基于主成分分析法的山東半島藍色經濟區多中心空間結構演變研究

馬學廣　竇鵬

[摘要]多中心城市區域是當代區域發展的主要模式，也是區域研究的重要方面。而多中心區域空間結構的研判也是制定適宜區域政策的前提，是推動多中心城市區域健康可持續發展的重要基礎。利用山東半島藍色經濟區各城市2013年、2008年、2003年的統計年鑒數據，以縣（區）行政單元為基本空間單元，輔以城市行政空間單元，采用主成分分析法和聚類分析法，測算藍色經濟區最近10年的空間組織格局演變過程。研究發現，山東半島藍色經濟區經歷了從“核心-邊緣”特征明顯的單中心模式到“多中心”結構特征的空間結構演變過程，其空間發展的“去單核化”和“多中心性”特征較明顯。

[關鍵詞]主成分分析；多中心空間結構；格局演變

[中圖分類號]F061.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1671-8372（2015）02-0008-06

一、引言

在全球化和信息化背景下，以多中心城市區域為代表的城市群體發展已經成為世界高度城市化地區的重要特征和普遍現象，目前關于多中心城市區域的研究也已成為西方城市和區域規劃空間研究的一大熱點。社會經濟的發展推動著城市間跨界聯系的不斷強化，城市功能在城市邊界地帶、新興交通站點和城市新區等地點集聚，從而帶來城市功能的跨界重組，形成若隱若現的功能節點網絡，重塑了各城市區域空間結構。隨著交通和通訊技術的發展，多中心城市區域內部城鎮被高速公路、高速鐵路和電信電纜所傳輸的密集的人流和信息流——“流動空間”——連接起來。各類資源要素在全球和地區尺度上快速流動，推動著不同城市之間的人流、物流、信息流、資金流和技術流交互作用，進而形成城市網絡。在城市網絡中，主導的空間形式由之前的地方空間變為流動空間。流動空間是通過流動運作的社會架構、通信技術發展推動不相鄰的節點間的物質流動，形成網絡組織。城市區域則可以被看做是社會空間流動過程。

多中心城市區域最顯著的特征是其形態與功能的多中心性，前者主要是指不同規模、相對獨立的城鎮或城市組團的區域分布狀態，后者強調構成城市區域的各個節點之間顯著存在的功能性聯系。同時，越來越多跨越區域界限、超越單一政府權限的跨域事務的產生迫使區域空間治理模式產生了變革，形成了“多中心-多層次”的區域治理格局。國內對城市區域多中心結構的定量測度研究齙括形態多中心和功能多中心兩個層面，前者的研究普遍基于人口、GDP等社會經濟指標的靜態的城市屬性數據的分析比較；后者主要借鑒西方相關領域的分析模型和指標，包括連鎖網絡模型法和社會網絡分析法。同時，城市間多中心和多層次的空間治理與空間政策研究成為重要議題。國內對長三角、珠三角和京津冀等城市區域多中心空間結構的定量測度研究才剛起步，對山東半島藍色經濟區的研究尚未引起學界的充分重視。如黃蕊基于主成分分析法對浙中城市群所做的空間組織特征演變分析；高友才選取10項指標對中原經濟區展開多中心多層次的城鎮網絡構建研究；張志斌等以人口統計數據為基礎，對蘭州市人口空間結構演變格局及調控路徑展開分析；邱靈對北京市生產性服務業的空間結構演化機理展開研究；朱政等對珠三角多中心結構及影響進行分析。有關山東半島藍色經濟區的相關分析，胡宇娜等運用主成分分析法對藍色經濟區的旅游產業競爭力展開分析；張建偉等綜合運用20個指標對藍色經濟區的經濟發展情況展開實證分析；蘇杰等專門針對藍色經濟區的物流能力展開主成分分析。本文以山東半島藍色經濟區為研究對象，對該地區2012年、2007年和2002年的多中心空間結構特征及演變進行分析和探討。

二、研究設計

隨著全球經濟的發展，多中心城市空間結構逐漸成為現代城市區域發展的主流形態，也是現代城市研究的新方面。山東半島是環渤海地區與長江三角洲地區的重要結合部、黃河流域最便捷的出海通道、東北亞經濟圈的重要組成部分，海洋經濟發展基礎良好，在促進黃海和渤海科學開發、深化沿海地區改革開放、提升我國海洋經濟綜合競爭力中具有重要的戰略地位。近年來，山東地區先后出臺實施了“一群三圈”的區域空間發展結構（2003年）、“一體兩翼”的區域發展戰略（2007年）、《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》（2009年）、《山東半島藍色經濟區發展規劃》（2011年）和《山東省城鎮化發展綱要（2012-2020年）》（2012年），整個山東正在從聯系松散的城市體系向相互作用有序發展的區域轉型升級。本文以山東半島藍色經濟區為研究單元，采用主成分分析法和聚類分析方法，具體測度藍色經濟區的空間組織格局狀況。

（一）研究區域與單元

根據《山東半島藍色經濟區發展規劃》，經濟區范圍包括山東全部海域和青島、東營、煙臺、濰坊、威海、日照6市及濱州市的無棣、沾化2個沿海縣所屬陸域，海域面積15.95萬平方公里，陸域面積6.4萬平方公里。為了更加詳細地表征山東半島藍色經濟區區域內部城鎮節點的功能狀態，選擇縣（區）作為研究單元。根據研究需要，本文的研究對象為規劃中的山東半島藍色經濟區及濱州市的濱城區、惠民縣、陽信縣、博興縣和鄒平縣，共7個城市空間單元和56個縣（區）空間單元。

（二）研究方法

本研究主要采用主成分分析法和聚類分析法，研究過程中使用SPSS19.0和ARCGIS10軟件作為數據分析和空間可視化的技術支持工具。定量研究中所采用的指標數據源于《山東省統計年鑒》（2013年，2008年，2003年）。在指標的選擇上，本著科學性、權威性和可獲取性的原則，從經濟指標、人口社會指標、商品活躍指標方面選取了GDP、工業總產值、出口總額、固定資產投資完成額、公共財政預算收入、年末總人口、人口密度和社會零售品消費額8個具體指標（見表1）。根據選定的指標值對每一年份每個空間單元的指標進行主成分分析及聚類分析，以此分析山東半島藍色經濟區2012年、2007年和2002年3年的多中心空間結構特征及演變趨勢。

在主成分分析中根據各主成分解釋方差占原始指標變量方差的比重，運用公式（1）計算各主成分的權重；同時結合各主成分的得分，運用公式（2）算出各空間單元的綜合得分。

Fi=Ci/∑Ci （1）

Sj=T（Sij×Fi） （2）

其中，Fi為各主成分的權重系數，Ci代表各主成分的貢獻率，Sij代表空間單元j在主成分Fi上的得允Sj代表空間單元j的綜合得分。

（三）評價過程

在2012年、2007年和2002年3個時間點上，用SPSS統計軟件對每個年份每個空間單元的8項指標進行標準化處理（分城市和縣區兩個空間單元分別處理），接著計算標準化處理后的各指標的相關系數，得到相關系數矩陣，然后求出相關系數矩陣對應的特征方程的特征值及其特征向量，最后按特征值由大到小的順序計算主成分的貢獻率和累計貢獻率（見表2）。

分別對2012年、2007年和2002年的數據進行分析，選取前3個能夠較為準確地代替原始變量的主成分。各年份提取主成分的載荷矩陣見表3，其中載荷系數代表各主成分解釋指標變量方差的程度。

利用SPSS統計軟件中的主成分分析法，求出能概括各項指標的有效主成允但在城市空間單元上，在對3個年份的數據分析中，每個年份均只能提取出1個有效主成分，它們的貢獻率分別為85.71%（2012年）、86.34%（2007年）和80.32%（2002年），3個年份的主成分貢獻率都達到了80%以上，能較好地概括出所有指標表達的含義，主成分可以表征為城市綜合實力因子。

三、山東半島藍色經濟區多中心空間格局分析

從縣（區）和城市兩個空間單元上，分析和總結2012年山東半島藍色經濟區的多中心空間格局特征。

（一）縣（區）空間單元的山東半島藍色經濟區多中心空間格局分析

在縣（區）空間單元上，可以提取3個有效主成分，它們的貢獻率分別為F1：48.22%，F2：19.98%，F3：14.38%，前3個主成分的累計貢獻率達到了82.58%。由系數矩陣將3個公因子表示為8個指標的線性形式。因子得分函數為：

F1=0.377X1+0.151X2+0.841X3+0.789X4+0.618X5+0.747X6+0.816X7+0.869X8

F2=-0.157X1+0.912X2-0.164X3-0.448X4+0.556X5+0.049X6-0.308X7+0.328X8

F3=0.853X1-0.080X2+0.131X3-0.153X4+0.366X5-0.468X6-0.074X7-0.133X8

但單獨使用某一公因子并不能對各縣（區）單元在整個山東半島藍色經濟區的地位做出綜合評價，因此，以各公因子對應的方差貢獻率為權數，計算綜合變量得分：

F=λ1/（λ1+λ2+λ3）*F1+λ2/（λ1+λ2+λ3）*F2+λ3/（λ1+λ2+λ3）*F3

F1代表經濟發展綜合實力因子，F2代表人口集聚程度影響因子，F3代表商品活躍影響因子。

根據主成分分析計算的綜合得分，對各年份的空間單元進行系統聚類。聚類方法采用最近距離法（Nearest Neighbour），即合并最近的或最相似的兩項，用兩項最近點的距離代表兩項間的距離，項間等間隔距離選擇歐式距離平方法（Squared Euclidean Distance）。在得到的聚類結果中，得分較高的空間單元類別表現出更強的中心性，得分較低的空間聚類的中心性則相對較弱。為了分析比較的需要，本文將空間單元劃分為6個等級（見表4）。

2012年山東半島藍色經濟區56個空間單元中，市南區獨占鰲頭，綜合得分最高，且其他空間單元與其有較大差距；其次是黃島區和即墨市，綜合得分也都超過1；煙臺的芝罘區、龍口市，威海市的環翠區也都進入空間單元的前10。

總體上來看，山東半島藍色經濟區在縣區空間單元上的多中心空間格局具有如下特征：

（1）單中心主導模式已經形成。由于經濟勢差的客觀存在，山東半島藍色經濟區的空間結構已經形成以青島市城市核心區為主導的單中心區域空間格局，其他周邊城市核心區已不構成對其領導核心地位的挑戰。

（2）梯級式次中心功能網絡體系基本形成。以青島市市南區為中心，煙臺、威海、濰坊、日照、東營、濱州等地的城市核心區形成階梯狀、層級式中心地體系，各中心地之間頻繁強烈的社會經濟聯系塑造了該區域多中心的功能網絡體系。

（3）東西、南北區域差距客觀存在，東西差距比南北差距顯著。山東半島藍色經濟區內各縣區區域發展差距較為明顯，東（膠東三市）、中（濰坊、日照）、西（黃三角二市）差別顯著，南（青島、日照）、中（濰坊）、北（煙臺、威海、東營、濱州）社會經濟發展相對均衡。

（二）城市空間單元的山東半島藍色經濟區多中心空間格局分析

在城市空間單元上，由系數矩陣將一個公因子表示為8個指標的線性形式。因子得分函數為：

F1=0.879X1+0.781X2+0.982X3+0.862X4+0.994X5+0.950X6+0.961X7+0.976X8

得到綜合因子得分，并求出各城市排序，結果見表5。

采取最近距離法進行城市聚類，可以將7個城市空間單元劃分為3個等級，青島為一級中心，煙臺和濰坊為二級中心，濰坊、威海、東營、濱州和日照為三級中心。

總體上來看，山東半島藍色經濟區在城市空間單元上的多中心空間格局具有如下特征：

（1）青島市在山東半島藍色經濟區的核心地位較為穩固。青島與周邊城市之間已經形成較為穩定的核心-邊緣合作關系。

（2）“主-次”核心功能體系初步形成。以青島市為區域中心，煙臺-濰坊為區域次中心，其他城市為區域功能節點的分工協作、互利共贏合作體系已經初步形成。

四、山東半島藍色經濟區多中心空間格局演變特征分析

（一）從“核心-邊緣”結構特征顯著到“多中心”結構特征的演變

結合各空間單元的得分和聚類分析結果，可以發現2002年山東半島藍色經濟區以市南區和榮成市為一級中心，二級中心僅有3個（見圖1），市南區周邊地區和榮成市周邊地區縣（區）等級均呈同心圓模式向外遞減，存在大量的6級中心，城市總體等級偏低，發展程度較低，因此，2002年藍色經濟區城市“核心-邊緣”特征明顯，多中心特征不顯著，高等級中心較少，多數縣（區）還處于低水平的發展態勢。2007年山東半島藍色經濟區以市南區為一級中心，二級中心如雨后春筍般大量出現，多達13個（見圖1），市南區的區域核心地位下降，被大量相似等級的縣（區）所包圍，初步顯現出多中心結構特征，但是并不是實際意義上的多中心結構，縣（區）發展、經濟實力和城際聯系都有所欠缺。2012年，雖仍是以市南區為一級核心，但煙臺和濰坊地區的縣（區）迅速崛起，形成新的增長極，地位也直逼市南區，經濟實力、商品市場活躍度和人口聚集度都對市南區初步構成了威脅，威海市縣（區）因其高速的發展態勢在高等級中心占據了一席之地，山東半島藍色經濟區已經初步形成了青島、煙臺、濰坊三大增長級，“多中心”結構特征明顯。

（二）經濟集聚輻射能力成為影響縣（區）等級的重要因素

經濟實力是反映縣（區）等級進而影響城市群空間組織形態的重要指標。從表2三個主因子在各個年份提取的貢獻率可以看出，F1所占比重最大，能最有效地反映空間單元的等級。2000年F1特征值為，2.968，貢獻率為42.40%，2007年F1特征值最高，為3.959，貢獻率達到了49.49%，2012年F1相較于2007年稍有落后，但仍然是各項主成分中最高的，特征值為3.858，貢獻率為48.22%。藍色經濟區內縣（區）之間經濟發展和實力存在一定差距，青島的經濟核心地位仍然十分明顯，青島市內部縣（區）受市南區的輻射帶動也高于其他縣（區），因此青島市內部縣（區）等級相對較高。區域內部較大的經濟差距會對區域結構優化形成障礙，產業結構升級緩慢也會阻礙城市空間結構優化，因此藍色經濟區在根據自身實際打造第一增長極的同時，理應避免單方面的極化現象，可通過擴散和輻射效用，推動新的城市增長極的出現，提升區域整體經濟實力。

（三）山東半島藍色經濟區逐漸形成了“1主2副4次”的多中心空間格局

根據2012年各空間單元的聚類分析結果可以發現，青島市南區是毋庸置疑的一級中心。受市南區的輻射帶動作用，青島市其他縣（區）等級也都較高，煙臺和威海的縣（區）也都有較多的二三級中心，青島的經濟實力、人口集聚程度以及商品活躍程度都在山東半島藍色經濟區中居首位，煙臺和濰坊稍次之，威海、日照、東營和濱州發展程度相當，緊隨其后。結合城市空間單元下的聚類分析結果可以判斷，山東半島藍色經濟區逐漸形成了青島1個主中心，煙臺、濰坊2個副中心，威海、日照、東營和濱州4個次中心的多中心格局。

（四）青島一直處于山東半島藍色經濟區的中心地位，多年來未發生變化

從表5可以看出，第1到第7分別是青島、煙臺、濰坊、威海、東營、濱州和日照。雖然在縣（區）空間單元上，各個空間單元10年來位次有所變化，但是城市這一層級的綜合實力排名并無變化。究其原因，可能是青島等山東老牌強市對外開放和工業發展較早，有—定的經濟基礎，從而吸引人口形成集聚效應，促進其持續發展。而其他城市由于社會環境、基礎設施、產業結構和經濟的相對落后，導致其并沒有形成集聚效應，因此經濟發展基礎和提升速度不及領先城市。

五、山東半島藍色經濟區空間組織格局演變的動力機制分析

（一）經濟全球化和信息化的影響

1970年代以來，全球化使整個世界悄然巨變，原有的國家系統與城市體系發生重構。1990年代后，在信息化、網絡化與全球化三股力量推動下，全球經濟趨向于一種網絡化的結構，城市在網絡中成為集散中心。在這個聯系網絡中，每個城市都承擔—定的功能，依據其在網絡中的位置和協調控制能力，有著不同的重要性。正是在這種影響下山東半島藍色經濟區的經濟發展和空間結構發生了巨大變化，每個城市都可以直接參與全球競爭，在區域整體網絡性不斷增強的同時，多個中心也在逐漸形成。目前，青島在該區域的網絡中承擔著最重要的核心功能，也擁有著較高的世界城市地位，在其輻射影響以及新的功能需求下，多個次級中心正在崛起。

（二）區域交通網絡的建設

在城市區域的發展過程中，區域性交通網絡的建設將對區域空間結構的演變產生重要影響。山東半島藍色經濟區內，各組團之間通過快速交通（高速鐵路、高速公路、城際快速鐵路）連接起來，為增強區域內城市聯系提供了強大支持，各類交通網絡構成了各層級中心之間的通道。區域交通網絡不僅增強了青島的核心輻射能力，也擴大了煙臺、濰坊副中心城市的輻射范圍，使山東半島藍色經濟區城市的輻射功能不斷加強。因此，區域交通網絡的建設深刻影響了山東半島藍色經濟區的空間結構。

（三）產業集聚和擴散

全球范圍內的山東半島城市群，是以東北亞區域I生國際城市青島為龍頭，帶動山東半島城市群外向型城市功能整體發展的城市密集區域，是全球城市體系和全球產品生產服務供應鏈的重要一環。隨著《國家新型城鎮化規劃（2014～2020年）》的提出，山東半島城市群新型城鎮化步伐加快，并正在加快經濟發展模式和產業結構的提升和轉變。山東半島藍色經濟區所擁有的較為先進的區域產業結構和雄厚的經濟基礎，帶動著環渤海周邊地區的產業集聚和擴散，這為區域空間組織格局的演變，提供了永不枯竭的動力。

六、結論

在不斷推進的全球化和城市化進程中，城市群以更加積極的姿態參與到全球競爭中，城市也逐漸成為全球經濟一體化的基本空間單元。采用主成分分析法和聚類分析法對山東半島藍色經濟區2012年、2007年和2002年3個年份城市等級結構和空間結構演化的定量測度，表明山東半島藍色經濟區初步形成了多中心結構，以青島為區域中心的大中心主導模式已經形成，以煙臺、威海、濰坊等城市的縣（區）行政區為重要節點的梯級式次中心功能網絡體系基本形成，但區域內東西、南北區域差異客觀存在，且東西差距比南北差距顯著。經濟全球化和信息化、區域交通網絡建設和產業集聚擴散共同推動了藍色經濟區多中心格局的形成。多中心模式能使區域內部城市維持健康持續的城市化進程。所以要推行和區域空間結構相耦合的區域空間政策，進一步完善整合政府合作制度框架，推動跨界治理，為藍色經濟區發展提供長效動力。