基于投影寻踪模型的汉江生态经济带生态文明建设评价研究

董 朕，邓诣凡，武婷婷，卫瑞欣

（1.商洛学院经济管理学院，陕西 商洛 726000；2.陕西高校新型智库商洛发展研究院，陕西 商洛 726000；3.伦敦国王学院，伦敦WC2R 2LS）

中国在改革开放以后，为促进国家经济发展，开始快速推进城镇化和工业化，改变了改革开放之前贫困落后的面貌，距离实现全面小康社会的战略目标更近了一步。但随之而来的，也有不断加剧的生态环境问题和资源问题，严重的环境污染、日益紧张的自然资源和混乱的空间开发格局，成为中国全面建成小康社会的巨大阻力。在此背景下，政府根据中国国情，在借鉴国外可持续发展思想理念的基础上，提出了“生态文明建设”，并推出了一系列政策措施，在“五位一体”的建设方针中尤其强调了生态文明建设的重要地位。汉江是长江最大的支流，发源于陕西省秦岭南麓，涵盖湖北、河南、陕西3省的14个城市；汉江流域是湖北省“两圈一带”的重要支撑，是华中地区重要的经济、政治、生态和文明中心，是中国重要的商品粮生产基地。因此，对汉江生态经济带的生态文明建设进行定量评价，以期起到指导及预警作用。

国内有关生态文明建设测度与评价的研究较少，但国外学者在生态环境和可持续发展领域所采用的PSR模型、DPSIR模型、HDI人类发展指数、生态足迹法［1-4］等评价方法给中国学者的研究提供了良好的理论引导。国内学者采用了多种方法对不同地区的生态文明建设进行了评价与测度。余茹等［5］从生态自然、生态经济、生态社会3个方面19个指标构建了生态文明评价指标体系，通过采用AHPFuzzy模型对京津冀13个城市2003—2017年的生态文明指数走势及特征进行评价。胡彪等［6］以京津冀地区13个城市为研究对象，运用三阶段DEA模型对13个城市的生态文明建设效率进行测评，并采用Tobit分析法对影响城市生态文明建设效率的因素进行回归分析。贾海发等［7］从经济发展、社会进步和生态环境保护3个维度构建生态文明建设评价指标体系，运用熵值法对2008—2018年青海省生态文明发展水平进行了测度与评价，并构建耦合协调度模型对生态文明各子系统间的耦合协调度及其演变规律进行了分析。王二威等［8］从生态文明建设目标和内容出发，构建了涵盖经济生态文明子系统、社会生态文明子系统、自然环境生态文明子系统的城市生态文明建设评价指标体系，并采用集结主观和客观信息的熵权TOPSIS方法对珠三角地区9个城市的生态文明建设水平进行了评价。刘志博等［9］运用层次分析法与德尔菲法从生态本底、经济社会两大领域选择18项具有代表性的指标，构建黄河流域省域生态文明建设评价体系，对2012—2018年黄河流域9省（区）生态文明建设水平展开实证研究。杨红娟等［10］从人口、社会、经济、资源、环境5个子系统构建了少数民族贫困地区生态文明建设系统动力学模型，通过调节14个控制变量设计5条路径，模拟2018—2030年生态文明建设的演变趋势。林民松等［11］针对县域生态文明建设情况，从经济建设、政治建设、文化和社会建设、生态服务价值、生态文明建设指标体系5个维度出发，构建了“五维分析法”，并运用“五维分析法”全面分析了婺源县生态文明建设的做法、成效。杨新梅等［12］基于中国地级以上城市面板数据，运用纵横向拉开档次评价法从物质生活水平、生态服务资源、环境污染控制和生态认知水平4个方面构建生态文明建设水平评价指标体系，测度中国城市生态文明建设水平，并通过空间自相关、收敛分析多维度探讨其时空动态演变特征。张芳等［13］运用夹角余弦模型计算了2011—2017年中国30个省份的生态文明建设协调发展水平。

目前学者们对生态文明建设进行了大量的理论和实证研究，为进一步的研究提供了诸多参考与借鉴。但是也存在一些不足：第一，从研究对象上看，有涉及城市、农村、省域及不同地区，但鲜有对汉江生态经济带生态文明建设的研究；第二，从研究方法上来看，有主观评价法，也有客观评价法，但未考虑到评价指标高维度、非正态、非线性的数据特征。因此，本研究在前人研究的基础上构建生态文明建设评价指标体系，通过使用投影寻踪模型对汉江生态经济带生态文明建设水平进行评价测度，并对不同区域进一步推动生态文明建设提出了建议。

1 评价指标选取及计量模型

1.1 评价指标的选取

生态文明建设是一个复杂的系统性概念，汉江经济带生态文明建设的评价体系应结合其自身特点进行多指标、多维度的构建。根据指标选取的权威性、客观性和可获得性原则，结合汉江生态经济带生态文明建设发展目标，从经济系统、社会系统、环境系统、公共服务系统4个维度，构建生态文明建设指标体系（表1），对汉江经济带生态文明建设水平进行评价研究。指标体系有4个一级指标，9个二级指标，31个三级指标，既有正向指标，也有负向指标。

表1 生态文明建设评价指标体系

1.2 计量模型

1.2.1 投影寻踪模型 投影寻踪（Projection pursuit，PP）是处理和分析高维数据的一类新兴统计方法，其基本思想是将高维数据投影到低维子空间上，寻找出能够反映原高维数据结构或特征的投影，从而达到研究和分析高维数据的目的，尤其在分析非正态、非线性的高维数据中具有明显优势。

投影寻踪评价模型的建模过程如下：

1）样本评价指标集归一化处理。设各指标的样本集为{x*(i,j)|i=1,2,…,n,j=1,2,…,p}，其中，x*(i,j)为第i个样本的第j个指标值，n和p分别为样本的个数和指标的数目。归一化处理以消除各指标值的量纲和统一各指标值的变化范围。

本研究所构建的生态文明建设指标体系中既有正向影响的指标，也有逆向影响的指标，因此，本研究采取极值标准化方法对指标数据进行标准化处理。

正向型指标数据标准化处理方法如式（1）：

逆向型指标数据标准化处理方法如式（2）：

2）构建投影指标函数Q()a。投影寻踪法就是把p维 数 据{x(i,j)|j=1,2,…,p}综 合 成 以a={a(1),a(2),…,a(p)}为投影方向的一维投影值z(i)：

式中，a为单位长度向量。为了使局部投影点尽可能密集，最好凝聚成若干个点团，整体上投影点团之间尽可能散开。因此，投影指标函数可以表达成：

式中，Sz为投影值z(i)的标准差，Dz为投影值z(i)的局部密度。E(z)为序列{z(i)|i=1,2,…,n}的平均值；R为局部密度的窗口半径，根据试验来确定，R取值既要使包含在窗口内的投影点的平均个数不太少，避免滑动平均偏差太大，又不能使它随着n的增大而增加太高，一般可取值为0.1Sz；r()i,j表示样本之间的距离，r(i,j)= |z(i)-z(j)|；u(t)为一单位阶跃函数，当t≥0时，其值为1，当t<0时，其值为0。

3）优化投影指标函数。当样本集给定时，投影指标函数Q()a只随着投影方向a的变化而变化。最佳投影方向就是最大可能暴露高维数据某类特征结构的投影方向。因此，可以通过求解投影指标函数最大化问题来实现，即：

实际上这是一个求解复杂非线性优化的问题，优化变量{a(j)|j=1,2,…,p}用传统的优化方法很难处理，因此，需要引入相关算法来进行求解优化问题。本研究利用遗传算法和粒子群算法通过改进优化来解决高维全局寻优问题。

4）综合评价。把上一步求得的最佳投影方向a*代入式（3）后可得各样本投影值z*(i)。根据z*(i)可以进行分类或优劣排序。

1.2.2 GA-PSO混合算法优化 粒子群优化算法（Particle swarm optimization，PSO）是一种群人工智能算法，其主要思想是模拟鸟类捕食过程，捕食过程即寻找全局最优解过程，所有粒子都有记忆功能，一次寻找过程中每个粒子通过平衡自身寻找过的最优位置pbest（局部最优位置）和粒子群分享信息得到的最优位置gbest（全局最优位置）来决定本次寻找的方向和运动的速度，再通过预先设置的适应度函数来判断本次寻找位置的优劣，通过有限次寻找得到全局最优解［14］。

遗传算法（Genetic algorithm，GA）是一种模拟方法，使用数学模型来模仿生物的一系列进化过程，生物进化是通过染色体作为遗传基因的承载体，遗传算法则用一串数组来模拟染色体，并通过不断地选择、交叉、变异等遗传操作，对问题进行优化以获得相对最优解［15］。

粒子群算法具有收敛速度快、参数设置少、结构简单和易于实现等优点，不过其在运算过程中也存在一定的局限性，由于缺乏速度的动态调节，容易陷入局部最优，导致收敛精度低、收敛困难。遗传算法中的交叉操作和变异操作分别体现了全局搜索能力和局部搜索能力，使得遗传算法在运算过程中不易陷入局部最优解，不过遗传算法往往收敛较慢或过早。

因此，将遗传算法的思想融入到粒子群算法中，引入遗传算法的交叉操作提高粒子的全局搜索能力，预防陷入局部最优；当陷入局部最优时，利用遗传算法中的变异操作改变粒子结构，从而跳出局部最优状态［16］。所以，利用遗传算法中交叉操作和变异操作的思想对粒子群算法进行优化改进，可以弥补粒子群算法容易陷入局部最优和收敛精度低的缺陷，最终获得精度更高的解。

GA-PSO混合算法实现流程如图1所示。

图1 GA-PSO混合算法实现流程

3 实证分析

3.1 数据来源及参数设置

本研究基础数据来自于2020年《陕西省统计年鉴》《河南省统计年鉴》《湖北省统计年鉴》和2019年各市的国民经济和社会发展统计公报。根据上述所确定的生态文明建设评价指标体系，应用GA-PSO混合算法优化的投影寻踪模型对标准化后的数据进行评价分析。依据图1所述的GA-PSO混合算法实现流程，利用MATLAB 2013a软件进行编程计算，采用混合算法来求解投影指标函数的最大值，解决投影向量的优化问题。

MATLAB参数设置如下：指标数p=19，学习因子c1=2、c2=2，交叉率Pc1=0.6、Pc2=0.7，变异率pm=0.2，最大迭代次数Tmax=1 000。

3.2 各地区生态文明建设评价

各地区2019年生态文明建设评价结果，如表2所示。

表2 评价指标投影值

3.2.1 经济系统 由表2可知，第一，各城市的经济系统水平存在着显著的差异。经济系统投影值最大的是武汉市，其值为8.347 5，远大于其他城市，比第二名襄阳市高7.270 0。投影值最小的是天门市，其值为-1.749 5，与武汉市相差10.097 0。经济系统的投影值从高至低依次为武汉市、襄阳市、南阳市、荆门市、孝感市、十堰市、汉中市、商洛市、安康市、神农架林区、仙桃市、随州市、潜江市、天门市。其中，除了武汉市、襄阳市、南阳市的投影值为正以外，其余均为负值。这说明汉江生态经济带在经济系统上存在很强的地域性差异。第二，除了武汉市，中游地区南阳、襄阳、荆门、十堰等城市的经济系统水平排序均高于丹江口库区和上游地区的汉中、商洛、安康，以及下游地区的仙桃、潜江、天门、随州等城市。

3.2.2 社会系统 由表2可知，各城市的社会系统水平差异显著。社会系统投影值最大的亦是武汉市，其值为7.856 5，远大于其他城市，比第二名南阳市高5.128 2。投影值最小的是神农架林区，其值为-1.977 9，与武汉市相差9.834 4。社会系统的投影值从高至低依次为武汉市、南阳市、孝感市、襄阳市、十堰市、荆门市、仙桃市、汉中市、潜江市、天门市、安康市、商洛市、随州市、神农架林区。其中，除了武汉市、南阳市、孝感市和襄阳市的投影值为正以外，其余全为负。这说明汉江生态经济带在社会系统上也存在很强的地域性差异。

3.2.3 环境系统 由表2可知，各城市的环境系统差异相对较小。环境系统投影值最大的是经济系统和社会系统均较为落后的随州市，而投影值最小的是经济系统和社会系统均位列第一的武汉市，二者相差4.651 4。环境系统的投影值从高至低依次为随州市、神农架林区、天门市、安康市、十堰市、孝感市、仙桃市、潜江市、商洛市、汉中市、襄阳市、南阳市、荆门市、武汉市。可以看到，汉江生态经济带经济越落后的地区，环境质量越好；反之，经济越发达的地区，环境质量越差。因此，在发展社会经济的同时，也应该将环境保护纳入重点发展行列。

3.2.4 公共服务系统 由表2可知，各城市的公共服务系统水平存在较大的差异。公共服务投影值最大的是武汉市，其值为5.840 4；投影值最小的是神农架林区，其值为-2.631 4，与武汉市相差8.471 8。公共服务系统的投影值从高至低依次为武汉市、南阳市、襄阳市、汉中市、十堰市、安康市、随州市、孝感市、商洛市、荆门市、仙桃市、天门市、潜江市、神农架林区。由此可以看出，经济越发达的地区，公共服务越完善，反之，经济越落后的地区，公共服务越薄弱。3.2.5综合评价 由表2可知，各城市的综合发展水平差异极大。综合投影值最大的是武汉市，其值为12.285 9，远大于其他城市，比第二名南阳市高9.309 8。投影值最小的是神农架林区，其值为-3.104 9，与武汉市相差15.390 8。综合发展水平的投影值从高至低依次为武汉市、南阳市、襄阳市、十堰市、孝感市、汉中市、荆门市、安康市、商洛市、随州市、仙桃市、潜江市、天门市、神农架林区。其中，除了武汉市、襄阳市、南阳市的投影值为正以外，其余全为负。这说明汉江生态经济带生态文明建设的综合发展极度不均衡。

4 小结

本研究从经济、社会、环境、公共服务4个方面对汉江经济带生态文明建设水平进行了分析研究，并对其综合发展水平进行了分析，得出以下结论。

第一，丹江口库区及汉江上游地区商洛市、安康市和汉中市，以及除武汉市之外的汉江下游地区的生态文明建设水平，相较于汉江中游处于劣势地位，但生态环境保护方面优于中游地区。因此，应该积极发展第三产业，拉动经济增长，更好地进行社会、公共服务建设。

第二，汉江中游地区的生态文明建设水平在整个流域处于优势地位，但由于重视程度低导致环境保护较差，并未摆脱高消耗、高排放的生产方式，资源节约利用方面有待提高，环境保护的形势严峻。在未来的生态文明建设中，应该加大资本和劳动力投入，持续加大生态环境的保护和治理力度，提升自然资源合理利用效率。

第三，汉江经济带各区域的生态文明建设水平十分不均衡。各区域的政府部门应该增强对生态文明建设的重视程度，学习生态文明建设发达城市的先进经验，加强对高消耗、高污染企业的整治力度，积极优化生产生活方式、探索生态文明制度，使生态文明建设水平保持良好的增长势头。

5 汉江经济带生态文明建设对策

5.1 丹江口库区及汉江上游地区生态文明建设对策

第一，调整产业布局，控制污染源。丹江口库区和汉江上游地区商洛市、安康市和汉中市的第二产业是其核心产业。在产业布局过程中，要以生态保护为红线，对珍贵稀有物种、国家森林公园、自然保护区等关乎生态建设发展的关键影响因素进行严格监管和强制保护。

第二，发展循环经济产业集群，科学引导经济发展。目前，丹江口库区和汉江上游地区的商洛市、安康市和汉中市，依然处于推进城镇化快速发展的阶段，经济增长方式较为粗犷，与当今社会提倡的生态保护理念相悖。要改善此矛盾，应充分发挥产业优势，扩大现有循环经济产业集群，促进循环经济产业逐步集聚化和规模化发展。

第三，加大环保基础设施建设资金投入。丹江口库区和汉江上游地区的商洛市、安康市和汉中市，环保基础设施投放数量少，不足以合理处理污水及废弃物。应当设立完善的污水和垃圾处理设备，同时，提高资源利用率，减少污染物排放量，以达到大程度消除污染的目的。

第四，加强水生态保护与修复。丹江口库区和汉江上游地区作为源头，应该积极解决水资源环境污染越来越严重的问题，做好水生态的保护和修复工作。

5.2 汉江中游地区生态文明建设对策

第一，推动和发展绿色产业，实现产业结构升级。汉江中游地区，环境质量不佳，主要是传统产业粗放的生产方式耗费大量的原材料，原材料的使用率极低，导致严重的资源浪费和大量固体废弃物、气体污染物的排放，对生态环境健康造成不利影响。因此，政府应当积极推动发展生态绿色产业发展，出台相关规划、任务书和计划，将绿色产业发展水平作为国民经济发展的重要考核指标，做到权责分明、严格监管，并重点抓好各州市具体贯彻落实的情况。

第二，提高主要资源的利用率和污染物排放标准。紧跟建设绿色环保型社会的发展理念，以传统产业为基础，研究新产品、探索新技术，积极推进传统产业的转型升级；大力支持节能环保技术的发展，投入使用在支柱产业中，使支柱产业朝着无污染、少污染的方向健康发展。

第三，加快生态文明制度体系化建设。系统的生态文明制度不仅有明确的法律制度、有效的实施制度，更需要有良好的文明制度。这就要求政府积极向社会公众普及生态文明的思想，企业研发环保节能的新技术，民众响应政府号召践行绿色、环保、健康的生活和消费方式，做到全社会齐发力，营造全社会共建共享的、良好的生态文明建设氛围。

第四，建设宜居幸福城乡环境。汉江中游地区的经济相比上、下游地区较好，城市化建设速度也较快，城市发展产生日益严重的环境污染问题，但是社会公众对享受绿色生活的理念追求日益增长，从而产生了矛盾。因此，在日后的生态文明建设过程中，应坚持协调发展原则，以城镇为核心，带动乡村经济发展，提升区域生活品质，构建山美水美的幸福家园。

5.3 汉江下游地区生态文明建设对策

第一，推进新型城镇化进程，拉动经济增长。除武汉市以外，汉江下游地区的经济发展较为落后，推进新型城镇化进程有利于生态文明建设。流域的核心城市武汉市，应该率先优化产业结构、发展节能减排技术、激励自主创新，提高自身城市的辐射带动功能，政府改变政策倾斜方向，提高县域的开发强度和规模，积极承接产业转移，推进各类城市的协调发展。

第二，加大科技投入，引进创新发展理念，培育新兴生态产业。除武汉市以外，汉江下游地区的科技创新服务资金投入，相较于汉江中游地区明显较少，创新成果也较少。汉江下游地区政府应当加大对新兴企业的政策扶持和财政补助，如新能源产业、节能环保产业、新材料产业、生物制药产业、海洋探索产业等。

第三，加强公共服务建设，优化公共环境。由于经济相对落后，除武汉市以外，汉江下游地区的公共服务相对落后。汉江下游地区不应一味追求GDP的增长，更要重视公共服务的质量，加大民生投入力度，即重视医疗卫生、教育文化等方面的资源投入，缩小与经济发达地区公共服务之间的差距，提升城市自身的吸引力。

第四，提升生态系统综合服务功能。汉江下游地区的生态环境较好，但生态系统服务能力还有待进一步提高，生态系统管理水平较低。应该加大投资，加强污染治理，积极规范自然保护区管理，提高生态区的生产能力，创造良好的生态环境，为人们的生产、生活提供更多便利。