基于主成分分析的区域可持续发展能力评价

2009-04-29李朝旗李朝赟刘沛

开发研究 2009年1期

关键词：主成分分析江苏

李朝旗　李朝赟　刘　沛

内容提要：科学评价江苏省区域可持续发展能力是制定其发展战略的基础。通过建立江苏省区域可持续发展指标体系，主成分分析法对江苏13个地级市的34个统计指标进行了分析，并在综合评价和空间差异分析的基础上提出了江苏区域可持续发展的对策建议。

关键词：区域可持续发展；主成分分析；江苏

中图分类号：F127.53文献标识码：A文章编号：1003-4161(2009)01-0064-04

1.引言

区域是一个复杂的多层次的空间系统［1］，它是一定的地域空间范围内由社会、经济、生态三个相互作用、相互依赖的子系统组成的复合系统。区域可持续发展作为一种系统的发展观，一方面要求区域内部各子系统及其构成要素之间具有较高的协同程度，另一方面要求同一层次和不同层次的区域之间能够更加协同一致、均衡发展，以保证区域可持续发展的实现。区域可持续发展是指区域的经济、社会、环境和资源相互协调，使经济效益、社会效益、资源效益和环境效益得到统一的发展［2］。区域可持续发展包含着极其丰富的内涵，其基本特征主要表现在以下方面:

1.1 发展

可持续发展鼓励经济增长，因为它是区域实力和社会财富的体现。发展是人类的基本权利，也是改善和保护自然生态环境的物质保障，没有发展也就不可能持续，因为缺少持续的动力，所以保持高质量的经济增长是实现区域可持续发展的基础。同时，可持续发展不仅重视增长数量，更追求改善质量、提高效益、节约能源、减少废物，改变传统的生产和消费模式，实施清洁生产和文明消费。

1.2 协调

可持续发展要以保护自然为基础，与资源环境的承载能力相协调。因此，发展的同时必须保护环境，包括控制环境污染，改善环境质量，保护生命支持系统，保护生物多样性，保持地球生态的完整性，保证以可持续的方式使用可再生资源，使人类的发展保持在区域承载能力范围之内。区域可持续发展研究的核心问题就是如何实现长期尺度上人类社会、经济活动与区域范围内的生态系统脆弱性和恢复能力相协调。要实现区域长期健康发展，必须考虑发展过程中经济增长是否与资源存量、生态环境和社会水平相协调以及协调的程度如何。

1.3持续

可持续是区域可持续发展追求的目标，区域内资源的存量在现有的经济增长方式与速度的消耗下能够维持多久;是否有足够的动力或新的增长点来支撑区域经济与社会的长期发展，这种能力有多大.这些都是区域可持续发展研究中的重要问题。

因此，对于区域可持续发展能力的分析和评价需要以系统观作为指导。基于系统发展的理论，本文首先将区域可持续发展界定为一个系统，通过对该系统构成要素的分解来建立评价区域可持续发展能力的指标体系。用这个指标体系对江苏区域可持续发展能力进行分析、评价，以期为江苏区域可持续发展建设和决策提供科学依据。

2.区域可持续发展评价指标体系的建立

从整体角度看，一个区域系统可以分解为多个子系统。就区域系统而言，由上述对区域可持续发展的内涵分析可知，可持续发展不是单指经济可持续发展或社会可持续发展，也不是单指环境可持续发展，而是“环境——社会——经济”复合系统的可持续发展［3］。

由于区域复合系统结构复杂、层次多变，子系统之间既有相互作用，又有相互间的输入和输出。某些层次、某些元素及某些子系统的改变可能导致整个系统由优到劣或由劣到优的变化。因此，要在众多的指标中筛选出那些最灵敏的、便于度量且内涵丰富的主导性指标作为评价指标，确实不是一件容易的事。对于区域复合系统这样的复杂巨系统而言，目前还不可能用少数几个指标来描述系统的状态和变化，因而需要用多个指标组成一个有机的整体，通过建立指标体系来描述系统的发展状况。既然作为指标体系，就其构建的一般原则来说，不外乎必须遵循客观性、完整性、稳定性和有效性等普遍原则。但作为评价区域可持续发展的指标体系，除了应遵循普遍原则外，还应满足以下原则［4］［5］。

2.1 科学性和系统性原则

指标体系一定要建立在科学基础上，要能真实反映各子系统和指标间的相互联系，指标概念必须明确，并且符合区域可持续发展的内涵，能够科学、客观、真实地度量和反映区域符合系统结构和功能的现状以及发展的趋势、发展潜力和目标的实现程度。

2.2整体性原则

设置指标时，应能综合反映影响区域可持续发展的各种主要因素。既要有反映人口、经济、社会、资源与环境等各子系统发展的指标，又要有表征以上各子系统相互协调的指标。尽可能地全面反映区域可持续发展，不可以偏概全。

2.3实用性和可操作性原则

指标的建立要能为实证分析服务，能为决策提供依据。这就要求指标体系中的指标内容要简单明了，要考虑指标量化和数据取得的难易程度等问题。同时指标要有明确的含义，要尽量选择那些有代表性的综合指标和主要指标。指标的设置要尽可能利用现有统计资料，数据易于获得，便于操作。

2.4动态性和可比性原则

区域复合系统运行过程是一个动态过程，可持续发展对于区域来说，既是一个目标，也是一个过程，这就决定了指标体系应具有动态性，综合反映区域的现状特点和发展趋势。指标体系应符合纵向可比和横向可比的原则，要求指标数据的选取和计算做到口径一致。

2.5区域性和针对性原则

不同的区域，自然条件、社会经济条件有较大差异，影响可持续发展的要素及其重要性也不尽相同，不同区域的可持续发展也具有各自不同的特点。应根据各地区的特点，建立适合当地情况的具有地方特色的区域可持续发展指标体系。因此应在充分研究所评价的区域的基础上，选出最能反映该区域发展特征的指标。对于不同层次的区域或不同的区域单元，应做到因地制宜。

按照可持续发展指标体系的设计原则，本文针对江苏的具体情况，并着重可操作性和可比性的原则，以统计数据为基础，选取具体的量化指标，构成区域可持续发展定量研究的指标体系。该指标体系分为三层，目标层为区域可持续发展能力，准则层为经济发展能力、社会发展能力和资源环境发展能力，指标层为34个具体指标（表1）。

3.区域可持续发展能力评价方法选择

区域作为一个复合系统，其可持续发展能力受到经济、社会、环境等多方面因素的强烈影响，这些因素不仅与区域可持续发展能力之间具有相关性，而且自身之间也相互关联，所以用单纯的相关分析，不能解决误差的冗余。

主成分分析法(Principal Component Analysis－PCA)是一种通过降维技术把多个指标约化为少数几个综合指标的统计分析方法。其基本思想是：设法将原来众多具有一定相关性的指标重新组合成一组新的相互无关的综合指标，即将原来的指标做线性组合，成为若干个新的指标。通常要求第一个线性组合方差最大，即第一个综合指标包含的信息最多，如果第一个主成分不足以代表原来所有指标的信息，再考虑选取第二个主成分，并要求已有的信息不出现在其中，依次类推，直到选取的主成分能够包含评价所需要的足够的信息［6］。

主成分分析方法在简化区域复合系统评价指标结构、消除变量之间的相关性方面可起到明显的效果。主成分分析法可以将若干变量压缩为几个独立的成分，以此来减弱各自变量之间的相互干扰。同时主成分分析法可以把影响区域可持续发展能力的众多指标进行线性组合，使原始变量减少为有代表意义的少数几个新的变量，以少数几个指标来代替多个指标，既能更集中更典型地表明研究对象的特征，也能避免大量重复的工作。进行主成分分析的主要步骤如下：［7］

①指标数据标准化（SPSS软件自动执行）；

②确定主成分个数m；

③主成分命名；

④确定主成分与综合主成分评价分值。

确定各主成分得分公式为：

F璸=a1mZX1+a2mZX2+…a璸mZX璸（1）

式中F璸为各主成分得分，p为原始数据指标个数，ZX璸是原始数据X璸经过标准化处理的值，a1i，a2i，…，a璸i（i=1,2,…,m）为X的协方差矩阵的特征值所对应的特征向量。

确定综合主成分评价分值公式为：

F=（λ1F1+λ2 F2+…+λ璵F璵）/∑mi=1λ璱（2）

其中λ璱为每个主成分所对应的特征值，F璵为确定的各主成分得分。

4.实证研究——江苏省区域可持续发展能力评价

江苏省作为我国东部沿海地区的经济发达省份之一，尽管其经济发展能力、人民生活水平相对较高，但从可持续发展水平来看，各地市可持续发展水平不一。有些地市尽管经济发展水平较高，但是可持续发展受到资源瓶颈制约，环境问题日益突出；而有些地市经济水平虽然还较落后，但是资源丰富，后发优势明显。因此，如何区分江苏不同区域可持续发展水平，分析不同区域可持续发展存在的问题，并针对不同区域可持续发展的状况提出不同的对策就成了促进目前江苏可持续发展的重要问题［8］。

4.1数据来源及处理

分析所用计算数据全部来自《江苏统计年鉴—2005》［9］。我们按上述（表1）所述指标体系，收集江苏13个地级市34个量化指标的数据，运用统计分析软件SPSS12.0进行主成分分析。

4.2确定主成分

根据特征根大于1,累积贡献率大于80％的原则得出主成分特征根、主成分贡献率和累计贡献率（如表2所示）。由表2可知第一、第二、第三主成分的累计贡献率已达83.317%，说明前3个主成分已提供了原始数据的足够信息，完全符合分析的要求。

表2 特征根及主成分贡献率

主成分特征根贡献率（％）累积贡献率（％）

122.4535056366.0397224566.03972245

23.3364129399.81297923375.85270169

32.5380243957.46477763483.31747932

表3 主成分载荷矩阵

变量第一主成分第二主成分第三主成分变量第一主成分第二主成分第三主成分

X10.9390.248-0.181X180.613-0.258-0.088

X2-0.877-0.209-0.287X190.9500.166-0.181

X30.9210.298-0.190X200.974-0.1460.029

X40.9620.139-0.114X210.583-0.5340.569

X50.975-0.053-0.044X220.9700.118-0.170

X60.957-0.011-0.182X230.630-0.6280.063

X70.947-0.165-0.105X240.924-0.0680.063

X80.6950.3120.545X250.966-0.218-0.028

X90.881-0.1030.049X260.950-0.011-0.097

X10-0.921-0.003-0.073X270.929-0.140-0.096

X110.8320.300-0.006X28-0.939-0.030-0.270

X120.675-0.5040.175X290.568-0.2350.548

X130.8430.284-0.243X300.482-0.469-0.115

X140.7640.198-0.314X310.4590.7020.114

X150.9670.075-0.163X320.580-0.038-0.401

X160.9620.053-0.158X33-0.0330.7180.424

X170.591-0.1730.650X340.2590.5630.446

通过主成分分析，提取出3个主成分作为江苏区域可持续发展系统的分析指标。主成分的载荷矩阵（如表3所示）。由表3可知，第一主成分在人均社会消费品零售额、医院床位数及机动车拥有量、第三产业总产值、旅游、财政收支、职工平均收入、人均耕地、第一产业构成、人均农业总产值等指标的载荷量绝对值较大，因此，第一主成分反映区域的经济实力、社会进步等现状，其中耕地、第一产业构成及农业产值指标的载荷系数为负值，表明第一主成分与它们之间呈负相关。第二主成分在城市固体废弃物处理率、废水排放密度、城市人均拥有道路面积、人均用水量、三产构成及园林绿地拥有量等指标的载荷量绝对值较大，因此，它主要反映区域的污染治理、环境状况等现状，经济发展速率、对外开放程度和环境污染等现状，并与环境污染指标呈负相关。第三主成分在人口密度、公路密度等指标的载荷量绝对值较大，因此，它主要反映区域的人口、基础建设等的发展现状。

4.3 区域可持续发展的空间差异分析

根据上述进行主成分分析的主要步骤中公式（1）、（2），运用SPSS软件分析数据得出江苏省各区域可持续发展各主成分及综合主成分排名（如表4所示），这些综合指数把区域可持续发展综合现状进行了数量化。

表4 江苏各区域主成分得分及排名

区域第一主成分排名第二主成分排名第三主成分排名综合主成分排名

无锡市7.00 2 1.50 4 0.55 4 4.51 1

苏州市7.3212.361-2.19124.352

南京市6.653-4.63130.3172.893

常州市3.4141.5820.3462.404

镇江市1.245-0.288-0.4690.575

南通市-0.696-1.43122.321-0.276

扬州市-0.7470.2760.345-0.307

泰州市-2.0381.3452.072-0.488

徐州市-2.609-0.7490.228-1.639

连云港市-3.7910-0.8711-0.8910-2.5710

宿迁市-5.66131.5331.663-2.6211

淮安市-4.82110.197-1.0211-2.9612

盐城市-5.2912-0.8110-3.2513-3.8913

从最后的得分结果看，还是符合江苏各个地区的实际情况的。在最后的加权得分中，苏南五城市排在前列，苏中三城市处在中间行列，苏北五城市则靠尾。江苏13个地级市可持续发展能力的不平衡，将是江苏未来区域可持续发展急需解决的问题。第一主成分主要反映了区域经济发展的水平，从其得分看，江苏区域之间经济的发展极不平衡，增强苏北地区的经济实力，是提高这些地区区域可持续发展的关键。第二主成分反映了资源环境系统对区域可持续发展能力的影响。南京的得分在这个主成分排名上竟然最低。具体的考察，发现在影响该主成分的污水处理率及固体废弃物处理率上，南京的排名都是很靠后的。可见，南京比其余城市面临更大的资源环境问题。盐城、南通与连云港在这个主成分上排名也靠后。苏州在第一、第二主成分上排名第一，但是在与人口有关的第三主成分上排名靠后，说明苏州在其经济发展保持领先的前提下，要重视人口问题对其区域可持续发展能力的制约。

5.结论及展望

（1）利用主成分分析法，可以很方便地使用统计年鉴或其他区域统计资料等现有的量化数据，定量评价区域可持续发展能力。该方法将分析指标由多个降维综合为少数几个主成分，并把分析指标转化为描述区域可持续发展能力的综合指数。本文实例验证了其分析结果能够客观地反映区域的发展现状，可为决策管理部门制定发展方案提供理论依据。

（2）江苏各个地市在区域可持续发展方面各自面临的问题有所不同，提高其区域的可持续发展水平，应分区域有所针对，有所侧重。

（3）江苏省区域可持续发展空间差异明显。其中经济发展的水平是影响区域可持续发展的关键因素。如何提高经济实力，缩小空间差异，同时兼顾资源的合理利用与环境保护，应是今后制定江苏区域可持续发展实施方案的主要内容。

（4）本文虽然对江苏省区域可持续发展能力进行了评价并对其可持续发展的空间差异进行了分析，但是如何缩小区域发展差异、引导生产要素跨区域合理流动、探讨实现区域协调发展的政策机制等等仍是今后需要进一步研究的课题。

基金项目：东南大学SRTP（大学生科研创新计划）重点项目，项目编号：064220010。

参考文献：

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