孫紅躍，范 文

(1. 天津城建大學(xué)，天津 300384；2. 天津大學(xué)，天津 300072)

經(jīng)濟與管理

生態(tài)城市多元統(tǒng)計分析評價系統(tǒng)

孫紅躍1,2，范 文1,2

(1. 天津城建大學(xué)，天津 300384；2. 天津大學(xué)，天津 300072)

依托已有的生態(tài)城市評價指標體系，根據(jù)天津市生態(tài)城市建設(shè)特點，對體系中各指標進行調(diào)整和補充．利用主成分分析方法和聚類分析法構(gòu)建生態(tài)城市綜合評價系統(tǒng)，采用仿真數(shù)據(jù)在綜合評價系統(tǒng)中進行實證分析，給出生態(tài)城市建設(shè)的評價及建議．

生態(tài)城市；評價系統(tǒng)；主成分分析；聚類分析

《天津市城市總體規(guī)劃(2005—2020)》確定了天津的城市性質(zhì)：是環(huán)渤海地區(qū)的經(jīng)濟中心，要逐步建設(shè)成為國際港口城市、北方經(jīng)濟中心和生態(tài)城市．生態(tài)城市是一個經(jīng)濟高度發(fā)達、社會繁榮昌盛、人民安居樂業(yè)、生態(tài)良性，城市環(huán)境及人居環(huán)境清潔、優(yōu)美、舒適、安全、失業(yè)率低、社會保障體系完善，高新技術(shù)占主導(dǎo)地位，技術(shù)與自然達到充分融合，有利于提高城市文明程度的穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[1]．天津市在2006年創(chuàng)建生態(tài)城市以來，在經(jīng)濟建設(shè)，社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護等方面已取得重大成效．

生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平評價指標體系是對生態(tài)城市內(nèi)涵的詳細描述，也是生態(tài)城市建設(shè)效果的重要評定工具，更是指導(dǎo)生態(tài)城市規(guī)劃建設(shè)的總綱領(lǐng)[2]．目前，國內(nèi)外文獻對指標體系研究的多，對指標具體操作方法研究的很少．多數(shù)指標體系和評價系統(tǒng)為一維線性模型，難以從總體上綜合評價生態(tài)發(fā)展水平[3-4]．目前，針對天津市地理位置、文化底蘊、生態(tài)環(huán)境特點的指標體系尚未出臺，缺乏對于生態(tài)環(huán)境建設(shè)水平進行綜合分析和評價的定量分析方法．本文構(gòu)建生態(tài)城市多元統(tǒng)計分析評價系統(tǒng)，采用主成分分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法對生態(tài)城市建設(shè)水平進行評估和分析，有利于明確生態(tài)城市建設(shè)的工作方向，構(gòu)建更加和諧的生態(tài)城市．

1 評價指標體系

1.1 參考指標體系

中國城市科學(xué)研究會項目“生態(tài)城市指標體系構(gòu)建與生態(tài)城市示范評價(2009—2014)”得到階段性成果為：“2010—2011年度生態(tài)城市評價指標體系．”[5]該指標體系分為目標、專題、指標三層．五項目標分別為：資源節(jié)約、環(huán)境友好、經(jīng)濟持續(xù)、社會和諧、創(chuàng)新引領(lǐng)．資源節(jié)約下設(shè)水資源、能源、土地資源三項專題；環(huán)境友好下設(shè)空氣質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、垃圾處理、噪聲、公園綠地五項專題；經(jīng)濟持續(xù)下設(shè)經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、收入水平、就業(yè)水平四項專題；社會和諧下設(shè)住房保障、醫(yī)療水平、文體設(shè)施、科技教育、收入分配、交通便捷、城市安全七項專題；創(chuàng)新引領(lǐng)下設(shè)綠色建筑、綠色交通、特色風貌、生物多樣性、防災(zāi)減災(zāi)、綠色經(jīng)濟、綠色生活、數(shù)字城市、公眾參與九項專題．其中，前四項目標下各指標具有指標參考值，可進行定量分析，而創(chuàng)新引領(lǐng)目標下各專題只有定性的評估標準．多元統(tǒng)計分析方法只針對于定量指標的分析，故本文需在此指標體系上加以調(diào)整，然后建立生態(tài)城市多元統(tǒng)計分析評價系統(tǒng)．

1.2 指標調(diào)整

根據(jù)天津市自身的地理位置，歷史文化特點，為突出天津生態(tài)城市建設(shè)特色，本文在原有指標體系基礎(chǔ)上加以調(diào)整和補充，同時將一部分只有定性評估標準的指標進行量化，以便于系統(tǒng)分析評價．主要調(diào)整指標如下．

(1)“環(huán)境友好”目標下的“公園綠地”專題中增加“本地植物指數(shù)”和“人均公共綠地”兩項指標；“社會和諧”目標下增加“生活模式健康”專題，下設(shè)“日人均生活耗水量”、“日人均垃圾產(chǎn)生量”、“綠色出行所占比例”三項指標．

(2)刪除“社會和諧”目標下的“收入分配”專題和“交通便捷”專題中的指標“平均通勤時間”以及“住房保障”專題中的指標“住房價格收入比”．

調(diào)整后用于構(gòu)建多元統(tǒng)計分析評價系統(tǒng)的指標體系共計4個目標，19項專題，32項指標．

2 多元統(tǒng)計分析評價系統(tǒng)

2.1 多元統(tǒng)計分析評價原理

主成分分析和聚類分析是多元統(tǒng)計分析中的重要方法．主成分分析是模式識別中比較常用的特征生成和降低維數(shù)的方法，它是在數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，對高維變量空間進行降維處理，同時，還可以提供許多重要的系統(tǒng)信息，如數(shù)據(jù)群點的重心位置，數(shù)據(jù)變異的最大方向，群點的散布范圍等[6]．主成分分析有著廣泛的應(yīng)用，當研究的問題涉及很多變量，并且變量相關(guān)性明顯，應(yīng)用主成分分析的方法更容易抓住事物的主要矛盾，使問題得到簡化．

聚類分析是將分類對象按照一定規(guī)則分成由數(shù)據(jù)特征所決定的若干類，同一類中的對象在某種意義上傾向于彼此相似，而不同類中的對象傾向于不相似．聚類能夠突出事物的類別屬性，便于分析事物的本質(zhì)[7]．

2.2 評價方法及過程

2.2.1 評價方法

生態(tài)城市評價指標涉及社會生活的各個方面，各指標量綱不同，且指標之間有相互關(guān)聯(lián)的可能．為了更好地表達各指標在評價系統(tǒng)中的地位和作用，需要在評價之前對指標進行標準化和去除相關(guān)性工作．指標數(shù)據(jù)經(jīng)過主成分分析，選擇能夠反映原始指標數(shù)據(jù)85%以上信息的若干個主成分，以主成分得分進行聚類分析，將生態(tài)發(fā)展水平相近的區(qū)域聚在一個聚類中心附近，通過選擇聚類中心個數(shù)，可將參與評價的多個區(qū)域劃分成若干類，并對其生態(tài)城市發(fā)展水平做出準確評價．

2.2.2 評價系統(tǒng)組成

多元統(tǒng)計分析評價系統(tǒng)由指標矩陣，數(shù)據(jù)標準化模塊，主成分分析模塊，K-均值聚類模塊，分析建議模塊組成．系統(tǒng)組成示意框圖如圖1所示．

圖1 生態(tài)城市發(fā)展水平多元統(tǒng)計分析評價系統(tǒng)

2.2.3 評價分析步驟

STEP1根據(jù)調(diào)整后的指標體系，建立指標矩陣(矩陣大小為m×n，其中m為樣本數(shù)，n為指標數(shù)，本文系統(tǒng)為32)；

STEP2 將待分析的m組指標數(shù)據(jù)(本系統(tǒng)能夠評價m個生態(tài)區(qū)域的生態(tài)建設(shè)水平)標準化，將每組數(shù)據(jù)構(gòu)成一個具有n個數(shù)據(jù)點的行向量，m組數(shù)據(jù)輸入指標矩陣；

STEP3 對標準化的指標數(shù)據(jù)進行主成分分析，計算前b個主成分的累計貢獻率(λi是原始數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的特征值)，使θ大于85%，取前b個主成分得分作為聚類分析的原始數(shù)據(jù)；

STEP4 對b個主成分得分進行K-均值聚類，首先隨機選定k個聚類中心，對非中心的數(shù)據(jù)點逐一歸類，每個數(shù)據(jù)點歸入離它最近的聚類中心，然后將該類中心更新為該類的均值，重復(fù)進行歸類，直至迭代次數(shù)，所有點歸類完畢；

STEP5 對k類數(shù)據(jù)點進行分析，回溯各類數(shù)據(jù)點主成分的原始線性構(gòu)成，即各指標數(shù)值貢獻，從而得出區(qū)域生態(tài)建設(shè)優(yōu)勢與不足，對未來生態(tài)城市建設(shè)方向提出建議．

3 多元統(tǒng)計分析評價實驗

3.1 實驗數(shù)據(jù)

為驗證采用主成分分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法對生態(tài)城市建設(shè)水平進行評估和分析的有效性，本文根據(jù)評價指標體系的指標值模擬了16個地區(qū)的32項指標數(shù)據(jù)，16個地區(qū)編號分別為1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16．數(shù)據(jù)最小值為0.6，最大值為346．指標矩陣定義為16× 32矩陣．

3.2 實驗結(jié)果

主成分分析之后，各主成分貢獻率如表1所示．前兩個主成分貢獻了超過85%的原始數(shù)據(jù)信息，以此兩個主成分為坐標，做出數(shù)據(jù)散點圖，如圖2所示．從圖中可以看出，數(shù)據(jù)明顯分為四個區(qū)域，其中3，4，9，13聚在一起，5，8，10，12，15，16聚在一起，2，6，7，11，14聚在一起，1與其他點分開．將主成分得分作為聚類數(shù)據(jù)進行K-均值聚類，聚類結(jié)果如圖3所示．圖中表明，數(shù)據(jù)分為4類．數(shù)據(jù)1為第一類，數(shù)據(jù)3、4、9、13為第二類，數(shù)據(jù)5、8、10、12、15、16為第三類，數(shù)據(jù)2、6、7、11、14為第四類．回溯原始指標，第二類數(shù)據(jù)代表的區(qū)域經(jīng)濟指標數(shù)值較高，環(huán)境和生活模式指標數(shù)值較低；第三類數(shù)據(jù)代表區(qū)域經(jīng)濟指標和生活模式指標分數(shù)較高，但環(huán)境指標數(shù)值較低；第四類數(shù)據(jù)代表的區(qū)域環(huán)境指標數(shù)值較高，經(jīng)濟指標和生活模式指標數(shù)值較低；第一類數(shù)據(jù)經(jīng)濟、環(huán)境、生活模式指標數(shù)值都較高，說明1號區(qū)域自然環(huán)境良好，生活模式健康，經(jīng)濟蓬勃高效，達到比較理想的生態(tài)城市水平．其他三類區(qū)域分別在經(jīng)濟發(fā)展，自然生態(tài)和生活模式方面需要進一步加強建設(shè)．

表1 前10主成分貢獻率

圖2 前兩主成分組成二維空間數(shù)據(jù)分布情況

圖3 數(shù)據(jù)聚類結(jié)果

4 結(jié) 語

針對生態(tài)城市建設(shè)缺少綜合分析和評價方法的問題，筆者提出基于多元統(tǒng)計分析方法的生態(tài)城市評價方法，為生態(tài)城市建設(shè)的評價提供了具有較強操作性的定量分析方法；設(shè)計開發(fā)了生態(tài)城市建設(shè)綜合分析和評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用主成分分析和聚類分析得出生態(tài)城市建設(shè)水平的分析結(jié)果及下一步建設(shè)方向的建議；仿真實驗表明，該系統(tǒng)能夠有效地對生態(tài)城市進行評價和分析．

［1］ 張曉瑞. 天津建設(shè)生態(tài)城市的模式選擇[D]. 天津：天津商業(yè)大學(xué)，2009.

［2］ 郭珉媛. 1999年以來國內(nèi)生態(tài)城市評價指標體系研究述評[J]. 前沿，2010(23)：142-145.

［3］ 王 偉. 生態(tài)城市評價指標體系及應(yīng)用研究[J]. 西北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，41(4)：715-718.

［4］ 齊芳燕. 江蘇省生態(tài)城市建設(shè)的指標體系構(gòu)建與評價[J]. 工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟，2010(12)：93-97.

［5］ 李海龍，于 立. 中國生態(tài)城市評價指標體系構(gòu)建研究[J]. 城市發(fā)展研究，2011，18(7)：81-86.

［6］ 邊肇祺，張學(xué)工，閻平凡. 模式識別[M]. 2版．北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［7］ 謝中華. MATLAB統(tǒng)計分析與應(yīng)用：40個案例分析[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

On Eco-city Evaluation System based on Multivariate Statistical Analyses

SUN Hong-yue1,2，F(xiàn)AN Wen1,2
(1. Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Tianjin University，Tianjin 300072，China)

According to the characteristics of Tianjin eco-city construction，the indexes of the existing Eco-city evaluation index system are adjusted and added，then Eco-city evaluation system are constructed by using the principal component analysis and cluster analysis method. Empirical analysis are conducted by using the simulation data，and the eco-city construction comments and suggestions are prensented.

eco-city；evaluation system；principal component analysis；cluster analysis

X171.1

A

2095-719X(2014)02-0107-04

2013-09-30；

2013-11-25`

天津市建設(shè)系統(tǒng)軟課題研究項目(2012-軟11)

孫紅躍（1975—），男，江蘇淮安人，天津城建大學(xué)講師，碩士．