基于數據分析方法的有居民海島分類評價研究

張宏曄,王娜,曹英志,張志衛,趙錦霞

(1.國家海洋信息中心 天津 300171;2.自然資源部第一海洋研究所 青島 266061)

0 引言

海島是我國國土重要的組成部分,也是重要的生產、生活和生態空間的載體[1]。海島具有特殊的地理特性,它四面環水,天然獨立,每個海島都構成一個相對獨立的地理環境[2]。同時,海島本身面積狹小、地域結構簡單、生態系統脆弱。我國海島分布在從南到北的各個海區,海島數量眾多[3],每個海島大小、岸線長度、地理位置、生態類型均不同,同時由于海島的地理位置、人口以及歷史發展等原因,每個海島的自然條件以及開發類型也各不相同。如不因地制宜,合理規劃,盲目開發,不僅不利于我國海島的經濟發展,而且會給海島及周邊海域帶來非常嚴重的生態環境問題。建立相對完善、科學、可量化的海島評價方法對海島進行評價,對海島資源的合理利用以及海島的生態環境保護都具有重要的意義。

由于海島獨立的地理特征,以及自然和社會的雙重屬性,因此可以從多個角度對海島進行評價,包括海島的地理特性、地質組成、生態環境,到海島的經濟發展、開發利用類型以及海島的歷史文化等,涉及多學科、多專業。目前國內對于海島的評價研究則側重于海島單一角度,如對海島的價值體系研究[1]、生態環境評價研究[2]、海島的經濟或生態脆弱性研究[4-5],也有海島保護及分類規劃研究[6]、無居民開發適宜性研究[7]和PSR模型對海島的生態評價研究[8]等。在國際上,也有一些針對海島特性進行的定量評價研究,如生態系統安全研究[9]、基于神經網絡的海島評價研究[10]和海洋環境影響因子研究[11]等。這些方面每一項都可以建立相應的指標體系對海島特定的屬性進行評價,但是這些體系大多只是從一個或幾個方面對海島進行研究評價,而如果需要相對全面、客觀地評價海島生態環境和發展狀況,則需要對評價指標進行關聯,使用綜合評價模型對其進行評價。同時,多數評價只是針對單一海島,并沒有建立不同海島之間的聯系,尤其是不同海島之間社會發展和自然環境之間的潛在聯系。

數據挖掘與分析是從大量數據中發現具有描述性、可理解、能預測的模型的過程[12]。主要包括探索性因子分析[13]、頻繁模式挖掘[14]、分類和聚類等[15]。目前,國內外各類數據分析在綜合評價體系已經相對成熟,對資源環境的綜合評價方法有幾十種甚至上百種之多,其中利用數據進行定量分析的評價方法就有幾十種,如層次分析法(AHP)[16]、灰色關聯分析法(GIA)[17]和熵權法(EA)[18]等,而隨著數據挖掘和分析研究的深入,基于統計分析的綜合評價方法也有很多種,如主成分分析(PCA)[19]、因子分析(FA)[20]和聚類分析等[21]。這些評價方法也應用在對不同類型的資源評價過程中,如城市宜居度分析[22]、決策方法選擇[23]和能源效用評價[24]等。數據分析也是土地利用以及區域發展的研究的主要手段。在城市功能區劃分類[25]、鄉村旅游資源分類評價[26]和區域綜合性評價[27]等研究中,均分析了不同類型的地類的功能劃分以及空間特征。

本研究基于數據挖掘和數據分析的方法,結合海島特殊的自然和社會發展性質,構建了基于自然環境、經濟發展和社會民生的海島分類評價體系。基于海島的自然和社會屬性建立了多重評價指標,對我國30個海島進行分類評價。通過聚類、分類以及主成分分析、主坐標分析等數據分析方法對海島進行定量分析,以期建立較完善的海島分類評價方法。對海島的分類評價,既可以發現海島的發展現狀,探究海島發展的個性和共性,也可以揭示海島經濟發展和環境保護之間的關系。可以對海島規劃、海島資源的開發利用及保護提供科學、客觀的數據支持及參考借鑒。

1 研究區域情況與數據來源

1.1 實例海島及選取依據

與人為的城市或者行政區劃分不同,海島四面環水,海洋天然地將海島劃分成為獨立的地理單元。但是由于不同海島的自然環境、人口規模和區位因素等往往存在較大差異,為了客觀、全面、具體地評價海島,一方面選擇的海島需要盡可能多地體現海島本身屬性的差異,如所在省份及海區,近陸距離、主導產業等;另一方面,為避免因統計數據差距過大導致難以標準化,選擇的海島面積人口規模應相對接近,防止選擇海島面積人口規模過大(如,海南島)或過小(如,永興島)。

根據以上原則,本研究在全國范圍內選擇了30個典型的有居民海島進行評價(表1)。這30個海島分布在全國各個沿海省(自治區、直轄市),每一個海島都具有獨特的地理環境、開發利用特征、經濟發展以及社會環境,這樣可以使分類評價的結果更具有客觀性,同時也能更清楚地體現各評價指標對海島分類的影響。

表1 研究的目標海島基本情況

1.2 海島評價指標體系的構建

海島作為特殊的地理單元,是一類自然-人工的復合體。這類單元的資源環境不僅僅受地理位置和生態環境等自然因素的影響,也受到其所屬的社會環境、經濟發展、文化以及民生等社會因素的影響。基于此,在參照城市分類或其他地理分類評價研究的基礎上[25],結合海島的實際情況以及指標的客觀性,本研究分別從經濟發展、生態環境、社會民生和文化及規劃管理等方面選擇了16項評價指標(表2),這些指標對海島可以進行相對完善的分類評價。為了進一步的數據分析,本研究對各個指標需要通過數字進行描述,即用不同的方法對這些指標進行量化。最終利用通過得到的指標數據化結果對海島進行分類評價。

表2 海島的評價指標

1.3 原始數據的收集

為使海島數據相對標準統一,本研究以2016年為時間節點獲取原始數據。其中遙感影像是基于2016年度拍攝的高分1號以及資源3號衛星(分辨率2m)的影像,獲取影像后基于ArcGIS10.5平臺進行解譯,計算海島的植被、開發利用面積和岸線長度等,同時對部分設施(如,防災減災和文化體育類)予以標注,從而獲得相應的評價指標數據。對于經濟和社會類指標,一方面咨詢當地相關行政部門獲取環境、醫療和社會保障等數據以及經濟統計調查數據;另一方面在2016-2017年進入各海島現場進行補充調查。最后,搜集海島所在縣、鄉的統計公報、年鑒及政府工作報告以及涉及海島的其他公開資料,同時參考2016年國家海洋局發布的《海島統計調查公報》[28]以及《2016年中國海洋環境狀況公報》[29],對部分評價指標數據進行補充計算。

對獲取的數據,根據數據的性質、分類和數據意義等屬性信息,對每一項數據進行針對性的數值量化,得到的最終數據為數值型數據。得到數據以后,利用R語言平臺對數據進行多個類型的數據分析。將海島進行分類,并探究影響海島分類指標之間的聯系。

1.4 評價方法的評價體系的建立及數據分析

1.4.1 評價指標的標準化

由于每個評價指標不同,描述評價指標的量綱也就不同,所以,需要對各評價指標數據進行標準化,以便消除不同量綱對數據結構的影響。對數據進行標準化以后,各項指標在相對統一的量綱內,可以相對準確計算每個目標海島之間的距離。從而進行進一步的統計分析。標準化的方法如下:

式中:Xis是 為指標統一量綱得到的數值;n為樣本數；為樣本均值;X i是樣本中的具體指標數值;X rms是樣本均方根。

1.4.2 聚類分析

聚類分析是將對象的集合進行分組為由類似的對象組成多個類的分析過程[30],通過將海島進行聚類分析,可以研究不同海島之間的指標特征可能的相似性,從而構建不同海島的聚類樹。本研究采用層次聚類法[31],將海島進行聚類,相似程度高的海島聚類距離較近,而相似程度低的海島則距離較遠。這樣,通過聚類分析即可判斷海島數據間的相似程度高低,并且最終得到一個海島的聚類樹。通過聚類樹可以分析海島在評價指標之間的相似性。

1.4.3 主坐標分析

主坐標分析(PCo A)是一種降維排序方法,通過一系列的特征值和特征向量排序從多維數據中提取最主要的元素和結構[32]。基于距離矩陣來尋找主坐標。即通過計算各個類簇間的距離,可視化表征各個海島的分類情況,本研究利用基于Bray-Curtis距離來進行PCoA分析,并選取貢獻率最大的主坐標組合進行二維坐標圖展示。如果不同海島間指標特征越接近,則它們在PCo A圖中的距離越接近。

1.4.4 主成分分析

主成分分析(PCA)是一種應用方差分解,對多維數據進行降維,從而提取出數據中最主要的元素和結構的方法[33]。利用主成分分析,可以提取出最大限度反映海島間差異的2個或者3個特征,并將特征通過二維或者三維坐標圖進行展示,如果海島的各個指標數據越相似,則它們在PCA圖中的距離越接近。每個特征與海島的評價指標均有關聯性,提取關聯較大的評價指標,可以分析對海島分類影響較大的指標,從而發現不同海島指標之間的關聯性。

2 研究結果與分析

2.1 海島最佳類簇數的確定

研究利用CH指數可以確定特定聚類效果最佳的類簇的數量。具體計算方法如下:

式中:n為樣本數;k為類別數;Bk為類別間的協方差矩陣;Wk為類別內的協方差矩陣。該指數越大,說明類別間的協方差與類別內部的協方差之間的比值越大,也就是類別間的差異大于類別內部的差異。即分類效果最佳。最終得到的分類結果如圖1所示。

圖1 海島聚類數量的CH分析

由圖1可見,類別為2或者3時聚類效果最佳。但是當類簇為2時,聚類結果顯示一個類簇僅剩余梅山島一個樣本,即梅山島為一類,其余海島為另一類。為了更明確地展示所有海島之間的差異,本研究選擇3為聚類最佳類簇數對海島進行聚類。

2.2 對目標海島的聚類分析

利用層次聚類法,由海島的各項指標的表征計算各海島之間在表征的距離,基于距離得到海島聚類的效果,并驗證聚類分成3類的聚類特征。經過多種距離計算方式演算,本研究采用最能直觀地表現聚類的效果的方法,即利用離差平方和法(也稱為ward度量)計算不同類之間的距離[34]。聚類結果如圖2所示,在類簇數為3的情況下,30個海島被分成了3個主要類別。

圖2 海島聚類分析

對海島和評價指標進行二維聚類,利用聚類熱圖對海島和評價指標進行雙向聚類(圖3)對層次聚類結果進行驗證。從結果可以發現,一方面,雙向聚類和層次聚類法的聚類結果相同,層次聚類結果合理;另一方面,同一指標類別的指標距離接近,說明同一類別的指標對海島的描述相對統一,從數據上反映的指標分類較為合理。

圖3 海島及評價指標雙向聚類熱圖

同時,通過聚類熱圖可以進一步表征這些海島以及指標的雙重聚類的情況,并更好地解釋每一類海島的特征。具體海島分類結果如下。

(1)經濟發展型海島,包括:梅山島、東海島、長興島、六橫島、瑯岐島和新埠島。海島有經濟發展類的指標高、社會民生基礎指標較高,但是環境相關指標較低等特征,本研究將其稱之為經濟發展類海島。

(2)環境發展型海島,包括:南田島、花岙島、北長山島、靈山島、枸杞島、桃花島、桂山島、大萬山島、白沙山島、下大陳島、劉公島、潿洲島、花鳥山島、海陵島、廣鹿島、獐子島和連島。該類海島的環境相關指標高,社會民生基礎指標較1類海島低,但較3類海島高,經濟發展類指標較第1類低,但較第3類高,我們將其稱為環境發展類海島。

(3)傳統發展型海島,包括:湄洲島、龍門島、大崳山、南日島、施公寮島、鹿西島和東庠島。3類海島環境相關指標介于前兩者之間,社會民生基礎及經濟發展情況較前兩者更低的特征,本研究將其稱為傳統發展類海島。

2.3 主坐標分析對海島分類結果的驗證

30個樣本進行主坐標分析的結果如圖4所示,3個類別的海島基本分布在坐標軸不同的區域,驗證了聚類結果的正確性,3個類別的海島無明顯交叉,分類結果良好,環境發展型海島與傳統發展型海島的距離相對于經濟發展型海島與該兩類海島的距離近。

圖4 主坐標分析

2.4 海島評價指標之間的關聯性

首先對分析結果進行碎石檢驗。結果表明,將評價指標分為2個或者3個主成分即可解釋大部分的信息。然后,本研究提取了3個主成分進行主成分分析,并制作了主成分分析表(表3)。主成分分析表主要表現了對海島評價指標主成分分析的如下特征。

表3 主成分分析

可以發現,第一主成分與環境因素(如,島陸建設比例、植被覆蓋率和自然岸線保有率)有關;第二主成分與經濟發展(如,島上人均可支配收入和單位面積財政收入)有關;第三主成分與海島基礎建設(如,規劃管理、社保和防減災措施)有關。3個主成分對數據的解釋度共為49%,解釋度并不高,但是主成分的指標出現了比較高的相似性。為了進一步驗證主成分分析結果,將評價指標向量在兩個解釋度最高的主成分組成的二維平面中進行投影,制作主成分方向圖(圖5),從而研究各個評價指標的相關性。從圖中可以發現,社會民生相關基礎指標與經濟發展相關指標有較強的正相關,但與環境的相關性較弱,經濟發展相關指標與環境指標相關度很低。

圖5 主成分分析矢量圖

3 討論與結論

3.1 討論

海島作為四面環水且面積較小的地理單元,生態環境復雜度低、人口相對較少、每個海島的居民生活和產業狀況相對簡單。但是不同海島區位、氣候、地理、自然和生態類型都不盡相同,同時海島也是一類自然-人文復合的地理單元[35],因此對海島的評價一方面需要針對海島本身的特點,對能夠描述海島的多種指標綜合進行統計分析從而對海島進行分類。另一方面,針對影響海島的自然因素和社會因素,若發現不同因素間可能存在的關系,則可以客觀全面地對海島進行評價。從評價結果看,利用聚類方法可以做到將海島進行分類,且每一類海島具有一些相關的指標特性,具體如下。

(1)海島可以分成3類,即:經濟發展型海島、環境發展型海島和傳統發展型海島。

經濟發展型海島:該類型海島在經濟指標上明顯高于其他海島,這可能與海島發展類型有關,有研究表明第二產業和第三產業的發展對一個地區的經濟規模產生較大影響[36-37],多數的經濟發展型海島島內有較強的第二、第三產業支柱,也有因區位優勢順應周邊區域經濟的發展。而其他類型的海島除旅游業外,島內基本無第二產業或其他第三產業,或海島區位相對偏遠,較難獲得周邊優質的經濟發展資源。

環境發展型海島:該類海島的明顯特征是相比于經濟發展類海島,環境指標突出。由于海島兼具海陸的生態特征,環境優美,旅游產業一直是海島的優勢產業[38-39],而本研究中分類得到的環境發展型海島大多是以旅游業為主要發展產業,由于產業的需要優先發展了海島的環境。部分海島雖然不以旅游業為主要產業,但是由于島內開發利用活動較少,環境較好,同時經濟相關的指標較傳統發展型海島高,在聚類中更接近環境發展型,因此被歸類到環境發展型海島。

傳統發展型海島:該類海島的顯著特征是經濟發展相關指標較低,該類型大多數海島均以傳統的以漁業、養殖業為主的第一產業作為海島主要產業。作為漁業,海島第一產業對海島開發利用規模較小,對海島環境的影響有限。因此本類海島環境指數相對較高。但是其環境指標值整體低于環境發展型海島,這可能是由于海島本身經濟發展和基礎設施發展較差,且對該類海島環境保護中投入有限,所以環境指標較環境發展型海島低。

(2)在3類海島的評價指標中,經濟水平相關指標與海島的社會發展評價指標呈現較強的正相關,海島的環境相關評價指標與社會發展評價指標呈現較弱的相關性,海島的經濟相關指標和環境相關指標無明顯相關性。

有些研究表明,經濟的快速發展可以導致資源的巨大消耗和對環境的影響[40-41]。由于海島的生態結構簡單、環境脆弱、經濟結構單一,海島的經濟發展很可能會對海島環境具有較大影響,但是,從本研究的結果來看,海島的經濟發展情況并沒有與環境指標顯示出較明顯的相關性,也就是說,海島的經濟發展和海島的環境狀況相對獨立,這可能有以下幾個原因。①海島的開發方式不同,部分經濟發展型海島如梅山島,其海島產業以物流、貿易為主,該類產業對環境的影響較低,因此并未對海島的環境造成較大的影響。②有些經濟發展較強的海島,在建設基礎設施的同時,進行了生態修復和環境建設,如長興島,在現場對比遙感解譯的情況時,發現許多植被覆蓋的區域是生態修復工程區,這對本研究的環境指標有正向影響。環境指標較高的經濟發展型海島,其社會民生及基礎設施指標中偏環境的指標如海島自然特征指數和海島利用特征指數等也較高,側面反映了這些海島在經濟發展的同時,也在注重并改善海島本身的生態環境。與之相對的,在經濟發展指標反映較差的傳統發展型海島,并沒有顯示出較高的與生態環境相關指標值。也反映了經濟發展與生態環境狀況的獨立性。生態修復作為人工的改善環境的方法,在其他類型地理單元可以明顯改善環境[42-43],但是海島作為特殊的環境地理單元,其生態修復的效應可能與其他地區不同。后續研究可以探究海島生態修復與海島環境改善之間的關系。

海島是地理特點和區位因素都具有獨特性的地理單元。對其進行科學分類,明確其發展的現狀,研究其發展的成因,對指導海島地區發展,保護海島及其周邊海域生態環境都具有重要的意義。對于海島的發展,既要做到兼顧海島的經濟和社會情況,又要保護海島的生態環境。對于不同類型的海島,要結合實際情況,有針對性地制訂海島發展的規劃和政策,對于經濟發展型海島,需要重點保護和改善海島的環境,加強海島環境監測,加強生態修復。對于環境發展型海島,需要劃定生態紅線,防止人類活動對海島環境產生的潛在的壓力。對于傳統發展型海島,則需制訂明確的海島發展規劃,引導海島產業發展或轉型,使海島經濟向多元化、集約化發展,加強海島交通及基礎設施建設。

3.2 結論

本研究針對海島的特點建立了一套基于數據挖掘和數據分析的描述海島發展和環境的分類體系。通過30個海島的數據對體系進行了驗證并分析。結果表明,分類體系相對可行,通過分類體系也可以發現不同海島之間發展因素的內在聯系。由于海島的描述指標眾多,且海島的大小和人口規模都各不相同,海島分類體系仍需完善。一方面,由于數據量越大,其可挖掘的數據越多[44],后續會將更多海島納入分類體系,可以使海島分類更精確、結果更明顯;另一方面,增加一些更詳細的描述指標,如海島的生態系統相關指標,或對海島的某個學科領域進行細致分類,可以更深層次地發現海島發展的內生因素,有利于海島未來發展規劃的制定和管理政策的實施。