基于GIS的城市人口密度分布方向性研究
——以石家莊市為例

陳紅娟,彭立芹,馮文釗

(石家莊經(jīng)濟學院資源學院,石家莊050031)

基于GIS的城市人口密度分布方向性研究
——以石家莊市為例

陳紅娟,彭立芹,馮文釗

(石家莊經(jīng)濟學院資源學院,石家莊050031)

以石家莊市2005年和2008年的城市人口數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在GIS和SPSS軟件的支持下,分別從人口集中指數(shù)和人口密度等方面運用緩沖區(qū)扇形分析法研究城市東北、北東、北西、西北、西南、南西、南東、東南八個方向人口密度分布特征,并對不同方向的人口密度分布進行擬合,結(jié)果表明石家莊市人口密度存在如下方向性特征:(1)人口空間分布東部較西部均勻,局部地區(qū)集聚現(xiàn)象明顯。(2)內(nèi)密外疏,東密西疏,縣際人口密度變化差異大。(3)城市南東方向郊區(qū)化現(xiàn)象較明顯。

人口;人口密度;人口集中指數(shù);GIS;石家莊市

0 引言

城市人口是城市空間的重要組成部分,也是城市發(fā)展中的活躍因素之一。城市人口的分布及其遷移變化直接影響著城市內(nèi)部經(jīng)濟、社會、產(chǎn)業(yè)等各要素結(jié)構(gòu)和布局的變化[1]。城市地理學和人口生態(tài)學也表明,人口的空間分布能夠改變城市的土地利用狀況和局部功能分區(qū)。因此研究人口分布狀況對研究和規(guī)劃城市人口布局具有重要意義。人口密度是人口分布研究中最為常用的指標之一,與城市土地使用、交通狀況、環(huán)境和生活質(zhì)量等因素都密切相關(guān)[2],因而被越來越多的學者引入城市空間研究。Wang and Zhou(1999)對北京市人口分布及人口密度變化趨勢進行了實證分析,指出北京市的人口分布符合負指數(shù)模型[3];馮健(2002)以杭州市為例,探討了城市人口密度的空間分布及演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)杭州市的人口分布服從Clark模型的修正形式——加冪指數(shù)模型,為演化模型的研究提供了新的思路與方法[4];葉明(2002)以寧波市為例探討了人口GIS應(yīng)用模型的特性及其在城市人口空間分析中的應(yīng)用[5];謝守紅與寧越敏(2006)對廣州市的人口密度分布進行了擬合與比較,指出廣州市人口密度經(jīng)歷了由Clack模型逐步向Newling模型演變的過程[6];張岸等(2007)借助于GIS技術(shù),從人口密度、人口重心遷移和人口集聚等方面對深圳市區(qū)內(nèi)人口空間結(jié)構(gòu)進行了深入研究,并總結(jié)和發(fā)展了城市人口密度的研究方法,使人口密度分布分析方法得以在城市空間研究中成功應(yīng)用[1];廖邦固與徐建剛等(2008)采用土地利用密度法對1990年和2000年的上海市人口普查數(shù)據(jù)進行了格網(wǎng)化分析,進而模擬了上海中心城區(qū)人口密度的分布及其變化特征[7]。

以往基于GIS的城市人口空間分布變動研究側(cè)重于城市密度模型的建立和人口發(fā)展趨勢的預測,而從城市不同發(fā)展方向入手揭示人口密度分布方向性特征的研究極少,以石家莊市為例的人口密度研究也尚屬首次。石家莊市自2001年開始戶籍制度改革,不斷降低落戶門檻,引導大量人口向城市轉(zhuǎn)移與集聚,至2005年,石家莊市人口已達到了相當大的規(guī)模,城市化水平和城市經(jīng)濟穩(wěn)步上升。為了進一步推進城市化進程,提升城市品位和改善城市面貌,2008年石家莊市提出“一年一大步,三年大變樣”的城市建設(shè)規(guī)劃,城市空間布局也將進一步得到優(yōu)化配置。基于此,本研究采用2005年和2008年石家莊市人口數(shù)據(jù)資料,利用GIS和SPSS軟件從城市發(fā)展的八個方向?qū)Τ鞘腥丝诿芏确植继卣鬟M行定量分析,研究結(jié)果可望與業(yè)已出現(xiàn)的北京、上海等城市人口密度研究結(jié)果相互印證,并為指導石家莊市人口布局、合理配置城市資源和協(xié)調(diào)發(fā)展經(jīng)濟提供有益參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究思路

1.1 數(shù)據(jù)來源與研究范圍

本研究數(shù)據(jù)資料主要包含2005,2008年的石家莊市行政區(qū)劃圖(1∶50 000),分街道以及各區(qū)縣、縣轄鎮(zhèn)的人口數(shù)據(jù)及土地資料[8-9]。以石家莊市域范圍內(nèi)的所有街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為研究區(qū)域,該區(qū)域包括6個區(qū)、12個縣、5個縣級市和1個國家級高新技術(shù)開發(fā)區(qū),總面積1.58萬km2。

1.2 研究思路與方法

首先對所收集的石家莊市人口數(shù)據(jù)資料和圖件資料在ArcGIS9.2軟件下進行處理,建立人口等空間屬性數(shù)據(jù)庫,然后將空間數(shù)據(jù)和人口數(shù)據(jù)相匹配得到明確地域范圍內(nèi)的人口數(shù)量。

本研究以石家莊市北國商城所在區(qū)域為城市中心,分別以r=10i(i=1,2,3,…10)km為半徑建立緩沖區(qū);用不同半徑的緩沖區(qū)切割2005,2008年石家莊市數(shù)字化地圖,并且對切割出的不同范圍地圖的屬性表進行計算,確定切割后各斑塊面積。用斑塊面積乘以斑塊內(nèi)街道(鎮(zhèn))人口密度,以確定各斑塊人口數(shù)量;同時以東、西、南、北四個方位為標尺將城市劃分為0°～45°(東北)、45°～90°(北東)、90°～135°(北西)、135°～180° (西北)、180°～225°(西南)、225°～270°(南西)、270°～315°(南東)、315°～360°(東南)8個方向(圖1)。最后計算切割后扇形區(qū)域內(nèi)各個斑塊的人口集中指數(shù)和人口密度,并對人口密度進行擬合,以探討人口密度分布的方向性特征。

圖1 石家莊市行政區(qū)劃圖Fig.1 Adm in istrative map of Shijiazhuang C ity

2 實證研究

2.1 理論模型

2.1.1 人口集中指數(shù)。人口集中指數(shù)[10](index of population concentration)是分析城市密集區(qū)人口分布的集中與分散化變動趨勢的重要指標之一,其計算公式

式中:C為人口集中指數(shù);Pi,Si分別為第i個區(qū)域的人口數(shù)量和土地面積,P和S分別為整個區(qū)域的總?cè)丝诤涂偯娣e。C的值在0和1之間,C值越小,說明人口向某一地域集中的偏向越小,人口分布越分散;C值越大,說明人口向某些地域集中的程度越大,人口分布越不均勻。人口集中指數(shù)表達了人口和土地面積的關(guān)系,很好地反映了人口分布相對于土地面積的集中和分散情況,可以作為人口空間分布特征的檢測指標。

2.1.2 人口密度。人口密度指單位面積土地上居住的人口數(shù),是表示區(qū)域內(nèi)人口密集程度的指標,用區(qū)域人口數(shù)量與土地面積的比值表示。依據(jù)前述計算各個斑塊人口密度

式中:Dim表示第i圈層、第m個方向上的平均人口密度; Sjm代表第i圈層第m方向上穿越的j街區(qū)或鎮(zhèn)的面積; Djm表示m方向上j街區(qū)或鎮(zhèn)的人口密度;n為每個圈層穿越和包含的街區(qū)或鎮(zhèn)的總數(shù)。

2.2 計算結(jié)果與人口密度方向性特征的分析

2.2.1 城市人口集中指數(shù)分析。依據(jù)所述研究思路,將2005,2008年石家莊市域內(nèi)8個方向上各個斑塊的土地面積和人口數(shù)量帶入公式(1)中,分別計算人口集中指數(shù)(C),結(jié)果如表1。

表1 石家莊市2005,2008年人口集中指數(shù)表Tab.1 I ndex of population concentration of Shiji azhuang C ity in 2005 and 2008

可以看出,2個年度的C值位于0.03～0.11之間,說明8個方向上的人口分布集中程度并不是很明顯。具體分析8個方向C值的變動情況,我們可劃分出3個梯度:①第一梯度:北西方向(90°～135°)和西北方向(135°～180°)。這2個方向C值較高,說明人口向某一區(qū)域集中的程度較大。究其原因,這2個方向人口分布受地形影響較大,外圍圈層的平山和靈壽西部是山區(qū),因而人口分布有向東部和內(nèi)部圈層中心城區(qū)集中的趨勢。此外2個方向的C值均有上升的趨勢,分別從0.098增至0.110,0.090增至0.094。這說明在此段時間內(nèi)人口的分布趨向于不均衡,即人口有進一步向正定、鹿泉和市區(qū)集中的趨勢。②第二梯度:西南方向(180°～225°)和南西方向(225°～270°),人口集中指數(shù)位于0. 03～0.05之間,人口集中趨勢也較明顯,且C值在2005—2008年間基本沒有發(fā)生變動。③第三梯度:東北(0°～45°)、北東(45°～90°)、南東(270°～315°)和東南(315°～360°)方向,C值相對較小,數(shù)值在0.016～0.036之間,表明這幾個區(qū)域的人口集中程度較小。這4個方向位于石家莊東部平原區(qū),地勢平坦、海拔較低,人口分布相對均勻。

2.2.2 人口密度特征分析。對切割出的各斑塊屬性表依據(jù)公式(2)進行計算,可以得到各斑塊的人口密度和8個方向人口平均密度(表2)。利用ArcGIS軟件繪制2005年和2008年的人口密度圖(圖2),并比較兩年間的密度變化(圖3)。

表2 2005,5008年石家莊市不同方向上的平均人口密度人·km-2Tab.2 The average population densities of Shijiazhuang C ity in different directions i n 2005,2008

圖2 石家莊市2005,2008年人口密度分布圖Fig.2 Population density distribution of Shijiazhuang C ity i n 2005 and 2008

圖3 2005—2008年人口密度變化圖Fig.3 Changes in population density from 2005 to 2008

從圖2和表2中可以看出,市區(qū)(含礦區(qū))人口密度最高,正定、鹿泉、欒城等縣人口密度相對較大。從圈層上看,人口密度分布有從內(nèi)部圈層向外部圈層漸次稀疏的特點;從方向上看,人口密度較大區(qū)域集中在東北、北東、南東、東南、西南等方向,其中南東方向人口密度最高,分別達到1377.55人/km2(2005年)和1 444.75人/ km2(2008年);北西、西北、南西等方向人口密度相對較小,其中北西方向平均人口密度最小,2005年和2008年分別為795.07人/km2和785.65人/km2。人口密度整體分布具有明顯的東密西疏特征。

從圖3發(fā)現(xiàn),人口密度變化主要集中于市區(qū)(含礦區(qū))和高邑、欒城、晉州、無極、行唐等部分縣市。從方向上看,人口密度變化區(qū)域主要集中于城市東北、南東和東南方向,北東和北西方向的部分區(qū)域出現(xiàn)了變化,其他方向人口密度變化趨勢并不明顯。

2.2.3 人口密度空間分布模型擬合。Clark[11]發(fā)現(xiàn),城市土地利用的集約程度隨土地離開城市中心的距離增加呈現(xiàn)出遞減的梯度變化特征,可以用負指數(shù)函數(shù)曲線模型描述

該模型是城市空間結(jié)構(gòu)研究的傳統(tǒng)模型,可反映出城市人口密度由距離城市中心的遠近決定、并隨距離的增大而呈現(xiàn)遞減的趨勢。

依據(jù)上述不同圈層、不同方向的各個斑塊人口密度計算結(jié)果,可以得到石家莊市人口密度與距離的數(shù)據(jù)矩陣如表3、表4。

表3 2005年石家莊市8個方向的人口密度與距離的關(guān)系Tab.3 The relationship between the urban population density and distance in eight directions of Shijiazhuang C ity in 2005

表4 2008年石家莊市八個方向的人口密度與距離的關(guān)系Tab.4 The relationship between the urban population density and distance in eight directions of Shiji azhuang C ity in 2008

運用SPSS軟件對以上8個方向上人口密度和距離進行擬合,結(jié)果顯示2005年和2008年8個方向上擬合程度較好的函數(shù)主要有三次函數(shù)和S型曲線函數(shù),相關(guān)系數(shù)均能達到0.90以上。將擬合情況不好的函數(shù)消除,最終得到結(jié)果如表5、表6,其中:R2代表相關(guān)系數(shù),F代表置信區(qū)間。

表5 2005年8個方向人口密度模型回歸分析和擬合結(jié)果Tab.5 Eight direction regression for population density models and their goodness of fit in Shijiazhuang C ity in 2005

表6 2008年8個方向人口密度模型回歸分析和擬合結(jié)果Tab.6 Eight direction regression for population density models and their goodness of fit in Shijiazhuang C ity in 2008

進一步分析上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):無論2005年還是2008年,在城市除南東方向外的7個方向上擬合程度最好的函數(shù)均為S型曲線函數(shù)。S型曲線如圖4中所示實線,其趨勢表明在以上所述城市的7個方向,人口密度隨著距離城市中心的增大出現(xiàn)快速下降趨勢。而在南東方向上三次函數(shù)的相關(guān)系數(shù)(R2)分別達到0.959和0.960,但置信區(qū)間(F)值遠遠小于S型曲線中的F值。說明此方向三次函數(shù)曲線和S型函數(shù)曲線均不能較好地描述該方向的人口密度分布趨勢,因此構(gòu)建曲線函數(shù)如下

圖4 S型曲線與三次曲線擬合效果示意圖Fig.4 Schematic diagram showing the goodness of fit of S-shaped and cubic curves

如圖5所示,此曲線2005年和2008年相關(guān)系數(shù)均達到0.99以上,較好地擬合了南東方向的城市人口密度分布狀況。

圖5 石家莊市南東方向人口密度擬合圖Fig.5 The goodness of fit of population density in South to the East of Shijiazhuang C ity in 2005 and 2008

此曲線總體趨勢為人口密度隨距離城市中心的增大出現(xiàn)下降趨勢,但與S型曲線略有不同的是此曲線在下降過程中出現(xiàn)波動。即在石家莊市南東方向欒城、趙縣、高邑等部分區(qū)域人口密度首先隨著距離城市中心的增大出現(xiàn)快速減小趨勢;而后在某一區(qū)域內(nèi)人口密度增大;最后隨著距城市中心距離的進一步增大,人口密度又出現(xiàn)下降趨勢。這一曲線形式同時表明,石家莊市在城市的南東方向存在人口密度的波動,人口密度在距離城市中心50km左右出現(xiàn)小高峰,城市郊區(qū)化現(xiàn)象在城市南東方向較為顯著。

3 結(jié)論

結(jié)合上述分析,得到石家莊市人口密度分布的方向性特征如下。

(1)人口空間分布東部較西部均勻,局部地區(qū)集聚現(xiàn)象明顯。石家莊市人口分布總體上有向市區(qū)集中的趨勢。從人口集中指數(shù)上看,西部地區(qū)偏大,尤其在北西和西北方向最大,也就是說,人口從城市西部地區(qū)向市中心集中程度較為明顯;東部地區(qū)人口集中指數(shù)偏小,人口分布較為均勻。石家莊地勢西高東低,人口密度自西向東隨著地勢降低出現(xiàn)增大趨勢,這一現(xiàn)象受地形地貌因素的影響,也符合人口地域分布規(guī)律。

(2)內(nèi)密外疏,東密西疏,縣際人口密度變化差異大?？傮w來看城市人口平均密度由中心向外圍單調(diào)遞減,內(nèi)部圈層人口密度最大,環(huán)內(nèi)部城市人口密度次之,外圍地帶較稀疏,且內(nèi)部人口密度有進一步增大的趨勢。從具體方向上看,人口東密西疏特征較明顯。西部為山地丘陵區(qū),地形地貌致使這一區(qū)域交通不便,經(jīng)濟發(fā)展緩慢,人口分布較稀疏。

此外,縣際間人口密度變化差異較大,2005和2008年人口密度變化只出現(xiàn)在市區(qū)和高邑、欒城、晉州、無極、行唐等部分縣市,其他地區(qū)變化趨勢不明顯。

(3)城市南東方向(270°～315°)郊區(qū)化現(xiàn)象明顯。擬合結(jié)果顯示城市南東方向符合(4)式所示函數(shù)模型,即人口密度隨城市中心距離的增大先迅速降低,后又出現(xiàn)緩慢上升現(xiàn)象。這表明在城市南東方向部分區(qū)域內(nèi)人口有向郊區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢。這意味著城市南東方向在今后幾年人口數(shù)量會進一步增加并可能形成新的城市副中心。

4 討論

人口的聚集是人口城市化前期的主要地理特征。大城市發(fā)展到一定程度才會出現(xiàn)人口郊區(qū)化現(xiàn)象。郊區(qū)化是集中城市化發(fā)展的延續(xù),也是城市化過程發(fā)展到更高層次的表現(xiàn)[12]。以上結(jié)果表明,石家莊市目前主要處于集聚發(fā)展階段,中心城區(qū)仍然是城市的核心,具有極大的向心力。在近幾年的城市規(guī)劃中,尤其是實現(xiàn)“三年大變樣”規(guī)劃建設(shè)以來,石家莊市投入大量資金進行舊城改造,加快中心城區(qū)建設(shè),這在一定程度上使人口進一步向中心城區(qū)集聚;同時,規(guī)劃中又著力打造“1 +3”組團式發(fā)展模式(1為市區(qū),3代表欒城、藁城、鹿泉),城市用地實行“退二進三”,將市內(nèi)工業(yè)企業(yè)大批量向外搬遷,城市外圍郊區(qū)的實力和水平會不斷提高,從而為人口郊區(qū)化奠定了基礎(chǔ)。因此,石家莊的城市化集聚效應(yīng)與郊區(qū)化擴散效應(yīng)在今后會同時出現(xiàn),在此過程中城市可望實現(xiàn)人口郊區(qū)化與中心城區(qū)繁榮并存。

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A GIS-based Study on the D irectional Property of Urban Population Density D istribution:A Case Study with Shijiazhuang asW orking Example

Chen Hongjuan,Peng Liqin,FengWenzhao
(College of Resources,Shijiazhuang University of Econom ics,Shijiazhuang050031,China)

Based on the urban population data of Shijiazhuang City in 2005 and 2008,the distributions of the index of population concentration and population density in eight directions(NE,EN,NW,WN,S W,WS,SE and ES)were analyzed with sector analysismethod under the support of GIS and SPSS.According to the fitting results of the distribution of the population densities in different directions,the following conclusions can be drawn: (1)The spatial distribution of population in east ismore unifor m than that in west;(2)The spatial distribution of population is denser in interior and east,and sparser in exterior and west;(3)The changes in population density in different counties differ significantly from each other;(4)There is clear suburbanization in the south to east.

population;population density;index of population concentration;GIS;Shijiazhuang City

book=110,ebook=104

F127.41

:A

:1003-2363(2010)05-0132-06

2009-04-09;

:2010-07-08

石家莊經(jīng)濟學院科研計劃項目(42/XN0909)

陳紅娟(1981-),女,河北邢臺人,講師,碩士,主要從事區(qū)域分析與城市規(guī)劃研究,(E-mail)chhj2008@126.com。