄂東地區城市整體上人居環境質量處于高水平狀態，隨著城市人居環境質量相對落后的黃岡市大力加強城市基礎設施建設后，鄂東地區城市人居環境質量也得到了進一步提升.

3.2.3 湖北省城市人居環境質量時空演變的貢獻因子分析 城市人居環境的時空演變受到多重因素的綜合影響，為探究影響湖北城市人居環境質量時空演變的貢獻因子，本文采用K-MEANS聚類將各指標因子標準化后的數值從大到小分為3類，采用地理探測器模型測度各因子對湖北省城市人居環境的貢獻力q值，q值越大則該因子對城市人居環境質量的貢獻力越大.

從單因子貢獻率變化趨勢圖上看(見圖3)，各因子對城市人居環境質量提升均具有貢獻作用，貢獻力位于前五位的因子分別為：規模以上工業企業數密度(X11)、人均社會消費品零售總額(X8)、人均固定資產投資(X10)、城鎮化率(X2)、公路里程密度(X7).這5個因子主要驅動湖北省城市人居環境質量的提升，且隨著時間演變其對于城市人居環境質量的貢獻率呈逐漸提升趨勢.同時，這5個因子均屬于城市人居生產和生活類子系統范疇，說明城市的生產發展水平、生產規模、城市基礎設施、合理的人口集聚度是驅動優質的城市人居環境質量形成的重要基礎條件，且隨著時間推移其驅動力呈逐漸增強趨勢.就湖北省目前的城市發展情況來看，城市人居生活和生產質量差距雖呈縮小趨勢，但各地市州經濟發展、生活保障和城市基礎建設差距依舊存在.因此可以預見的是，城市人居生產和生活質量的改善在未來很長一段時間仍是湖北省城市人居環境改善的主要動力.

圖3 湖北省城市人居環境質量因子貢獻率變化趨勢圖

從各因子的交互作用結果上來看(見表2)，湖北省城市人居環境質量因子兩兩交互作用呈現線性增長和非線性增長兩種趨勢，不存在兩因子獨立或兩兩交互減弱的情況.且隨著時間推移，雙因子驅動的非線性增強數量逐漸提升，說明隨著時間演變，城市人居環境質量提升的重心將由少數的核心因子向多因子共建轉變.武漢市、鄂州市作為城市人居環境質量高水平城市，雖然其城市人居生態質量在全省處于中等水平，但由于城市經濟發展迅速，城市生活保障和城市基礎設施相對完善，在城市人居生活和生產質量兩方面的綜合帶動下，其城市人居環境質量依舊處于高水平狀態.十堰市、神農架林區、恩施土家族苗族自治州受地形影響，城市經濟發展水平較低、城市生產規模、生產能力、城市生活保障、城市基礎設施完善度相對較低，雖具有優質的城市人居生態質量，但缺少優質的城市人居生活和生產質量對其綜合帶動，故其城市人居環境質量依舊處于低水平狀態.

表2 地理探測因子交互統計結果

4 結論與建議

4.1 結論

1) 湖北省城市人居環境質量的時間演變特征.2013—2018年各地市州城市人居環境質量及其生活、生產、生態子系統質量的平均得分分別從2013年的0.370、0.353、0.330、0.554上升到2018年的0.480、0.513、0.404、0.699，各地市州城市人居及其生活、生產、生態子系統質量的標準偏差分別由2013年的0.093、0.084、0.160、0.111下降到2018年的0.092、0.078、0.158、0.086，城市人居環境質量平均值和標準偏差均呈兩階段變化趨勢，城市人居環境及其子系統質量總體呈上升趨勢，各地市州城市人居環境及其子系統質量差距總體上呈縮小趨勢.

2) 城市人居環境的空間演變特征.2013—2018年，湖北省城市人居環境質量空間分布呈良好的梯度性，省會城市及周邊部分地區、副省域中心城市的城市人居環境質量較好，在空間上呈現出“核心集聚、局部連片”的分布特征；在城市人居環境質量空間提升速度上，鄂西地區城市人居環境質量改善速度最快，鄂中地區次之，鄂東地區最小.

3) 城市人居環境質量貢獻因子分析.因子探測器發現規模以上工業企業數密度、人均社會消費品零售總額、人均固定資產投資、城鎮化率、公路里程密度是研究期內驅動湖北省城市人居環境質量提升的主要貢獻因子，且隨著時間推移，城市人居環境質量受主要因子的影響逐漸增大；交互探測器發現雙因子兩兩交互貢獻率大于單因子貢獻率，無兩因子獨立或兩兩交互減弱的情況，且隨著時間演變，雙因子驅動的非線性增強數量逐漸提升.

4.2 建議

1) 加強城市經濟建設，提高城市人居生產質量.十堰市、神農架林區、恩施土家族苗族自治州、隨州市、荊門市、荊州市、孝感市、黃岡市受自身發展基礎影響，城市經濟發展水平較低、城市生產規模、居民收入水平、城市基礎設施完善度相對較低，城市人居生產質量處于低水平狀態.建議在未來城市規劃中，要繼續加強城市經濟建設投入，全面更新城市產業結構，加強產業鏈條的延伸.同時加大產業科技投入，加快先進產業、人才、技術的引進，積極借鑒優勢城市的發展經驗，提升城市人居生產質量.

2) 完善城市基礎建設，提高城市人居生活質量.襄陽市、宜昌市、潛江市、天門市、仙桃市、黃石市、咸寧市在城市發展過程中，其城市生活保障及基礎設施完善程度滯后于城市人口集聚速度，城市人居生活質量落后.建議在未來城市規劃中，要在推動城市經濟發展基礎上，加強政府資金對城市生活保障和基礎設施的投入，加強地區服務產業扶持，增強城市自生群體的責任感，提升城市居民的便宜度和幸福感，從而提升城市人居生活質量.

3) 加強城市生態恢復，提高城市人居生態質量.武漢市、鄂州市近年來在城市人居生活、生產質量提升速度上相對較快，但其城市人居生態質量相對較低.建議在未來城市規劃中，不斷加強城市生態環境的恢復，著重城市空氣、水域、土地的生態恢復，控制城市擴張邊界，加強城市生態監測，提高城市生態保護標準，在現有基礎上，不斷保護和修復城市生態，從而驅動城市人居環境質量的全面提升.