基于GIS和大數(shù)據(jù)的城鎮(zhèn)體系定量化研究*
——以山東省昌邑市為例

殷振軒 YIN Zhenxuan

0 引言

我國正處于城鎮(zhèn)化飛速發(fā)展的階段。2011年，我國城鎮(zhèn)化率超過50%[1]，城鎮(zhèn)成了我國社會經(jīng)濟發(fā)展的主要動力和載體。城鎮(zhèn)體系是城市規(guī)劃中的一個重要概念，它是指區(qū)域內(nèi)聯(lián)系密切城鎮(zhèn)的組織形式[2]。良好的城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)有利于資源的高效配置和區(qū)域的健康發(fā)展，關(guān)系到我國城鎮(zhèn)化的質(zhì)量。

近年來，隨著GIS等空間分析技術(shù)在城市規(guī)劃中的運用，越來越多研究者使用定量分析的方法研究城鎮(zhèn)體系空間結(jié)構(gòu)。李震等[3]基于重力模型，得出了中國城鎮(zhèn)體系的結(jié)構(gòu)類型；范強等[4]改進空間作用模型，借助城鎮(zhèn)輻射范圍，劃分了城鎮(zhèn)體系結(jié)構(gòu)和城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)；還有一些學者引入分形維數(shù)，研究了南通等市的城鎮(zhèn)體系空間[5-6]。

圖1 昌邑市單元分布圖

由于具有數(shù)量大、類別豐富、收集速度快等特性，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用正受到更多的重視，但如何在城市規(guī)劃編制過程中應(yīng)用大數(shù)據(jù)的問題還處于探討階段[7-8]。目前已有學者開展了一系列研究工作，如基于手機信令數(shù)據(jù)，分析上海不同等級商業(yè)中心顧客數(shù)量變化和來源地，從而識別商業(yè)中心的勢力圈[9]；基于對公交IC卡使用情況的數(shù)據(jù)挖掘，識別工作地點和居住地點[10]；基于微博數(shù)據(jù)，探討城市活動空間結(jié)構(gòu)[11]。

然而，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)城鎮(zhèn)體系規(guī)劃方法缺乏定量的分析研究，仍需要以“拍腦袋”的形式?jīng)Q定城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)，導致城鎮(zhèn)功能雷同，缺乏特色和聯(lián)系，致使資源配置不合理、利用效率低下，影響了城鎮(zhèn)的發(fā)展[3,12]。另一方面，各學者所使用的評價體系不同，缺少實例研究，不利于方法的推廣[13]。同時，城鎮(zhèn)間的聯(lián)系不斷加強，關(guān)系更加復雜，需要結(jié)合大數(shù)據(jù)來研究日益復雜的城鎮(zhèn)體系,而目前關(guān)于大數(shù)據(jù)的研究主要關(guān)注人的行為[9-11]，與城鎮(zhèn)體系規(guī)劃編制銜接還不理想。本文借鑒相關(guān)研究成果，結(jié)合實踐經(jīng)驗構(gòu)建易于操作的中心性強度評價體系，同時通過引入通行時間數(shù)據(jù)，改進空間作用模型，更加準確地分析昌邑市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的影響范圍和影響強度，從而為昌邑市城鎮(zhèn)體系結(jié)構(gòu)分析和研究提供依據(jù)。

表1 中心性強度定量評估體系

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

昌邑市隸屬于山東省濰坊市，位于山東半島西北部，濰河下游，在“濰坊半小時經(jīng)濟圈”和“青島1小時經(jīng)濟圈”之內(nèi)。昌邑市域總面積1 627.5 km2（圖1）。2014年底，全市總?cè)丝?0.9萬，鎮(zhèn)區(qū)人口31.3萬，城鎮(zhèn)化水平51.4%。2014年全市生產(chǎn)總值356億元，一、二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比為10.3：55.5：34.2。昌邑市是較為典型的小城鎮(zhèn)，因此對其進行的分析具有較強的代表性。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為基本研究單元，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于《昌邑市統(tǒng)計年鑒》（2013—2014），行政區(qū)劃圖等地理數(shù)據(jù)來源于昌邑市規(guī)劃局等相關(guān)政府部門，地形數(shù)據(jù)為作者從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）下載獲得，實時道路通行時間為作者從高德地圖API調(diào)用獲得，并根據(jù)研究需要對部分數(shù)據(jù)進行了加工處理。

2 研究方法

2.1 指標體系構(gòu)建

為在實際工作中推廣運用定量化指標來評價城鎮(zhèn)體系，結(jié)合文獻研究，選用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較易獲得的城鎮(zhèn)中心性強度和影響范圍，作為評價指標來劃分昌邑市城鎮(zhèn)體系的等級結(jié)構(gòu)[4]。

2.2 中心性強度

城鎮(zhèn)中心性強度是對城鎮(zhèn)經(jīng)濟、規(guī)模、生態(tài)等多方面的綜合評價，結(jié)合參數(shù)的可量化性和可獲取情況，構(gòu)建由3個目標層、9個準則層以及27個指標層組成的新型城鎮(zhèn)體系定量評價指標體系[4,14-15]（表1）。

目前權(quán)重確定的方法主要包括專家打分法、主因子分析和熵權(quán)法等[13]。其中，熵權(quán)法可以反映出各指標包含的信息量，提供的信息越多，權(quán)重越大。因此，本文采用熵權(quán)法確定權(quán)重，同時由于指標中單位、量綱和數(shù)量級不一致，采用min-max極差標準化法標準化指標。

（1）計算各指標信息熵

xij為第i個城市j項指標的標準值，n為城市個數(shù)，如果pij=0，則定義limpij→0pij×lnpij=0。

（2）計算各指標權(quán)重

其中，Wj為第j項指標權(quán)重，m為指標個數(shù)。

（3）計算各中心性強度

其中，LNUi為第i個城市的中心性強度。

2.3 城鎮(zhèn)影響范圍

場強模型是計算空間影響范圍和強度的方法，在區(qū)域均質(zhì)的情況下，其計算公式為[15]：

其中，F(xiàn)ik對區(qū)域內(nèi)各點的影響強度，Pi為城市i的中心性強度，dik為城市i建成區(qū)中心與任一點k之間的距離。對任一點k影響最大的城鎮(zhèn)即為對該點產(chǎn)生主要影響的城鎮(zhèn)。

場強模型也存在一定局限性。模型假設(shè)研究區(qū)域為均質(zhì)，但實際情況下各方向衰減距離會因河流、山脈等障礙產(chǎn)生差異。一些學者使用成本加權(quán)距離取代公式（4）中的空間直線距離dik[15]。但是一方面獲取區(qū)域內(nèi)完整路網(wǎng)較為困難，另一方面摩擦系數(shù)估算較為籠統(tǒng)，依然不能具體反映各道路實際條件、通行能力等因素。在現(xiàn)實生活中人們對“距離”的直觀感受是兩點間出行時間。基于此，引入城鎮(zhèn)建成區(qū)中心到各點實時時間，以兩點間通行時間取代公式（4）中的空間直線距離dik，以改進場強模型。

3 結(jié)果分析

3.1 城鎮(zhèn)中心性強度

將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)帶入公式（3）計算城鎮(zhèn)中心性強度（表2）。以此為屬性在ArcGIS軟件中做圖，以反映該屬性的空間差異，結(jié)果見圖2。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)昌邑市城鎮(zhèn)中心性強度區(qū)域差異顯著，其中城區(qū)綜合評價最高為63.53，約為綜合評價最低的飲馬鎮(zhèn)的5倍。作為昌邑市的中心，人口、經(jīng)濟聚集效應(yīng)明顯，規(guī)模評價和經(jīng)濟評價結(jié)果都遙遙領(lǐng)先，且擁有較好的生態(tài)評價結(jié)果。同時可以發(fā)現(xiàn)，由于區(qū)位和資源優(yōu)勢，北部城鎮(zhèn)綜合評價要優(yōu)于南部。柳疃鎮(zhèn)和下營鎮(zhèn)的固定資產(chǎn)投入和公共財政都較為突出，且它們緊鄰渤海灣，擁有較好的生物豐度和水資源條件，所以獲得較好的經(jīng)濟和生態(tài)評價結(jié)果。但是其規(guī)模評價不高，說明城鎮(zhèn)化水平還比較滯后。而圍子街道緊鄰中心城區(qū)，受城區(qū)輻射較強，擁有較好的規(guī)模和經(jīng)濟評價結(jié)果，但其生態(tài)評價值較低，未來宜與城區(qū)聯(lián)動發(fā)展。龍池鎮(zhèn)經(jīng)濟評價為區(qū)域內(nèi)最低，但其生態(tài)評價比較突出，未來宜結(jié)合生態(tài)發(fā)展。石埠鎮(zhèn)的經(jīng)濟評價結(jié)果較為突出，但生態(tài)評價值較低。其他3鎮(zhèn)綜合評價值較低，總體發(fā)展水平不高。

圖2 昌邑市各城鎮(zhèn)中心性強度

圖3 昌邑市各城鎮(zhèn)影響范圍

表2 昌邑市城鎮(zhèn)中心性強度評價結(jié)果

3.2 影響范圍

在ArcGIS中，將整個市域分成18 728個300 m×300 m的正方形，并提取其中心點坐標。在FME中編寫程序，通過高德地圖規(guī)劃路徑api，調(diào)用9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)建成區(qū)中心分別到這18 728個點的實時時間，帶入改進后的場強公式，可得9個鄉(xiāng)鎮(zhèn)對各點的影響強度。各點從屬于對其影響力最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，去除飛地后，屬于同一鄉(xiāng)鎮(zhèn)點的包絡(luò)線即為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的影響范圍，由此劃分各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的影響范圍（圖3）。可發(fā)現(xiàn)由于市域南部為狹長地帶，距城區(qū)較為偏遠，且交通不便，南部各城鎮(zhèn)中心性強度不高，城鎮(zhèn)行政區(qū)域內(nèi)還主要受其自身影響。其中石埠縣的經(jīng)濟相對較為發(fā)達，交通更具優(yōu)勢，且有高速對外聯(lián)系，其影響范圍更為廣闊。市域北部交通較為便捷，既有東西向聯(lián)系，又有南北向聯(lián)系。其中柳疃鎮(zhèn)作為紡織重要基地，高速、省道、鐵路在此交匯，是昌邑市對外聯(lián)系的支點之一，其影響范圍較廣，覆蓋了龍池鎮(zhèn)的大部分范圍，同時與作為濱海開發(fā)區(qū)重要組成部分的下營鎮(zhèn)東西互相滲透。未來建議適當調(diào)整北部四鎮(zhèn)的行政區(qū)劃，使柳疃鎮(zhèn)、下營鎮(zhèn)和龍池鎮(zhèn)聯(lián)動開發(fā)，沿東西向大力發(fā)展規(guī)?；墓まr(nóng)業(yè)，打造集養(yǎng)殖、工業(yè)和旅游為一體的沿海開發(fā)區(qū)。城區(qū)由于道路交叉口較多，出行時間較多，其影響范圍主要在規(guī)劃行政區(qū)范圍內(nèi)，同時與圍子街道聯(lián)系較為密切，未來可聯(lián)動發(fā)展。

圖4 昌邑市各城鎮(zhèn)影響強度

圖5 昌邑市空間結(jié)構(gòu)

3.3 影響強度

圖4反映了各點受到的最大影響強度。根據(jù)統(tǒng)計特征將最大影響強度大于x+0.5s（其中x為最大影響強度的平均值，s為最大影響強度的標準差）的區(qū)域定義為高影響區(qū)域[13]。城區(qū)、柳疃鎮(zhèn)、石埠鎮(zhèn)和圍子街道的高影響區(qū)域面積遠遠大于其他城鎮(zhèn)，表明這4個城鎮(zhèn)具有較大的發(fā)展?jié)摿?。從圖中可以看出，省道和縣道對城鎮(zhèn)影響力擴張的影響最為顯著，特別是沿下小路和北海路，分別串聯(lián)了下營鎮(zhèn)、圍子街道、石埠鎮(zhèn)、飲馬鎮(zhèn)和北孟鎮(zhèn)，柳疃鎮(zhèn)和城區(qū)，形成了兩條主要發(fā)展軸。除此之外，卜莊鎮(zhèn)沿G206向城區(qū)發(fā)展，龍池鎮(zhèn)沿劉龍路向柳疃鎮(zhèn)方向發(fā)展。

3.4 城鎮(zhèn)體系

綜合考慮城鎮(zhèn)中心性強度、影響范圍和影響強度，將昌邑市劃分成三級城鎮(zhèn)體系結(jié)構(gòu)：城區(qū)為一級城鎮(zhèn)，中心性強度較高、影響范圍較廣、影響力強度較大的柳疃鎮(zhèn)、石埠鎮(zhèn)和圍子街道為二級城鎮(zhèn)，中心性強度較低、影響范圍局限、影響力強度較小的下營鎮(zhèn)、龍池鎮(zhèn)、卜莊鎮(zhèn)、飲馬鎮(zhèn)和北孟鎮(zhèn)為三級城鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)體系結(jié)構(gòu)。

同時，城鎮(zhèn)影響范圍和強度體現(xiàn)了區(qū)域聯(lián)系情況。由圖3可見，柳疃鎮(zhèn)影響范圍較廣，覆蓋了龍池鎮(zhèn)的大部分范圍，同時與下營鎮(zhèn)的影響范圍相互交錯。3鎮(zhèn)相互影響相互滲透，聯(lián)系較為緊密，宜考慮作為發(fā)展帶連片統(tǒng)籌發(fā)展。城市發(fā)展軸是城市主要發(fā)展方向上具有較大發(fā)展?jié)摿Φ牡貛АＳ蓤D4可見，下小路和北海路串聯(lián)了大片高影響區(qū)域，這些區(qū)域具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ藘?yōu)先發(fā)展。據(jù)此將昌邑市劃分為“一帶，兩軸”的空間結(jié)構(gòu)（圖5）?！耙粠А奔匆罁?jù)聯(lián)系范圍，以增強柳疃鎮(zhèn)、下營鎮(zhèn)和龍池鎮(zhèn)聯(lián)動發(fā)展形成的昌邑濱海開發(fā)區(qū)發(fā)展帶；“兩軸”即影響強度擴散方向，以下小路串聯(lián)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展軸，和以北海路串聯(lián)的石化—鹽化聯(lián)動發(fā)展軸。

4 結(jié)論

引入網(wǎng)絡(luò)實時道路通行時間，結(jié)合中心性強度改進了傳統(tǒng)的場強模型，建立了用于定量化評價小城鎮(zhèn)中心性強度的指標體系，同時借助GIS空間分析的功能，綜合分析了昌邑市各城鎮(zhèn)的影響范圍和影響強度，提出了“城區(qū)中心—影響力較強城鎮(zhèn)—影響力一般城鎮(zhèn)”的三級結(jié)構(gòu)和“一帶，兩軸”的空間結(jié)構(gòu)，為昌邑市城鎮(zhèn)體系規(guī)劃提出了依據(jù)。傳統(tǒng)城鎮(zhèn)體系規(guī)劃方法，由于數(shù)據(jù)難于獲取，空間單元較大，難以應(yīng)用科學合理的定量分析研究，仍需要以“拍腦袋”的形式?jīng)Q定城鎮(zhèn)結(jié)構(gòu)，導致城鎮(zhèn)功能雷同，缺乏特色和聯(lián)系，致使資源配置不合理、利用效率低下，影響了城鎮(zhèn)的發(fā)展[3，12]。結(jié)合開放大數(shù)據(jù)，兼顧數(shù)據(jù)易獲取性和數(shù)據(jù)精細性，從新視角更精準展現(xiàn)了城鎮(zhèn)間區(qū)域聯(lián)系，依托影響范圍提出了發(fā)展片區(qū)，結(jié)合影響強度和其方向提出了空間發(fā)展結(jié)構(gòu)，為定量化分析城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)奠定了科學基礎(chǔ)，有助于大數(shù)據(jù)時代的城鎮(zhèn)體系規(guī)劃的編制。

但本研究還存在一定局限性：一方面，本文只把昌邑市作為一個獨立的系統(tǒng)進行討論分析，沒有考慮周邊城鎮(zhèn)對研究區(qū)域內(nèi)的影響情況，未來應(yīng)綜合評價城鎮(zhèn)體系，特別是對外交通對區(qū)域的影響；另一方面，本研究為使數(shù)據(jù)易于獲取，運用的模型僅以時間作為評價影響范圍的參數(shù)，沒有交叉比對真實的人流情況，未來可以運用手機信令數(shù)據(jù)研究客觀人流數(shù)據(jù)，加以改進[16]。