基于馬爾科夫鏈分析法的我國(guó)綠色建筑時(shí)空演變規(guī)律研究*

胡濤

(山東建筑大學(xué)管理工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)下，高能耗、高排放的傳統(tǒng)建筑業(yè)急需向可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑模式轉(zhuǎn)型。綠色建筑具有顯著的環(huán)境效益正外部性，主要表現(xiàn)在節(jié)水、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材等方面[1-2]。因此，大力推行綠色建筑是建筑業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》中指出，到2025年，我國(guó)城鎮(zhèn)新建建筑將全面執(zhí)行綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，建筑能耗結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，能源利用率穩(wěn)步提升。近年來(lái)，在國(guó)家相關(guān)部門的共同推動(dòng)下，我國(guó)綠色建筑數(shù)量快速增加，截至2020年年底，全國(guó)累計(jì)建成綠色建筑面積超過(guò)66億m2。

然而，各地區(qū)綠色建筑發(fā)展水平不協(xié)調(diào)、差異較大，不利于綠色建筑的全面推廣。近年來(lái)，綠色建筑空間分布非均衡性問(wèn)題引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。葉祖達(dá)[3]研究了綠色建筑在不同城市的地理分布差異，指出不同城市綠色建筑數(shù)量存在明顯的地理分布差異性，這種差異受經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)等多種因素影響。仇保興等[4]基于2006—2014年我國(guó)綠色建筑數(shù)量，對(duì)綠色建筑空間聚集性和關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，指出我國(guó)綠色建筑空間分異顯著，區(qū)域非均衡性明顯。劉曉君等[5]基于綠色建筑面積的面板數(shù)據(jù)，研究綠色建筑面積的時(shí)空演化特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)綠色建筑面積具有顯著的空間擴(kuò)散趨勢(shì)。Qiu等[6]運(yùn)用空間Logit模型分析了美國(guó)商業(yè)建筑數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的擴(kuò)散具有很強(qiáng)的空間關(guān)聯(lián)性。Zhang等[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)規(guī)模等指標(biāo)與LEED認(rèn)證建筑的比例具有正向相關(guān)關(guān)系。

從上述研究成果可見(jiàn)，部分學(xué)者雖然進(jìn)行了綠色建筑分布的空間差異研究，但缺乏從時(shí)空視角對(duì)我國(guó)綠色建筑數(shù)量演變趨勢(shì)的多維度定量研究。基于此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用空間自相關(guān)分析法、傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法和空間馬爾科夫鏈分析法，多維度揭示我國(guó)綠色建筑發(fā)展時(shí)空差異和演變特征，分析綠色建筑發(fā)展演變規(guī)律和影響因素，旨在為我國(guó)綠色建筑發(fā)展差異化調(diào)控提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究數(shù)據(jù)來(lái)自“綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)網(wǎng)”和我國(guó)31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳公示的2011—2018年綠色建筑項(xiàng)目數(shù)量。由于該時(shí)間段內(nèi)西藏自治區(qū)尚無(wú)綠色建筑項(xiàng)目，安徽省、貴州省、廣西壯族自治區(qū)部分公示文件缺失，因此本文不做研究；假設(shè)海南省與廣東省相鄰[8]。經(jīng)過(guò)剔除與合并，最終以我國(guó)27個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳公示的2011—2018年綠色建筑項(xiàng)目數(shù)量為研究樣本。

1.2 研究方法

1.2.1 全局空間自相關(guān)分析法

全局空間自相關(guān)分析法通過(guò)比較屬性在研究區(qū)域內(nèi)的均值與各個(gè)單位空間的屬性值確定數(shù)據(jù)在空間上的聚集性和關(guān)聯(lián)性。本文選用全局Moran’s I指數(shù)判斷綠色建筑數(shù)量全局空間關(guān)聯(lián)程度，計(jì)算公式為

本文選用Queen鄰接矩陣，計(jì)算公式如下

Moran’s I取值范圍為[-1，1]，數(shù)值越接近1，表示正相關(guān)性越強(qiáng)；數(shù)值越接近-1，表示負(fù)相關(guān)性越強(qiáng)；數(shù)值接近0，說(shuō)明具有空間隨機(jī)性[8]。

1.2.2 傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法

傳統(tǒng)馬爾科夫鏈法將地理空間上連續(xù)的數(shù)據(jù)離散化并劃分為k個(gè)類型，觀察各空間類型在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)移概率。時(shí)刻t的狀態(tài)概率分布可用概率向量E=[e1,t,e2,t，…,ek,t]表示；整個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程可以用k×k的轉(zhuǎn)移概率為mij的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣表示。其中，mij表示某區(qū)域由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移為狀態(tài)j的概率，計(jì)算公式如下

式中，nij表示在整個(gè)研究時(shí)段中，某地區(qū)從i類型轉(zhuǎn)移到下一時(shí)刻j類型的地區(qū)總數(shù)；ni表示在整個(gè)研究時(shí)段中，類型為i的地區(qū)數(shù)量總和。

本文以我國(guó)27個(gè)省(直轄市、自治區(qū))的綠色建筑項(xiàng)目平均數(shù)量為基準(zhǔn)，將各省數(shù)據(jù)與平均值進(jìn)行比較，利用等間距法將評(píng)價(jià)結(jié)果分成4個(gè)等級(jí)，分別為：低水平(<50%)、中低水平(50%～100%)、中高水平(100%～150%)、高水平(>150%)。各區(qū)域綠色建筑發(fā)展水平分為保持不變、向上轉(zhuǎn)移和向下轉(zhuǎn)移三種轉(zhuǎn)移等級(jí)。其中，等級(jí)升高為向上轉(zhuǎn)移，等級(jí)降低為向下轉(zhuǎn)移，否則保持不變。

1.2.3 空間馬爾科夫鏈分析法

綠色建筑發(fā)展水平在空間上并非隨機(jī)分布，而是具有空間聚集性和關(guān)聯(lián)性。空間馬爾科夫鏈分析法在傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法的基礎(chǔ)上，結(jié)合空間滯后這一概念，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法無(wú)法描述空間關(guān)系的不足，可以用來(lái)分析各地區(qū)綠色建筑發(fā)展水平。

假設(shè)區(qū)域i的空間滯后水平由其空間滯后值決定，空間滯后值為某區(qū)域周圍鄰接區(qū)域觀測(cè)值的加權(quán)平均[9]，通過(guò)引入空間權(quán)重矩陣判斷鄰接區(qū)域的狀態(tài)。計(jì)算公式如下

Lag=xi×wij

式中，Lag表示空間滯后值；xi表示鄰接區(qū)域i的觀測(cè)值；wij表示空間權(quán)重矩陣中的元素。根據(jù)某地區(qū)初始時(shí)間的空間滯后類型，將傳統(tǒng)的k×k馬爾科夫矩陣分成k個(gè)k×k的概率轉(zhuǎn)移矩陣，表示在特定空間滯后條件下的綠色建筑發(fā)展水平轉(zhuǎn)移概率。

2 綠色建筑空間分布與空間相關(guān)性分析

2.1 綠色建筑空間分布

2011—2018年我國(guó)27個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的綠色建筑項(xiàng)目數(shù)量時(shí)間變化和空間分布如圖1和圖2所示。

圖1 2011—2018年我國(guó)綠色建筑項(xiàng)目數(shù)量時(shí)間變化

由圖1和圖2可知，我國(guó)綠色建筑項(xiàng)目數(shù)量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，數(shù)量較多的省份主要集中于華東地區(qū)和東南沿海地區(qū)，華北、西北和東北地區(qū)數(shù)量較少，且整體呈現(xiàn)出顯著的空間集聚特征。具體而言，我國(guó)綠色建筑高水平發(fā)展地區(qū)數(shù)量較少，主要集中于京津冀和長(zhǎng)三角，環(huán)渤海灣省市基本為高水平發(fā)展?fàn)顟B(tài)；中低水平地區(qū)主要集中于我國(guó)西北內(nèi)陸和東北地區(qū)。由此可見(jiàn)，我國(guó)綠色建筑發(fā)展演變具有空間聚集性和關(guān)聯(lián)性。結(jié)合各省市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平可知，東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)能力更強(qiáng)，具備更加完善的綠色產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)[10]。

2.2 全局空間相關(guān)關(guān)系

基于2011—2018年綠色建筑發(fā)展水平全局Moran’s I指數(shù)測(cè)度綠色建筑空間聚集度。2011—2018年綠色建筑發(fā)展水平全局莫蘭指數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2011—2018年綠色建筑發(fā)展水平全局莫蘭指數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，2011—2018年，除2013年，綠色建筑發(fā)展水平全局Moran’s I指數(shù)均大于0.2，數(shù)值變化較為平穩(wěn)，整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。同時(shí)，全局Moran’s I指數(shù)均通過(guò)了5%的顯著性檢驗(yàn)。特別是在2015—2018年，全局Moran’s I指數(shù)通過(guò)1%的顯著性檢驗(yàn)。這進(jìn)一步證明了綠色建筑發(fā)展水平在空間上存在正相關(guān)關(guān)系，即高水平狀態(tài)地區(qū)之間相鄰接，低水平狀態(tài)地區(qū)之間相鄰接。

3 基于馬爾科夫鏈分析法的綠色建筑發(fā)展水平分析

3.1 基于傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法的分析結(jié)果

基于傳統(tǒng)的馬爾科夫鏈分析法，計(jì)算2011—2018年我國(guó)27個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)綠色建筑發(fā)展水平狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果見(jiàn)表2。具體分析如下：

表2 基于傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法的綠色建筑發(fā)展?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

(1)由低水平和中低水平數(shù)據(jù)可知，維持原水平狀態(tài)不變的概率均大于60%。說(shuō)明綠色建筑發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)“俱樂(lè)部趨同”特征，即某一時(shí)刻某一發(fā)展?fàn)顟B(tài)的地區(qū)在下一時(shí)刻仍處于同一狀態(tài)的概率較大，具有發(fā)展慣性。

圖2 2011—2018年我國(guó)綠色建筑項(xiàng)目數(shù)量空間分布

(2)我國(guó)綠色建筑空間數(shù)量變化存在“路徑依賴”現(xiàn)象。具體而言，處于高水平發(fā)展?fàn)顟B(tài)的地區(qū)維持現(xiàn)狀不變的概率為83.8%，可能向下轉(zhuǎn)移的概率僅為16.2%，且不會(huì)發(fā)生跨越式轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；處于低水平狀態(tài)的地區(qū)在下一時(shí)刻狀態(tài)保持不變的概率達(dá)87.5%，向上轉(zhuǎn)移為中低水平的概率僅為12.5%，不會(huì)一躍至中高或高水平狀態(tài)，說(shuō)明欠發(fā)達(dá)地區(qū)可能存在“低水平陷阱”現(xiàn)象。

(3)中低或中高水平狀態(tài)地區(qū)有較大概率轉(zhuǎn)移為其他水平狀態(tài)，且存在跨級(jí)轉(zhuǎn)移概率。中低、中高水平狀態(tài)地區(qū)往往與高水平或低水平狀態(tài)地區(qū)相鄰接，這是在空間擴(kuò)散效應(yīng)作用下產(chǎn)生的現(xiàn)象。

3.2 基于空間馬爾科夫鏈分析法的分析結(jié)果

針對(duì)傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法不能反映空間層面演化趨勢(shì)的不足，本文引入空間馬爾科夫鏈分析法，探究綠色建筑省域演變空間相關(guān)性。首先，根據(jù)初始時(shí)刻空間滯后值將各區(qū)域分成4個(gè)空間滯后類型，將傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法構(gòu)建的4×4狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣分成4個(gè)4×4的空間馬爾科夫矩陣，以此表示在某空間狀態(tài)下綠色建筑發(fā)展水平轉(zhuǎn)移概率。基于空間馬爾科夫鏈分析法的綠色建筑發(fā)展水平狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣見(jiàn)表3。

表3 基于空間馬爾科夫鏈分析法的綠色建筑發(fā)展水平狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

(續(xù))

具體分析如下：

(1)矩陣對(duì)角線上的元素?cái)?shù)值基本大于兩側(cè)數(shù)值，說(shuō)明我國(guó)綠色建筑區(qū)域發(fā)展存在“俱樂(lè)部趨同”現(xiàn)象，這與傳統(tǒng)馬爾科夫鏈分析法得出的結(jié)論一致。

(2)綠色建筑發(fā)展水平具有明顯的空間聚集性，處于低水平狀態(tài)地區(qū)的省域數(shù)量最多，并且這些地區(qū)全部與低水平或中低水平狀態(tài)地區(qū)鄰接；高水平狀態(tài)地區(qū)大多與中高或高水平狀態(tài)地區(qū)鄰接。

(3)綠色建筑發(fā)展水平與周圍地區(qū)發(fā)展水平有較大的相關(guān)性。例如，低水平狀態(tài)滯后條件下的中低水平狀態(tài)地區(qū)向下轉(zhuǎn)移的概率為41.2%，中高水平狀態(tài)條件下高水平狀態(tài)地區(qū)向下轉(zhuǎn)移的概率為33.3%，證明了綠色建筑發(fā)展存在區(qū)域擴(kuò)散現(xiàn)象。

(4)基于空間滯后因素分析發(fā)現(xiàn)，高水平和低水平狀態(tài)地區(qū)在同類型之間轉(zhuǎn)移的概率更高，低水平狀態(tài)地區(qū)轉(zhuǎn)移概率由87.5%上升至91.3%，高水平狀態(tài)地區(qū)轉(zhuǎn)移概率由83.8%上升至84.6%，“俱樂(lè)部趨同”效應(yīng)更加穩(wěn)定。而處于中間水平狀態(tài)的地區(qū)則不然，這些地區(qū)的發(fā)展水平狀態(tài)更容易向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，這與我國(guó)省份的空間分布有關(guān)，中水平狀態(tài)地區(qū)往往與高水平和低水平狀態(tài)地區(qū)同時(shí)鄰接，導(dǎo)致其不容易維持原狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用傳統(tǒng)的馬爾科夫鏈分析法與空間馬爾科夫鏈分析法，結(jié)合空間自相關(guān)分析，分別對(duì)2011—2018年我國(guó)27個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的綠色建筑相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究綠色建筑發(fā)展水平時(shí)空演變規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)我國(guó)省域綠色建筑發(fā)展水平存在顯著的空間集聚效應(yīng)。全局Moran’s I指數(shù)顯示，我國(guó)綠色建筑發(fā)展水平狀態(tài)在空間上存在正相關(guān)關(guān)系。高水平和中等水平狀態(tài)地區(qū)通常集中于華東和東南沿海省份，如江蘇、浙江、山東、廣東等地；內(nèi)蒙古、甘肅、云南等內(nèi)陸省份則常年處于低發(fā)展水平狀態(tài)。

(2)我國(guó)各地區(qū)綠色建筑發(fā)展水平呈現(xiàn)出“俱樂(lè)部趨同”現(xiàn)象。地區(qū)狀態(tài)水平在同類型狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的概率更高。換言之，當(dāng)某地區(qū)在前一時(shí)刻處于某一狀態(tài)時(shí)，下一時(shí)刻仍處于這個(gè)狀態(tài)的概率較高。這種現(xiàn)象在高水平和低水平狀態(tài)地區(qū)更為明顯，低水平狀態(tài)地區(qū)更容易陷入“低水平陷阱”。

(3)引入空間滯后因素后發(fā)現(xiàn)，相鄰接區(qū)域的綠色建筑發(fā)展水平對(duì)該區(qū)域綠色建筑發(fā)展具有明顯的擴(kuò)散作用。尤其是在中低水平和中高水平狀態(tài)地區(qū)，更容易受鄰接地區(qū)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的影響，這是因?yàn)檫@些地區(qū)通常位于高、低水平狀態(tài)分界處，如山西、河南、湖北等地受到的擴(kuò)散影響較大。而高水平和低水平狀態(tài)地區(qū)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的路徑依賴效應(yīng)更為明顯。

針對(duì)上述研究結(jié)果，提出以下建議：

(1)政府應(yīng)重視綠色建筑發(fā)展時(shí)空差異性問(wèn)題，充分發(fā)揮政策激勵(lì)和引導(dǎo)作用。

(2)應(yīng)打破地域限制，完善綠色供應(yīng)網(wǎng)，擴(kuò)大綠色建筑規(guī)模。

(3)各省市應(yīng)結(jié)合自身資源優(yōu)勢(shì)，合理分配資源，注重各區(qū)域協(xié)同發(fā)展。

(4)建改并舉、供需激勵(lì)并舉，在加快綠色建筑升級(jí)的同時(shí)，推進(jìn)既有建筑綠色改造，促進(jìn)綠色建筑由快速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型。