基于投影寻踪的城市人口社会\经济发展与资源环境协调发展实证分析

来源:用户上传      作者: 赵 晗

　　[摘 要]在城市化迅速发展的背景下,城市人口社会、经济与资源环境的矛盾日益复杂和激化,从科学发展的角度出发,迫切需要研究城市人口社会、经济与城市资源环境之间的协调关系。本文在分析北京市城市特点的基础上,建立了能充分反映北京市城市发展现状的指标体系,运用投影寻踪方法,从城市发展角度上建立城市人口社会、经济、与资源环境的协调评价体系,并进行实证分析。计算北京市人口、经济、资源和环境的协调发展度;最后在综合评价指数和协调度的基础上,发现北京市协调发展的主要问题并给出建议。
　　[关键词]协调发展;投影寻踪;指标体系
　　
　　一、引言
　　随着经济发展和城市化建设的推进,人口增长、环境污染、能源紧缺等制约城市发展的问题日益凸显出来。如何在快速发展经济和完成工业化、城市化的过程中协调人口社会、经济发展、能源利用和环境保护,已经成为我国城市现代化进程中不可忽视的问题。城市的协调可持续发展归根到底是协调人口社会、资源、环境以及经济发展之间的联系,并最终形成人口社会、经济和自然环境协调发展的城市,使得城市的发展具有协调性和可持续性。对协调发展的研究首先是从对经济与环境的两系统协调发展开始起步的。
　　申海元,陈志等人和李勇, 王金南都对城市人居环境与经济协调发展评价中所面临的问题进行分析,建立了经济发展与环境保护两系统的评价体系,并将该方法应用于实证研究中。柯健,李超[4]将数据包络分析理论及数据包络最优分割聚类分析方法应用于中国各地区资源、环境与经济的协调发展评价中,提供了协调发展研究方法的新方向。张晓红,戴昌钧利用灰色预测计算国民经济与电力产业的耦合协调度,以此对两者的协调发展趋势进行分析。马敏娜等[6]对改革开放30年来我国经济增长与环境污染关系进行实证检验, 提出了我国工业二氧化硫排放量与人均GDP之间存在显著的倒U型关系。
　　随着研究的发展,越来越多的学者将人口因素引入分析当中,由此产生了经济-人口社会-环境资源的三系统协调发展研究。王西琴、刘小林和郁晶等人等分别建立了经济、社会资源环境三系统的指标体系,将主成分分析法引入评价中,作为确定各项指标的权重的方法,采用协调发展度评价模型,并对成都平原城市群和苏州市进行实证分析,提出了各自的发展对策和建议。齐晓娟童玉芬利用模糊数学中的隶属度概念和隶属度函数对西北五省区人口、经济和资源环境协调发展状况进行定量分析,指出陕西省为中级协调水平,宁夏、甘肃和青海三省区处于轻度失调状态,新疆处于初级协调。与此同时,一些学者则引入了资源利用作为一个子系统,建立了经济-环境-资源的三系统评价体系。李芳林,查奇芬建立资源、环境与经济协调发展的核算与评估指标体系,并结合江苏省的实际情况进行了分析。陈国权从可持续发展的概念与思想内涵出发,对经济―资源―环境系统作了系统分析,着重论述了经济―资源―环境系统内部冲突与协调的关系。
　　纵观整个协调性评价的研究,目前的协调发展对经济-环境的两系统协调发展研究和经济-人口社会-环境资源三系统协调发展研究形成了比较完善的研究体系和研究方法,实证研究也比较充分;其研究方法主要引入主成分分析、数据包罗和灰度赋值法。对新的研究方法的引入还比较少。
　　本文建立人口-经济-资源环境三系统协调发展的评价体系,并引入投影寻踪模型作为权重赋值的依据,以北京市为例进行实证分析。以此探讨在经济发展和城市化进程中城市协调发展进程中不可忽视的问题。城市的协调、可持续发展归根到底是协调人口社会、资源环境以及经济发展之间的联系,并最终形成人口社会、经济和资源环境协调发展的城市,使得城市的发展均有协调性和可持续性。
　　二、北京市协调发展评价指标体系
　　经济发展与人口社会、资源、环境的协调是指人口社会、资源、环境、经济发展作为一有机整体,不能相互分割。在这个有机整体的发展演化的过程中,各个子系统之间不断相互促进、相互协同,由协调―不协调―高层次协调,循环往复,处于一种动态的稳定。一个时期内一定区域内经济与人口社会、资源和环境的协调度就是衡量和评价该区域人口社会资源环境与经济协调发展水平高低过程,并由此反映该区域人口社会资源环境与经济发展水平的高低,以达到使该区域整个有机系统中诸要素和谐地、合理地发展,达到总体发展的最佳。“协调”是指系统之间或系统内要素之间和谐一致、配合得当的关系,是描述事物之间良性相互关系的概念。由于系统处于动态变化之中,因而,系统内部要素之间的关系也处在不断调整中,而协调度是度量系统之间或系统内部要素之间协调状况好坏的定量指标。根据曾嵘等人对北京市协调发展指标体系建立的研究,设计出北京协调发展指标体系,如表1。
　　三、北京市协调发展水平的测度与评价
　　1. 北京市协调发展水平测度
　　投影寻踪(Projection Pursuit)模型可以将高维数据投影到低
　　维空间上,从而寻找出反应高维数据结构或特征的投影,达到研究高维数据的目的。利用多指标进行测度能从多方面更全面的刻画系统的特性,但问题在于指标权重的确定,为了避免主观因素确实指标权重带来的误差,本文使用投影寻踪进行协调发展水平的测度。投影寻踪建模步骤如下:
　　步骤一:指标的无量纲处理分为两步:
　　首先对原始指标进行归一化处理,对于越大越优的指标,有
　　 (1)
　　
　　对于越小越优的指标,有
　　 (2)
　　
　　其中, 分别为第j个指标值的最大值和最小值,为指标特征值,为指标特征值归一化的序列。
　　然后将 尽享标准化处理,即
　　
　　(3)
　　其中, 分别为第j各指标的均值和标准差。
　　步骤二:设样本是p维观测数据,投影寻踪所要研究的是通过研究这些数据的一维投影来分析数据的结构和特征。设是p维单位向量,数据在a方向上的一维投影值为
　　
　　 (4)
　　步骤三;投影指标就是的函数,构造为:
　　
　　式中,为投影值的标准差,为投影值的局部密度,即:
　　 (5)
　　
　　 (6)
　　式中,的均值,R为求局部密度的窗口半径,他的选取既要是包含在窗口内的投影点平均个数不能太少,避免滑动平均偏差太大,又不能使他随着n的增大而增加太快,据研究,其最佳取值为任意两个样本之间的距离,其计算式为为单位阶跃函数,当 ,否则。
　　步骤四:当给定样本数值时,投影指标函数只随投影方向a的变化而变化,不同的投影方向反映不同的数据结构特征,最佳投影方向可最大可能的揭示高维样本数据的某种等级特征结构。因此通过求投影指标函数最大化的问题来估计最佳投影方向,即:
　　(7)
　　
　　本文利用投影寻踪方法对北京市各个子系统内部进行计算,以求得北京市各个子系统的综合发展指数,从而反映北京市各个子系统内部的发展情况,并作为北京市协调度计算的基础。
　　2. 北京市协调发展的测度与评价
　　作为复杂系统,系统中各个子系统及其构成要素与外部环境之间存在着不断的相互作用、相互影响和相互制约,从而使整个系统呈现出不稳定和不协调现象。只有通过不断调节,才能保持系统之间的动态平衡,使系统整体及各个子系统充分发挥其功能,进而达到系统的整体最优效应。协调发展协调性是指系统中的各个子系统及构成要素之间具有合作、互补、同步等多种关联关系,以及由这些关联关系使整个系统呈现出的协调结构和协调状态。其次,这种关联关系并非固定不变的,而是呈现出一种动态的协调关系。

　　事实上,协调发展系统运行的协调与否,不能简单地以“协调”或“不协调”来衡量。系统的协调发展状况更多是处于“协调”与“不协调”之间。所以,系统的协调发展指数只能用模糊数学中的隶属度进行描述。作为[0,1]区间上的实数,隶属度的变化规律可以通过隶属度函数来反映。依据这一思想,可以构建北京市复杂系统的协调发展状态协调函数。由于北京市复杂系统包含人口、资源、经济和环境四个子系统,因此,这里涉及的协调发展协调函数包括某一个子系统的对另一子系统的状态协调函数,也包括各个子系统之间的状态协调函数。具体如下:
　　(1)两个系统之间相互协调发展的协调系数方程
　　
　　
　　 (8)
　　其中,式中:表示i 系统与j 系统的协调发展系数,表示i 系统对j 系统的协调发展,x表示i系统综合发展指数;表示j系统对i系统要求的综合发展协调值;表示i系统综合发展指数的均方差。其中,j系统对i系统要求的综合发展协调值的定量计算可以采用回归分析法获得,以i系统为因变量,j系统为自变量,进行多项式回归拟合,从中选择残差平方和拟合曲线交响的方程作为最佳拟合方程。
　　(2)描述三个系统之间相互协调发展的协调系数方程
　　
　　(9)
　　其中 。
　　
　　式中:表示I系统、j系统和k系统的协调发展系数;表示i 系统与j 系统的协调发展系数,表示i 系统对j 系统和k系统的状态协调度;表是I系统综合发展指数的均方差;对应年j系统和k系统对i系统要求的综合发展协调值。其中,通过建立以i系统为因变量,j系统和k系统为自变量进行一次线性方程、二次方程以及三次以上多项式的回归拟合,从中选择残差平方和拟合曲线较小的方程作为最佳拟合方程。
　　在本文中,利用投影寻踪模型计算得出的结果作为各个子系统的投影值作为各个子系统综合发展指数;利用线性回归拟合的方法计算出其他系统对该系统要求的综合发展协调指数。并以此为基础计算出两个(或多个)系统之间的协调发展系数,以及某一子系统相对于其他系统的协调发展系数。从而计算出评价各个子系统之间的协调发展的协调度,并以此作为计算北京市各子系统之间及北京市整体协调发展的依据。
　　四、北京市协调发展实证分析
　　1.北京市协调发展的状态评价结果
　　根据前述的投影寻踪模型,对1992～2007年的协调发展水平进行了综合评价,得出人口子系统、资源子系统、经济子系统和环境子系统的分类投影方向参数(如表2) 和根据投影方向参数计算得出某市可持续发展评价分类综合特征值和总体综合特征值(如表3) 。
　　特征值 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999
　　人口子系统 -3.7561 -3.7511 -3.7500 -2.7666 -1.9294 -0.9399 -0.6576 -0.1870
　　经济子系统 -3.2740 -2.6555 -1.8028 -1.8091 -2.6079 -1.9610 -1.8040 -1.0788
　　环境子系统 -3.2103 -2.8142 -1.4710 -1.1577 -1.1719 -1.1698 -0.1392 -0.4819
　　特征值 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
　　人口子系统 0.5122 0.6454 1.6292 1.6315 2.5491 3.3541 4.0622 3.3541
　　经济子系统 -0.3343 0.0923 0.5873 0.9759 2.8994 2.8922 4.1609 5.7194
　　环境子系统 -0.1576 1.2411 0.7360 1.7880 1.4271 1.4532 2.3882 2.7402
　　
　　表31992～2007年度北京市可持续发展评价分类综合特征值
　　
　　2. 北京市可持续发展的系统协调性评价结果
　　为了方便起见,以P、E、R分别表示煤炭城市可持续发展系统中的人口、经济、资源环境子系统。分别以P、E、R的一个为因变量,其他子系统为自变量,进行线性方程拟合、二次方程拟合、三次方程拟合。选择最优的拟合方程,计算出个子系统的最佳估计值。再根据城市可持续发展各个子系统的综合特征值,到北京市1992年～2007年的两子系统间、三子系统间的发展协调指数。结果见表3和表4。
　　3. 北京市协调发展协调性评价的结果分析
　　从图1中可以看出,自1992年以来,除了1994年和2007年之外的其他年份人口-资源环境、人口-经济、资源环境-经济三种协调关系处于相对良好的发展状态。从协调发展的角度来看在人口-资源环境、人口-经济、资源环境-经济三种协调关系中,人口-资源环境的协调性最好,平均协调发展指数0.9450;经济-资源环境的协调性次之,平均协调发展指数为0.9351;人口-经济的协调性最差,平均协调发展指数为0.8927。如果进一步划分协调发展指数U的范围,定义[0,0.5]为极不协调,[0.5,0.85]为不协调,[0.85,0.95]为基本协调,[0.95,1]为协调的话,人口-资源环境、人口-经济、资源环境-经济均处于基本协调的状态。特别是自1999年开始至2004年的连续6年间,人口-经济的协调度稳定处于0.97以上,达到并超过了协调发展的要求。但是,人口-经济在某些年份出现了较大的不协调,主要集中在1994年和2007年的人口-经济协调度相对较低。从原始数据中可以看出,1994年北京市的经济发展出现了相对的快速的增长,经济发展指数上到了一个较高的发展平台,但是1994年人口子系统的特征值与1993年基本持平,没有显著地变化。这说明是的发展不协调是由于当时经济的发展早于人口社会的发展。
　　年份 U(E,R) U(P,R) U(P,E) U(P,E,R)
　　1992 0.9559 0.8645 0.9407 0.8959
　　1993 0.8125 0.9418 0.9207 0.9724
　　1994 0.9947 0.8623 0.5595 0.8049
　　1995 0.9900 0.9280 0.8884 0.9020
　　1996 0.8419 0.9898 0.8823 0.9874
　　1997 0.9999 0.9653 0.8860 0.9390
　　1998 0.8223 0.9938 0.8789 0.9670
　　1999 0.9895 0.9922 0.9727 0.9686
　　2000 0.9960 0.9967 0.9950 0.9388
　　2001 0.8852 0.9522 0.9897 0.8688
　　2002 0.9915 0.9771 0.9873 0.9724
　　2003 0.7505 0.9298 0.9994 0.8830
　　2004 0.9674 0.9695 0.9995 0.9625
　　2005 0.9748 0.9006 0.9010 0.8696
　　2006 0.9992 0.9424 0.9026 0.9341
　　2007 0.9898 0.9135 0.5787 0.8608
　　
　　表41992～2007年度北京市可持续发展系统两子系统间协调发展指数
　　
　　而2007年出现的人口与经济显著地不协调,则是因为2007年的人口子系统的特征值出现了显著地下降。而其他两个子系统的特征值依然保持上升的状态。从原始数据可以看出,自2007年开始人口社会子系统中的北京市的每千人拥有医师数量(人)、每千人拥有床位数(张)和公共交通运营线路长度(公里)出现了显著地下降。北京市公交运营总里程从2006年的18582公里下降到2007年的16801公里,降幅达到9.58%。于此同时,北京市的千人拥有医师数量(人)和千人拥有床位数(张)也出现了下降,北京市的千人拥有医师数量(人)从4.44人下降到3.37人,降幅达24%;而千人拥有病床数量(张)从2006年的6.77张下降到2007年的4.71张,降幅达到30%。这使得北京市的人口社会子系统的特征值从2006年的4.0622下降到2007年的3.3541。于此同时期的北京市的经济持续高速发展,这使得经济发展子系统的特征是从4.1609上升到5.7194。由此导致2007年的北京市人口-经济子系统的协调度仅为0.5787。同时期的人口-环境协调指数也出现了小幅度的波动。通过人口社会子系统的投影值的变化可以反映出北京市对社会基础设施发展和社会福利的调整。北京市的人口社会发展不仅限于单纯的数量增长,同时重视质量的提高。

　　从整体的协调度来看,人口―经济―资源的平均协调发展指数为0.9205,在[0.85,0.95]内,处于基本协调的状态。从图1中可以看出,北京市各年的发展基本处于相对稳定的基本协调状态。这也充分表明北京市的整体发展基本处于一个基本协调的良性发展状态。
　　五、结论
　　本文从系统论的角度出发,提出了北京市协调发展评价指标体系,运用遗传算法优化投影寻踪模型得出了北京市协调发展综合水平,以综合发展水平为基础研究了北京市内部各子系统之间的协调性问题。1992-2007年度北京市的协调发展状态从整体上讲一直处于较为高的发展水平,总体上处于基本协调发展的状态。这说明,北京市的经济发展一直处于高效利用能源努力走集约发展道路。人口-经济之间存在着较大的不协调,这种不协调的原因是经济发展的速度与水平在这些年份显著地快于人口发展所要求的水平。从三系统整体协调发展指数平均值看,均已达到 基本协调发展水平。也就是说,北京市人口、经济与资源环境三个子系统之间逐步形成积极、良性的互动关系。协调发展是城市发展的目标之一,北京市只有在综合发展水平提升的同时不断提高协调发展水平,才能真正实现城市的协调发展。
　　
　　
　　参考文献
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