基于GIS和大数据的城镇体系定量化研究一一以山东省昌邑市为例

作者：殷振轩

来源：《上海城市规划》 2018年第5期

摘 要城镇体系规划是城市规划的重要一环，关系到区域资源的配置和区域发展。近年来，大数据的应用正受到更多的重视，而目前基于大数据支撑的城镇体系研究尚不多见。以山东省昌邑市为例，利用ArcGIS和开放大数据，构建城镇体系定量化研究的框架，以支撑城镇体系规划。首先，根据相关数据的可量化和可获取情况，建立用于定量化评价小城镇中心性强度的指标体系；其次，引入网络实时道路通行时间，结合中心性强度改进传统的场强模型；最后，综合考虑影响范围和影响强度，展现山东省昌邑市“一带、，两轴”的空间结构，据此提出“城区中心—影响力较强城镇—影响力一般城镇”的三级结构，为城镇体系规划提供定量化分析支撑。

关 键 词GIS | 开放大数据 | 城镇体系结构 | 昌邑市

文章编号 1673-8985（2018）05-0113-05 中图分类号 TU981 文献标志码 A

0 引言

我国正处于城镇化飞速发展的阶段。2011年，我国城镇化率超过50%[1]，城镇成了我国社会经济发展的主要动力和载体。城镇体系是城市规划中的一个重要概念，它是指区域内联系密切城镇的组织形式[2]。良好的城镇体系空间结构有利于资源的高效配置和区域的健康发展，关系到我国城镇化的质量。

近年来，随着GIS等空间分析技术在城市规划中的运用，越来越多研究者使用定量分析的方法研究城镇体系空间结构。李震等[3]基于重力模型，得出了中国城镇体系的结构类型；范强等[4]改进空间作用模型，借助城镇辐射范围，划分了城镇体系结构和城镇经济区；还有一些学者引入分形维数，研究了南通等市的城镇体系空间[5-6]。

由于具有数量大、类别丰富、收集速度快等特性，大数据的应用正受到更多的重视，但如何在城市规划编制过程中应用大数据的问题还处于探讨阶段[7-8]。目前已有学者开展了一系列研究工作，如基于手机信令数据，分析上海不同等级商业中心顾客数量变化和来源地，从而识别商业中心的势力圈[9]；基于对公交IC卡使用情况的数据挖掘，识别工作地点和居住地点[10]；基于微博数据，探讨城市活动空间结构[11]。

然而，一方面传统城镇体系规划方法缺乏定量的分析研究，仍需要以“拍脑袋”的形式决定城镇结构，导致城镇功能雷同，缺乏特色和联系，致使资源配置不合理、利用效率低下，影响了城镇的发展[3,12]。另一方面，各学者所使用的评价体系不同，缺少实例研究，不利于方法的推广[13]。同时，城镇间的联系不断加强，关系更加复杂，需要结合大数据来研究日益复杂的城镇体系,而目前关于大数据的研究主要关注人的行为[9-11]，与城镇体系规划编制衔接还不理想。本文借鉴相关研究成果，结合实践经验构建易于操作的中心性强度评价体系，同时通过引入通行时间数据，改进空间作用模型，更加准确地分析昌邑市各乡镇的影响范围和影响强度，从而为昌邑市城镇体系结构分析和研究提供依据。

1 研究区和数据

1.1 研究区域概况

昌邑市隶属于山东省潍坊市，位于山东半岛西北部，潍河下游，在“潍坊半小时经济圈”和“青岛1小时经济圈”之内。昌邑市域总面积1 627.5 km2（图1）。2014年底，全市总人口60.9万，镇区人口31.3万，城镇化水平51.4%。2014年全市生产总值356亿元，一、二、三产业结构比为10.3：55.5：34.2。昌邑市是较为典型的小城镇，因此对其进行的分析具有较强的代表性。

1.2 数据来源

本研究以乡镇作为基本研究单元，社会经济数据主要来源于《昌邑市统计年鉴》（2013—2014），行政区划图等地理数据来源于昌邑市规划局等相关政府部门，地形数据为作者从地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn/）下载获得，实时道路通行时间为作者从高德地图API调用获得，并根据研究需要对部分数据进行了加工处理。

2 研究方法

2.1 指标体系构建

为在实际工作中推广运用定量化指标来评价城镇体系，结合文献研究，选用基础数据较易获得的城镇中心性强度和影响范围，作为评价指标来划分昌邑市城镇体系的等级结构[4]。

2.2 中心性强度

城镇中心性强度是对城镇经济、规模、生态等多方面的综合评价，结合参数的可量化性和可获取情况，构建由3个目标层、9个准则层以及27个指标层组成的新型城镇体系定量评价指标体系[4,14-15]（表1）。

目前权重确定的方法主要包括专家打分法、主因子分析和熵权法等[13]。其中，熵权法可以反映出各指标包含的信息量，提供的信息越多，权重越大。因此，本文采用熵权法确定权重，同时由于指标中单位、量纲和数量级不一致，采用min-max极差标准化法标准化指标。

（1）计算各指标信息熵

场强模型也存在一定局限性。模型假设研究区域为均质，但实际情况下各方向衰减距离会因河流、山脉等障碍产生差异。一些学者使用成本加权距离取代公式（4）中的空间直线距离dik[15]。但是一方面获取区域内完整路网较为困难，另一方面摩擦系数估算较为笼统，依然不能具体反映各道路实际条件、通行能力等因素。在现实生活中人们对“距离”的直观感受是两点间出行时间。基于此，引入城镇建成区中心到各点实时时间，以两点间通行时间取代公式（4）中的空间直线距离dik，以改进场强模型。

3 结果分析

3.1 城镇中心性强度

将各乡镇数据带入公式（3）计算城镇中心性强度（表2）。以此为属性在ArcGIS软件中做图，以反映该属性的空间差异，结果见图2。

从图2可以发现昌邑市城镇中心性强度区域差异显著，其中城区综合评价最高为63.53，约为综合评价最低的饮马镇的5倍。作为昌邑市的中心，人口、经济聚集效应明显，规模评价和经济评价结果都遥遥领先，且拥有较好的生态评价结果。同时可以发现，由于区位和资源优势，北部城镇综合评价要优于南部。柳疃镇和下营镇的固定资产投入和公共财政都较为突出，且它们紧邻渤海湾，拥有较好的生物丰度和水资源条件，所以获得较好的经济和生态评价结果。但是其规模评价不高，说明城镇化水平还比较滞后。而围子街道紧邻中心城区，受城区辐射较强，拥有较好的规模和经济评价结果，但其生态评价值较低，未来宜与城区联动发展。龙池镇经济评价为区域内最低，但其生态评价比较突出，未来宜结合生态发展。石埠镇的经济评价结果较为突出，但生态评价值较低。其他3镇综合评价值较低，总体发展水平不高。

3.2 影响范围

在ArcGIS中，将整个市域分成18 728个300 m×300 m的正方形，并提取其中心点坐标。在FME中编写程序，通过高德地图规划路径api，调用9个乡镇建成区中心分别到这18 728个点的实时时间，带入改进后的场强公式，可得9个乡镇对各点的影响强度。各点从属于对其影响力最大的乡镇，去除飞地后，属于同一乡镇点的包络线即为该乡镇的影响范围，由此划分各乡镇的影响范围（图3）。可发现由于市域南部为狭长地带，距城区较为偏远，且交通不便，南部各城镇中心性强度不高，城镇行政区域内还主要受其自身影响。其中石埠县的经济相对较为发达，交通更具优势，且有高速对外联系，其影响范围更为广阔。市域北部交通较为便捷，既有东西向联系，又有南北向联系。其中柳疃镇作为纺织重要基地，高速、省道、铁路在此交汇，是昌邑市对外联系的支点之一，其影响范围较广，覆盖了龙池镇的大部分范围，同时与作为滨海开发区重要组成部分的下营镇东西互相渗透。未来建议适当调整北部四镇的行政区划，使柳疃镇、下营镇和龙池镇联动开发，沿东西向大力发展规模化的工农业，打造集养殖、工业和旅游为一体的沿海开发区。城区由于道路交叉口较多，出行时间较多，其影响范围主要在规划行政区范围内，同时与围子街道联系较为密切，未来可联动发展。

3.3 影响强度

图4反映了各点受到的最大影响强度。根据统计特征将最大影响强度大于x+0.5s（其中x为最大影响强度的平均值，s为最大影响强度的标准差）的区域定义为高影响区域[13]。城区、柳疃镇、石埠镇和围子街道的高影响区域面积远远大于其他城镇，表明这4个城镇具有较大的发展潜力。从图中可以看出，省道和县道对城镇影响力扩张的影响最为显著，特别是沿下小路和北海路，分别串联了下营镇、围子街道、石埠镇、饮马镇和北孟镇，柳疃镇和城区，形成了两条主要发展轴。除此之外，卜庄镇沿G206向城区发展，龙池镇沿刘龙路向柳疃镇方向发展。

3.4 城镇体系

综合考虑城镇中心性强度、影响范围和影响强度，将昌邑市划分成三级城镇体系结构：城区为一级城镇，中心性强度较高、影响范围较广、影响力强度较大的柳疃镇、石埠镇和围子街道为二级城镇，中心性强度较低、影响范围局限、影响力强度较小的下营镇、龙池镇、卜庄镇、饮马镇和北孟镇为三级城镇的城镇体系结构。

同时，城镇影响范围和强度体现了区域联系情况。由图3可见，柳疃镇影响范围较广，覆盖了龙池镇的大部分范围，同时与下营镇的影响范围相互交错。3镇相互影响相互渗透，联系较为紧密，宜考虑作为发展带连片统筹发展。城市发展轴是城市主要发展方向上具有较大发展

潜力的地带。由图4可见，下小路和北海路串联了大片高影响区域，这些区域具有较大的发展潜力，宜优先发展。据此将昌邑市划分为“一带，两轴”的空间结构（图5）。“一带”即依据联系范围，以增强柳疃镇、下营镇和龙池镇联动发展形成的昌邑滨海开发区发展带；“两轴”即影响强度扩散方向，以下小路串联的产业发展轴，和以北海路串联的石化—盐化联动发展轴。

4 结论

引入网络实时道路通行时间，结合中心性强度改进了传统的场强模型，建立了用于定量化评价小城镇中心性强度的指标体系，同时借助GIS空间分析的功能，综合分析了昌邑市各城镇的影响范围和影响强度，提出了“城区中心—影响力较强城镇—影响力一般城镇”的三级结构和“一带，两轴”的空间结构，为昌邑市城镇体系规划提出了依据。传统城镇体系规划方法，由于数据难于获取，空间单元较大，难以应用科学合理的定量分析研究，仍需要以“拍脑袋”的形式决定城镇结构，导致城镇功能雷同，缺乏特色和联系，致使资源配置不合理、利用效率低下，影响了城镇的发展[3，12]。结合开放大数据，兼顾数据易获取性和数据精细性，从新视角更精准展现了城镇间区域联系，依托影响范围提出了发展片区，结合影响强度和其方向提出了空间发展结构，为定量化分析城镇空间结构奠定了科学基础，有助于大数据时代的城镇体系规划的编制。

但本研究还存在一定局限性：一方面，本文只把昌邑市作为一个独立的系统进行讨论分析，没有考虑周边城镇对研究区域内的影响情况，未来应综合评价城镇体系，特别是对外交通对区域的影响；另一方面，本研究为使数据易于获取，运用的模型仅以时间作为评价影响范围的参数，没有交叉比对真实的人流情况，未来可以运用手机信令数据研究客观人流数据，加以改进[16]。