我國不同區(qū)域城市空間聯(lián)系的差異分析

郭建科，韓增林，耿雅冬

(遼寧師范大學教育部人文社科重點研究基地海洋經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展研究中心，遼寧大連116029)

0 引言

作為一個開放系統(tǒng)，城市發(fā)展的主要動力是為其以外的區(qū)域提供產(chǎn)品和服務［1］。城市聯(lián)系是勞動地域分工的產(chǎn)物，是城市經(jīng)濟發(fā)展的內在要求和必要條件，它以發(fā)達的交通網(wǎng)絡和現(xiàn)代化的通訊設施等條件為支撐，以人口、資源等生產(chǎn)要素的流動和產(chǎn)業(yè)聯(lián)系為主要內容。區(qū)域中城市間擁有較高的聯(lián)系強度是區(qū)域發(fā)展演化的原動力，同時也是區(qū)域形成城市密集區(qū)或者城市群的前提條件。區(qū)域空間經(jīng)濟聯(lián)系是區(qū)域研究的重要內容。Walter Isard在1951年首開運用投入產(chǎn)出技術分析區(qū)域經(jīng)濟空間聯(lián)系的先河［1］，但該方法對區(qū)域間聯(lián)系程度反應敏感，當不同地區(qū)的經(jīng)濟聯(lián)系很弱或根本沒有什么聯(lián)系，該方法完全可以忽略。E.L.Ullman于1957年提出空間相互作用理論，其衡量模型主要有引力模型和潛力模型，由于引力模型數(shù)據(jù)易于獲取而得到廣泛應用，但該模型只考慮少數(shù)因子，因此，對區(qū)域聯(lián)系的測度較為粗糙。此外，可達性等模型也可從某一方面對區(qū)域空間聯(lián)系狀況做測度［2］，在國內，周一星等運用“主要經(jīng)濟聯(lián)系方法”理論和“引力模型”研究城市空間經(jīng)濟問題［3］;顧朝林等利用重力和引力矩陣構建了中國城市體系空間聯(lián)系計算模型，并劃分了層域，刻畫了空間聯(lián)系的結節(jié)區(qū)結構［4］;朱英明、鄧春玉、姜博、宋飏等運用城市流模型分別對長三角、珠三角、環(huán)渤海及東北地區(qū)的城市空間聯(lián)系進行了實證分析［5－8］;王海江等研究了中心城市對外服務功能［9－10］;蒲欣冬等利用可達性和隸屬度分析法對甘肅中心城市空間聯(lián)系水平進行了測度［11］。從上述研究可知，城市空間聯(lián)系研究的主要視角仍以城市群為主，且不同尺度的空間聯(lián)系研究主要關注空間結構問題，對于區(qū)域空間聯(lián)系的差異問題分析論述較少。本研究綜合運用城市流和神經(jīng)網(wǎng)絡模型，在對我國城市空間聯(lián)系現(xiàn)狀進行空間分析的基礎上，著重揭示區(qū)域差異性，并對不同省區(qū)的城市空間聯(lián)系水平進行分類，從而綜合反映我國不同區(qū)域城市空間聯(lián)系的區(qū)別與聯(lián)系。

1 城市流模型與數(shù)據(jù)處理

城市流就是指城市間人流、物流、信息流、資金流、技術流等空間流在城市群內所發(fā)生的頻繁、雙向或多向的流動現(xiàn)象，是城市間相互作用的一種基本形式。各種城市流在城市的集聚與輻射中存在和變化著，反映了城市集聚與城市輻射的狀況，同時也是城市規(guī)模結構不斷變化完善的過程。城市流強度指在區(qū)域內城市間的相互聯(lián)系中城市外向功能(集聚與輻射)所產(chǎn)生的影響量［12］。計算公式為:

式中:F為城市流強度;E為城市外向功能量;N為城市功能效益，即單位外向功能量所產(chǎn)生的實際影響。考慮到指標選取的代表性及可能性，一般選擇城市從業(yè)人員為城市功能量指標，則城市是否具有外向功能量E，主要取決于其某一部門從業(yè)人員的區(qū)位熵，i城市j部門從業(yè)人員區(qū)位熵Lqij用下式表示，即:

式中:Gij為i城市j部門從業(yè)人員數(shù);Gi為i城市總從業(yè)人員數(shù);Gj表示所在區(qū)域中j部門的從業(yè)人數(shù);G為城市所在區(qū)域總從業(yè)人員數(shù)。

若Lqij＜1，則i城市j部門不存在外向功能，即Eij=0;若Lqij＞1，則i城市j部門存在著外向功能，因為i城市的總從業(yè)人員中分配給j部門的比例超過了城市所在區(qū)域的分配比例，即i部門在j城市中相對于城市所在區(qū)域是專業(yè)化部門，可以為城市外界區(qū)域提供服務。因此，i城市j部門的外向功能為:

i城市m個部門總的外向功能量Ei用下式表示，即:

i城市的功能效率Ni用人均從業(yè)人員的GDP表示，即:

式中:Pi為i城市的國民生產(chǎn)總值。

i城市城市流強度Fi用下列公式表示，即:

式中:Ki為i城市外向功能量占總功能量的比例，其實質是單位從業(yè)人員所提供的外向功能量，反映了i城市總功能量的外向程度，稱之為城市流傾向度［5］。從城市流強度的內涵及其計算方法可以看出，一個城市的城市流強度實質上反映了其對外聯(lián)系與輻射的能力，因此，可以通過對城市群城市流強度的分析與計算確定區(qū)域聯(lián)系的中心，同時反映各城市在區(qū)域內的聯(lián)系地位。

限于可獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一般認為，外向服務功能主要通過第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員數(shù)據(jù)計算，但鑒于研究尺度較大，區(qū)域間差異明顯，僅第三產(chǎn)業(yè)的部分指標已不能很好反映全國中心城市的對外服務能力與結構特點，為了更全面地反映城市空間聯(lián)系水平，本研究將制造業(yè)和建筑業(yè)也納入考察范圍，同時，根據(jù)計算檢驗，剔除第三產(chǎn)業(yè)中一般不具有對外服務功能的公共管理和社會組織、居民服務和其他服務業(yè)。全文將地級以上城市作為切入點，以2009年中國城市統(tǒng)計年鑒作為數(shù)據(jù)來源，將中國大陸31個省級行政區(qū)作為基本區(qū)域單位，通過計算2008年的城市流強度，考察不同區(qū)域，特別是省際城市空間聯(lián)系的差異性，并對城市空間聯(lián)系水平進行分類。

2 我國城市空間聯(lián)系的區(qū)域差異

2.1 城市空間聯(lián)系的基本格局

根據(jù)計算結果繪制圖1，得出全國地級以上城市流強度值空間分布規(guī)律如下。(1)由北到南形成京津冀、長三角和珠三角3個城市流強度輻射中心。一般認為，城市流強度值越大，其與外界聯(lián)系越緊密;城市流強度值越小，其與外界聯(lián)系越松散［7］，因此，上述3個地區(qū)成為全國城市間空間聯(lián)系最密切的區(qū)域。該區(qū)域高強度城市流成連續(xù)、密集分布態(tài)勢，顯示了較強的集聚狀態(tài)并呈區(qū)域擴散格局，3個地區(qū)城市流規(guī)模分別占到全國的12%，23%和19%，總量占到全國54%。除此之外，在山東半島也形成了較大的塊狀分布區(qū)域。(2)從城市分布來看，北京、上海、深圳、廣州和蘇州占據(jù)前5位，其城市流強度值分別達到了2 925，2 274，1 666和1 077億元，均超過了1 000億元的規(guī)模。特別值得注意的是，從第6位到第10位的城市分別為佛山、東莞、無錫、杭州和寧波，均為珠三角和長三角城市，天津僅排第14位，充分說明長三角和珠三角城市群內部的空間聯(lián)系水平比較發(fā)達，中心城市之間的雙向交流頻繁，首位城市對區(qū)域的輻射、帶動作用明顯增強，而北京作為京津冀城市圈的首位城市，其輻射功能仍沒有得到充分發(fā)揮，特別是作為副中心和港口城市的天津，其與周邊城市空間聯(lián)系的密切程度與北京差距較大，兩城市間的雙向互動格局仍未形成，天津要想發(fā)展成為環(huán)渤海經(jīng)濟中心仍很遙遠，濱海新區(qū)任重道遠。(3)在三大輻射中心以外的若干區(qū)域中心城市，高強度值呈點狀分布，如武漢、長沙、大連、重慶、廈門、濟南、沈陽等的城市流強度值達到了極高的水平，但這些中心城市的周邊城市流規(guī)模都比較小，顯示這些區(qū)域城市首位度很高，區(qū)際間聯(lián)系仍以首位城市為主，區(qū)域內城市間雙向互動不足，成高度集聚態(tài)勢。

圖1 2008年中國大陸城市流空間格局Fig.1 Spatial distributions of urban-flow in China in 2008

2.2 省際差異

我國大陸地區(qū)各省、自治區(qū)和直轄市間的城市對外服務功能及空間聯(lián)系水平存在巨大差異。(1)從地區(qū)分布來看，東中西三大地帶性分布明顯，前7位均為東部地區(qū)。廣東占據(jù)首位，城市流強度總值達到6 152億元，占全國的19.0%，排在前6位的省區(qū)依次為江蘇(9.8%)、北京(9.0%)、山東(7.4%)、上海(7.0%)、浙江(6.4%)，列最后3位的分別是寧夏、青海和西藏。東中西三大地帶的城市流比例為:71∶18∶11。(2)從城市流集中化指數(shù)來看，各省份城市空間聯(lián)系的集聚程度差異很大，但與GDP關系不大。集中化指數(shù)排名前三的依次是貴州(0.793)、黑龍江(0.781)、云南(0.747)，排名后三的依次是寧夏(0.172)、海南(0.118 7)和河北(0.405)，沿海經(jīng)濟發(fā)達省份依次為廣東(0.703)、江蘇(0.633)和遼寧(0.616)，沿海省份中，除海南僅有兩個城市數(shù)據(jù)結果存在偏差外，河北集中化指數(shù)最小，且小于周圍所有省份;中部省份中的安徽(0.417)集中化指數(shù)最小，湖北最大。特別是安徽和河北兩省的集中化指數(shù)均小于周邊省份。這說明河北、安徽均受到周邊省份的強力輻射作用，處在相對的“陰影”區(qū)域，本省內部經(jīng)濟聯(lián)系不足，省會城市對本省域內的城市輻射作用較差，不具有整合全域的力度，易導致邊界城市融入他省經(jīng)濟圈;相比較，湖北在長三角的強勢輻射作用下，武漢對本省域內的城市仍起著絕對的帶動和整合作用。

2.3 城市流要素結構區(qū)域差異

根據(jù)城市外向服務功能各產(chǎn)業(yè)分量的分布情況(表1)，主要存在以下特征。(1)北京、海南、重慶、貴州、云南、青海、新疆和西藏的制造業(yè)外向功能量為0，整個制造業(yè)外向服務功能省區(qū)分布的集中化指數(shù)為0.746，而建筑業(yè)為0.679，第三產(chǎn)業(yè)為0.485，且第三產(chǎn)業(yè)外向功能量不存在0值。表明制造業(yè)的省區(qū)專業(yè)化程度差異較大，而第三產(chǎn)業(yè)的對外服務功能相對具有遍在性。導致制造業(yè)0值出現(xiàn)的原因有多種。在北京、海南和重慶等地，由于其產(chǎn)業(yè)結構中第三產(chǎn)業(yè)比重高，制造業(yè)中的勞動密集型產(chǎn)業(yè)比重小，因此，其對于勞動力的消化能力有限。而西藏、青海、新疆等西部地區(qū)本身工業(yè)化程度低，制造業(yè)不發(fā)達。(2)排在制造業(yè)外向服務功能前6位的省區(qū)分別是廣東、江蘇、山東、浙江、福建、上海，北方僅有山東一省，都是我國加工貿(mào)易發(fā)達的外向型經(jīng)濟省份，其制造業(yè)對于勞動力的吸引處于絕對控制地位。(3)排在第三產(chǎn)業(yè)外向服務功能前5位的分別是北京、廣東、上海、遼寧和江蘇。通過產(chǎn)業(yè)結構比較，發(fā)現(xiàn)北京2009年的三次產(chǎn)業(yè)結構為 1∶23.2∶75.8，廣東為2.5 ∶48.5∶49.1，上海為 0.8 ∶39.9 ∶59.4，北京的三產(chǎn)比重偏高，而上海的制造業(yè)比重仍接近40%，其第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍顯不足。(4)對第三產(chǎn)業(yè)外向服務功能進行細化后發(fā)現(xiàn)，在信息傳輸計算機服務和軟件業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)、科學研究與技術服務業(yè)、文化體育娛樂業(yè)、交通運輸倉儲及郵政業(yè)、批發(fā)零售業(yè)、住宿餐飲業(yè)7個產(chǎn)業(yè)中，北京都占據(jù)首位，特別是在前4個產(chǎn)業(yè)中，其首位率均接近或超過40%。上海僅金融業(yè)一項占據(jù)首位，首位率為14.7%。廣東在上述8個產(chǎn)業(yè)中，有5個產(chǎn)業(yè)排在前三。綜合以上分析可知，在我國城市空間聯(lián)系格局中，北京的外向服務功能雖然主要表現(xiàn)在第三產(chǎn)業(yè)，但除金融業(yè)外，其第三產(chǎn)業(yè)內部各產(chǎn)業(yè)部門在全國均處于絕對主導地位，廣東和上海的制造業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)外向服務功能都很明顯，但他們的首位率較低，且只在個別產(chǎn)業(yè)部門占據(jù)主導地位。

表1 2008年省級區(qū)域城市流相關指標Tab.1 Main indexes for urban flow of provinces in 2008

3 省級區(qū)域城市空間聯(lián)系水平分類

3.1 Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡算法及模型

Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡也叫SOM神經(jīng)網(wǎng)絡，是一種基于非線性自組織映射模型的聚類方法。他是由芬蘭赫爾辛基大學神經(jīng)網(wǎng)絡專家Kohonen教授在1981年提出的競爭式神經(jīng)網(wǎng)絡，它模擬大腦神經(jīng)系統(tǒng)自組織特征映射的功能，在訓練中能無監(jiān)督地進行自組織學習。由于它的強大功能，多年來，網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)分類、知識獲取、過程監(jiān)控、故障識別等領域中得到了廣泛應用［13－15］。SOM神經(jīng)網(wǎng)絡由輸入層和競爭層組成。輸入層由N個神經(jīng)元組成，競爭層由M個神經(jīng)元組成，為可視化表示結果，常將M表示為一個二維平面陣列M=s*t。其算法步驟為:(1)初始化，從R個輸入神經(jīng)元到輸出神經(jīng)元的權值都進行隨機初始化，賦予較小的隨機值。(2)提供一個新的輸入模式。(3)計算輸入樣本與每個輸出神經(jīng)元之間的歐氏距離，并選取一個最小距離的輸出神元。(4)修改選定神經(jīng)元與鄰接神經(jīng)元的連接權值。(5)輸入新的樣本重復上面的學習過程。

3.2 省級區(qū)域城市空間聯(lián)系水平劃分

僅從各省區(qū)城市空間聯(lián)系的交流總量與GDP的相關性看，兩者大致呈現(xiàn)正相關(圖2)，相關系數(shù)達到0.937 4，但從城市空間聯(lián)系的交流結構及經(jīng)濟發(fā)展水平等綜合指標看，其影響因素眾多，存在復雜的非線性網(wǎng)絡關聯(lián)。本研究使用神經(jīng)網(wǎng)絡中的SOFM非線性分類器，利用Matlab7.0平臺，通過省級區(qū)域城市流數(shù)據(jù)對其城市空間聯(lián)系水平進行分類，構建一個3×4的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡初始權值為［0，1］，最大鄰域數(shù)為7，指標體系包括GDP、人均GDP、城市流強度F、城市外向功能量E、城市功能效率N、制造業(yè)外向功能量、建筑業(yè)外向功能量、第三產(chǎn)業(yè)外向功能量、城市流傾向度K 9個指標，分別作10，100和1 000次循環(huán)計算，根據(jù)輸出結果將31個省份的城市空間聯(lián)系水平分為4個層次(圖3)。第1層次為廣東、江蘇、北京、上海、浙江、山東、遼寧、福建、四川，城市間空間聯(lián)系非常密切;第2層次為安徽、河南、湖北、湖南、黑龍江和重慶，城市間空間聯(lián)系較為密切;第3層次為天津、河北、內蒙和吉林，城市空間聯(lián)系水平較差;第4層次為山西、江西、廣西、海南、貴州、云南、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆和西藏，城市空間聯(lián)系水平差。從圖中可以看出，我國城市空間聯(lián)系水平相同的省區(qū)主要呈現(xiàn)帶狀或塊狀連續(xù)分布的特點。沿海地區(qū)除天津、河北和廣西外，其他省級區(qū)域均處于第1層次，四川和重慶作為西部地區(qū)的中心，城市空間聯(lián)系保持高水平;第2層次主要集中在長江流域和華中地區(qū)，這里處于我國長江黃金水道和南北陸路交流的樞紐，城市空間聯(lián)系較密切;第3層次需要說明的是，由于直轄市和青海、西藏僅有一個城市數(shù)據(jù)，因此，計算結果反映的是這些區(qū)域的城市對外服務功能，其他省級區(qū)域既反映了其在全國的城市外向服務功能，也比較好地反映了其內部城市空間聯(lián)系狀況。可以看出，北京、上海屬于第1層次，屬于全國城市空間聯(lián)系中的首位聯(lián)系城市;重慶屬于第2層次，為我國西南地區(qū)的首位聯(lián)系城市;天津為第3層次，受北京影響，其輻射受限，經(jīng)濟外向服務功能差強人意。青海、西藏屬于第4層次。

圖2 中國大陸31個省區(qū)城市流與GDP關系Fig.2 The relationship between urban flow and GDP of 31 provinces in China

圖3 我國省級區(qū)域城市空間聯(lián)系水平SOM分類Fig.3 SOM classification of Chinese urban spatial-ralationship

4 結論

城市流是城市空間聯(lián)系的重要表現(xiàn)形式，可以較好地表征城市間空間聯(lián)系水平及中心城市的外向服務功能。從2008年地級以上城市的城市流強度分布情況來看，我國城市空間聯(lián)系差異性主要表現(xiàn)在以下3個方面。(1)京津冀、長三角和珠三角地區(qū)是我國3個城市流強度輻射中心，也是高強度城市流最密集的3個地區(qū)，呈塊狀連續(xù)分布，這3個地區(qū)城市空間聯(lián)系密切，不同規(guī)模城市間的空間聯(lián)系較強，空間流較發(fā)達的城市已呈區(qū)域擴散態(tài)勢。此外，我國在中西部地區(qū)若干中心城市的城市流規(guī)模雖達到了極高水平，但周邊城市較低，區(qū)域首位聯(lián)系比重過大，呈點狀突起分布。(2)城市空間聯(lián)系的東中西三大地帶分布明顯。三大地帶城市流比例為71∶18∶11，僅沿海三大核心區(qū)就占據(jù)全國地級以上城市空間聯(lián)系強度的54%。(3)各省份內部城市空間聯(lián)系的集中化指數(shù)與GDP不存在明顯線性關系，集中化指數(shù)偏高或偏低的區(qū)域均不是經(jīng)濟發(fā)達省份。(4)運用城市流模型計算得到的相關指標構建城市空間聯(lián)系水平的指標體系，并通過SOM神經(jīng)網(wǎng)絡分類器對不同區(qū)域的城市空間聯(lián)系水平進行分類，劃分為非常密切、密切、較差、差4類，總體效果較好，基本反映了城市空間聯(lián)系的省際差異狀況。

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