基于GIS和大數據的城鎮體系定量化研究*
——以山東省昌邑市為例

殷振軒 YIN Zhenxuan

0 引言

我國正處于城鎮化飛速發展的階段。2011年，我國城鎮化率超過50%[1]，城鎮成了我國社會經濟發展的主要動力和載體。城鎮體系是城市規劃中的一個重要概念，它是指區域內聯系密切城鎮的組織形式[2]。良好的城鎮體系空間結構有利于資源的高效配置和區域的健康發展，關系到我國城鎮化的質量。

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

圖1 昌邑市單元分布圖

由于具有數量大、類別豐富、收集速度快等特性，大數據的應用正受到更多的重視，但如何在城市規劃編制過程中應用大數據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，如基于手機信令數據，分析上海不同等級商業中心顧客數量變化和來源地，從而識別商業中心的勢力圈[9]；基于對公交IC卡使用情況的數據挖掘，識別工作地點和居住地點[10]；基于微博數據，探討城市活動空間結構[11]。

然而，一方面傳統城鎮體系規劃方法缺乏定量的分析研究，仍需要以“拍腦袋”的形式決定城鎮結構，導致城鎮功能雷同，缺乏特色和聯系，致使資源配置不合理、利用效率低下，影響了城鎮的發展[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，城鎮間的聯系不斷加強，關系更加復雜，需要結合大數據來研究日益復雜的城鎮體系,而目前關于大數據的研究主要關注人的行為[9-11]，與城鎮體系規劃編制銜接還不理想。本文借鑒相關研究成果，結合實踐經驗構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據，改進空間作用模型，更加準確地分析昌邑市各鄉鎮的影響范圍和影響強度，從而為昌邑市城鎮體系結構分析和研究提供依據。

表1 中心性強度定量評估體系

1 研究區和數據

1.1 研究區域概況

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“濰坊半小時經濟圈”和“青島1小時經濟圈”之內。昌邑市域總面積1 627.5 km2（圖1）。2014年底，全市總人口60.9萬，鎮區人口31.3萬，城鎮化水平51.4%。2014年全市生產總值356億元，一、二、三產業結構比為10.3：55.5：34.2。昌邑市是較為典型的小城鎮，因此對其進行的分析具有較強的代表性。

1.2 數據來源

本研究以鄉鎮作為基本研究單元，社會經濟數據主要來源于《昌邑市統計年鑒》（2013—2014），行政區劃圖等地理數據來源于昌邑市規劃局等相關政府部門，地形數據為作者從地理空間數據云網站（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調用獲得，并根據研究需要對部分數據進行了加工處理。

2 研究方法

2.1 指標體系構建

為在實際工作中推廣運用定量化指標來評價城鎮體系，結合文獻研究，選用基礎數據較易獲得的城鎮中心性強度和影響范圍，作為評價指標來劃分昌邑市城鎮體系的等級結構[4]。

2.2 中心性強度

城鎮中心性強度是對城鎮經濟、規模、生態等多方面的綜合評價，結合參數的可量化性和可獲取情況，構建由3個目標層、9個準則層以及27個指標層組成的新型城鎮體系定量評價指標體系[4,14-15]（表1）。

目前權重確定的方法主要包括專家打分法、主因子分析和熵權法等[13]。其中，熵權法可以反映出各指標包含的信息量，提供的信息越多，權重越大。因此，本文采用熵權法確定權重，同時由于指標中單位、量綱和數量級不一致，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，如果pij=0，則定義limpij→0pij×lnpij=0。

（2）計算各指標權重

其中，Wj為第j項指標權重，m為指標個數。

（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，在區域均質的情況下，其計算公式為[15]：

其中，Fik對區域內各點的影響強度，Pi為城市i的中心性強度，dik為城市i建成區中心與任一點k之間的距離。對任一點k影響最大的城鎮即為對該點產生主要影響的城鎮。

場強模型也存在一定局限性。模型假設研究區域為均質，但實際情況下各方向衰減距離會因河流、山脈等障礙產生差異。一些學者使用成本加權距離取代公式（4）中的空間直線距離dik[15]。但是一方面獲取區域內完整路網較為困難，另一方面摩擦系數估算較為籠統，依然不能具體反映各道路實際條件、通行能力等因素。在現實生活中人們對“距離”的直觀感受是兩點間出行時間?；诖?，引入城鎮建成區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 結果分析

3.1 城鎮中心性強度

將各鄉鎮數據帶入公式（3）計算城鎮中心性強度（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，結果見圖2。

從圖2可以發現昌邑市城鎮中心性強度區域差異顯著，其中城區綜合評價最高為63.53，約為綜合評價最低的飲馬鎮的5倍。作為昌邑市的中心，人口、經濟聚集效應明顯，規模評價和經濟評價結果都遙遙領先，且擁有較好的生態評價結果。同時可以發現，由于區位和資源優勢，北部城鎮綜合評價要優于南部。柳疃鎮和下營鎮的固定資產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，所以獲得較好的經濟和生態評價結果。但是其規模評價不高，說明城鎮化水平還比較滯后。而圍子街道緊鄰中心城區，受城區輻射較強，擁有較好的規模和經濟評價結果，但其生態評價值較低，未來宜與城區聯動發展。龍池鎮經濟評價為區域內最低，但其生態評價比較突出，未來宜結合生態發展。石埠鎮的經濟評價結果較為突出，但生態評價值較低。其他3鎮綜合評價值較低，總體發展水平不高。

圖2 昌邑市各城鎮中心性強度

圖3 昌邑市各城鎮影響范圍

表2 昌邑市城鎮中心性強度評價結果

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，通過高德地圖規劃路徑api，調用9個鄉鎮建成區中心分別到這18 728個點的實時時間，帶入改進后的場強公式，可得9個鄉鎮對各點的影響強度。各點從屬于對其影響力最大的鄉鎮，去除飛地后，屬于同一鄉鎮點的包絡線即為該鄉鎮的影響范圍，由此劃分各鄉鎮的影響范圍（圖3）?？砂l現由于市域南部為狹長地帶，距城區較為偏遠，且交通不便，南部各城鎮中心性強度不高，城鎮行政區域內還主要受其自身影響。其中石埠縣的經濟相對較為發達，交通更具優勢，且有高速對外聯系，其影響范圍更為廣闊。市域北部交通較為便捷，既有東西向聯系，又有南北向聯系。其中柳疃鎮作為紡織重要基地，高速、省道、鐵路在此交匯，是昌邑市對外聯系的支點之一，其影響范圍較廣，覆蓋了龍池鎮的大部分范圍，同時與作為濱海開發區重要組成部分的下營鎮東西互相滲透。未來建議適當調整北部四鎮的行政區劃，使柳疃鎮、下營鎮和龍池鎮聯動開發，沿東西向大力發展規?；墓まr業，打造集養殖、工業和旅游為一體的沿海開發區。城區由于道路交叉口較多，出行時間較多，其影響范圍主要在規劃行政區范圍內，同時與圍子街道聯系較為密切，未來可聯動發展。

圖4 昌邑市各城鎮影響強度

圖5 昌邑市空間結構

3.3 影響強度

圖4反映了各點受到的最大影響強度。根據統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）的區域定義為高影響區域[13]。城區、柳疃鎮、石埠鎮和圍子街道的高影響區域面積遠遠大于其他城鎮，表明這4個城鎮具有較大的發展潛力。從圖中可以看出，省道和縣道對城鎮影響力擴張的影響最為顯著，特別是沿下小路和北海路，分別串聯了下營鎮、圍子街道、石埠鎮、飲馬鎮和北孟鎮，柳疃鎮和城區，形成了兩條主要發展軸。除此之外，卜莊鎮沿G206向城區發展，龍池鎮沿劉龍路向柳疃鎮方向發展。

3.4 城鎮體系

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

同時，城鎮影響范圍和強度體現了區域聯系情況。由圖3可見，柳疃鎮影響范圍較廣，覆蓋了龍池鎮的大部分范圍，同時與下營鎮的影響范圍相互交錯。3鎮相互影響相互滲透，聯系較為緊密，宜考慮作為發展帶連片統籌發展。城市發展軸是城市主要發展方向上具有較大發展潛力的地帶。由圖4可見，下小路和北海路串聯了大片高影響區域，這些區域具有較大的發展潛力，宜優先發展。據此將昌邑市劃分為“一帶，兩軸”的空間結構（圖5）?！耙粠А奔匆罁撓捣秶?，以增強柳疃鎮、下營鎮和龍池鎮聯動發展形成的昌邑濱海開發區發展帶；“兩軸”即影響強度擴散方向，以下小路串聯的產業發展軸，和以北海路串聯的石化—鹽化聯動發展軸。

4 結論

引入網絡實時道路通行時間，結合中心性強度改進了傳統的場強模型，建立了用于定量化評價小城鎮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的影響范圍和影響強度，提出了“城區中心—影響力較強城鎮—影響力一般城鎮”的三級結構和“一帶，兩軸”的空間結構，為昌邑市城鎮體系規劃提出了依據。傳統城鎮體系規劃方法，由于數據難于獲取，空間單元較大，難以應用科學合理的定量分析研究，仍需要以“拍腦袋”的形式決定城鎮結構，導致城鎮功能雷同，缺乏特色和聯系，致使資源配置不合理、利用效率低下，影響了城鎮的發展[3，12]。結合開放大數據，兼顧數據易獲取性和數據精細性，從新視角更精準展現了城鎮間區域聯系，依托影響范圍提出了發展片區，結合影響強度和其方向提出了空間發展結構，為定量化分析城鎮空間結構奠定了科學基礎，有助于大數據時代的城鎮體系規劃的編制。

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進行討論分析，沒有考慮周邊城鎮對研究區域內的影響情況，未來應綜合評價城鎮體系，特別是對外交通對區域的影響；另一方面，本研究為使數據易于獲取，運用的模型僅以時間作為評價影響范圍的參數，沒有交叉比對真實的人流情況，未來可以運用手機信令數據研究客觀人流數據，加以改進[16]。