基于熵权TOPSIS的湖北省城市人居环境质量时空分异研究

崔世华， 于 婧， 陈艳红， 韩晨晓

(湖北大学资源环境学院， 区域开发与环境响应湖北省重点实验室， 武汉 430062)

城市作为人类赖以居住和生产、生活的场所[1]，其人居环境质量是人民获得感、幸福感、安全感的重要来源.自党的十八大以来，习近平总书记提出要高度重视城市的建设，指出城市建设要围绕人民群众的需要、贴近人民群众的生活、服务人民群众的利益，以创造宜业、宜居、宜乐、宜游的良好环境为目标.但随着城市化的快速发展，城市人口与城市生产、生活、生态之间的矛盾日益突出[2]，城市人居环境质量亟待改善与提高，因此探索城市人居环境质量提升途径，促进城市全面快速发展是当前城市建设的重要问题之一.

国外对人居环境的研究始于20世纪50年代，由希腊学者Doxiadis 率先提出“人类聚居学”理论[3]，奠定了人居环境科学的理论基础.随着人类生活水平的提高，学者们对人居环境科学的研究方向逐渐拓宽.目前，国外关于人居环境的研究主要集中在以下三个领域.第一类主要以生态学为基础，研究土地、气候、景观等自然要素对城市居住模式的影响.如Jenerette以美国凤凰城为例研究气候与植被变化对地区居住格局的影响[4]，Mehmet从气候方向入手对土耳其卡斯塔莫努城市的人居环境适宜性进行评价[5].第二类主要以人地关系为基础，探讨城市的发展对城市空间形态的影响.如Saitluanga以印度东北部喜马拉雅城市为例研究了城市扩张其对周边城市的影响[6]， Randall等从地理学角度出发研究地区的城市生活质量[7].第三类主要以城市规划为最终目的，研究城市交通、景观、基础设施等对城市宜居度的影响.如Mohadeseh等以吉隆坡两条街道为例研究了马来西亚宜居街道的宜居性特征[8]，Komeily等从经济、环境、社会和机构四方面出发对居住社区可持续性进行评估[9].

国内对人居环境的研究始于20世纪90年代，由吴良镛院士在Doxiadis “人类聚居学”理论的基础上提出了“人居环境科学”一词，奠定了国内人居环境科学研究的理论基础[1].此后，随着城市化水平的不断提高，国内关于城市人居环境的研究逐渐增多.目前国内关于城市人居环境的研究主要分三类.第一类主要以某一地区或城市为研究对象，通过构建人居环境评价的指标体系，采用层次分析法、主成分分析法、熵权法等研究方法对地区或城市人居环境质量展开评价.如李雪铭采用熵权法对中国主要城市的城市人居环境质量特征和时空差异变化进行了分析[10]，李帅采用层次分析法和熵权法对宁夏的城市人居环境质量展开了研究[11].第二类主要通过构建两个系统的评价指标体系，采用耦合协调度模型研究城市人居环境质量与某一发展要素的耦合协调关系.如李伯华定量研究了湖南省人居环境与经济发展之间的关系[12]，李雪铭探究了大连市人居环境质量与其内部子系统之间的耦合协调关系[13].第三类主要对影响地区或城市的人居环境质量影响因素展开研究.如杨晴青采用地理探测器模型对影响长江中游地区城市人居环境演变的主要驱动力进行探讨[14]，董锁成运用主成分分析法探究影响山东半岛城市群人居环境质量的主要因素[15].

关于城市人居环境的研究，国内外学者已展开了大量工作并取得丰硕的成果，主要评价方法包括层次分析法[16-17]、熵权法[18-19]、主成分分析法[20-22]、模糊综合评价法[23]，研究尺度涉及了城市[11]、省域[12-13]、区域[17-20]，这些研究为后期城市人居环境质量评级奠定了良好基础，但在以下方面仍有可突破的空间：一是研究方法过于单一，综合研究方法运用较少；
二是研究区域局限于整体区域或单一城市，省域尺度研究较少；
三是研究时间尺度缺乏连续性，缺乏省域动态研究.基于此，本文以湖北省17个地市州作为研究对象，选取2013—2018年6个时间断面，从生活、生产和生态质量3个方面建立城市人居环境质量评价指标体系，综合运用熵权TOPSIS法和地理探测器模型对湖北省城市人居环境质量时空分异特征展开研究，以期为湖北省城市人居环境质量的优化提供理论支持与参考.

湖北省地处29°05′～33°20′N，108°21′～116°07′E，位于长江中游地区.全省国土面积共计18.59万km2，下辖 12个省辖市、1个自治州、1个林区和 3个省管市.湖北省东连“长三角”，西接成渝城市群和关中城市群，南通“粤港澳”，北接中原城市群和京津冀城市群，是我国“中部崛起”战略的重要支点.湖北省作为国家城镇化建设的重点省份，在城镇建设过程中始终坚持“以人为本”的原则，以创造宜业、宜居、宜乐、宜游的良好环境为城市建设目标，先后获得了“文明城市”“宜居城市”的称号.2018年湖北省城镇人口共计3 568.0万人，城镇化率达到了60.3%.随着城市化进程的不断加快，城市人口与城市生活、生产、生态之间的矛盾日益增多，建设优良城市人居环境的任务依旧繁重.

2.1 研究方法

2.1.1 熵权TOPSIS法 本文运用熵权法来确定各指标的权重，再借助TOPSIS法通过比较各评价对象对正负理想解的程度，获得优劣排序，最终得到湖北省城市人居环境质量的评价结果，具体流程如下.

1) 数据标准化.本文采用极差法进行数据的标准化，公式为：

(1)

(2)

式中，Rij为第i个评价指标的标准化值；
Xij表示第i个城市第j项指标的初始值；
Xmax表示j指标的最大值，Xmin表示j指标最小值.

2) 权重确定.本文采用熵值法确定各指标的权重，公式为：

(3)

式中，Wj为第j项指标值的权重，n为评价指标的个数，ej表示第j项指标的值.

(4)

式中，Ci取值范围为0～1，Ci越靠近1，说明城市人居环境质量越好，通过计算得到湖北省城市人居环境质量得分和子系统得分.

2.1.2 地理探测器模型 运用地理探测器模型[24]计算各指标因子X对城市人居环境质量Y的贡献力q值，q的取值范围为[0，1]，q值越大，说明X指标对Y的贡献作用越大.公式为：

(5)

2.2 数据来源

城市人居环境质量评价指标数据主要来源于2013—2018年《中国城市统计年鉴》《湖北省统计年鉴》，及各地市州的《统计年鉴》和《国民经济和社会发展统计公报》.

3.1 评价指标体系的构建

借鉴有关城市人居环境质量评价的相关成果[15-23]，在遵循系统性、代表性、可操作性的基础上，参考专家意见，结合湖北省城市发展现状，从城市人居生活、生产和生态质量三个方面构建湖北省城市人居环境质量的评价指标体系.

本文最初筛选了18个指标作为湖北省城市人居环境质量的评价指标，采用熵权法对其进行赋权.在首轮赋权中，公路里程、医疗卫生机构床位数两个指标由于地区间差异大，导致单一指标赋权值大于0.2，过于强调单一指标对地区的影响力，不能从指标内涵方面综合考虑多因素的共同作用.为避免极值过于强调单一因素的作用，本文将公路里程转换成公路里程密度，医疗卫生机构床位数转换成每万人医疗卫生机构床位数.最终确定了人口密度、城镇化率、工业废水排放总量等18个指标，在重新赋权后构成湖北省城市人居环境质量评价指标体系(见表1).

表1 湖北省城市人居环境质量评价指标体系

3.2 湖北省城市人居环境质量时空演变特征分析

3.2.1 湖北省城市人居环境质量时间演变特征 根据上述的城市人居环境质量评价指标体系、权重和收集数据属性，计算得到2013—2018年湖北省城市人居环境质量及其子系统平均值和标准偏差的变化趋势图(见图1).

图1 2013—2018年湖北省城市人居环境质量及其子系统平均值和标准偏差趋势图

从城市人居环境及其子系统质量的平均值和标准偏差总体变化趋势来看，2013—2018年湖北省城市人居环境及其生活、生产、生态子系统质量的平均得分分别从2013年的0.370、0.353、0.330、0.554上升到2018年的0.480、0.513、0.404、0.699，各地市州城市人居环境及其生活、生产、生态子系统质量的标准偏差分别由2013年的0.093、0.084、0.160、0.111下降到2018年的0.092、0.078、0.158、0.086.说明湖北省城市人居环境及其子系统质量总体上呈提升趋势，各地市州城市人居环境及其子系统质量差距总体上呈缩小趋势.自2013年以来，湖北省先后聚合西部大开发、促进中部地区崛起、武陵山经济协作区等发展战略之力，紧抓“两圈一带一群”发展机遇，全面推进湖北省各市州城市经济的协同发展，加快城市产业结构的调整，不断完善公共基础服务设施，大幅提高了各地市州城市人居生活、生产和生态质量，进而带动了湖北省城市人居环境质量的提升和各地市州城市人居环境质量差距的缩小.

具体来看， 2013—2018年湖北省城市人居环境及其子系统质量的平均值和标准偏差变化趋势可分为以下两阶段.第一阶段(2013—2015年)，城市人居环境及生活、生产子系统质量平均值快速提升，其标准偏差呈现出缓慢增大趋势，城市人居生态子系统质量平均值逐渐下降，其标准偏差呈快速缩小趋势.此阶段湖北省以促进发展方式转变，加快经济结构的战略性转型升级为核心发展任务，快速协同推动了各地市州经济的发展和城市基础设施的完善，提高了城市人居生产和生活质量.同时经济的快速发展对城市人居生态质量造成了一定压力，导致城市人居生态质量呈下降趋势.第二阶段(2015—2018年)城市人居环境及生活、生产子系统质量平均值缓慢提升，其标准偏差逐渐缩小，城市人居生态子系统质量平均值快速提升，其标准偏差呈缓慢缩小趋势.此阶段湖北省总结上一阶段城市建设与发展的短板，推动“两圈两带”协同发展、增强“一主两副多级”城市带动功能、创新城市基础设施建设和投融资模式、完善城市生态环境治理体系，全面提高了湖北省城市人居环境的质量，缩小了各地市州人居环境的差距.

3.2.2 湖北省城市人居环境质量空间分布特征 为进一步揭示湖北省城市人居环境质量的空间分布特征，本文对各地市州的多年评价结果取平均值，采用自然断点法，对地市州的城市人居环境质量及其子系统进行分级，从优到劣分为高水平、中等水平、低水平3个等级，并将分类结果用Arc GIS进行可视化表达(见图2).

从城市人居环境质量的空间分布上来看，湖北省城市人居环境及其子系统质量的空间分布具有良好的梯度性特征，在整体上呈现出“核心集聚、局部连片”的空间分布特征，形成了以武汉市和鄂州市为核心的城市人居环境质量高水平集聚区，以黄石市-咸宁市、天门市-潜江市-仙桃市、襄阳市-宜昌市为主的城市人居环境质量中等水平连片分布区和以十堰市-神农架林区-恩施土家族苗族自治州、荆州市-荆门市-随州市-孝感市-黄冈市为主的城市人居环境质量低水平连片分布区；
从各子系统的空间分布上来看，城市人居环境高水平地区、中等水平集聚区与城市人居生活和生产高水平、中水平集聚区基本吻合，见图2(b)和图2(c)，说明城市人居生活和生产质量是影响城市人居环境质量的主要因素.以武汉市和鄂州市为核心的城市人居环境质量高水平集聚区经济发展基础雄厚，城市建设起步早，城市生活保障及基础设施完善度均位于湖北省前列.以黄石市-咸宁市、天门市-潜江市-仙桃市、襄阳市-宜昌市为主的城市人居环境质量中等水平连片分布区紧抓“两圈一带一群”发展机遇，大力提升城市经济发展实力，加快城市基础设施的完善和城市生活保障的提升，合理控制人口集聚度，从而促进了城市人居环境质量的提升.以十堰市-神农架林区-恩施土家族苗族自治州、荆州市-荆门市-随州市-孝感市-黄冈市为主的城市人居环境质量低水平连片分布区虽拥有优质的城市人居生态发展基础，但由于其城市发展历史短、经济发展基础薄弱、其城市生活保障和基础设施也处于相对落后水平，难以满足城市居民的基本需求，最终形成城市人居环境质量低水平集聚区.

图2 2013—2018年湖北省城市人居环境质量及其子系统空间分布图

从图2(a)东中西三个方向上来看，城市人居环境质量提升速度具有明显的空间分布特征，其中鄂西地区城市人居环境质量提升最为显著，鄂中地区次之，鄂东地区最小，提升幅度分别为37.59%、34.78%、32.21%.鄂西地区受地形因素影响，城市发展历史较短，城市人居环境质量相对落后.但随着西部大开发及“两圈一带一群” 战略实施以来，鄂西城市紧抓发展机遇，大力发展城市经济，为城市人居生活和生产质量的改善奠定了物质基础，进而带动了城市人居环境质量的大幅提升；
鄂中地区城市经济条件相对优越，城市建设起步早，在保持自身优势的基础上进一步加大了城市生产规模和城市生产能力的提升，进一步提高了城市人居环境质量；
鄂东地区城市整体上人居环境质量处于高水平状态，随着城市人居环境质量相对落后的黄冈市大力加强城市基础设施建设后，鄂东地区城市人居环境质量也得到了进一步提升.

3.2.3 湖北省城市人居环境质量时空演变的贡献因子分析 城市人居环境的时空演变受到多重因素的综合影响，为探究影响湖北城市人居环境质量时空演变的贡献因子，本文采用K-MEANS聚类将各指标因子标准化后的数值从大到小分为3类，采用地理探测器模型测度各因子对湖北省城市人居环境的贡献力q值，q值越大则该因子对城市人居环境质量的贡献力越大.

从单因子贡献率变化趋势图上看(见图3)，各因子对城市人居环境质量提升均具有贡献作用，贡献力位于前五位的因子分别为：规模以上工业企业数密度(X11)、人均社会消费品零售总额(X8)、人均固定资产投资(X10)、城镇化率(X2)、公路里程密度(X7).这5个因子主要驱动湖北省城市人居环境质量的提升，且随着时间演变其对于城市人居环境质量的贡献率呈逐渐提升趋势.同时，这5个因子均属于城市人居生产和生活类子系统范畴，说明城市的生产发展水平、生产规模、城市基础设施、合理的人口集聚度是驱动优质的城市人居环境质量形成的重要基础条件，且随着时间推移其驱动力呈逐渐增强趋势.就湖北省目前的城市发展情况来看，城市人居生活和生产质量差距虽呈缩小趋势，但各地市州经济发展、生活保障和城市基础建设差距依旧存在.因此可以预见的是，城市人居生产和生活质量的改善在未来很长一段时间仍是湖北省城市人居环境改善的主要动力.

图3 湖北省城市人居环境质量因子贡献率变化趋势图

从各因子的交互作用结果上来看(见表2)，湖北省城市人居环境质量因子两两交互作用呈现线性增长和非线性增长两种趋势，不存在两因子独立或两两交互减弱的情况.且随着时间推移，双因子驱动的非线性增强数量逐渐提升，说明随着时间演变，城市人居环境质量提升的重心将由少数的核心因子向多因子共建转变.武汉市、鄂州市作为城市人居环境质量高水平城市，虽然其城市人居生态质量在全省处于中等水平，但由于城市经济发展迅速，城市生活保障和城市基础设施相对完善，在城市人居生活和生产质量两方面的综合带动下，其城市人居环境质量依旧处于高水平状态.十堰市、神农架林区、恩施土家族苗族自治州受地形影响，城市经济发展水平较低、城市生产规模、生产能力、城市生活保障、城市基础设施完善度相对较低，虽具有优质的城市人居生态质量，但缺少优质的城市人居生活和生产质量对其综合带动，故其城市人居环境质量依旧处于低水平状态.

表2 地理探测因子交互统计结果

4.1 结论

1) 湖北省城市人居环境质量的时间演变特征.2013—2018年各地市州城市人居环境质量及其生活、生产、生态子系统质量的平均得分分别从2013年的0.370、0.353、0.330、0.554上升到2018年的0.480、0.513、0.404、0.699，各地市州城市人居及其生活、生产、生态子系统质量的标准偏差分别由2013年的0.093、0.084、0.160、0.111下降到2018年的0.092、0.078、0.158、0.086，城市人居环境质量平均值和标准偏差均呈两阶段变化趋势，城市人居环境及其子系统质量总体呈上升趋势，各地市州城市人居环境及其子系统质量差距总体上呈缩小趋势.

2) 城市人居环境的空间演变特征.2013—2018年，湖北省城市人居环境质量空间分布呈良好的梯度性，省会城市及周边部分地区、副省域中心城市的城市人居环境质量较好，在空间上呈现出“核心集聚、局部连片”的分布特征；
在城市人居环境质量空间提升速度上，鄂西地区城市人居环境质量改善速度最快，鄂中地区次之，鄂东地区最小.

3) 城市人居环境质量贡献因子分析.因子探测器发现规模以上工业企业数密度、人均社会消费品零售总额、人均固定资产投资、城镇化率、公路里程密度是研究期内驱动湖北省城市人居环境质量提升的主要贡献因子，且随着时间推移，城市人居环境质量受主要因子的影响逐渐增大；
交互探测器发现双因子两两交互贡献率大于单因子贡献率，无两因子独立或两两交互减弱的情况，且随着时间演变，双因子驱动的非线性增强数量逐渐提升.

4.2 建议

1) 加强城市经济建设，提高城市人居生产质量.十堰市、神农架林区、恩施土家族苗族自治州、随州市、荆门市、荆州市、孝感市、黄冈市受自身发展基础影响，城市经济发展水平较低、城市生产规模、居民收入水平、城市基础设施完善度相对较低，城市人居生产质量处于低水平状态.建议在未来城市规划中，要继续加强城市经济建设投入，全面更新城市产业结构，加强产业链条的延伸.同时加大产业科技投入，加快先进产业、人才、技术的引进，积极借鉴优势城市的发展经验，提升城市人居生产质量.

2) 完善城市基础建设，提高城市人居生活质量.襄阳市、宜昌市、潜江市、天门市、仙桃市、黄石市、咸宁市在城市发展过程中，其城市生活保障及基础设施完善程度滞后于城市人口集聚速度，城市人居生活质量落后.建议在未来城市规划中，要在推动城市经济发展基础上，加强政府资金对城市生活保障和基础设施的投入，加强地区服务产业扶持，增强城市自生群体的责任感，提升城市居民的便宜度和幸福感，从而提升城市人居生活质量.

3) 加强城市生态恢复，提高城市人居生态质量.武汉市、鄂州市近年来在城市人居生活、生产质量提升速度上相对较快，但其城市人居生态质量相对较低.建议在未来城市规划中，不断加强城市生态环境的恢复，着重城市空气、水域、土地的生态恢复，控制城市扩张边界，加强城市生态监测，提高城市生态保护标准，在现有基础上，不断保护和修复城市生态，从而驱动城市人居环境质量的全面提升.

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