基于PP-GA的鄉村發展潛力評價模型與應用

張 曉 瑞，劉 淑 珍，董 潔 云，閆 旭，王 振 波

(1.合肥工業大學城市規劃系，安徽 合肥 230601；2.合肥工業大學數字人居環境研究實驗室，安徽 合肥 230601；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

0 引言

鄉村是多要素耦合的地域復合系統，鄉村發展潛力是鄉村依據其發展條件和狀態確定的發展可能性，是鄉村發揮生產功能、生活功能、生態功能的基本支撐能力，反映了鄉村經濟、社會和生態環境實現可持續發展的能力，是一個多維度的概念統一體[1]。與城市發展潛力評價相比，鄉村發展潛力評價的空間尺度更小，評價指標更微觀、具體，評價思路更強調基于資源環境潛力的生態理念。國內外鄉村發展研究成果主要包括城鄉一體化與城鄉關系研究[2-4]、鄉村振興基礎理論研究[5-7]、鄉村性理論構建與評價[8-10]、鄉村類型劃分[11-13]、鄉村空間結構識別與構建[14-16]、鄉村發展機理與驅動力分析[17-19]等方面，研究方法主要有基于多指標評價的層次分析法、模糊評價法、熵值法、理想值法及GIS空間分析法等[20-23]。作為鄉村發展研究的重要內容，已有鄉村發展潛力研究主要從土地整治潛力、旅游發展潛力等方面展開[24-26]，研究視角較單一，基于鄉村資源環境、經濟社會的綜合評價仍較少。同時，研究尺度以縣或鄉鎮為基本空間單元，針對鄉村微觀單元的潛力評價及其空間格局、實踐應用研究仍待加強。鑒于此，本文將當前位于數據降維分析處理前沿的投影尋蹤(Projection Pursuit,PP)模型引入鄉村發展潛力評價中，利用其在多指標數據權重計算與綜合集成上的優勢，嘗試構建鄉村發展潛力評價模型、方法和實踐應用體系，以期為鄉村發展潛力評價、鄉村規劃編制和政策制定提供方法支持和決策依據。

1 評價模型和方法

1.1 模型構建

鄉村發展潛力由鄉村內部要素和外部要素共同決定，前者主要包括資源環境本底條件和經濟社會發展條件，后者主要由鄉村交通區位條件反映。因此，鄉村發展潛力是資源環境發展潛力、經濟社會發展潛力和交通區位發展潛力共同約束的變量。其中，資源環境發展潛力是鄉村發展的基礎，主要包括土地、水兩大基本資源，經濟社會發展潛力反映鄉村在資源環境基礎上取得的經濟社會發展成果，交通區位發展潛力反映鄉村在區域城鄉體系中的格局、地位及其與外部環境聯系的便捷性，三者潛力越大，鄉村越有可能實現自身功能和目標，由此為鄉村振興奠定更加堅實的基礎。

根據上述分析，以資源環境發展潛力、經濟社會發展潛力、交通區位發展潛力為基本準則構建鄉村發展潛力評價指標體系，每個鄉村的發展潛力指數(Development Potential Index，DPI)通過對各評價指標進行線性加權求和綜合集成，計算公式為：

(1)

式中：xi為標準化指標值；wi為指標權重，計算時應減少人為主觀賦權誤差，從而盡可能準確地評價鄉村發展潛力；n為指標數量。

1.2 評價方法

投影尋蹤(PP)模型是數據降維與分析處理的前沿方法，能將多指標高維數據投影到低維空間，通過投影目標函數刻畫對象內部結構，由此克服“維數禍根”的不利影響[27]，實現對高維數據結構的挖掘分析。設有m個鄉村、n個評價指標，x(i,j)為第i個樣本第j個指標值，則m個鄉村共有m個投影值，其分布特點為局部空間上盡可能集聚成若干點團，整體空間上投影點團盡可能分散，PP模型將n維指標投影綜合成以a={a(1),a(2),a(3),…，a(n)}為投影方向的一維投影值p(i)(式(2))，由此揭示原始n維數據由差異性和相似性構成的結構特征，據此將m個鄉村分成若干類別。

(2)

PP模型的投影指標函數Q(a)計算公式為：

Q(a)=SpDp

(3)

(4)

(5)

式中：Sp為投影值p(i)的標準差；Dp為投影值局部密度；E(p)為序列{p(i)|i=1～m}平均值；R為局部密度窗口半徑，一般取值0.1Sp；r(i,j)為樣本i與j間距離，r(i,j)=|p(i)-p(j)|；u(t)為一單位階躍函數，當t≥0時為1，反之為0。

當評價指標值給定時，Q(a)僅隨投影方向a的變化而變化，不同的投影方向反映不同的數據結構特點，最佳投影方向能最大限度揭示高維數據結構特征。PP模型通過計算Q(a)最大值得到最佳投影方向，即有：

(6)

式(6)是以{a(j)|j=1～n}為變量的復雜非線性優化問題，可采用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)解決其高維全局尋優問題。以Q(a)為目標函數，以a(j)為優化變量，通過GA計算Q(a)最大值，其對應的a(j)即為最佳投影方向，再利用式(2)得到各鄉村的p(i)值，即鄉村發展潛力指數。

鄉村發展潛力綜合評價模型的難點在于指標權重計算。傳統方法是先計算權重再綜合集成，兩者相互獨立。對于同一組指標，權重計算方法不同得到的評價結果也不同，這種不確定性必然干擾發展決策。PP模型與GA算法通過式(2)-式(6)和Q(a)取得最大值，將指標的權重計算與綜合集成固化統一，實現了多指標高維數據線性和非線性處理的有機融合，由此可得到更客觀、準確的結果。

2 案例研究

2.1 研究區概況

本文研究區為安徽省滁州市來安縣，位于安徽和江蘇兩省毗鄰地區，是安徽全面融入長三角一體化發展的先行區，具有優越的發展條件。來安縣域面積約1 481 km2，轄11個鎮(新安鎮、汊河鎮、水口鎮、三城鎮、半塔鎮、舜山鎮、獨山鎮、雷官鎮、施官鎮、大英鎮、張山鎮)和1個鄉(楊郢鄉)，共計130個鄉村評價單元。來安縣是國家農產品質量安全縣和安徽省農村人居環境整治成效明顯縣，鄉村發展潛力評價不僅能為來安縣鄉村振興戰略實施和可持續發展提供依據，也能為相關研究和實踐提供借鑒。

2.2 指標體系構建

根據來安縣鄉村發展現狀特點，遵循數據可獲得的基本原則，從資源環境發展潛力、經濟社會發展潛力、交通區位發展潛力三方面遴選評價指標，得到來安縣鄉村發展潛力綜合評價指標體系(表1)。資源環境發展潛力包括5個二級指標，其中耕地面積、水域面積反映鄉村土地資源、水資源的基本條件，高程、坡度、災害易發程度反映鄉村自然環境基本狀態；經濟社會發展潛力包括7個二級指標，重點從空間開發規模、人口數量、公共設施等經濟社會屬性進行評價；交通區位發展潛力包括3個二級指標，道路網密度代表鄉村交通建設水平，距中心城區和交通干線距離反映鄉村的區位條件。

表1 來安縣鄉村發展潛力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of rural development potential in Lai′an County

評價數據主要包括：來安縣行政區劃圖、高程數據、災害風險數據、國土開發利用數據、水文數據、交通數據、來安縣統計年鑒以及相關村莊規劃等數據。首先，應用極差標準化方法對數據進行處理，其中，高程、坡度、災害易發程度、距中心城區距離、距交通干線距離5個指標為負向指標，其余指標為正向指標；其次，根據PP模型原理，在Matlab中應用GA工具箱進行求解，得到最佳投影方向和各鄉村發展潛力指數；最后，根據發展潛力指數進行空間分析與鄉村分類，并提出相應的發展對策和建議。

2.3 評價結果分析

來安縣鄉村發展潛力評價結果(表2)表明：130個鄉村的發展潛力指數最大值為2.6461，最小值為0.1623，平均值為0.7639，大于平均值的鄉村有61個，占比46.92%，小于平均值的鄉村有69個，占比53.08%。在空間分布(圖1)上，縣域中部地區鄉村發展潛力最高，南部地區次之，北部地區最低。在空間分布上，潛力較高區域呈現“一帶兩區”形態，其中，“一帶”是沿縣域南北向分布并呈弧狀的鄉村發展高潛力帶，“兩區”是縣城建成區及其周邊的高潛力鄉村集聚區和位于縣域南部的高潛力鄉村聚集區。

表2 來安縣鄉鎮鄉村發展潛力統計Table 2 Statistics of rural development potential of each town in Lai′an County

圖1 來安縣鄉村發展潛力空間分布Fig.1 Spatial distribution of rural development potential in Lai′an County

計算每個鄉鎮下轄鄉村發展潛力指數的平均值，以此代表各鄉鎮鄉村發展潛力的總體情況，根據各鄉鎮鄉村發展潛力大小，將來安縣12個鄉鎮分成3個梯隊(表2)：第一梯隊(均值>1.0)為新安鎮，是縣政府所在地，鄉村發展潛力最大，代表來安縣鄉村發展潛力的最高水平；第二梯隊(0.7<均值≤1.0)是中等潛力水平鄉鎮，包括舜山鎮、張山鎮、水口鎮、大英鎮、汊河鎮和施官鎮6個鄉鎮；第三梯隊(均值≤0.7)是低潛力水平鄉鎮，包括獨山鎮、楊郢鄉、雷官鎮、半塔鎮和三城鎮5個鄉鎮。

在微觀層面上，根據130個鄉村發展潛力值的分布特點，將來安縣分成高潛力區(DPI>1.2)、較高潛力區(1.0

在空間分布(圖2)上，高潛力區形成兩大片區，位于縣域中部偏西地區(由4個鄉村相鄰構成)和縣域最南部(由汊河鎮2個鄉村相鄰構成)；較高潛力區形成“兩片+兩村”的4個集聚區，分別是：縣域北部的半塔村、縣域中部的5個鄉村相鄰片區和縣域南部的6個鄉村相鄰片區以及位于汊河鎮的黃牌村。高和較高潛力區構成“一帶一村”空間格局：“一帶”即由高、較高潛力區交錯相鄰構成的連續型鄉村發展帶，貫穿縣域中偏西部和縣域南部，共包括18個鄉村單元，形成來安縣鄉村發展潛力最大、最具規模的發展空間；“一村”即縣域北部位于半塔鎮的半塔村。中等潛力區基本上位于縣域中部及其南北兩側地區，形成其他潛力分區的背景或基質。較低和低潛力區中除了4個獨立的鄉村外，其余鄉村相互鄰接、聚集成片，形成基于“兩帶兩片”的4個集聚區：“兩帶”包括縣域中部(8個鄉村)和縣域東部(14個鄉村)的2個較低和低潛力發展帶，空間形態上呈較明顯的相互平行的“J”形；“兩片”包括縣域最北部(22個鄉村)和最南部(17個鄉村)的兩大較低和低發展潛力片區。“兩帶兩片”是來安縣鄉村發展潛力的洼地，特別是南北兩片和東部一帶均處于來安縣域邊界區，說明來安縣域鄉村發展潛力不僅在數量上存在顯著差異，在空間上也具有明顯的不平衡性。

圖2 來安縣鄉村發展潛力空間分區Fig.2 Spatial zoning of rural development potential of villages in Lai′an County

總體上，來安縣鄉村發展潛力形成了“西高、中中、三低”的空間結構。“西高”即以新安鎮全部、舜山鎮南部、水口鎮西部為核心的縣域西部鄉村發展高潛力區，“中中”即以縣域中部地區為主體的鄉村發展中等潛力區，“三低”則為縣域南部、北部和東部三大邊界區構成的鄉村發展低潛力區。此外，以“西高”為圓心，形成向北、向東、向南連續過渡的鄉村發展潛力分區，呈放射狀空間形態，由此奠定了來安縣鄉村發展潛力的總體結構，為進一步構建發展策略提供了決策依據。

2.4 潛力評價應用

根據國家鄉村振興戰略要求，要把鄉村劃分為集聚提升、城郊融合、特色保護和搬遷撤并4類，由此為鄉村振興分類施策奠定基礎。目前關于如何劃分4類鄉村仍沒有統一的技術規范和方法流程。本文嘗試基于鄉村發展潛力評價結果進行4類鄉村劃分(表3)，為來安縣鄉村振興戰略實施和鄉村規劃分類提供參考。

表3 來安縣鄉村分類標準與分類結果Table 3 Classification criteria and results of villages in Lai′an County

首先，劃分特色保護類鄉村。特色保護類鄉村是歷史文化名村、傳統村落、少數民族特色村寨、特色景觀旅游名村等自然歷史文化特色資源豐富的鄉村，是彰顯和傳承優秀傳統文化的重要載體，應優先保護。該類鄉村是來安縣鄉村特色文化和傳統風貌集中區，不論其潛力指數大小，只要擁有自然和歷史特色要素、資源和實體的鄉村均劃為特色保護類鄉村。來安縣共劃分出13個特色保護類鄉村。其次，將低潛力區(DPI≤0.5)的鄉村劃為搬遷撤并類，共計16個，其中已有3個被劃為特色保護類，最終該類鄉村為13個。該類鄉村綜合發展潛力不理想，各種發展要素一般或較低，理論上可搬遷撤并，既能改善鄉村人居環境，又能提高土地資源的節約集約利用率。最后，劃分集聚提升和城郊融合類鄉村。這兩類鄉村均具有較好的發展潛力，但城郊融合類鄉村距中心城區或鄉鎮政府駐地更近，區位條件優越，理論上發展潛力更高。根據評價結果并結合來安縣對鄉村分類的意見和建議，對城郊融合類鄉村設定2個約束條件，一是中等潛力(DPI>0.75)分區的鄉村，二是距中心城區或鄉鎮政府駐地10 min車程覆蓋范圍內的鄉村，進而將滿足上述2個約束條件的30個鄉村劃分為城郊融合類鄉村，其余74個鄉村則為集聚提升類鄉村。

由4類鄉村的空間分布(圖3)可知，集聚提升類鄉村在縣域境內均有分布，在縣域南部和中東部構成最大規模且集中連片的集聚提升類鄉村分布區；城郊融合類鄉村主要集中在縣域中部，特別是在舜山鎮、張山鎮、新安鎮、水口鎮形成一條顯著的、具有較大規模的城郊融合類鄉村分布帶；特色保護類鄉村主要分布在縣域北部的半塔鎮，半塔鎮是來安縣的副縣級重點建制鎮，具有悠久的人文歷史和光榮的革命文化，擁有國家級文物保護單位，應加強保護力度，確保特色文化旅游資源永續傳承；搬遷撤并類鄉村呈多點散狀分布，且大部分為縣域邊界鄉村，發展潛力低，距中心城區和鎮區較遠，接受輻射和帶動的條件有限，在適當時機宜進行搬遷撤并。需指出的是，鄉村分類是鄉村振興戰略實施的關鍵，要在充分尊重村民意愿的基礎上嚴格、謹慎劃定各類鄉村，特別是搬遷撤并類鄉村。

圖3 來安縣鄉村類型劃分Fig.3 Classification of villages in Lai′an County

2.5 對策建議

首先，建議來安縣在鄉村振興實施方案制定、鄉鎮國土空間規劃和鄉村規劃編制時，針對不同發展潛力的鄉村提出差異化發展策略，為鄉村在經濟、社會、生態等方面實現全面振興奠定基礎。其次，加大力度解決縣域鄉村發展不平衡問題，高潛力區鄉村要把潛力優勢轉為發展優勢，成為帶動周邊鄉村發展的龍頭與核心；低潛力區鄉村特別是位于“三低”地區的鄉村，要緊抓鄉村振興戰略全面實施的重大機遇，立足自身基礎，積極補短板，力爭變發展洼地為發展高地，從而在整體上提升全縣鄉村的發展質量和水平。最后，建議集聚提升類鄉村要突出發展方向和路徑，加大人居環境改善力度，激活鄉村產業發展，全面實現鄉村振興；城郊融合類鄉村要重點考慮城鄉產業的融合發展、基礎設施的互聯互通和公共服務設施的共建共享，為城鄉一體化發展夯實基礎；特色保護類鄉村應重點保護鄉村特色資源、要素、實體的真實性、完整性和延續性，在保護基礎上實現鄉村持續特色發展；搬遷撤并類鄉村應嚴格落實國家關于鄉村搬遷撤并工作的政策措施，進一步征求村民意愿，確保搬遷撤并工作合法合理，符合民意。

3 結論與討論

針對鄉村發展潛力研究和實踐應用現狀，構建鄉村發展潛力綜合評價模型，提出基于投影尋蹤模型和遺傳算法的評價方法。來安縣的實證研究表明：來安縣鄉村發展潛力存在較顯著的差異性和不平衡性，5類潛力分區在空間上形成“西高、中中、三低”的總體結構；根據鄉村發展潛力評價結果，將來安縣鄉村劃分為集聚提升、城郊融合、特色保護和搬遷撤并4類，并提出針對性的對策建議。本研究在諸多方面仍需探討，如鄉村發展潛力指標體系可加入鄉村文化、旅游等特色指標進一步完善，從而既能體現鄉村發展特色，又能獲得更全面的評價結果；又如，投影尋蹤模型盡管有效克服了傳統方法在高維數據處理上的不足，但應用效果的對比分析仍值得探討。鄉村發展潛力評價作為鄉村研究的重要內容，仍處于積極探索和不斷完善之中，相信隨著理論方法研究和實踐應用的深入開展，鄉村發展潛力的評價體系和應用范式將逐步完善，由此為全面實現鄉村振興與可持續發展發揮更科學的指導作用。