基于主成分opsis法的土地利用与区域发展协调性评价研究

基于主成分opsis法的土地利用与区域发展协调性评价研究

一、土地利用与区域社会经济发展之间关系的协调性评价土地是自然属性和社会属性的结合。作为最基本的生产要素之一，土地为区域社会经济发展提供了基本的原材料和承担空间。近十几年来,中国经济快速发展,土地资源的开发利用取得了巨大的社会经济效益,同时也出现了生态环境恶化、人地矛盾突出等问题,如何协调土地利用与区域社会经济发展之间的关系成为人们关注的重点。“土地利用是社会的一面镜子”,一定时期的土地利用结构与社会经济结构也应该存在着一定的对应关系,通过对其协调性进行评价揭示这种关系,有利于合理利用土地,促进区域社会经济的更好发展。现有的成果主要是定性和静态的分析,大多从某一方面进行评价,缺乏综合考量,同时相对成熟的理论和方法也很少可以借鉴。根据以上考虑,本文首先基于土地综合承载力的视角,构建土地利用与区域发展协调性评价指标体系,同时将系统工程中有限方案多目标决策分析中的逼近理想解排序法(TOPSIS)引入对其的评价中,运用主成分分析法(PCA)与其结合进行改进,并以广东省龙门县为例进行实证研究,以期为土地利用与区域发展协调性评价提供新的研究思路,为区域土地政策的制定提供参考。二、土地资源综合承载力与水土地资源是一个地区经济、社会活动的载体,从土地资源承载力角度来研究区域土地利用是近年来研究的新视角之一。近年来,部分学者从理论角度对土地承载力的内涵做出了进一步阐述,提出土地资源综合承载力的概念,并进行了相关的实证研究,基于土地综合承载力的视角来衡量土地利用与区域发展协调程度,克服了传统评价方法中仅从单一因素如生态、粮食、人口承载等方面研究的不足,有利于对区域土地利用和社会经济发展的关系进行全面考量和评价,在此过程中找出促进区域土地资源的可持续利用和社会经济可持续发展的对策。按照科学性、系统性、整体性、动态性、可比性和可操作性原则,本研究将土地的综合承载力系统分解为土地的自然承载系统、经济承载系统和社会支撑系统三部分,构建土地利用与区域发展协调性评价指标体系如表1所示。三、土地使用与区域发展协调评估方法的选择(一)生成主成分并进行分析主成分分析法(PrincipalComponentAnalysis,PCA)是一种通过降维技术把多个指标约化为少数几个综合指标的统计分析方法。主成分分析法可以把影响土地利用与区域发展协调性的众多指标进行线性组合,使原始变量减少为有代表意义的少数几个新的变量,以少数几个指标来代替多个指标,使得选取的主成分既能更集中更典型地表明研究对象的特征,也能够包含评价所需要的足够的信息。进行主成分分析的主要步骤如下:1.对m个评价单元选择n个评价指标进行综合评价,构造原始数据矩阵X,2.对原始数据矩阵X分别正向型和逆向型指标分别采取不同的方法进行处理,得到规范矩阵G:3.将矩阵G的数据输入SPSS13.0软件进行主成分分析,主要包含以下步骤:①指标数据标准化(SPSS软件自动执行);②确定主成分个数p;③主成分命名;④确定主成分得分,公式为:Fn=a1pZX1+a2pZX2+…+anpZXn(式1)其中,Fn为各主成分得分,n为原始数据指标个数,ZXn是原始数据Xn经过标准化处理的值,a1i,a2i,…,ani(i=1,2,…,p)为X的协方差矩阵的特征值所对应的特征向量,p为确定的主成分个数,一般要求前p个主成分的累计方差贡献率在85%以上即可。(二)sis法的基本步骤逼近理想解排序法(TechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoIdealSolution,TOPSIS)是系统工程中有限方案多属性决策分析的一种常用的多目标、多属性决策方法。TOPSIS法通过对原始数据归一化处理,消除了不同量纲的影响,排序结果直接利用原始数据信息,具有对样本资料无特殊要求,使用灵活简便,结果直观等优点,能定量反映不同评价单元的优劣程度,因而可以在土地利用与区域发展协调性评价中加以应用。TOPSIS法的基本步骤如下:1.将前p个主成分重构综合指标体系矩阵A=(aij)mxp,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,p。2.构造加权的规范矩阵Z=(zij)mxp,其中,zij=aij×ωj,i=1,2,…,m;j=1,2,…,p;ωj为第j个指标的权重。因为传统的TOPSIS法在确定评价权重时采用主观赋值的方法,存在较大主观因素,个人偏好常影响指标权重的确定,特别是当评价的属性太多时,属性的相对重要程度的判断就更加困难,因此本文对TOPSIS法进行改进,将PCA法与之相结合,赋予各主成分客观的权重,克服评价中人为因素的干扰。3.由各项指标最优值和最劣值分别构成最优值向量Z+和最劣值向量Z-:Z+=(z+1,z+2,…,z+p);Z-=(z-1,z-2,…,z-p)(式2)其中:z+j=max(z1j,z2j,…,zmj),j=1,2,…,p(式3)z-j=min(z1j,z2j,…,zmj,j=1,2,…,p(式4)4.计算各评价方案与最优值和最劣值的距离D+i、D-i:D+i=∑j=1n(zij−z+j)2−−−−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000,D−i=∑j=1n(zij−z−j)2−−−−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000Di+=∑j=1n(zij-zj+)2,Di-=∑j=1n(zij-zj-)2(式5)5.计算各评价方案与最优值的相对接近度Ci=D−iD+i+D−i,i=1,2,⋯,mCi=Di-Di++Di-,i=1,2,⋯,m(式6)6.按相对接近度大小排序,Ci越大,表明第i个评价方案越接近最优水平。四、龙门县社会经济发展的现状龙门县位于广东省中部,惠州市北部,地处九连、罗浮两大山系之间,属丘陵地带,有“八山一水一分田”之说。随着全球与区域经济一体化的步伐加快,地处珠江三角洲边缘的龙门县社会经济发展进入了一个崭新的阶段,同时土地利用方面暴露出来的问题也越来越不容忽视。因此,对龙门县土地利用与其区域发展协调性进行评价,将对龙门县土地资源的合理利用和保护具有重要的现实意义。(一)土地利用评价本研究采用文中构建的评价指标体系,选取其中24个指标作为龙门县土地利用与其区域发展协调性实证研究的评价指标。指标数据主要来源于龙门县土地利用现状变更数据(1996-2006年)以及龙门县国民经济统计资料汇编(1996-2006年)。(二)各年评价方案比较基于TOPSIS法的基本原理,本文将龙门县1996-2006年之间的土地利用与其区域发展协调性状况作为11个评价方案。首先根据评价指标构造原始矩阵X,其次分别正向型和逆向型指标进行规范化处理得到矩阵G,然后根据PCA法的原理提取主成分,分别计算得分重构综合指标体系矩阵X,计算各个指标权重并构造加权规范矩阵Z,最后根据公式(5)、(6)分别计算各年评价方案与最优值和最劣值的距离以及与最优值的相对接近程度D+i、D-i和Ci,由此判断方案的优劣作为协调性评价的结果。以上步骤可以运用统计分析软件SPSS13.0和SAS9.1进行编程自动计算。1.旋转后的主成分将龙门县时间序列评价指标经过预处理后得到的规范化矩阵输入SPSS13.0软件进行主成分分析,根据特征根大于1,累积贡献率大于85%的原则得出主成分特征根、主成分贡献率和累计贡献率(见表2)。由表2可知第一、第二、第三主成分的累计贡献率已达88.30%,说明前3个主成分已提供了原始数据的足够信息,完全符合分析的要求。最后,通过主成分分析法提取出3个主成分作为龙门县土地利用与区域发展协调性评价的分析指标,为了对各个主成分进行命名,使用最大方差法进行旋转,经过3次迭代收敛,按系数从大到小排列,得出旋转后的主成分载荷矩阵(见表3)。由表3可知,第一主成分在单位建设用地二三产业产值、单位土地固定资产投资额、人均GDP、第三产业增加值占GDP比重、化肥集约度等指标的载荷量绝对值较大,因此,第一主成分反映经济承载系统的影响作用;第二主成分在人均耕地、灌溉面积占耕地比例以及耕地压力指数等指标的载荷量绝对值较大,因此,它主要反映龙门县自然承载系统的影响作用;第三主成分在粮食单产、人均粮食和居民综合恩格尔系数等指标绝对值较大,因此,它主要反映社会支撑系统的影响作用。根据式(1)求出前三个主成分的得分,同时,将每个主成分对应的方差贡献率除以三个主成分的累计贡献率即得到每个主成分的权重,将前三个主成分重构成综合指标体系,见下表4。从权重来看,反映经济承载系统的第一主成分权重最大,为0.7525,反映自然承载系统的第二主成分权重为0.1425,反映社会支撑系统的第三主成分权重为0.1050,说明经济承载能力是影响龙门县土地利用与区域发展协调性的首要因素。2.土地利用与区域发展协调性评价依据公式(5)、(6),将表4中数据输入SAS9.1进行编程自动计算,得出各年评价方案与最优值和最劣值的距离以及与最优值的相对接近程度D+i、D-i和Ci,见下表5。从表5可以看出,在龙门县1996-2006年土地利用与区域发展协调性评价的11个评价单元中,2006年为最优方案,为0.8602,协调性程度最高;1996年为最劣方案,为0.1328,相比较而言协调性程度最低,龙门县土地利用与区域发展协调度在11年间逐年递增,1996到2006年间,增加幅度为0.7274,这说明随着自然、经济、社会各方面的发展,龙门县土地利用与其区域发展之间的协调性也呈现出越来越好的趋势。五、基于主成分to-4,龙门县土地利用与区域协调发展是经济增长的最重要方面(一)本文采用PCA法将土地利用与区域发展协调性评价指标由多个降维综合为3个主成分,避免了指标体系中各个指标之间的信息交叉和冗余,同时采用客观的PCA法赋权重对传统TOPSIS法进行改进,克服了主观赋权法的缺陷,使得改进的TOPSIS法能够最大程度地利用评价指标提供的有用信息量,减少了人为因素影响,以进行更加客观科学合理的决策。通过主成分TOPSIS法分析可以看出,龙门县土地利用与区域协调程度在1996-2006年的11年间总体上呈上升趋势,同时经济承载能力是龙门县土地利用与区域发展协调性的最重要影响因素。(二)区域土地资源利用受各种各样的复杂因子制约,土地利用与区域发展是一个典型的社