武漢市人口分布時(shí)空演變特征分析

丁逸塵 伍雄昌 黃美玲 楊子鈺

摘? 要：本文在GIS技術(shù)支撐下，基于武漢市2009—2017年人口數(shù)據(jù)和武漢市行政區(qū)劃邊界數(shù)據(jù)，采用人口密度、空間自相關(guān)分析、人口重心與人口不均衡指數(shù)等方法，研究武漢市2009—2017年人口分布時(shí)空演變特點(diǎn)。結(jié)果表明：2009—2017年，武漢市人口密度呈現(xiàn)出明顯的地域差異特點(diǎn)，中間高，四周低;武漢市各區(qū)人口分布存在顯著的空間正相關(guān)性，人口的空間集聚趨勢(shì)逐漸減慢;武漢市人口分布呈不均衡態(tài)勢(shì)，且逐漸減弱;武漢市人口重心總體上先向西南方遷移，再向東北方遷移。

關(guān)鍵詞：人口重心? 人口不均衡指數(shù)? 空間自相關(guān)? 武漢市

中圖分類號(hào)：C922? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（c）-0244-09

Abstract： Based on GIS technology， the data of population and administrative divisions is utilized to study the temporal-spatial evolution characteristics of population of Wuhan City from 2009 to 2017. Some results are obtained by the methods of population density， spatial autocorrelation analysis， gravity central of population and population unbalanced index. The results show that some obvious regional differences of population density becoming higher in the middle and lower in the periphery were discovered. The spatial distribution of population had a significant positive spatial correlation. In addition， the spatial agglomeration of the population gradually slowed down. The population distribution was unbalanced and such situation gradually decreased. The population gravity center moved to the southwest first and then to the northeast.

Key Words： Gravity center of population; Population unbalanced index; Spatial autocorrelation analysis; Wuhan City

人口分布是城市空間結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其空間分布格局及變動(dòng)與城市經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)散和集聚、空間結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張與重組有非常密切的關(guān)系，從一定程度上能夠反映城市形態(tài)的演變特征[1]。國外學(xué)者在20世紀(jì)50年代到60年代開始采用數(shù)量方法研究人口空間分布和演變規(guī)律，如 Clark[2]采用數(shù)量方法提出關(guān)于城市人口密度的克拉克模型;20世紀(jì)80年代后側(cè)重于對(duì)城市郊區(qū)化進(jìn)行探究，如Gordon等[3]研究城市由單中心向多中心結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的進(jìn)程;20世紀(jì)90年代后借助新研究方法對(duì)人口進(jìn)行探討，如Harris等[4]對(duì)社會(huì)與人口的關(guān)系進(jìn)行新定義，強(qiáng)調(diào)社會(huì)是人口變動(dòng)的根本驅(qū)動(dòng)力。目前，國內(nèi)學(xué)者多采用空間相關(guān)分析、人口分布結(jié)構(gòu)指數(shù)、人口重心等方法，基于GIS技術(shù)研究不同區(qū)域人口分布變化特點(diǎn)。劉燕華等[5]基于中國人口分布現(xiàn)狀與水資源、海拔高度、地表起伏指數(shù)和多種社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素之間的關(guān)系，建立了綜合的適宜人口分布模型;付瀟等[6]運(yùn)用不均衡指數(shù)、集中指數(shù)以及地統(tǒng)計(jì)的方法，探討嘉陵江流域人口分布時(shí)空演變的特征;陳偉等[7]利用手機(jī)信令數(shù)據(jù)，借助Python語言編程和GIS對(duì)天津市小白樓CBD片區(qū)的人員規(guī)模變化趨勢(shì)、分地塊人數(shù)極值時(shí)空分布等進(jìn)行了分析。

當(dāng)前我國關(guān)于人口分布的研究區(qū)域多為東部發(fā)達(dá)的省市或城市群，較少涉及中西部地區(qū)城市。武漢市為我國中部的中心城市，地理位置十分重要，關(guān)于其近幾年人口分布研究的論文較少，且隨著武漢市人口快速增長、城市擴(kuò)展急劇加速，城市出現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)不合理、生態(tài)污染、環(huán)境破壞等問題，因此研究武漢市人口分布能為土地利用合理開發(fā)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)域?yàn)槲錆h市（113°41′-115°05′E，29°58′-31°22′N），武漢市為湖北省省會(huì)，地處長江中下游平原、江漢平原東部，是武漢城市圈的中心城市，全國重要的工業(yè)基地、科教基地和綜合交通樞紐。武漢市下轄區(qū)行政單元13個(gè)，其中包括7個(gè)中心城區(qū)（江岸區(qū)、江漢區(qū)、硚口區(qū)、漢陽區(qū)、武昌區(qū)、青山區(qū)、洪山區(qū)）和6個(gè)遠(yuǎn)郊區(qū)（東西湖區(qū)、漢南區(qū)、蔡甸區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)、新洲區(qū)）。

本文數(shù)據(jù)源為2009年、2012年、2015年和2017年武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒，主要用于獲取四個(gè)時(shí)期武漢市常住人口數(shù)據(jù)。另外，本文還使用武漢市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)作為輔助，主要用于分析武漢市的人口空間分布特點(diǎn)。

2? 研究方法

研究人口空間分布的方法和測(cè)度指標(biāo)有很多，主要有空間分布特征分析方法和空間演變分析方法，本文選取人口密度和空間自相關(guān)模型分析武漢市人口空間分布特征及其在空間上的關(guān)聯(lián)性，選取不均衡模型、人口重心模型分析人口空間分布的聚散性與變化趨勢(shì)。

2.1 空間分布特征分析方法

2.1.1 人口密度

人口密度是衡量一個(gè)國家或地區(qū)人口空間分布狀況的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下[8]：

2.1.2 空間自相關(guān)分析

（1）全局空間自相關(guān)。

全局Morans I指數(shù)是研究空間自相關(guān)的全局指標(biāo)，可反映各研究單元和它相鄰研究單元空間差異的平均程度，其計(jì)算公式如下[9]：

全局Morans I指數(shù)在歸一化計(jì)算后的取值范圍為-1到1。指數(shù)大于0時(shí)表示正相關(guān)的空間關(guān)系，且數(shù)值越接近1表示空間相似屬性越聚集;指數(shù)小于0表示空間區(qū)域關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，并且數(shù)值越接近-1，表示空間相異屬性越聚集。分別可以在近似正態(tài)分布和隨機(jī)分布兩種假設(shè)條件下進(jìn)行驗(yàn)證，即假設(shè)該現(xiàn)象不存在空間自相關(guān)性來進(jìn)行顯著性實(shí)驗(yàn)[10]。本文采用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量對(duì)全局Morans I指數(shù)顯著性檢驗(yàn)，其計(jì)算公式如下[8]：

（2）局部空間自相關(guān)。

局部Morans I指數(shù)用來衡量每個(gè)空間要素或?qū)傩栽诰植康南嚓P(guān)特征，反映整個(gè)大區(qū)域中局部小區(qū)域單元上的人口分布特征與相鄰區(qū)域單元上人口分布的相似程度，能夠有效揭示局部的空間差異[11]，其計(jì)算公式如下[12]：

式中，S2為的離散方差。若為正，表示該研究單元周圍高值與高值或者低值與低值空間聚集，為負(fù)代表非相似值的空間聚集。

2.2 空間演變分析方法

重心指數(shù)與不均衡指數(shù)。

（1）人口重心指數(shù)。

人口重心是指研究區(qū)域內(nèi)某時(shí)刻人口分布在空間平面上力矩達(dá)到平衡的點(diǎn)，可以通過人口重心的變動(dòng)來研究人口分布的變化趨勢(shì)，其計(jì)算公式如下[13]：

式中，表示人口分布的重心坐標(biāo);為區(qū)域的人口數(shù);一般取區(qū)域幾何中心坐標(biāo)或政府駐地坐標(biāo)[14]，本文取武漢市各區(qū)政府駐地坐標(biāo)。

（2） 人口不均衡指數(shù)。

在考察人口分布在某個(gè)地域上是否均衡和集中時(shí)，可以采用不均衡指數(shù)來表示，其計(jì)算公式如下[13]：

式中，n表示地區(qū)數(shù)目;為某地區(qū)人口占總?cè)丝诘谋戎?y為某地區(qū)土地面積占總面積的比重。

3? 結(jié)果分析

3.1 人口空間分布特征

3.1.1 人口密度分析

本文基于武漢市2009年和2017年人口數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1），計(jì)算武漢市2009年和2017年人口密度（如表1所示）。從表1發(fā)現(xiàn)，2009—2017年武漢市人口密度總體呈上升趨勢(shì)，2009年武漢市人口密度為984人/km2，2017年武漢市人口密度為1271人/km2。位于武漢市中心的江漢區(qū)、硚口區(qū)、武昌區(qū)和江岸區(qū)在2009年和2017年人口密度均超過11000人/km2，而離武漢市中心較遠(yuǎn)的江夏區(qū)、蔡甸區(qū)、黃陂區(qū)、漢南區(qū)、新洲區(qū)在2009年和2017年人口密度均不足1000人/km2，體現(xiàn)出武漢市人口密度呈現(xiàn)中間高、四周低的區(qū)域分布特點(diǎn)，這主要是因?yàn)槲錆h主城區(qū)位于武漢市中心且有長江貫穿，地理位置優(yōu)越，水陸交通發(fā)達(dá);制造型單位分布密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，吸引大量人口前往就業(yè);武昌區(qū)建有34所大學(xué)、硚口區(qū)有14所大學(xué)、江岸區(qū)有12所大學(xué)，教育水平較高，大學(xué)生人口數(shù)量眾多。

3.1.2 空間自相關(guān)分析

（1）全局空間自相關(guān)分析。

空間自相關(guān)是衡量研究對(duì)象之間空間關(guān)聯(lián)性的重要研究方法，本文將武漢市2009—2017年人口數(shù)據(jù)與武漢市行政區(qū)劃圖層進(jìn)行屬性聯(lián)接，得到武漢市人口分布圖層，將其輸入GeoDa軟件得到武漢市2009年、2012年、2015年和2017年13個(gè)行政區(qū)單元的人口密度分布的全局Morans I 指數(shù)（如表2所示）。

從表2發(fā)現(xiàn)，武漢市2009年、2012年、2015年和2017年全局Morans I 估計(jì)值均為正數(shù)，表明在這四個(gè)時(shí)期武漢市13個(gè)行政單元的人口密度在空間上呈正相關(guān)關(guān)系，即武漢市人口空間分布呈現(xiàn)出人口相似值之間的空間集聚情況。本文在GeoDa軟件中采用蒙特卡羅模擬方法檢驗(yàn)Morans I 顯著與否，當(dāng)P值為0.01時(shí)表明在99%置信度下，空間自相關(guān)是較顯著的，其表現(xiàn)的空間關(guān)聯(lián)特征為人口密度較高的地區(qū)與人口密度較高的地區(qū)相鄰、人口密度較低的地區(qū)與人口密度較低的地區(qū)相鄰。表2中2009—2017年武漢市全局Morans I指數(shù)和Z值減小，P值增大，說明人口的空間集聚趨勢(shì)逐漸減慢，武漢市各區(qū)域空間正相關(guān)程度逐漸減小，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因有：其一，局部的調(diào)整。武漢中心城區(qū)的絕大部分工業(yè)企業(yè)被遷移出中心城區(qū)，人口隨著工業(yè)布局調(diào)整，由中心區(qū)遷往附近郊區(qū)，這起到了疏散和嚴(yán)格控制中心城區(qū)人口的作用。其二，郊區(qū)建設(shè)。近幾年，武漢郊區(qū)住宅建設(shè)火爆，住宅產(chǎn)品景觀優(yōu)美、價(jià)格低廉，且周圍交通便利，使得中心城區(qū)人口逐漸向郊區(qū)擴(kuò)散。從表2發(fā)現(xiàn)，2012—2015年武漢市全局Morans I指數(shù)和Z值緩慢增長，P值減小，說明人口正向某個(gè)區(qū)域集聚，空間相關(guān)的顯著性水平提高，其原因?yàn)槲錆h市城區(qū)逐步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，不斷改善城區(qū)環(huán)境質(zhì)量，使得人口緩慢地向中心城區(qū)聚集。

（2）局部空間自相關(guān)分析。

全局Morans I指數(shù)是一種總體統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，只能反映各研究單元和它相鄰研究單元空間差異的平均程度，不能全面反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)的內(nèi)部發(fā)展特征及其空間關(guān)系。由此，本文結(jié)合Moran散點(diǎn)圖以及LISA集聚圖進(jìn)一步分析武漢市某行政單元與其相鄰行政單元在人口分布特征上的相似程度。

本文利用武漢市2009年、2012年、2015年和2017年各區(qū)域的人口密度，在GeoDa中經(jīng)過計(jì)算獲得Moran散點(diǎn)圖（如圖1所示）。Moran散點(diǎn)圖有四個(gè)象限分別代表高高聚集（H-H）、低高聚集（L-H）、低低聚集（L-L）、高低聚集（H-L）的空間關(guān)系。從圖1發(fā)現(xiàn)，2009年位于第一象限的漢陽區(qū)在2012年、2015年和2017年均位于第二象限，這表明漢陽區(qū)的人口密度由“高-高”集聚轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗?高”集聚;多數(shù)研究單元位于一、三象限，表示區(qū)域自身和相鄰地區(qū)人口密度呈正的空間關(guān)系;4個(gè)圖中均沒有點(diǎn)位于第四象限，說明武漢市沒有人口密度為“高-低”集聚的區(qū)域。圖像中位于“高-高”集聚象限的研究單元主要處于武漢中心城區(qū)，而位于“低-低”集聚象限的研究單元主要是遠(yuǎn)離武漢中心的郊區(qū)，這主要是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的中心城區(qū)對(duì)人口具有極大的吸引力。

為了進(jìn)一步研究武漢市各行政單元人口密度的空間集聚情況，本文利用GeoDa軟件計(jì)算武漢市各行政單元在四個(gè)時(shí)期人口密度的LISA值，在Z檢測(cè)的基礎(chǔ)上（P<0.02）繪制四個(gè)時(shí)期的LISA集聚圖（如圖2所示）。圖2中，High-High表示高-高聚集，Low-Low表示低-低聚集，Low-High表示低-高聚集，High-Low表示高-低聚集。

從圖2發(fā)現(xiàn)，江漢區(qū)為High-High聚集，表明江漢區(qū)的人口密度與其周邊地區(qū)，如硚口區(qū)、武昌區(qū)的人口密度都較高;蔡甸區(qū)為Low-Low聚集，表明蔡甸區(qū)和其周邊區(qū)域，如東西湖區(qū)、漢南區(qū)的人口密度關(guān)聯(lián)程度較低;Low-High聚集和High-Low聚集在人口密度集聚圖中表現(xiàn)不明顯;Not Significant為無關(guān)聯(lián)研究單元。導(dǎo)致該人口密度分布LISA集聚分布的主要原因是武漢中心城區(qū)與遠(yuǎn)郊區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在差異，地處武漢中心的區(qū)域自然環(huán)境條件良好且經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展迅速，對(duì)遠(yuǎn)郊區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)大的輻射作用，從而吸引人口向城市中心聚集，最終形成人口高密度區(qū)域。

3.2 人口演變特征

3.2.1 人口重心移動(dòng)分析

人口重心的遷移方向，能直觀地體現(xiàn)人口分布的動(dòng)態(tài)變化特征[15]。本文根據(jù)武漢市2009—2017年武漢市人口數(shù)據(jù)，利用公式（5）和（6），計(jì)算武漢市2009—2017年人口重心坐標(biāo)，利用ArcGIS繪制出人口重心遷移圖（如圖3所示），并與武漢市幾何中心比較偏移距離。武漢市幾何中心經(jīng)度為114 °34′28.12″E，緯度為30°62′35.73″N，位于武昌區(qū)內(nèi)西北部，而從圖3發(fā)現(xiàn)，武漢市人口重心分布在漢口區(qū)域內(nèi)的沿江地帶，處于武漢市幾何中心的西南部，二者位置偏離不大，最小偏移距離為1.6km，最大偏移距離達(dá)到3.0km。武漢市2009—2017年人口重心整體由東北向西南方向移動(dòng)，這主要是由于區(qū)域間經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡引起的，位于武漢市東北部的新洲區(qū)和黃陂區(qū)城市化率低于其它區(qū)域，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)落后且發(fā)展速度較慢，對(duì)就業(yè)人口的吸引力較小。

從圖3發(fā)現(xiàn)，2009—2015年人口重心由東北向西南方向移動(dòng)，該變化發(fā)生的原因主要有：其一，位于武漢市西南部的漢南區(qū)積極開展“十二五”規(guī)劃，推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化改革實(shí)驗(yàn)和新型工業(yè)化戰(zhàn)略的實(shí)施，加快了漢南區(qū)的發(fā)展。西南部的蔡甸區(qū)堅(jiān)定綠色崛起，不斷加強(qiáng)國際化交流合作，建有中法武漢生態(tài)示范城，經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，因此人口不斷向西南方向流入。其二，位于東北部的新洲區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不優(yōu)，城市化率較低，交通存在瓶頸，因而加速了此區(qū)域人口的流失。上述兩個(gè)原因促使武漢市經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，導(dǎo)致人口重心向經(jīng)濟(jì)發(fā)展更快的區(qū)域移動(dòng)。2015—2017年人口重心則由西南向東北方向移動(dòng)，移動(dòng)距離64.8m，這主要是由于武漢市中心城區(qū)人口過度密集，部分企業(yè)外遷郊區(qū)，以分散人流;東北部區(qū)域大力鼓勵(lì)企業(yè)入駐、住宅景觀優(yōu)美且價(jià)格低廉，因而部分人口向東北方向移動(dòng)。

3.2.2 人口分布不均衡指數(shù)

本文根據(jù)武漢市2009—2017年人口數(shù)據(jù)，結(jié)合公式（7）計(jì)算武漢市四個(gè)時(shí)期人口分布不均衡指數(shù)（如表3所示）。從表3發(fā)現(xiàn)，武漢市人口分布不均衡指數(shù)U較高，但數(shù)值不斷減小，表明武漢市人口分布不均衡但態(tài)勢(shì)逐漸減弱，人口有分散的趨勢(shì)，從整體看，武漢市是一個(gè)人口較為集中的城市。《武漢市城市總體規(guī)劃（2010-2020）》中提出，城市將形成“以主城區(qū)為核、多軸多心”開放式的空間布局結(jié)構(gòu)，以“雙快一軌”的交通走廊為支撐，布局6大新城組群，建設(shè)3個(gè)城市副中心及6個(gè)新城組群中心。由此可見，武漢市政府積極為郊區(qū)發(fā)展創(chuàng)造條件并提供保障，這也是武漢市人口逐漸由中心城區(qū)向郊區(qū)遷移的重要原因。

4? 結(jié)語

本文主要研究武漢市2009—2017年人口分布時(shí)空演變特征并分析其演變的原因。由于武漢市獨(dú)特的自然條件和經(jīng)濟(jì)條件，武漢市2009—2017年人口分布和演變趨勢(shì)呈現(xiàn)出不同的地域特征，具體表現(xiàn)如下：武漢市人口密度呈現(xiàn)出明顯的地域差異，表現(xiàn)為中間高、四周低的特征，城市中心城區(qū)與郊區(qū)人口密度差異很大;人口空間分布在全局上具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，人口的空間集聚趨勢(shì)逐漸減慢;2009—2017年，武漢市人口重心均位于漢口區(qū)域內(nèi)的沿江地帶，偏離幾何中心，并且整體由東北向西南方向移動(dòng);近年來武漢市人口分布不均衡現(xiàn)象顯著，但趨勢(shì)逐漸減弱;武漢市的人口分布特點(diǎn)及演變趨勢(shì)主要受自然環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、政府的政策支持等因素綜合作用的結(jié)果。

本文獲得武漢市人口空間分布和演變特點(diǎn)的同時(shí)，也存在不足之處。首先，本文未能搜集到武漢市2018年和2019年的人口數(shù)據(jù)。其次，本文僅通過政策、交通、住房價(jià)格、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面對(duì)武漢市人口分布和演變的原因做出分析，沒有對(duì)各個(gè)導(dǎo)向因素進(jìn)行全面地探討。在以后的研究中，會(huì)搜集武漢市最新的人口數(shù)據(jù)，并從更多角度深入分析武漢市人口分布和演變的原因。

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