加權Vo ronoi圖在城鎮經濟區劃分中的應用——以十堰市為例

劉愛華,謝正觀

(中國科學院研究生院資源與環境學院,北京 100049）

加權Vo ronoi圖在城鎮經濟區劃分中的應用
——以十堰市為例

劉愛華,謝正觀

(中國科學院研究生院資源與環境學院,北京 100049）

劃分城鎮經濟區對于進行城鄉產業和公共服務設施布局、統籌城鄉協調發展具有重要意義。通過構建評價指標體系,運用主成分分析與重力模型法,計算城鎮發展潛力,在此基礎上選擇了14個中心鎮,并求得其與中心城市、特區及城關鎮的中心性強度。根據斷裂點理論,運用加權Vo ronoi圖,以城鎮中心性強度值的平方根為權重劃分各中心城鎮的空間影響范圍。在保持鄉鎮行政區完整性的前提下,對城鎮影響范圍進行調整,最終確定了十堰市22個城鎮經濟區的覆蓋范圍。結果表明,城鎮影響范圍還取決于中心城鎮間的距離,城鎮經濟區范圍通常與行政范圍不一致。在今后的研究中還需考慮自然資源、周邊城市影響等因素,不斷完善研究方法。

城鎮經濟區;加權Voronoi圖;斷裂點理論;十堰市

0 引言

經濟區是一定區域范圍內城鎮、城鄉之間在經濟、社會、環境等方面相互依賴、聯系緊密的區域,也是為發揮中心城市作用、協調城鄉發展關系而組成的有一定專業化意義的經濟地域[1]。在城市群或省級城市等宏觀尺度上劃分的“城市經濟區”,是以大中城市為核心和與其緊密相連的廣大地區共同組成的經濟上緊密聯系、生產上互相協作的城市地域綜合體[2];而在地市級、縣級經濟區的劃分中,則借鑒“城市經濟區”理論,提出“城鎮經濟區”的概念,即以一個或幾個城鎮為中心劃分經濟區,形成“鎮帶鄉”的城鄉組團式空間結構形態。城鎮經濟區有利于最大限度地發揮各區特點和互補優勢,最經濟有效地布置公共服務與基礎設施,形成區域經濟社會發展的整體合力[3]。在中微觀尺度的城鄉統籌規劃中,劃分城鎮經濟區具有實際意義。

傳統城市經濟區的劃分主要運用Rd鏈方法、斷裂點方法、場強分析法等[4]。近年來,不斷有學者將加權Voronoi圖應用于城市影響范圍的劃分[4-8],使之逐漸成為城市經濟區分析的重要手段之一。本文應用該方法,以湖北省十堰市為例,探討其在中微觀的城鎮經濟區劃中的應用。

1 城鎮經濟區劃分的理論基礎

劃分城市經濟區的理論依據是空間相互作用理論中的斷裂點理論。該理論認為城市的吸引范圍是由城市的規模和相鄰城市間的距離決定的,相鄰兩城市吸引力達到的平衡點即為斷裂點。根據斷裂點計算公式可知,斷裂點到相鄰兩城市的距離與這兩個城市人口的平方根呈正比[2]。

該理論雖已被廣泛應用于城市吸引范圍的劃分中,但仍存在著較大的局限性:一是僅以城市人口反映城市吸引力的大小有失科學性,而應由綜合多個指標的中心性強度決定;二是斷裂點公式僅計算相鄰兩個城市的一個斷裂點,而兩城市間吸引范圍的界線是一條線,因此在具體界定時具有很大的任意性;三是在多個城市構成的城市體系中,計算較為復雜且難以描述[4,6]。

2 加權Voronoi圖的應用原理

空間剖分是Voronoi圖的一個重要用途,位于格網中的每一點到該格網發生元的距離都小于到其它格網發生元的距離,這對于空間劃分有著重要意義[6]。由行為地理學可知,人類的各種社會經濟活動具有一定的空間行為準則,如根據最近距離、最短時間或最低費用等選擇空間行為目的地[9],因此,可將Voronoi圖中格網發生元理解為經濟客體(如中心城鎮）,格網區域即可理解為其空間影響范圍。

常規的Voronoi圖沒有考慮發生元的差別,所以不太實用,而加權Voronoi圖實現了在各發生元差別明顯情況下的空間剖分。在應用中,以各城鎮中心性強度值平方根為權重生成加權Voronoi圖,能夠較為直觀地描述空間影響區,這正是運用加權Vo ronoi圖劃分城鎮經濟區的原理所在[5,7]。

3 中心城鎮的選擇與城鎮中心性強度計算

3.1 中心城鎮的選擇

十堰市域能夠發揮輻射帶動作用的中心城鎮有三類:一是中心城市(十堰市區、丹江口市區）;二是武當山特區及城關鎮;三為中心鎮。前兩類城鎮已明確,而中心鎮則需要慎重選擇。

中心鎮是城鎮體系中介于城市與一般小城鎮之間,區位較優、實力較強、潛力較大,既能承接大中城市輻射影響,又能帶動周邊鄉鎮和農村發展的城鎮[10]。考慮到十堰市規劃區內城鎮受中心城市輻射,因此中心鎮的選擇在規劃區內城鎮與城關鎮之外的48個建制鎮中進行,且中心鎮的選擇以城鎮發展潛力得分為基礎。本文試從城鎮綜合實力和區位交通條件兩方面進行評價。鑒于指標可比性與可獲得性,城鎮綜合實力的評價從規模和經濟質量兩方面選取了15個指標(表1）。

表1 十堰市城鎮綜合實力評價指標Table 1 Indices to assess comprehensive strength of towns in Shiyan

通過構建48×15的數據矩陣(數據來源于《2009年十堰市鄉鎮卡片數據》）,利用SPSS軟件進行主成分分析,以主成分對總方差的累計貢獻率≥85%提取了6個主成分;運用以下公式求得各城鎮綜合實力得分Qi:

式中:Ak為第k個主成分貢獻率;Pij為i城鎮第j項標準化指標;W j為j指標在主成分中的得分系數。

區位交通條件評價則通過測量各城鎮到中心城市、城關鎮、火車站、高速公路出入口、國道、省道以及縣道等各要素的最短路程,采用重力模型法計算各城鎮的區位交通條件得分Ti。公式為:

式中:dir為城鎮i與要素r的最短距離,σr為要素r的權重。權重的確定是在專家對各要素所賦權重的基礎上,根據十堰市的情況做適當調整[11](表2）。

表2 區位交通條件評價中各要素權重Table 2 The elemental weight of location/transport condition

由于十堰市是典型的山地城市,區位交通條件和城鎮綜合實力對城鎮發展潛力的影響都很重要,本文對二者均賦0.5的權重。將兩項得分進行“中心化”標準化處理以消除量綱影響[12],然后加權求和,得到各城鎮發展潛力得分(表3）。

表3 各縣(市）城鎮發展潛力得分Table 3 Development potential score of towns in each county and county-level city

在此基礎上,中心鎮的選擇還需考慮以下內容:1）由于城關鎮具有較強的影響力,所選中心鎮若與城關鎮距離較近,其本身則處于城關鎮的輻射范圍內而不能發揮作用。經研究,排除距離城關鎮25 km和丹江口市區30 km以內的城鎮,包括土關埡、涼水河、青曲、楊溪鋪、河夾、土門、觀音、溢水、田家壩、水坪、蔣家堰、中峰、縣河、軍店、化龍堰。2）若中心鎮之間位置接近,會因存在較大的競爭關系而不利于雙方的要素集聚,因此之間也要保持足夠的距離。選擇各縣(市）現排首位的城鎮作為中心鎮(浪河鎮、鮑峽鎮、夾河鎮、寶豐鎮、豐溪鎮、青峰鎮）,同時排除與它們相距25 km以內的城鎮(丁家營、羊尾、胡家營、麻家渡、擂鼓、大木廠）。3）考慮中心鎮分布的均衡性,每個縣(市）應選擇1～3個中心鎮。依據排名選出習家店、南化塘、安陽、上津、得勝、官渡、青峰、門古寺。最終,全市共選出14個中心鎮。

3.2 城鎮中心性強度計算

城鎮影響區范圍主要受制于中心城鎮中心性強弱,因此評價城鎮中心性強度是進行城鎮經濟區劃分的重要前提[13]。本文以綜合發展潛力表征中心性強度。為實現得分的可比性,將中心城市與全部建制鎮一起進行評價;一些城鎮得分為負,需經“最小—最大標準化”處理,將所有城鎮得分轉換為[1, 10]內的數值[8];最終得到所有中心城鎮的中心性強度值(表4）。

表4 十堰市中心城鎮中心性強度得分Table 4 Centrality strength score of each central town in Shiyan

4 城鎮經濟區的劃分

4.1 城鎮影響區的劃分

城鎮影響范圍是進行城鎮經濟區劃分的主要依據[14]。本文對十堰市中心城鎮影響區的劃分基于斷裂點理論,運用 GIS軟件中加權Voronoi圖工具,以22個中心城鎮為發生元,以城鎮政府駐地為中心點,以城鎮中心性強度值的平方根為權重生成加權Vo ronoi圖,每個格網內的區域即為各中心城鎮的空間影響范圍(圖1）。

圖1 十堰市各中心城鎮影響范圍Fig.1 Radius of each central town in Shiyan

4.2 城鎮經濟區的劃分

在城鎮影響范圍的基礎上,為保證鄉鎮行政區的完整性,對城鎮影響范圍界線進行了調整,有以下3種情況:1）全部行政區位于某影響區范圍內的鄉鎮,可直接劃入該中心城鎮經濟區。2）對于絕大部分行政區和政府均位于某城鎮影響區范圍的鄉鎮,可將其劃入該中心城鎮經濟區;但有兩個鄉鎮(姚坪鄉、中壩鄉）例外,因政府駐地與所在影響區中心城鎮間被高山阻隔、交通不便,于是將該鄉鎮劃入與其交通聯系密切的中心城鎮經濟區。3）對于政府駐地與鄉鎮絕大部分行政區分屬不同城鎮經濟區的鄉鎮以及政府所在地位于城鄉影響范圍分割線上的鄉鎮,需要綜合考慮地形和交通聯系等因素,將鄉鎮全域劃入與政府駐地交通聯系密切的中心城鎮經濟區。最終得到十堰市城鎮經濟區劃分方案(圖2）和各城鎮經濟區覆蓋范圍(表5）。

圖2 十堰市城鎮經濟區劃分Fig.2 Division of econom ic zone in towns in Shiyan

表5 十堰市各城鎮經濟區范圍Table 5 Scope of each econom ic zone of central town in Shiyan

5 結論

十堰市中心城鎮的中心性強度存在差異,但這種差異并不是城鎮影響范圍大小的唯一決定因素,其大小還取決于中心城鎮之間的距離。十堰南部城鎮中心性強度整體偏低,但是城鎮影響區范圍普遍大于北部地區,主要受南部山大人稀、城鎮分散的影響。由加權Voronoi圖法確定城鎮經濟區,打破了行政邊界,使得城鎮經濟區范圍與行政范圍不一致,符合實際情況。十堰市城鎮經濟區的劃分打破了縣級行政邊界,以鄉鎮為最小單元,也是出于對規劃管理操作性的考慮。與前人研究相比,本研究對象較為微觀,由于城鎮數量眾多,不可能全部作為中心城鎮。因此,本文增加了中心城鎮的選擇這一重要內容;并且在構建評價指標體系時,充分考慮到十堰的山區特點,強調了區位與交通條件對城鎮發展潛力的影響,完善了研究方法,使研究結果更為客觀。

城鎮影響范圍的確定不僅受城鎮綜合實力、地形、交通因素的影響,還與自然資源、歷史因素等密切相關。在實際應用中,應結合各地具體情況深入研究,構建較為完善的評價指標體系,還要考慮周邊城市對研究區域內城鎮的影響,這些問題都有待于進一步的研究。

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Division of Town Econom ic Zones Based on Weighted VoronoiDiagram:A Case Study of Shiyan

L IU Ai-hua,XIE Zheng-guan(College of Resources and Environment,Graduate University of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100049,China）

To divide tow n economic zones is impo rtant to allocate the urban-rural industries and public services facilities,as well as to imp rove urban-rural coordinated development.By establishing the development potential index system of tow ns and using Principal Component Analysis and Gravity Model,14 center-tow ns were selected,meanw hile,all the central cities and tow ns′impactson surrounding areaswere calculated.Based on the Breaking Point Theory,the spatial impact scope of each central tow n was generated by using the Weighted Vo ronoi Diagram w ith taking the square root of each central tow n′s centrality strength sco re as weight.To maintain the integrity of village and tow n′s administrative area,the impact scope wasadjusted w ith the consideration of terrain conditions and transport links between tow nships.The total 22 economic zones′coverage of tow ns were finally determined.The results show that the spatial impact scope still dependson the distance between central tow ns,and it is always disco rdant w ith the administrative area.The facto rs of natural resources,influence from surrounding cities and so on also should be taken into consideration in the future to perfect the research methods.

tow n economic zone;weighted Vo ronoi diagram;breaking point theo ry;Shiyan City

K902

A

1672-0504(2011）04-0079-04

2011-04-13;

2011-05-10

劉愛華(1977-）,女,博士研究生,研究方向為城市地理與城市規劃。E-mail:liuah-b08@mails.gucas.ac.cn