城市人居环境与经济协调发展不确定性定量评价——以长沙市为例.pdf
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1、第6 2 卷第4 期2 0 0 7 年4 月地理学报A C T AG E O G R A P H I C AS I N I C AV 0 1 6 2 N o 4A p r ,2 0 0 7城市人居环境与经济协调发展不确定性定量评价以长沙市为例熊鹰1 , 2 曾光明1 ,董力三2 ,焦胜1 ,陈桂秋1( 1 湖南大学环境科学与工程学院,长沙4 1 0 0 8 2 ;2 长沙理工大学建筑与城市规划学院长沙4 1 0 0 7 6 )摘要:城市人居环境是城市经济持续发展的重要基础和载体。城市经济是人居环境发展的坚实保障和前提。只有实现两者的协调,才是实现城市可持续发展的必由之路。城市人居环境与经济发展
2、的协调性定量评价。是测度两者发展状态的工具对城市健康发展具有重要的指示功能。城市人居环境与经济系统存在于整个城市生态系统中,由于系统的复杂性,其中存有多种不确定性的因素。因此,考虑不确定性因素影响下,如何建立评价体系,采用什么样的方法进行评价是当前研究的难点之一也是学术界面临的一项迫切需要解决的问题。本文尝试对城市人居环境与经济协调发展评价中所面临的不确定性问题进行了分析提出评价体系构建的原则。引入模糊数学方法。提出了一套基于不确定性的综合评价方法与模型,并将该方法应用于长沙市的实证研究中。评价结果与实际情况大体吻合。该方法不仅能反映城市发展整体协调状况,而且能模糊辨别系统间相互作用的模式与演
3、进方式,具有一定的理论价值和可操作性。关键词:城市人居环境;城市经济系统;不确定性;模糊数学;协调发展;评价;长沙市1引言随着工业化、城市化的快速发展,工业和人1 5 大规模集聚,城市环境污染、生态破坏和居民健康受到威胁等问题日益严重。如何在加快经济发展的同时协调好与人居环境之间的关系,已经成为人类发展进程中的突出问题。目前,城市人居环境已成为建筑、地理、环境、规划等学科所关注的热点之一【。自2 0 世纪5 0 年代D o x i a d i s 提出“人居环境科学( E k i s t i c s ) ”的概念以来研究发展迅速。目前国外以国家级研究与实践、环境影响评价、R S 及G I S
4、数据库的建立为主 2 】。一些发达国家还建立了生态居住区评价体系如美国的L E E D 标准,荷兰的E c o Q u a n t u m标准等。国内人居环境研究起步于8 0 年代,以吴良镛【3 1 人居环境科学导论,王如松等 4 1 城市人居环境生态学研究宁越敏等【5 】大都市和小城镇人居环境研究李雪铭 6 的城市人居环境评价及适宜居住的气候因子综合评价,朱锡金 7 1 的生态住区,郭秀锐 8 】、杨志峰 9 】等城市生态系统健康研究等为主要代表。近年来还有很多学者对特定区域开展了实践研究口叫4 1 ,并相继提出了生态城市、人居环境和城市环境可持续发展等指标体系 1 5 - 2 0 1 。但
5、总体上看,针对人居环境与经济协调发展方面的研究较少,且以定性分析较多也未建立完整的评价体系与方法。城市人居环境与经济系统存在于整个城市生态系统中是一个社会一经济一自然的复合系统。由于系统的复杂性。其中不确定性因素广泛存在。尽管不确定性理论已在环收稿日期:2 0 0 6 0 9 1 2 ;修订日期:2 0 0 7 0 1 1 0基金项目:国家杰出青年科学基金项目( 5 0 4 2 5 9 2 7 ;5 0 2 2 5 9 2 6 ) F o u n d a t i o n :N a t i o n a lO u t s t a n d i n gY o u t hF o u n d a t i
6、o no fC h i n a ,N o 5 0 4 2 5 9 2 7 ;N o 5 0 2 2 5 9 2 6 作者简介:熊鹰( 1 9 7 7 一) ,男,湖南汉寿人,博士研究生。主要从事人居环境、城市生态规划与区域发展研究。E m a i l :x i o n 9 2 0 0 1 y i n g 1 2 6 c o r n3 9 7 4 0 6 页 万方数据3 9 8地理学报6 2 卷境科学、生态学、经济学和社会科学中已有了较为成熟的应用 2 l - 2 6 1 ,但在城市人居环境与经济协调发展研究领域尚未给予足够的考虑。因此,在不确定性因素影响下,如何建立评价体系,采用什么样的方法进
7、行两者的协调发展评价是当前研究的难点之一。特别是现阶段,我国城市人居环境的理论与实践还处于探索发展阶段,加强这一领域的研究,也是学术界面临的一项迫切需要解决的问题。本文尝试对城市人居环境与经济协调发展评价中所面临的不确定性问题进行分析并对评价体系的建立以及减少不确定性的分析方法作了一些有益探索和实证分析,以期探讨适用于人居环境与经济发展评价并能揭示两者发展规律的一种方法为促进人居环境科学发展和城市可持续发展的管理与决策提供参考。2城市人居环境与经济协调发展评价体系中的不确定性分析城市人居环境与经济协调发展评价中的不确定性包括两个方面:研究对象本身具有的不确定性,这包括自然界固有的不确定性以及人
8、为造成的不确定性;评价体系中的不确定性,是本文主要研究对象。它主要包括评价体系建立的不确定性、资料获取过程中的不确定性及结果的不确定性等。2 1 资料获取和分析结果的不确定性分析现有资料获取过程中的不确定性主要来源于:现有数据不足经验或历史累积数据的缺乏,数据收集过程中产生的不确定性。这种不确定性可由采样的随机性以及数据分析造成。评价结果的不确定性主要由现状分析的不确定性产生。因获取资料、现状分析、体系建立均具有不确定性的特征以及人类认识客观世界能力的局限性使得对这一问题认识存在一些模糊性因此在处理实际问题时就必然会表现出一定的不确定性导致分析结果也是不确定性的。但可引入区间变量建立考虑有关不
9、确定性因素影响的评价优化模型与理论降低评价结果带来的不确定性 2 7 1 。2 2 评价指标体系建立中的不确定性分析不确定性包括参数内部的不确定性以及参数之间的不确定性。对于城市人居环境与经济协调发展指标体系而言各系统参数内部不仅存在不确定性。参数之间以及系统之间亦存有较大的不确定性。因此评价时必须利用模型或数学方法将单个指标体系系统化。将系统之间以及参数之间的不确定性作为研究重点。同时指标体系是建立在某些原则基础上的指标集合。它是一个完整的有机整体。而不是一些指标的简单组合 2 9 1 。因此,城市人居环境一经济发展系统作为一个社会一经济一自然环境的复合生态系统,其评价体系也应该从社会、经济
10、和自然环境三个角度来确定。但由于指标体系确立的复杂性,很难达到统一的标准。2 3 评价指标体系量化中的不确定性分析指标体系确定后,需对其进行量化,包括阈值、权重( 贡献率) 的量化,但目前没有统一的方法。国内一般采用0 0 l :国家规定的标准值、参考国外具有良好特色区域的现状值作为标准值、参考国内城市的现状值来作趋势外推确定标准值以及暂用类似指标替代等。上述方法,易造成主观上的差异导致不确定性问题的产生从而使阈值不确定。另一个不确定性产生的原因则来自外推过程。因需要根据其他城市的现状值进行外推1 3 1 】,由于受大量复杂因素的影响 3 2 ,3 3 1 如外界随机扰动测量误差主观判断的差异
11、均会造成外推系数不确定。目前,在量化各指标的权重时多用层次分析( A H P ) 法、专家评价法,或是二者的结合。然而这些方法本身有较大的主观性如确定社会经济和城市生态环境指标的权重时。专家的差异、认识水平及国家的政策导向都可能影响专家的意见。因此各指标体系贡献率的不确定性是显然的。 万方数据4 期熊鹰等:城市入居环境与经济协调发展不确定性定量评价3 9 93 评价指标体系构建的原则及分析方法3 1 评价指标体系的构建原则城市人居环境一经济发展系统是一个庞大的系统,涉及到社会、环境、经济和文化因素等各方面对它进行协调状况评价不可能包罗无遗。为了综合反映两个子系统之间的关系,需分别建立包含各自
12、主要影响因素的综合性指标即建立科学、规范的评价指标体系。在选择和设计评价指标时,不仅要遵循客观性、科学性、完整性、代表性等普遍性原则还应遵循以人为本、层次性、区域性、可比性与动态性原则【1 0 ,1 2 , 1 9 1 。基于以上对评价体系不确定性的分析构建指标体系还需要考虑弹性原则【州,即按照人居环境一经济系统因子的特性划分为弹性要素和非弹性要素。两者的主要区别在于前者是指在评价过程中不稳定的要素以及非人为因素能准确确定的要素,也包括一些无法量化的指标或定性指标,如人居环境改善程度、交通便捷指数、幸福指数、政策优惠度等。弹性要素可引起评价系统多种变化主要表现为不确定性的特征。后者是在评价中相
13、对稳定的要素即表现出刚性特征或是影响整个城市可持续发展而必须采取协调发展指标体系的主要问题采取人为措施非严格控制不可的要素。即为实现城市持续发展与规划建设中确定出的定量指标和标准。如城市人均用地指标、城市“三废”治理标准、人居环境建设中绿地标准等。两者在具体的指标选择上存有差异,非弹性指标选取宜细不宜粗不能因社会转型而放弃对它的有效控制;弹性指标选取宜粗不宜细。是引导而不是控制。对于两种指标的评价方法,线性或非线性模型分析方法都有所见。但非弹性要素多侧重于单目标评价 3 5 1 ,或是参照某些标准予以评价比较分析0 6 , ”】。对于弹性不确定性的研究方法主要有灵敏度分析法、灰色系统分析法、控
14、制论方法、模糊数学方法、传递函数法等瞄,3 8 ,3 9 1 。3 2 评价思路与方法选择3 2 1基本思路目前对于城市经济系统以及人居环境系统中确定性问题的定性和量化研究,已取得了一定的成绩。然而面对这样复杂的对象。对社会经济和环境系统的模糊性、不确定性关注较少部分研究成果仅针对于系统中某一方面的不确定性进行研究【2 5 ,2 6 , 3 列。就研究方法而言评价方法大多由传统的确定性方法演化而来,采用的方法也侧重于单目标模型,不能反映系统的动态性、复杂性和不确定性,因而难以形成反映系统间发展程度与演进方式的判别方法。同时研究仅仅依靠决策者的经验或定性判断也是很难实现的。为此,本研究将模糊数学
15、方法和传统评价方法相结合,综合考虑系统的确定性与不确定性相关信息建立评价指标体系通过采用主成分分析方法减少或消除单系统评价中不确定性因素的影响同时引入区间变量建立系统问的发展阶段的模糊区间以模糊辨别两系统的演进模式,并结合模糊函数建立评价模型,以此研究两者的协调状况从而实现不确定性因素影响下的综合评价。3 2 2 各系统综合值评价定量评价城市人居环境与经济发展两个系统间的协调性其首要是求出各系统的综合评价值。因两个系统指标存在复杂性及不确定性,但彼此之间又有一定的相关性,使它们在信息上发生重叠从而导致评价的结果模糊甚至产生矛盾。为尽量消除这些影响以及减少人为因素考虑采用主成分分析法( P C
16、A ) 进行评价分析。该方法突出特点在于对各原始指标的权数确定不带有人的主观意识,比较客观科学从而提高了评价结果的可靠性和准确性,以消除或减少不确定因素的影响。具体步骤:( 1 ) 根据协调发展理论及研究区域发展的客观情况,按照设计的指标体系整理原始数据。若用E n 和S n 分别表示经济、人居环境子系统则选取n 年的原始数据可构建相关数据矩阵;( 2 ) 各指标数据标准化后,构建P 个指标的两两相关矩阵系数尺i 。其标准化处理计算公式为: 万方数据邈理学摄6 2 卷蜀2 ( 乃一乃) S( 1 )R 2S s 焉国式中:马为第歹指标历年酶原始数搬,墨为标准化后的数据,霉为第歹指标在选取时段的
17、平均值,S 为指标的标准差,S 为不同指标问的协方差。眈=属1 1E 1 2荔2 l墨2E l 。霪2 。;S n =S nS 1 2S lS 2 2;R ( i ,D 一1R 1 2R 2 l1E n l 如oo , Ho 五S 五:爻I旧R 1 9霆知( 3 ) 计算裙关矩阵的特征根及褥征商量。矩阵璐的特征根为:X ;如夫:k k 0 相应的标准正交特征向量为C 。,c 2 ,G ,其中C i = ( G ,C a ,q ) ;( 4 ) 计算各指标的方差贡献率和累积贡献率,根据累积贡献率选取主成分个数,并计算各主藏分的得分及综合褥分。凡累计贡献率大予8 5 的前i 个成分已基本爱映了源变
18、鲎的主要信息。因此,选取前f 个指标作为主成分,并求得各主成分得分。Z 。Q 1 S , + q 拭2 + G 省3 十+ q l( 3 )毛一哗 )n = 1式中:荔为第,个主成分得分,G 岛、G ,、G 是第f 个主成分的载荷量,X 。、x :、X ,菇:怒标准化后的指标焦。然后梗掇各主成分的贡献率测震公式4 ,计算系统褥分。最后求得各年的系统综合评价指数。其中,。为第乃年各指标综合评价指数,矽i 为第f 个主成分的贡献率,磊i 为第n 年的第i 个主成分得分。3 2 3 城市人居环境与经济系统栏互作用的模式与演进判断城市人居环境与经济系统均处予整个城市生态系统之中,由于系统闻作用具有开放
19、性且系统闻存在着物质、麓量流动和经济联系,因此在一定时期系统间会表现出滞后或超前性特征。通常认为,城市经济系统与人居环境系统在不确定性因素的作用下。可以产生4 种基本模式即经济环境协漏模式( 1 ) 、环境漳后经济模式( 1 耽经济环境落矮模式( 蠲、经济潞着环境模式( ) ,见图1 ( X 表示经济发展水平,Y 表示环境保护强度) 。I 模式是较理想的协调发展模式,经济发展水平高,环境建设投入大;模式经济发展水平高,但忽视城市环境保护与建设,其发展以牺牲人居环境为代价,为不可取酶模式:l I I 模式经济发展水平低。环境建设与保护的投入也低经济和人居环境均处于落后的水平或恶性循环状态下这是一
20、静最不可取的发展模式:模式夔视环境投入,但不注重经济发展,最终因经济落后,影响环境保护的投入,此种模式也是不可取。当然在城市经济与人居环境系统相互作用下。其演避可表现出渐进式和突变式等不确定性特征。即受到某些政策调控等因素影响上述模式可相互转化。如实施跨越式发展战略熬浃经济发震著加大环保投入。实魏经济与环境友好型发展可从模式I I I 直接转变为模式I 表现为系统问作用模式的“突变”等。如簿裁断两系统的演遴模式。通过弓| 入区间变量。以确定其发展阶段消除或减少不确定性因素影响。即城市人居环境S ( x ) 与JLY-i 人I V 经济滞靥I 经济环境环境模式协调模式,赢。低弋-7I I I 经
21、济环境I I 环境滞后。落嚣模式,经济模式低隧l 城市经济与环境系统相互作丽模式内涵疆F i g 1M o d e lo fi n t e r a c t i v em e c h a n i s mb e t w e e nu r b a ne c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dh u m a ns e t t l e m e n te n v i r o n m e n t靠懿 万方数据4 期熊鹰等:城市入居环境与经济协调发展不确定性定量评价4 0 1经济发展系统E ( y ) ,通过计算得到其系统各自的综合评价值,则当S ( x ) E ( y
22、 ) 时,即在此区间上反映该年该区域的经济发展滞后于人居环境的发展这一时段为经济滞后环境模式;当S ( x ) = E ( y ) 时,反映出该年人居环境与经济同步发展,这一时段为经济环境协调模式;当S ( x ) E ( y ) 时,则反映人居环境的发展滞后于经济发展水平,其发展为环境滞后经济模式;当S ( x ) 和E ( y ) 均成下降趋势,则说明系统间的发展为经济环境滞后模式。当然系统的综合评价值仅是该年度在整个评价中的相对水平,而非绝对水平。即评价值有正、有负。当其为负值时表明该年度的发展水平低于评价范围内的平均发展水平。3 2 4 基于不确定性数学模型的协调度计算方法不确定性数学
23、模型的方法有随机数学方法和模糊数学方法【拥。随机数学方法在生态学、经济学、环境科学和社会科学等领域,已经建立了大量的随机模型如随机预测模型、随机模拟模型、随机综合评价模型等均已有了较好的实际应用。模糊数学则通过建立模糊数学模型描述对象事物中不确定性的信息。目前,模糊综合评价、模糊决策分析、模糊规划在各学科中有了极为广泛的应用,而今后的研究重点则在模糊值测度、模糊逻辑推理方法等。城市人居环境一经济协调发展的不确定性。即模糊性,可以利用模糊数学模型来描述。基于不确定性数学模型的城市人居环境经济发展的协调性评价就是要确定系统间的模糊协调程度。即确定两系统在某一时段内的协调发展优劣程度状态值( 模糊协
24、调度) 。本研究引入模糊数学中的隶属度概念,对两个系统之间的协调程度进行计算分析。首先建立状态协调度函数v ( i ,f ) 旧,计算公式为:v ( v j ) = e x p - 伊一F ) 弼2 】( 5 )式中:v ( v j ) 表示i 系统相对于f 系统的状态协调度,F 表示? 系统对i 系统的实际值,F 表示j 系统对i 系统要求的协调值,S z 表示i 系统的实际方差。由系统协凋发展的意义及回归分析可知理想状态下城市人居环境与经济协调发展模式为同步发展。即i 系统的得分为K 时,i 系统得分也应为K 。但实际中两者完全同步的情况是很少的因此可认为当回归系数为0 8 1 时即可认定
25、两个系统为协调状态 6 1 。由此,可以确定F 的值,当人居环境指数为K 时,则要求经济发展值为( 0 8 1 ) K 。通过状态协调度v ( i ) 可以对系统间协调发展程度进行评价计算方法见公式6 。V = m i n V ( i j ) ,V ( j i ) m a x V ( i j ) ,V ( j i ) ( 6 )式中:y 是两系统的协调度指数;v ( i j ) 是i 系统对f 系统的状态协调度;V ( i i ) 是i 系统对i 系统的状态协调度。公式6 表明,y ( 沂) 与v ( i i ) 的值越接近,y 的值越大,说明两系统间协调发展的程度越高,反之,V ( i j
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