基于esda的城市可持续发展能力时空分异格局研究-彭程.pdf
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1、中国人口资源与环境 2016年 第26卷 第2期a蛆姗】I110N。砌强伽Ra鉴ANDDw琅a哂咖 V0l26 No2 2016基于ESDA的城市可持续发展能力时空分异格局研究彭 程123 陈志芬4 吴华瑞123 孙 想123 姚 娜5(1北京农业智能装备技术研究中心,北京100097;2国家农业智能装备工程技术研究中心,北京100097;3农业智能装备技术北京市重点实验室,北京100097;4中国城市规划设计研究院,北京100044;5中国2l世纪议程管理中心,北京100038)摘要可持续发展是复杂城市系统的动态变化过程。准确定量地评估和分析城市可持续发展能力,能够为城市发展战略制定、资源优
2、化配置等提供参考依据。具有重要的理论意义和应用价值。本文以20032013年问中国30个省级行政区280个地级及以上城市为研究对象。基于数据包络分析fDEA)和探索性空间数据分析(ESDA)方法,研究中国城市可持续发展能力的时空差异特征。酋先基于数据包络分析的思路,将资源、环境投入作为输入指标,人口、经济、社会发展作为输出指标,城市每年的发展状况作为评价单元,建立评价指标体系。然后采用探索性空间数据分析方法。分析城市可持续发展能力的时空格局变化。探索其空间分布格局、空闻关联模式、空间集聚状态和空阀异质特征。结果表明:第一全国地级以上城市的可持续发展能力上升趋势明显;第二。城市可持续发展能力与经
3、济格局、行政级别存在较好拟合,曼现出东部高于西部、直辖市高于地级市的区域差异特征,地域之闻差异正逐步缩小。从空间演变格局来看,2003年、2008年、2013年城市可持续发展能力呈现正的空间自相关,但相关性逐渐减弱;第三。城市可持续发展能力的空闫依赖性和空间异质性同时存在,整体热点区主要分布在中国东部地区,而中部、西部地区城市的可持续发展能力逐年提高,并呈局部高值空闻聚集状态。关键词城市可持续发展能力;时空分异:数据包络分析;探索性空间数据分析中图分类号F1299文献标识码A文章编号122104(2016)02一0144一憾doi:lO3粥9jis轴10022104201602018随着我国城
4、市化进程的加速,许多城市在不同程度上出现了人口过度聚集、基础设施短缺、环境极度恶化、生态严重破坏等问题。城市是一个由社会、经济、环境三个基本要素相互作用、相互依赖、相互制约而构成的复杂系统。如何在城市的发展过程中,改善生存环境,缓解人口增长的压力,保证经济、社会、环境的协调发展,就需要采用可持续发展的价值观,既保证城市的经济效益和生活质量,又将能源和其他资源的消费与污染最小化,使之满足当前和未来城市发展的需要。定量评价和动态监测城市可持续发展的状态和进程,可以为城市可持续发展能力做出正确判断,对可持续发展战略做出合理仲裁,是研究和实现城市可持续发展道路的基础和依据,也是城市可持续发展研究的热点
5、问题。城市可持续发展的评价步骤一般是首先根据评价目的、待评价城市的类型特点等,构建一个能全面反映城市复合系统各个方面状况的指标体系,然后运用某种评价方法对城市可持续发展能力进行测度。目前,学者们将各种方法应用到城市可持续发展评价中,从简单的指数评价法拓展到模糊数学评价法、层次分析法、BP神经网络法以及一些组合的评价方法1“。如李锋采用全排列多边形综合图示法评价济宁市在不同时段的建设成效;张卫民使用熵值法构造经济发展、社会进步和环境支持指数三个复合指标,设计出评价城市可持续发展的可持续系数和协调系数o;Li运用熵值法对各指标客观赋权后,运用灰色关联法计算基于熵权的关联度,对各城市可持续发展能力进
6、行定量评价。1;张婧利用层次分析构建陕西省城市可持续发展评价指标体系,并对陕西省10个地级市进行评价H1;韩静运用因子分析的方法,对全国15个资源型城市的经济、社会、环境子系统及复合生态系统的发展状况进行综合评价一1;陈晨运用调整后的生态足迹模型,计算西部9个典型性资源型城市的生态足迹及其生态承载力,并对各城市资源利用程度和生态环境可持续发展状况进行评价与分析。“;董锋改进绿色GDP和真实储蓄率评价方法,并引入灰色关联分析方法,建立系统分析与模糊分析收稿日期:2015一0925作者简介:彭程,博士,副研究员,主要研究方向为城镇信息化、空间数据分析。通讯作者:吴华瑞,博士,研究员,主要研究方向为
7、农业智能系统。基金项目:国家科技支撑计划项目“城市可持续发展能力评估与管理系统研发及示范”(编号:2013BAJ04804)。144万方数据彭程等:基于EsDA的城市可持续发展能力时空分异格局研究相结合的资源型城市可持续发展水平评价体系川;曹斌和郝翠对国内外可持续发展评价指标体系和评价方法进行了对比分析9。;郭存芝针对常见可持续发展综合评价的一定程度地掩盖了以牺牲资源与环境为代价换取经济增长和社会进步的现象,就评价结果的计算进行改进,采用相对于经济、社会发展的资源、环境投入效率系数进行可持续发展综合评价u。但是已有研究多采用传统的分析方法,缺乏对空间信息和时空联合信息的有效反映,对城市可持续发
8、展能力在地理位置上的分布规律、关联度和聚集性的研究相对较少,难以揭示城市可持续发展能力差异的空间特征。为此本文在数据包络分析(DataEnvelopment Analysis,简称DEA)模型的基础上,引入探索性空间数据分析(Exploratory Spatial Data Analysis,简称EsDA)方法,对20032013年我国城市可持续发展能力进行测度和区域差异的空间识别,探讨城市可持续发展能力在空间分布格局、空间关联性、空间集聚状态以及冷热点的演化格局,并通过GIs可视化方式展现其时空分异规律,从而为国家及地方宏观调控和区域发展政策提供相关依据。1研究方法与评价指标11 DEADE
9、A由AChames,WWCooper和ERhodes于1978年提出,是在“相对有效评价”概念基础上发展起来的一种新的系统分析方法,主要采用数学规划的模型评价具有多输入、多输出的决策单元(DMU)之间的相对有效性川。1 2I。DEA的特点在于进行多目标元素评价时,直接通过产出与投入之间加权和之比计算决策单元的投入产出效率,无需考虑投入与产出之间的函数关系,也无需预先估计参数和建立权重。13。”1。n个DMu,m个输入指标、s个输出指标的DEA基本模型CcR模型的线性表达式分别如下:CCR模型:max p善ur),ms2+驴并m一 (1)。善y。善q戈#(J=l,n)口0,n。0,(i=1,m,
10、=l,2s)其中,xi,q,y。,分别为第j个DMu的第i个输入指标观察值、权重和第t个输出指标的观察值、权重,一(O口1)为评价决策单元DMu。的投入产出效率。其含义是,当投入1个单位的成本时,该决策单元可以获得毋个单位的产出。城市可持续发展的各评价指标量纲不同,意义也不同,很难定量地确定指标的权重。DEA在用以研究多输入多输出的生产函数理论时,由于不需要预先估计参数,在避免主观因素和简化算法,减少误差等方面有优势u“。因此,本文引入DEA模型,对城市可持续发展水平进行评价,能够较好地解决城市可持续发展的多因素与不确定性问题。12 ESDAEsDA作为一种“数据驱动”的分析方法,主要是利用统
11、计学原理、图形图表等方法对空间信息进行分析,从而发现数据的空间分布规律,揭示数据的空间依赖性和空间异质性等现象”51 6。空间自相关分析是EsDA的核心内容,是指某种变量在不同空间位置观测数据之间的相关性;本文采用两类空间自相关系数来测算城市可持续发展能力的空间分布模式,一是全局空间自相关系数Morans I,用于度量城市可持续发展能力在整个研究区域的空间分布特征;二是局部空间自相关系数Local MomnsI,主要探索城市可持续发展能力在子区域上与与其邻近位置同一属性的相关程度06“8|。结合Moran散点图和LISA聚集图,可以识别冷热点区域的空间分布状态,并结合GIs将局部差异的空间格局
12、进行可视化。Momns I和Local Morans I的计算公式分别如下:M一,=麓笔箍羔牟kdrans,l 2东斋手既(t)(3)式中,n是城市总数,x。和|)f,分别为城市i和j的可持续发展能力相对效率,x是所有城市相对效率的平均值。形,是城市i和,之间的空间权重矩阵,本文采用距离函数来计算各城市的空间权重。l,3评价指标体系城市的可持续发展是一个复杂的系统过程,涉及到自然、经济、社会、经济等诸多因素,并具有非线性、动态的特点。同时,我国城市的发展模式、经济状况、规模特点等各有不同。因此,在选择城市可持续发展水平评价指标时,应遵循全面性、系统性、可操作性、可比性、稳定性与动态性等原则,以
13、及指标数据的可获得性,围绕城市发展的共同性和可持续性,构建反映城市社会、经济与环境协调发展现状的指标体系。可持续发展是一个地区经济、社会和资源环境三者保持适度和谐、协调发展的过程。可持续发展能力强,意味着系统能够用较少的资源消耗和环境代价获得人口、社会和经济的较大发展10”j。本文借助DEA的思路,将城市145万方数据中国人口资源与环境2016年第2期可持续发展的环境污染、资源消耗视为投入,人口发展状况、经济发展能力、社会发展能力视为产出,可持续发展的水平指数则表现为DEA效率值。在参考已有的城市可持续发展评价指标体系的基础上,根据城市可持续发展理论,按照上述指标选取原则,从环境、资源、人口、
14、经济、社会5个方面,主要选取了中国城市统计年鉴的指标,部分参考了各省统计年鉴的指标,运用主成分分析法、频度分析法和专家咨询法,对指标进行总结和筛选,形成了5个一级指标,21个二级指标组成的城市可持续发展能力评价指标体系,如表1。由于DEA模型的输入指标为越小越好的指标,输出指标为越大越好的指标,因此,需要对指标数据进行预处理,将环境成本、资源成本的二级指标变换为越小越好的指标,将人口发展、经济发展、社会发展的二级指标变换为越大越好的指标。例如,输入指标环境成本中二级指标“工业固废利用率”为越大越好的指标,变换为工业固废未利用率。输出指标人口发展中二级指标“年末城镇失业(登记)人数”为越小越好的
15、指标,变换为“就业率”。2城市可持续发展时间分异特征利用上述方法对20032013年间中国30个省级行政区280个地级及以上城市的可持续发展能力进行评价。由于云南临沧、甘肃定西、甘肃陇南、宁夏固原、宁夏中卫、西藏等部分地区缺失数据,去除数据缺失的城市,本文以280个地级及以上城市3年的可持续发展情况作为DEA决策单元,利用软件DEA-solver50,选择CcRI模型进行评价。根据计算结果,全国城市可持续发展能力的平均效率值2003年为0797,2008年为O866,2013年为0918。将效率值记为score,设定score=l为效率高,08Score1为效率中等,06score08为效率较
16、低,score06为无效率。2003年,可持续发展能力达到中等和高效率的城市有153个;2008年,中等和高效率的城市增加到194个;而到2013年,效率值达到l的为210个,效率值为低和无效率值的城市从2003年的127减少到52个。这表明中国城市的可持续发展能力逐渐上升,保持了稳步提高的良好态势,如图1。中国城市的可持续发展水平处于上升趋势,这与中国近年来在调整经济结构、转变发展方式、资源节约与环境保护等方面取得了积极进展有密切关系。自2001年以来,中国通过加强节能降耗与新能源开发,合理开发利用矿产资源,开展生态保护和修复,增强科技创新能力等措施,推进区域和国家的可持续发展。lO年来,中
17、国把推进146表11铀1城市可持续发展能力评价指标体系The evaluation index system 0f llrbaIlsustainable development战略性新兴产业发展、改造升级传统产业作为重要途径,努力转变经济发展方式;制定了节能减排的约束性指标,大力加强重点流域水污染防治、大气污染防治和工业废弃物综合治理,2010年,二氧化硫和化学需氧量排放总量分别较2005年下降1429和1245,城市空气质量、地表水水质均较十年前有了明显提高惮o;通过大规模开展生态修复工程,全国生态环境恶化趋势得到初步控制,部分区域生态环境质量显著改善。中国正努力探索一条在快速工业化和城镇化
18、阶段高效利用自然资源、保护生态环境、促进经济社会发展与资源环境相协调的道路陋1。万方数据彭程等:基于ESDA的城市可持续发展能力时空分异格局研究250200辐150鑫童繇呈1005002008年份Year图1 20032013年地级及以上城市可持续发展能力分布统计图Fig1 Cogram of urb粕sustainable deVelopment of 280cities at prefecture leVel aboVe d谢ng 200320l 3城市可持续发展空间分异特征31空问分布特征分析(1)按东部、中部、西部地带划分:按照中国3大经济带(东部地带包括北京、天津、河北、辽宁、上海、
19、江苏、浙江、福建、山东、广东和海南等11个省(市);中部地带包括山西、吉林、黑龙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南等8个省(市);西部地带包括重庆、四川、贵州、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆、广西、内蒙古等12个省(市)对中国城市可持续发展能力效率值进行综合测度,各年份三大地带的效率平均值如图2。从图2看出,20032013年东部地区城市的可持续发展能力一直高于全国平均水平,而趔褂较山凸图2 20032013年城市可持续发展能力三大地带对比图Fig2 Comp撕son diagmm of eastem,central,westemre舀ons and aVerage of urban
20、sustainable deVelopmentduring 20032013中部和西部低于全国平均水平。可见,我国城市可持续发展能力区域分布差异明显,其效率值的分布与三个地带的经济发展格局基本一致,呈现出从东部沿海向西部内陆地区递减的态势,效率值较高的城市大都集中在经济发达的东部地区。2003年,中西部分别有59和48的城市没有达到全国平均发展水平;而到2013年,中西部未达到全国平均水平的分别为27和16。分析20032013年三大地带的可持续发展能力效率值达到l的城市数目,中部地区从2003年的23个增加到2013年的71个,西部从29个增加到56个,这表明中西部地区的城市可持续发展能力逐
21、步上升,与东部的差距正在缩小。不同区域城市可持续发展能力的空间分布状态反映出城市所在区域优势与发展政策的差异。东部地区具备优越的地理位置、发达的经济基础、较高的科技水平以及早期经济开放的政策倾斜,从而为城市可持续发展创造了良好条件。而中西部一些地区,受到地理区位偏远、经济增长缓慢、技术水平落后和生态环境脆弱等多方面影响,使得城市可持续发展水平总体较为薄弱。但是随着我国2000年的西部大开发战略和2004年的中部崛起战略以来,中西部地区的投资环境和科技水平得到了很大改善,人力资源和资本存量等不断增强,对经济增长、资源能源利用效率、生态环境治理的贡献不断增大,初步扭转了区域经济发展差距扩大的趋势,
22、中西部地区的资源开发利用更趋合理,城市可持续发展能力持续提升,具有很强的发展潜力。从空间分布图来看,中国地级以上城市可持续发展能力效率值呈现出连片分布的空间格局,如图3,这表明相近的城市可能存在空间关联性,因此可以利用EsDA的空间自相关分析方法来探索中国地级以上城市可持续发展能力的空间分布模式。(2)按行政级别划分:根据直辖市、省会城市和地级市3个行政级别划分,北京、上海、天津和重庆在2003年、2008年和2013年的可持续发展能力效率值均达到了l。省会城市中,2003年效率值未达到l的城市有6个,包括石家庄、郑州、南宁、贵阳、西安和兰州,其中南宁的效率值最低为0583;2008年未达到1
23、的城市有南宁和西安2个,效率值分别为0749和0923;2013年只有兰州未达到l,效率值为0999。而地级市在2003年、2008年和2013年的可持续发展能力平均效率值分别为0777、0857、0908。这表明,城市可持续发展能力与城市行政级别格局一致,直辖市最高,省会城市次之,地级市最低。32空间关联性分析321全局自相关分析为便于描述效率值分布的空间格局,通过全局Mo瑚s I指数探讨中国城市可持续发展能力的总体格局分异特征。147万方数据中国人口资源与环境2016年第2期(a)2003年图3地级及以上城市可持续发展能力效率值空间分布图Fig3 M印of urban sustainabl
24、e deVelopment of cjties砒prefecture leVel aboVe将280个地级以上城市可持续发展能力的DEA效率值为分析单元,采用反距离函数建立空间权重矩阵,通过计算Global Mo姗s I,得到2003、2008、2013这3个年份的全局M咖s I,分别为O1、O12和003,并通过了p005的显著性检验,这表明各区域的城市可持续发展能力存在空间聚集现象,但是趋于减弱。322局部自相关分析上述全局Mo砌s I是对整个数据集总的空间模式相关性的分析结果,不能辨认高值和低值的空间聚类内部状态,并隐藏了偏离整体分布模式的空间关系。下文使用Mo砌散点图和uSA集聚地图来
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