基于主成分分析法的广州市城市生态系统综合评价

(广东财经大学经济学院 广东 广州 510320)

一、引言

城市生态系统是城市空间范围内的居民与自然环境和人工建造的社会环境相互作用形成的统一体，是一种典型的人工生态系统。其主要的特征是：以人为核心，对外部的强烈依赖性和密集的人流、物流、能流、信息流、资金流等。科学的城市生态规划与设计能使城市生态系统保持良性循环，呈现城市建设、经济建设和环境建设协调发展的格局。近年来，全球很多区域的城市生态系统都面临着机能失调所带来的压力，城市生态系统的再生能力与恢复能力也正面临着资源耗竭和污染排放的考验，因此，正确的评价城市生态系统，对确定城市正确的发展方向和城市的可持续发展具有重要意义。

广州市，作为珠三角的国家中心城市，自改革开放以来，广州市经济发展的步伐一直在不断地加快，城市建设取得了举世瞩目的成就，城市综合实力不断加强。但与此同时，随着城市的扩张、人口的不断增加、工业的快速发展，也出现了住房紧张、环境污染等生态问题。广州的城市生态系统面临很大的压力。因此正确地、合理的评价广州城市生态系统的发展，对广州市的可持续发展具有重要的意义。本文拟采用主成分分析方法，通过一套生态系统评价体系对广州市生态系统进行综合评价，明确广州城市生态系统的发展趋势，为其制定合理的优化建议。

二、研究方法

(一)评价指标体系的建立

由于城市生态系统是一个复合生态系统，正确的建立评价指标体系是合理评价城市生态系统的前提，著名生态学家马世骏先生提出的“社会-经济-自然复合生态系统”指出在当代若干重大社会问题中，无论是粮食、能源、人口和工业建设所需要的自然资源及其相应的环境问题，都直接或间接关系到社会体制、经济发展状况以及人类赖以生存的自然环境，社会、经济和自然是三个不同性质的系统，都有各自的结构、功能及其发展规律，但他们各自的存在和发展，又受其他系统结构、功能的制约。此类复杂问题不能只单一地看成是社会问题、经济问题或自然问题，而是若干系统相结合的复杂问题。根据此定义，城市生态系统综合评价指标体系可以分为社会子系统、经济子系统、自然子系统三个部分，三者相互作用、相互依赖、相互制约，共同构成了一个复杂的城市生态系统综合评价指标体系，本文指标选取参考社会-经济-自然复合生态系统的概念，并且参考关于城市生态系统综合评价的相关研究论文的指标体系，结合广州市的实际情况，坚持科学、严谨、反映城市生态系统本质的指标作为广州市城市生态系统综合评价指标体系进行科学评价，具体指标体系构建详见表1.

表1 广州市城市生态系统评价指标体系

(二)评价方法的选择

由于笔者选取的城市生态系统的三个子系统的30个指标之间存在一定的相关性，不能保证各个指标间的独立性，并且多指标计算较为复杂，因此为了能够更好的评价广州的城市生态系统，需要剔除重复的指标部分，并且找出其主要的影响因素，而主成分分析方法作为一种降维方法，它通过研究指标体系的内在结构关系，把多指标转化成少数几个互相独立而且包含原有指标大部分信息的综合指标，它确定的权数是基于数据分析而得到的指标之间的内在结构关系，不受主观因素的影响，而且得到的综合指标之间相互独立，减少信息的交叉，这使得分析评价结果具有客观性和可确定性。适合用于城市生态系统这个场景下的综合评价。因此笔者选取主成分分析方法对广州市城市生态系统进行综合评价。

三、实证分析

(一)数据选择

评价指标体系所用原始数据均来自于近8年来《广州市统计年鉴》、广州市统计公报和相关文献数据，应用开源统计语言R语言对数据进行主成分分析并对广州市城市生态系统进行综合评价。

(二)数据预处理和分析

1.通过获取到的原始数据构建阶矩阵，并对30个指标进行标准化处理，以消除指标之间变化趋势、量纲的不一致及数量级的差异等现象，同时对于逆向指标，在正向化之前，还需进行正向化处理，正向化方法我们采取倒扣逆变换法。即对逆向指标正向化公式为，之后，对数据进行标准化，标准化公式为式中：为年第个指标的原始数据；和分别为第个指标的样本均值和标准差。

2.根据标准化数据,计算相关系数矩阵，相关系数矩阵说明了各个指标之间的相关程度。其中，为原变量和的相关系数，=。

3.计算相关系数矩阵R的特征值，特征向量、方差贡献率和累计方差贡献率。计算结果如表2所示。

根据表2中主成分方差贡献率分析可以得出：第一主成分方差贡献率为75.87%，其包含的主成分信息最多，其次是第二主成分，方差贡献率为9.58%，再者是第三主成分，方差贡献率为6.30%；前三个主成分累计方差贡献率大于90%，其很好的保留了原有30个指标的信息，减少了特征数量，并且根据图2的主成分碎石图可以看出，特征根大于1的有3个主成分且在第三个主成分之后逐渐平缓，因此选取前三个主成分进行后续分析。

图1 广州市城市生态系统主成分碎石图

主成分特征值方差贡献率累计方差贡献率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%

特征向量即为不同主成分中各个指标的权重，其计算结果见表3。从表3中可以看出：主成分F1中医院病床位数、平均每人房屋建筑面积、常住人口密度、货运量、人均供水量、人均地区生产总值、单位GDP能耗、常住人口数、平均每万人在校大学生数相关系数较高；主成分F2中人均城市道路面积、城镇登记失业率、工业固体废物综合利用率、空气达标率、城镇居民人均消费性支出恩格尔系数相关系数较高；主成分F3中酸雨频率、工业废气排放量、地方财政收入增长率、GDP增长率相关系数较高。综上所述，可以看出主成分F1、F2、F3包含了原始指标体系大部分指标的信息。

表3 广州市城市生态系统主成分特征向量

4.根据表3中各个主成分指标的权重，可以得出主成分F1、F2、F3的表达式，即

5.计算广州市城市生态系统综合得分。根据表2中各主成分贡献率在累计贡献率的比率，可以得出其在综合得分中的权重，最终综合得分表达式为F=0.6085F1+0.2162F2+0.1753F3。由于前面数据预处理时，对逆向指标进行了正向化，所以预处理后的各项指标均为正向指标，F值越大，说明城市生态系统发展越好，广州市城市生态系统各主成分得分及综合得分计算结果如表4，根据综合得分可以得出2009-2016年广州市生态系统发展趋势，如图2所示。

表4 各年份主成分得分及综合得分

图2 2009-2016年广州市城市生态系统综合得分趋势图

(三)结果分析和评价

通过主成分分析结果可以看出广州市2009-2016年城市生态系统综合得分越来越高，综合得分越高，说明城市生态系统越好。图2中得分为负值的年份不代表该年份广州市城市生态系统不好，图中的正负表示各年份城市生态系统水平的相对趋势。通过图2可以看出2009-2016年广州市城市生态系统综合得分呈现稳步上升趋势，近年来广州市充分发挥自身的特点和优势，努力创新，走可持续发展之路，大力发展循环经济，加大环境保护力度。经济、社会、环境得到了持续稳定的发展，城市生态系统也在不断地优化和升级。

四、结论

1.研究城市生态系统的目的就是实现可持续发展，而城市生态系统作为一个复杂的复合人工生态系统，需要通过多指标对其进行综合评价，本文利用“社会-经济-自然复合生态系统”理念，通过经济、社会、环境三个方面对广州市城市生态系统进行分析，因此选取的指标较多，多指标评价计算较为复杂，而本文采用的主成分分析方法采用少数保留了原有多指标大部分信息的综合指标对城市生态系统进行评价。简化了计算，使得分析结果更加科学合理、准确和客观。

2.采用主成分分析方法对广州市城市生态系统进行综合评价，结果表明，广州市城市生态系统发展越来越好，同时也看出城市生态系统涉及到城市的方方面面，经济、社会、环境三个方面的指标都对其有重要的影响，因此为了广州市城市生态系统的和谐发展，不仅要注重城市的整体发展水平，还要重视经济、社会、环境各个子系统的协调发展，在城市环境建设方面，要不断地提高对工业三废的处理和利用，合理开发利用各种资源，防止各种污染，优化生态环境。在城市经济建设方面，大力发展特色区域经济，不断提高经济发展水平。在城市社会建设方面，不断完善城市功能、社会保障、教育医疗等基础设施的建设。共同促进广州市城市生态系统的发展步伐，促进广州市建设又好又快发展。

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