基于BP神经网络的城市旅游环境承载力预警评价

王 慧 修新田

1.太原旅游职业学院，山西太原 030032；2.福建农林大学资源与环境学院，福建福州 350002

引言

20世纪80年代以来，旅游业和现代城市的联系日益紧密，旅游开始“城市化”[1]，城市旅游目前已成为我国旅游业的主要组成部分，但其快速发展带来一系列环境问题[2]。如餐饮、住宿等旅游服务活动造成大气、水体污染，使城市旅游环境系统脆弱性不断增加[3-4]。大连、海口和丽江近年来均因旅游开发出现了自然灾害、环境污染等问题。在追求城市旅游快速发展时如何预警并降低其环境系统的承载压力，已成为亟待解决的现实课题。目前广泛用于山体滑坡、地震等的预警理论具有现实借鉴性，将其用于探索建立城市旅游环境承载力预警系统，对缓解环境系统压力，促进可持续旅游发展具有重要意义。

一 预警理论研究综述

预警理论源于国外，在经济研究、环境监测[5-6]等均有广泛应用，但用于旅游环境承载力的成果较少[3]，早期Edwards等为英格兰海岸建立了相应的旅游环境承载力预警机制[7]。20世纪80年代，翁钢民[8]、曾琳[9]率先将其理论引入旅游环境承载力研究领域，为实证研究奠定了理论基础。从研究对象看，旅游海岛[10-11]、森林旅游景区[12-13]等均是重点。城市旅游环境承载力预警研究仅有少数成果。赵永峰[14]、王丽[4]分别利用加权求和法、BP网络模型预警研究了乌兰察布和大连。但研究对象侧重北方沿海城市，定性多于定量研究，缺乏可应用于现实的实际成果。由此，论文引入BP神经网络技术，以福州市为研究对象，以期拓展相关研究成果，为有关政策制定提供可借鉴性建议。

二 研究区概况及方法

福州是我国优秀的旅游城市，AAA级（含）以上旅游景区26家。近年来随着海丝国际旅游节活动等一系列措施的采取，旅游经济快速发展，但同时出现了大气和水体污染、公共卫生环境受到破坏等问题，旅游环境系统受到威胁。福州市从2000年便开始探索建立旅游预警管理机制，如启动黄金周假日旅游预警系统；2020年时因新冠肺炎疫情防控在五一假期通过e福州APP发布景区游客承载预警，为其旅游环境承载力预警研究奠定了基础。

BP神经网络由Rumelhart等于1986年提出，是基于人脑神经元处理信息的过程而建立的一种抽象性网络结构，通过一层或多层的隐含层完成输入到输出的非线性映射。采用MATLABR_2014a中的BP神经网络训练函数作为预警评价工具[12-13]。

（一）城市旅游环境承载力预警系统

1 预警监测模块

参考相关研究成果[4，15-16]，构建了指标体系（见表1）。

表1 福州市旅游环境承载力预警指标体系

2 预警信息处理模块

（1）预警指标数值处理

首先对各指标原始数据进行标准化处理；其次采用变异系数法计算指标权重；最后采用加权平均法求得预警指数。

（2）预警预测

采用滚动预测法（前3年预测第4年）预测预警指标2020、2021的值。根据研究的需求，设定了一个3×β×1的预测模型（β根据公式：试算确定）。采用tansig+logsig、traingd作为模型隐含层、输出层的激活函数及训练函数，训练目标误差设为0.01，最大训练次数设为15000，附加学习率设为0.05。

预警警界区间采用控制图方法[17]及e福州APP中的信号灯确定（见表2）。

表2 福州市旅游环境承载力预警警界区间

3 预警评价模块

基于BP神经网络构建旅游环境承载力预警评价模型，步骤如下。

（1）节点数量。2008年—2019年16个预警指标值为输入节点；隐含层节点数根据上述公式及试算确定为13，输出层为预警警度（用向量0000、1000、0100、0010、0001对应警度），节点数为 4；由此构建一个16×13×4的预警评价模型。

（2）模型的训练与检验。2008年—2017年、2018年—2019年分别为训练和检验样本，将主要函数和参数设定如预测模型中一致，完成网络的训练和检验。结果显示第1次训练时即达到目标误差要求，此时利用Y=sim（net·P_test）对 2018年—2019年的样本进行仿真，判断结果正确率100%，可用于预警评价。

（二）预警结果分析

1 预警子系统预警指数

描绘出福州市2008年—2019年旅游环境承载力预警子系统预警指数的变化趋势（见图1），并进行警情判别（见表3）。

图1 2008年—2019年旅游环境承载力预警指数变化趋势

图1显示，生态环境承载力预警指数呈波动上升趋势，预警状态从成长区过渡到健康区，再到适载区。2008年—2009年，受金融危机影响，福州市旅游资源开发力度下降，AAAA级以上景区仅6个，反映生态环境质量的几个指标值都较小，预警状态为成长区，预警级别为轻警Ⅰ，警示灯为绿灯。2010年后，随着对旅游发展的重视及生态环境保护意识的增强，旅游资源得到良好的开发，资源质量逐步提升，AAAA级以上景区数量9个，2013年后达到13个，生态环境质量不断提升，空气质量始终处于优级状态，对固体废弃物和污水的处理率不断提高，预警状态为健康区，无警，显示黄色。从2016年开始，福州市不断加快旅游产业布局，相继出台政策加快旅游业发展。2017年后，AAAA级以上景区数量增为15个，但反映生态环境质量的其他几个指标值也上升了。说明生态环境承载力虽得到了充分发挥，但开始出现承载压力。旅游环境一定程度上可能已遭破坏，需开始加强环境保护力度。

经济环境承载力预警指数变化呈“W”形。2008年—2016年波动下降，从健康区过渡到成长区，警示灯从黄色变为绿色。源于反映旅游服务接待能力的几个指标数值均下降。2016年后上升，预警状态从健康区到适载区到超载区，处于超载预警状态，已发布红色预警。主要原因是随着近年来游客接待量的不断增加，福州市旅游服务设施和接待能力呈现压力，旅游收入占GDP比重和人均GDP指标值逐步提高，服务业用水量和社会用电量持续上升，增加了经济环境承载力预警子系统的压力。福州市目前旅游经济结构、服务设施已在可承受的旅游产业发展给经济环境造成的压力范围之外，需开始重视旅游经济结构。

社会环境承载力预警指数呈下降趋势。2008年预警状态为超载区，警示灯为红色（重警Ⅱ），说明旅游业带来社会发展的同时带来了居民满意度下降等压力，需要及时关注和处理。2009年，预警状态由超载区过渡到适载区，预警级别由重警Ⅱ变为轻警Ⅱ，警示灯由红色变为橙色。2010年—2016年处于健康区，无警，警示灯为黄色。2017年—2019年过渡到成长区，警示灯为绿色。说明福州市居民从对游客的排斥过渡到接受状态，旅游业与社会发展程度协调一致。

2 福州市旅游环境承载力预警指数分析

预警评价结果见表4。

表4 2008年—2021年预警评价结果

图1显示，福州市旅游环境承载力预警指数呈波动递增趋势。2008年—2009年预警状态为成长区，发布警示灯为绿色的轻警Ⅰ。2010年—2018年，旅游业发展平稳，环境承载能力持续增强，预警状态始终为健康区。福州市2010年后旅游市场不断扩展，旅游业得到快速发展。2015年“四区叠加”，旅游产业转型升级步伐不断加快，生态环境受旅游业快速发展的影响自2018年开始逐步显现，2019年开始进入适载区，发布轻警Ⅱ，警示灯为橙色。

3 预警防控对策

福州市应从旅游业可持续发展的角度出发，打造旅游项目推动旅游业发展的同时注重塑造良好的生态环境，提高对游客的吸引力；注重对旅游资源要素的合理配置，科学调控宏观经济走向，优化旅游经济结构；采取措施合理分流游客，控制旅游人数，保障居民对旅游的支持度和游客的旅游满意度。

三 结语

在BP神经网络技术的支持下，以福州市为研究对象进行了城市旅游环境承载力预警评价研究，结论如下。生态环境承载力预警指数呈波动上升的趋势，预警状态从成长区过渡到健康区，再到适载区。生态环境承载力虽然得到了充分发挥，但开始出现承载压力，旅游环境一定程度上可能已遭到破坏，需开始加强环境保护力度。经济环境承载力预警指数变化趋势呈“W”形，波动最明显，对整个系统的影响最显著，2016年后预警状态过渡明显，从健康区到适载区到超载区，处于超载预警状态，已发布红色预警，需要开始重视旅游经济结构的调整与优化，促进旅游经济稳步可持续发展。社会环境承载力预警指数呈下降趋势，预警过渡到成长区，福州市居民从对游客的排斥过渡到接受状态，旅游业与社会发展程度协调一致。整体环境承载力预警指数呈波动递增趋势。预警状态从2008年的成长区过渡到2018年的健康区。生态环境受旅游业快速发展的影响自2018年逐步显现，2019年开始进入适载区。