基于主成分分析法研究南京市环境质量的统计分析

孙东升

(东南大学机械工程学院 南京 211189)

南京地处长江下游的宁镇丘陵山区就，东连富饶的长江三角洲，西靠皖南丘陵，南接太湖水网，北接辽阔的江淮平原。南京是中国重要的综合性工业生产基地。南京的电子、化工生产能力在国内城市中居第二位，车辆制造规模居第三位，机械制造业的技术、规模居国内领先地位，家用电器业、建材工业也都具有较大规模。但随着经济的发展，外来人口的增多，汽车使用量的剧增，使得南京的生态环境受到了一定程度的影响。而生态环境很大程度上也影响了南京市的经济发展。所以，加强生态保护，做到经济的可持续发展是至关重要的。对南京的环境质量进行统计分析，总体上对南京的生态环境状况有一个了解也是十分必要的。本文运用主成分分析的多变量处理优点，从环境污染和生态破坏角度对南京市的环境质量进行综合评价。

l环境质量评价的指标体系和评价方法

1.1 构建指标体系

环境保护是一项复杂而且具有风险性的任务，它包括与人类活动密切相关的水、大气、土壤和生态环境等方面的问题。由于造成环境问题成因的多样性和综合性，使得环境保护的实施受到诸多因素阻碍。因此，评价一个区域的环境质量，需要综合各方面的不同指标进行评价。

科学的指标体系的选取是评价区域环境质量合理性的前提。环境质量评价指标体系是一个综合、多维的系统，经过分析相关资料及咨询多方专家，本文从环境污染(固、液、气污染及工业、生活污染)和生态环境角度确立多种指标的评价体系，选取具有代表性的10种环境质量评价指标构建评价体系。具体环境质量评价指标包括工业废水排放量x1、生活废(污)水排放量x2、废水COD排放(工业和生活)x3、二氧化硫排放量x4、粉尘排放量(工业)x5、工业固体废物排放x6、森林覆盖率x7(逆指标)、(建成区)绿化覆盖率x8(逆指标)、城区区域环境噪声（分贝）x9、自然保护区面积 x10(逆指标)。

1.2 评价方法—主成分分析法

主成分分析(PCA)最早是由美国统计学家皮尔逊(PEARSON)在1901年的生物学理论研究中引入的，也称主分量分析或矩阵数据分析。它通过变量变换的方法把相关的变量变为若干不相关的综合指标变量，比如，建立一个指标体系，为了从不同的侧面反应系统分析和评价的综合性与全面性，在指标体系中要设立若干个（n个）指标，其指标权数的确定方法是基于数据分析而得到指标间的一种内在关系，摒弃了人工评价确定权数的主观性，是一种客观合理的方法，因此被广泛用于经济、社会、技术等领域，并起到了重要的作用。在环境质量评价方面，主成分分析是指把描述环境质量的多个要素(样本)化为少数几个综合指标的一种统计方法。主成分分析的具体步骤如下：①计算相关矩阵或协变量矩阵估计共同性（community，或称共通性）：是设定主成分开始萃取时的共同性。共同性是指变量的方差由主成分决定的比例，若是相关矩阵则共同性设为1；若是协变量矩阵则共同性为各变量的方差。②从相关矩阵或协方差助阵中萃取主成分。③决定因素的数目，对因素分析进行命名和结果解释。

若某研究对象有两项指标ζ1和 ζ2，从总体 ζ(ζ1、ζ2)中抽取了N个样品，它们散布在椭圆平面内(见图 1),指标 ζ1与 ζ2有相关性。η1和 η2分别是椭圆的长轴和短轴，η1⊥η2，故 η1与 η2互不相关。其中 η1是点 ζ(ζ1、ζ2)在长轴上的投影坐标，η2是该点在短轴上的投影坐标。从图1可以看出点的N个观测值的波动大部分可以归结为η1轴上投影点的波动，而η2轴上投影点的波动较小。若η1作为一个综台指标，则η1可较好地反映出N个观测值的变化情况，η2的作用次要。综合指标η1称为主成份，找出主成份的工作称为主成份分析。

可见,主成份分析即选择恰当的投影方向，将高维空间的点投影到低维空间上，且使低维空间上的投影尽可能多地保存原空间的信息，就是要使低维空间上投影的方差尽可能地大。

图1 主成份分析法示意图

2 数据收集和处理

2.1 数据收集

本文采用南京市2007—2011年环境污染和生态环境方面典型的指标值作为评价样本数据(数据来源于南京环境保护局官网公报)。10项环境质量评价指标，进行整理后作为研究的原始数据(表 1)。

表1 南京市环境质量评价指标及历年数据

2.2 运用主成分分析法计算

原始数据中各指标量纲不同，为了消除量纲的影响对原始数据进行标准化处理。其中森林覆盖率、绿化覆盖率、自然保护区面积三项指标为了使其反映的环境质量方向与环境污染表示的一致均采用逆指标进行标准化。利用标准化后的样本数据矩阵计算其相关系数，得到相关系数矩阵R见表2。

表2 南京市环境质量评价各指标间的相关系数

运用SPSS软件对标准化后的数据进行主成分分析,求得特征值、贡献率、累积贡献率见表3。

表3 主成分特征值及贡献率

选取特征值大于1或累积贡献率大于85%因子为主成分，由表3可知前三个指标累积贡献率达到96.536%，可选取为主成分。对两三个主成分进一步分析得到标准化的正交旋转因子矩阵见表。

表4 旋转因子载荷矩阵

从表3可以看出，通过主成分分析法的计算，将影响南京市环境质量的10种因子的全部信息归结为3个主成分反映96.536%，通过分析前3个主成分即可反映影响南京市环境质量的大部分的信息。

第一主成分的贡献率是59.360%，由表4可知，第一主成分在生活污水排放总量、粉尘排放量、工业固体废物产生量、森林覆盖率/%、重要生态功能保护区、上均具有较高的正载荷，从表2各指标间的相关系数，可知这四个指标之间具有较强的相关性，其中粉尘排放量和烟尘排放量与建成区绿化覆盖率的相关系数较高，由于城市的绿化植物能吸收烟灰和粉尘，有净化空气的作用。第二主成分的贡献率是25.537%，第二主成分在森林覆盖率、绿化覆盖率、重要生态功能保护区上具有较高的正载荷，分别是0.708和0.983和0.910，从表2可知绿化覆盖率和重要生态功能保护区的相关系数是0.922，具有较强的相关性，因此第二主成分决定着森林绿化对南京市环境质量的影响。

2.3 综合评分

环境质量综合得分是以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算主成分综合得分，并对其按综合主成分值进行排序，即可对各年份进行综合评价比较，见表5。

表5 南京环境质量指标的主成分得分、综合得分及质量排序

3 统计结果与讨论

由表5可知，南京环境质量综合分值逐年降低。由于该评价指标是从环境污染和生态破坏角度建立的，因此，分值越低，环境质量越好。显然南京市自治区的环境质量自2007年以来有逐年好转的趋势。就综合分值而言，2011年比2010年增长1.559，2010年比 2009增长 1.569，2009年比 2008年增长 1.416，2008年比2007年增长0.651，自2009年的近三年以来增幅较前两年均有所增加，说明南京市环境质量的整体优化速率逐年加快，在国家及地方政策的引导下，南京市自治区环境质量有了很大的改善，整体环境状况取得了长足的进步。从影响南京市环境质量的微观层面，即环境污染角度分析，大气污染是造成南京市环境污染的主导因素，另外行业污染中的工业污染源也对南京市的环境质量造成很大的负面影响。究其影响原因如下：

南京市是我国著名的历史名城之一，也是江苏省和长三角地区的经济重镇，近年来经济发展迅速，城区开发速度明显加快，各工业区规模不断扩大，污染也随之加剧。南京市目前处在工业化中级向高级过渡的阶段，工业化中期阶段的加速增长主要依赖于制造业特别是重化工业的高速增长。工业化特征非常明显，但是，经济结构的重型化也带来了严重的环境污染。南京市工业粉尘排放量和工业固体废物产生量逐年递增，2001年，工业固体废物产生量已经到达1791.5万吨。南京是中国重要的综合性工业生产基地。南京的电子、化工生产能力在国内城市中居第二位，车辆制造规模居第三位，机械制造业的技术、规模居国内领先地位，家用电器业、建材工业也都具有较大规模。伴随着工业生产规模的不断扩大和经济效益的不断提升，带给环境的不利影响也逐步的显现。同时，工业的扩张和经济的发展也导致了外来人口的增多，生活污水的排放量也持续增加。这些对南京的生态环境的破坏都是显而易见的。

根据发达国家的经验，在工业化中后期，社会经济进入新的快速发展期，第三产业比重迅速上升，人均GDP和城镇化水平均出现大幅提高，同时环保投入成倍增加，环境明显改善。近几年来，南京市充分认识到环境问题的严重性，采取了积极有效的环境政策，环保成效已然显现。数据分析表明南京市的环境污染程度已经开始随经济增长而有下降趋势。

4 小结

环境问题已经成为国际社会共同关注的焦点问题，因此生态环境建设无疑成为国内外竞争力的主宰力量。我国的环境保护工作虽然取得积极进展，但环境形势依然十分严峻，环境管理严重滞后，与环境保护任务要求仍不相适应。“十一五”期间，南京市先后出台了《中共南京市委、市政府关于落实环保优先战略加快生态市建设推进科学发展的意见》、《南京市人民政府关于落实环保优先战略推进环境保护工作的若干政策措施》等重要文件，将环境保护工作摆上重要的战略地位，将环保优先方针化成确定全市经济、社会发展的战略导向，将创建生态市作为城市发展的目标定位和价值取向，有效地促进了环境保护工作健康发展。“十二五”时期(2011年—2015年)，是南京加快经济转型升级、率先基本实现现代化的重要时期，是“办好青奥会、建设新南京”的关键时期，也是全力推进生态市建设、全面提升生态文明水平的攻坚时期。根据《国家环境保护“十二五”规划》、《江苏省“十二五”环境保护和生态建设规划》、《中共南京市委关于制定南京市国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》和《南京市国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，编制《南京市“十二五”环境保护规划》。本规划是市政府确定的基础性规划之一，主要阐明“十二五”时期环境保护目标、任务、重点工程和政策取向，是今后五年南京市环境保护和生态建设的行动纲领。南京市将抓住青奥会举办的契机，真正做到绿色青奥，努力实现南京环境的可持续发展。

[1]胡晓芳,王祖伟,王晓娟.基于主成分分析法研究内蒙古环境质量的统计分析.北方环境第24卷第1期2012年2月.

[2]王宜虎,崔旭,陈雯.南京市经济发展与环境污染关系的实证研究欧美及日本对饮用水评价的研究.长江流域资源与环境.第15卷第二期2006年3月.

[3]许丛,操勘,衰媛.基于主成分分析法的安徽省生态环境质量研究.研究方法.资源开发与市场.Resourse Development&Market.200824(2)

[4]叶超,许武成,张立立.基于主成分分析的四川省城市人居环境评价.西昌学院学报·自然科学版.第24卷第2期2010年6月.

[5]汪应洛.系统工程[M].北京：机械工业出版社.2009.54-60.

[6]林震岩.多变量分析SPSS的操作与应用.北京大学出版社.2007.