基于BP神經網絡的城市旅游環境承載力預警評價

王 慧 修新田

1.太原旅游職業學院，山西太原 030032；2.福建農林大學資源與環境學院，福建福州 350002

引言

20世紀80年代以來，旅游業和現代城市的聯系日益緊密，旅游開始“城市化”[1]，城市旅游目前已成為我國旅游業的主要組成部分，但其快速發展帶來一系列環境問題[2]。如餐飲、住宿等旅游服務活動造成大氣、水體污染，使城市旅游環境系統脆弱性不斷增加[3-4]。大連、海口和麗江近年來均因旅游開發出現了自然災害、環境污染等問題。在追求城市旅游快速發展時如何預警并降低其環境系統的承載壓力，已成為亟待解決的現實課題。目前廣泛用于山體滑坡、地震等的預警理論具有現實借鑒性，將其用于探索建立城市旅游環境承載力預警系統，對緩解環境系統壓力，促進可持續旅游發展具有重要意義。

一 預警理論研究綜述

預警理論源于國外，在經濟研究、環境監測[5-6]等均有廣泛應用，但用于旅游環境承載力的成果較少[3]，早期Edwards等為英格蘭海岸建立了相應的旅游環境承載力預警機制[7]。20世紀80年代，翁鋼民[8]、曾琳[9]率先將其理論引入旅游環境承載力研究領域，為實證研究奠定了理論基礎。從研究對象看，旅游海島[10-11]、森林旅游景區[12-13]等均是重點。城市旅游環境承載力預警研究僅有少數成果。趙永峰[14]、王麗[4]分別利用加權求和法、BP網絡模型預警研究了烏蘭察布和大連。但研究對象側重北方沿海城市，定性多于定量研究，缺乏可應用于現實的實際成果。由此，論文引入BP神經網絡技術，以福州市為研究對象，以期拓展相關研究成果，為有關政策制定提供可借鑒性建議。

二 研究區概況及方法

福州是我國優秀的旅游城市，AAA級（含）以上旅游景區26家。近年來隨著海絲國際旅游節活動等一系列措施的采取，旅游經濟快速發展，但同時出現了大氣和水體污染、公共衛生環境受到破壞等問題，旅游環境系統受到威脅。福州市從2000年便開始探索建立旅游預警管理機制，如啟動黃金周假日旅游預警系統；2020年時因新冠肺炎疫情防控在五一假期通過e福州APP發布景區游客承載預警，為其旅游環境承載力預警研究奠定了基礎。

BP神經網絡由Rumelhart等于1986年提出，是基于人腦神經元處理信息的過程而建立的一種抽象性網絡結構，通過一層或多層的隱含層完成輸入到輸出的非線性映射。采用MATLABR_2014a中的BP神經網絡訓練函數作為預警評價工具[12-13]。

（一）城市旅游環境承載力預警系統

1 預警監測模塊

參考相關研究成果[4，15-16]，構建了指標體系（見表1）。

表1 福州市旅游環境承載力預警指標體系

2 預警信息處理模塊

（1）預警指標數值處理

首先對各指標原始數據進行標準化處理；其次采用變異系數法計算指標權重；最后采用加權平均法求得預警指數。

（2）預警預測

采用滾動預測法（前3年預測第4年）預測預警指標2020、2021的值。根據研究的需求，設定了一個3×β×1的預測模型（β根據公式：試算確定）。采用tansig+logsig、traingd作為模型隱含層、輸出層的激活函數及訓練函數，訓練目標誤差設為0.01，最大訓練次數設為15000，附加學習率設為0.05。

預警警界區間采用控制圖方法[17]及e福州APP中的信號燈確定（見表2）。

表2 福州市旅游環境承載力預警警界區間

3 預警評價模塊

基于BP神經網絡構建旅游環境承載力預警評價模型，步驟如下。

（1）節點數量。2008年—2019年16個預警指標值為輸入節點；隱含層節點數根據上述公式及試算確定為13，輸出層為預警警度（用向量0000、1000、0100、0010、0001對應警度），節點數為 4；由此構建一個16×13×4的預警評價模型。

（2）模型的訓練與檢驗。2008年—2017年、2018年—2019年分別為訓練和檢驗樣本，將主要函數和參數設定如預測模型中一致，完成網絡的訓練和檢驗。結果顯示第1次訓練時即達到目標誤差要求，此時利用Y=sim（net·P_test）對 2018年—2019年的樣本進行仿真，判斷結果正確率100%，可用于預警評價。

（二）預警結果分析

1 預警子系統預警指數

描繪出福州市2008年—2019年旅游環境承載力預警子系統預警指數的變化趨勢（見圖1），并進行警情判別（見表3）。

圖1 2008年—2019年旅游環境承載力預警指數變化趨勢

圖1顯示，生態環境承載力預警指數呈波動上升趨勢，預警狀態從成長區過渡到健康區，再到適載區。2008年—2009年，受金融危機影響，福州市旅游資源開發力度下降，AAAA級以上景區僅6個，反映生態環境質量的幾個指標值都較小，預警狀態為成長區，預警級別為輕警Ⅰ，警示燈為綠燈。2010年后，隨著對旅游發展的重視及生態環境保護意識的增強，旅游資源得到良好的開發，資源質量逐步提升，AAAA級以上景區數量9個，2013年后達到13個，生態環境質量不斷提升，空氣質量始終處于優級狀態，對固體廢棄物和污水的處理率不斷提高，預警狀態為健康區，無警，顯示黃色。從2016年開始，福州市不斷加快旅游產業布局，相繼出臺政策加快旅游業發展。2017年后，AAAA級以上景區數量增為15個，但反映生態環境質量的其他幾個指標值也上升了。說明生態環境承載力雖得到了充分發揮，但開始出現承載壓力。旅游環境一定程度上可能已遭破壞，需開始加強環境保護力度。

經濟環境承載力預警指數變化呈“W”形。2008年—2016年波動下降，從健康區過渡到成長區，警示燈從黃色變為綠色。源于反映旅游服務接待能力的幾個指標數值均下降。2016年后上升，預警狀態從健康區到適載區到超載區，處于超載預警狀態，已發布紅色預警。主要原因是隨著近年來游客接待量的不斷增加，福州市旅游服務設施和接待能力呈現壓力，旅游收入占GDP比重和人均GDP指標值逐步提高，服務業用水量和社會用電量持續上升，增加了經濟環境承載力預警子系統的壓力。福州市目前旅游經濟結構、服務設施已在可承受的旅游產業發展給經濟環境造成的壓力范圍之外，需開始重視旅游經濟結構。

社會環境承載力預警指數呈下降趨勢。2008年預警狀態為超載區，警示燈為紅色（重警Ⅱ），說明旅游業帶來社會發展的同時帶來了居民滿意度下降等壓力，需要及時關注和處理。2009年，預警狀態由超載區過渡到適載區，預警級別由重警Ⅱ變為輕警Ⅱ，警示燈由紅色變為橙色。2010年—2016年處于健康區，無警，警示燈為黃色。2017年—2019年過渡到成長區，警示燈為綠色。說明福州市居民從對游客的排斥過渡到接受狀態，旅游業與社會發展程度協調一致。

2 福州市旅游環境承載力預警指數分析

預警評價結果見表4。

表4 2008年—2021年預警評價結果

圖1顯示，福州市旅游環境承載力預警指數呈波動遞增趨勢。2008年—2009年預警狀態為成長區，發布警示燈為綠色的輕警Ⅰ。2010年—2018年，旅游業發展平穩，環境承載能力持續增強，預警狀態始終為健康區。福州市2010年后旅游市場不斷擴展，旅游業得到快速發展。2015年“四區疊加”，旅游產業轉型升級步伐不斷加快，生態環境受旅游業快速發展的影響自2018年開始逐步顯現，2019年開始進入適載區，發布輕警Ⅱ，警示燈為橙色。

3 預警防控對策

福州市應從旅游業可持續發展的角度出發，打造旅游項目推動旅游業發展的同時注重塑造良好的生態環境，提高對游客的吸引力；注重對旅游資源要素的合理配置，科學調控宏觀經濟走向，優化旅游經濟結構；采取措施合理分流游客，控制旅游人數，保障居民對旅游的支持度和游客的旅游滿意度。

三 結語

在BP神經網絡技術的支持下，以福州市為研究對象進行了城市旅游環境承載力預警評價研究，結論如下。生態環境承載力預警指數呈波動上升的趨勢，預警狀態從成長區過渡到健康區，再到適載區。生態環境承載力雖然得到了充分發揮，但開始出現承載壓力，旅游環境一定程度上可能已遭到破壞，需開始加強環境保護力度。經濟環境承載力預警指數變化趨勢呈“W”形，波動最明顯，對整個系統的影響最顯著，2016年后預警狀態過渡明顯，從健康區到適載區到超載區，處于超載預警狀態，已發布紅色預警，需要開始重視旅游經濟結構的調整與優化，促進旅游經濟穩步可持續發展。社會環境承載力預警指數呈下降趨勢，預警過渡到成長區，福州市居民從對游客的排斥過渡到接受狀態，旅游業與社會發展程度協調一致。整體環境承載力預警指數呈波動遞增趨勢。預警狀態從2008年的成長區過渡到2018年的健康區。生態環境受旅游業快速發展的影響自2018年逐步顯現，2019年開始進入適載區。