趨勢面分析研究

1、金華市社會(huì)總用電量時(shí)空變化的趨勢面分析張勇（浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004）摘要:金華市是浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的地區(qū)，是浙中城市群的發(fā)展中心。隨著其社會(huì)經(jīng)濟(jì)文化的快速發(fā)展,人民生活水平迅速提高。城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，必然會(huì)導(dǎo)致金華市社會(huì)總用電量需求的不斷增加，從而加劇了電力需求的緊張局面。因此，合理進(jìn)行金華市城鎮(zhèn)總用電量的時(shí)空變化分析，變得越來越重要。首先對(duì)趨勢面分析方法原理進(jìn)行闡述，然后在金華市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒的基礎(chǔ)上，以2001-2013年金華市社會(huì)總用電量為因變量，以城鎮(zhèn)化發(fā)展水平和GDP總量為自變量，擬合金華市總用電量變化的二次趨勢面，從而繪制出趨勢面和剩余值等值線圖

2、。經(jīng)過分析可以得出：金華市社會(huì)總用電量與金華市城鎮(zhèn)化水平、工業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)狀況以及總?cè)丝诘确矫婷芮邢嚓P(guān)。本文研究對(duì)于現(xiàn)階段浙江省各地區(qū)電力工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有科學(xué)意義和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：金華市；趨勢面分析；等值線圖；時(shí)空變化Study of Temporal Variations of the Total Electricity Consumption of JinhuaZhang Yong( Zhejiang Normal University College of environment and sciences, Zhejiang Jinhua 321004)Abstract:J

3、inhua is the rapid economic development region of Zhejiang Province, and is the urban agglomeration of Zhejiang Development Center. With the rapid development of itssociety,economy and culture, lives of the people has improved rapidly.With the acceleration of urbanization, and it will lead to the in

4、creasing demandof total electricity consumption ofJinhuainevitably, and it also exacerbates tensions of electricity demand. Therefore, a reasonable spatial-temporal variations of the town's total electricity consumption analysis becomes increasingly important. Firstly, analysis of trends and pri

5、nciples set forth, and then on the basis of the calendar year, Jinhua Statistical Yearbook on the 2001-2013 year to the total electricity consumption in Jinhua community as the dependent variable. In the urbanization level and GDP as independent variables, fitting quadratic trend change total electr

6、icity consumption, thereby rendering the trend and residual values of contour maps. The analysis results: Jinhua community's total electricity consumption is closely related to aspects of urbanization, economic conditions and the total population.In this paper, it has scientific significance and

7、 reference value for the sustainable development of all regions of Zhejiang stage industry and the national economy.Keywords:Jinhua; trend surface analysis; contour map; temporal and spatial variation一、 引言對(duì)社會(huì)總用電量變化時(shí)空特征的研究，是區(qū)域尺度上社會(huì)總用電量變化監(jiān)測、驅(qū)動(dòng)分析和預(yù)測的基礎(chǔ)。對(duì)實(shí)時(shí)了解和掌握能源使用的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，具有非常重要的意義。因此，從時(shí)間序列和空間尺度對(duì)金華市社會(huì)總

8、用電量動(dòng)態(tài)變化時(shí)空過程的探討迫在眉睫。隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化過程的加快，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步必然導(dǎo)致人口對(duì)用電需求的增加，快捷、準(zhǔn)確與客觀地提取用電量信息，獲得不同時(shí)期用電量的消耗結(jié)構(gòu)和方式，監(jiān)測金華市社會(huì)總用電量變化的過程，對(duì)科學(xué)合理地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，控制電量的過度使用，具有十分重要的作用。研究者一般采用GIS技術(shù)方法結(jié)合對(duì)各行業(yè)用電情況指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)提取，經(jīng)濟(jì)增長指數(shù)、用電量強(qiáng)度指數(shù)、用電量重心坐標(biāo)、分形維數(shù)、集中度指數(shù)以及空間自相關(guān)指數(shù)也被引入城市社會(huì)總用電量時(shí)空變化分析領(lǐng)域，用以定量揭示了用電量消耗的程度。本文從時(shí)間變化角度，使用趨勢面分析方法對(duì)金華市城鎮(zhèn)社會(huì)總用電量時(shí)間變化進(jìn)行分析。二、

9、 金華市總體概況金華市地處金衢盆地東緣，氣候溫和，雨量充足，土地肥沃，物產(chǎn)富饒，金華風(fēng)景糧食產(chǎn)量僅次于嘉興，有浙江的“第二糧倉”之稱。2013年，金華全市實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)總值2448億元，比上年增長10.5%；財(cái)政總收入328億元，增長20.4%，其中地方財(cái)政收入186億元，增長19.1%；固定資產(chǎn)投資874億元，增長21.5%；社會(huì)消費(fèi)品零售總額1089億元，增長18.9%；外貿(mào)出口151億美元，增長24.3%；農(nóng)村居民人均純收入11877元，城鎮(zhèn)居民人均可支配收入29729元，分別增長16.4%和14.1%；萬元生產(chǎn)總值綜合能耗下降3.6%，化學(xué)需氧量、二氧化硫、氨氮減排完成省下達(dá)目標(biāo)；糧食總產(chǎn)量

10、89萬噸，啟動(dòng)建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)綜合區(qū)17個(gè)；工業(yè)增加值達(dá)到1077億元，新增上市企業(yè)6家。2.1金華市用電量變化概況進(jìn)入21世紀(jì)以來，金華市和浙江省電力工業(yè)不斷發(fā)展。表3是2001- 2013年金華市全社會(huì)用電量的逐年變化。從表3可以看出，金華市的全社會(huì)用電量變化有增長趨勢，到2010年以來增長趨勢更大，說明金華市的電力需求增長與經(jīng)濟(jì)增長之間的相關(guān)程度是很高的。另外，在2010年金華市全社會(huì)用電量的增長出現(xiàn)一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在2010年以前增長較為緩慢，2010年以后，隨著金華市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，全社會(huì)用電量呈迅速上升態(tài)勢。2.2全社會(huì)用電量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來

11、越依靠以電力為支撐的第二和第三產(chǎn)業(yè)，同時(shí)電力的增長也需要經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作為后盾。表3是金華市總社會(huì)用電量及金華市總的GDP的變化情況，由表3可見，金華市全社會(huì)用電量自2010年以來成快速增長趨勢，從2001年到2010年間增長了3倍以上。與此同時(shí)，GDP總量也呈幾乎相同的增長趨勢，只不過社會(huì)總的用電量的增長稍快于總的GDP的增長。這說明用電量的增長主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展決定著電力增長的主要趨勢。三、 趨勢面分析基本原理3.1趨勢面模型的建立趨勢面分析，是利用數(shù)學(xué)曲面模擬地理系統(tǒng)要素在空間上的分布及變化趨勢的一種數(shù)學(xué)方法。它實(shí)質(zhì)上是通過回歸分析原理，運(yùn)用最小二乘法擬合一個(gè)二維非線性函

12、數(shù)，模擬地理要素在空間上的分布規(guī)律，展示地理要素在地域空間上的變化趨勢。趨勢面是一種抽象的數(shù)學(xué)曲面，它抽象并過濾掉了一些局部隨機(jī)因素的影響，使得地理要素的空間分布規(guī)律明顯化。趨勢面分析的一個(gè)基本要求，就是所選擇的趨勢面模型應(yīng)該是剩余值最小，而趨勢值最大，這樣的擬合度精度才能達(dá)到足夠的準(zhǔn)確性?？臻g趨勢面分析，正是從地理要素分布的實(shí)際數(shù)據(jù)中分解出趨勢值和剩余值，從而揭示地理要素空間分布的趨勢和規(guī)律。設(shè)地理要素的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)為Zi(Xi,Yi) (i=1，2，3，n)，趨勢值擬合值為,則有 (1),式中i為剩余值（殘差值）。3.2趨勢面模型的參數(shù)估計(jì)根據(jù)高斯馬爾可夫定理，最小二乘法給出了多項(xiàng)式系數(shù)的

13、最佳線性無偏估計(jì)值，這些估計(jì)值能使殘差平方和達(dá)到最小。四、結(jié)果分析4.1建立社會(huì)總用電量時(shí)間變化趨勢面方程從上述趨勢面分析原理出發(fā)選用金華市2001-2013年金華市社會(huì)總用電量為因變量Z,考慮到用電量增加與城鎮(zhèn)化以及經(jīng)濟(jì)因素密切相關(guān)，故分別選擇城鎮(zhèn)化水平和GDP作為自變量X, Y,構(gòu)造趨勢面方程（一次、二次和三次），利用MATLAB軟件編制計(jì)算程序分別估計(jì)一次、二次和三次多項(xiàng)式進(jìn)行趨勢面方程的參數(shù):Z1=-143.546+8.152X+0.084YZ2=105.045-14.659X-0.022Y+0.590X2+0.004XY+3.951*10-6Y2Z3=-173082.925+2633

14、5.246X-11.330Y1348.240X2+1.771XY0.004Y2+23.146X3-0.5808X2Y-8.298*10-8*Y34.2模型檢驗(yàn)利用R2檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)計(jì)算公式，分別計(jì)算各階次總離差平方和SST、剩余平方和SSD、回歸平方和SSR以及擬合優(yōu)度R2在置信水平= 0.05下，通過計(jì)算并查F分布表可得知各階次F值和F0.05值，其結(jié)果如表1所示。在二次和三次趨勢面檢驗(yàn)中，根據(jù)相應(yīng)的方差分析計(jì)算公式，對(duì)兩個(gè)階次趨勢面模型的適度進(jìn)行比較，得出計(jì)算結(jié)果見表2。表1 金華市社會(huì)總用電量時(shí)間變化趨勢面分析Tab 1The trend surface analysis of the t

15、otal social electricityconsumption of JinhuaR2檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)結(jié)果階次SSDSSRSSTR2pn-p-1FF0.05一次208.02972941.85273149.880.9972101753.16919.396二次162.661441309.386441472.0470.99857894.8854.876三次20.668441451.379441472.0470.99993635.4743.863表2 金華市社會(huì)總電量變化趨勢面分析逐次檢驗(yàn)結(jié)果Tab 2 The total social consumption trend surface analy

16、sis successive test results Jinhua離差來源平方和自由度均方差F檢驗(yàn)三次回歸441451.379944145.138635.474三次剩余20.66813-9-16.889635.747二次回歸441309.386573551.564894.885二次剩余162.66113-5-123.237894.885由二次增高到三次回歸141.9939-5-29406.426-259.411由表1可知，根據(jù)R2檢驗(yàn)結(jié)果，二次趨勢面和三次趨勢面的判定系數(shù)分別為0.998和0.999可見二次趨勢面回歸模型和三次趨勢面回歸模型的顯著性都較高，再根據(jù)F檢驗(yàn)結(jié)果可知，F(xiàn)2=F0.0

17、5(5,7)< F2，而F3= F0.05(9,3)>F3，故二次趨勢面的回歸方程顯著而三次趨勢面不顯著。由表2可知，從二次趨勢面增加到三次趨勢面，F(xiàn)32=-259.411。在置信度水平a = 0.05下，查F分布表得F0.05(2,10)=19.369由于F32< F 0 .05，故趨勢面擬合次數(shù)由二次增高至三次，對(duì)回歸方程并無新貢獻(xiàn)。適度檢驗(yàn)結(jié)果表明，選用二次趨勢面方程進(jìn)行金華市社會(huì)總用電量時(shí)間變化趨勢面擬合最為合理。4.3回歸分析與趨勢面分析結(jié)果的對(duì)比（1）金華市社會(huì)總用電量時(shí)間變化的回歸分析根據(jù)2001-2013年的社會(huì)總用電量，通過曲線擬合，得到線性回歸方程如下：Y

18、=19.95X-39873.98 R2=0.990其中，x代表年份，y代表總用電量（億千瓦時(shí)）。（2）兩種方法結(jié)果對(duì)比將已知的自變量X（城鎮(zhèn)化水平）和Y (GDP)值代入二次趨勢面方程得到一系列趨勢值Z2和剩余值R V,同時(shí)將年份代入線性回歸方程可得一系列回歸模擬值Z0，結(jié)果見表3和圖1。表3 金華市社會(huì)總用電量實(shí)際值和擬合值對(duì)照表Tab 3The actual value and fitted values of the social total electricity consumption of Jinhua年份X（%）Y(億元)Z（億千瓦時(shí)）Z2（億千瓦時(shí)）Z0（億千瓦時(shí)）RV（億千瓦

19、時(shí)）200118.71%562.4258.2968.2845.979.99200219.99%637.4170.7986.3365.9215.54200320.66%756.3093.63102.1585.878.52200421.47%925.59103.02124.79105.8221.78200521.83%1066.70124.78140.38125.7715.60200622.15%1240.80144.94158.54145.7213.59200722.50%1474.35165.70182.75165.6717.05200822.82%1693.08177.26206.39185

20、.6229.13200923.09%1776.06194.11218.55205.5724.44201023.49%2110.04230.69255.69225.5224.99201123.53%2458.07260.33287.93245.4727.59201223.20%2710.77273.98303.47265.4229.49201323.02%2958.78290.68322.19285.3731.50資料來源：金華市用電量變化表和金華市統(tǒng)計(jì)年鑒（2001-2013）圖1 金華市社會(huì)總用電量實(shí)際值和擬合值對(duì)比圖（其中橫坐標(biāo)代表年份，縱坐標(biāo)代表總用電量）Fig1The actual v

21、alue and fitted values of the social total electricity consumption of Jinhua根據(jù)回歸分析與趨勢面分析結(jié)果可知，線性回歸分析的回歸系數(shù)為0.789，比二次趨勢面略小，說明兩種方法的顯著性均較高。而從圖1可以看出，二次趨勢面擬合值變化趨勢與實(shí)際值趨勢大致一致，總體差異比線性回歸分析更小，說明使用趨勢面分析方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為吻合，可以有效地用于模擬金華市社會(huì)總用電量逐年變化，能夠得出比回歸分析更為準(zhǔn)確的結(jié)論。4.4金華市總用電量等值線圖的繪制利用MATLAB的圖形處理功能，繪制金華市社會(huì)總用電量趨勢面等值線圖和剩余值等值

22、線圖。趨勢面等值線圖能直觀地看出Z值隨著X, Y值不同的變化趨勢，也有助于更便捷地利用已知的X, Y值對(duì)Z值進(jìn)行估計(jì)和判斷。當(dāng)X, Y變化時(shí)Z值也隨之不同，隨著城鎮(zhèn)化水平和GDP的增加，金華市社會(huì)總用電量也逐漸增加，說明社會(huì)總用電量與城鎮(zhèn)化水平以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平密切相關(guān)。殘差值的變化幅度較小，在-30-10之間，表明趨勢面方程較為合理。圖2 一次趨勢面模型圖Fig 2 A trend surface model diagram圖3 二次趨勢面模型圖Fig 3 Quadratic trend surface model diagram五、結(jié)論通過上述研究結(jié)果以及分析，我們可以得出以下結(jié)論:1.趨

23、勢面分析方法可以用于分析金華市社會(huì)用電量變化的總體趨勢，借以揭示第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張的逐年變化的特征，其結(jié)果與實(shí)際相符，可用于城市用電量變化的動(dòng)態(tài)模擬，并可引申至工業(yè)領(lǐng)域乃至經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域；2.本研究中采用趨勢面分析方法對(duì)金華市2001-2013年的金華市社會(huì)總用電量變化情況進(jìn)行模擬，X，Y和Z值分別對(duì)應(yīng)的是某一年期的城鎮(zhèn)化水平、GDP水平和社會(huì)總用電量，故可通過預(yù)測未來年期X和Y值來預(yù)測將來社會(huì)總用電量水平。參考文獻(xiàn)（References）1湯君友，楊桂山.基于RS和GIS的無錫市城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展時(shí)空特征分析J.長江流域資源與環(huán)境，2004, 13( 5)：423-428.2查勇，倪紹祥，楊

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