基于多源數據的西安都市圈空間范圍識別

范曉鵬，龐鵬飛

(1.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 陜西省新型城鎮化和人居環境研究院，陜西 西安 710055)

都市圈是區域城市化發展到一定階段的產物，是以超大城市、特大城市或輻射帶動功能強的大城市為核心，以核心城市的輻射距離為半徑，所形成的功能互補、分工合作、經濟聯系比較緊密的區域[1].2019年12月，習近平總書記在《推動形成優勢互補高質量發展的區域經濟布局》中指出，我國當前的區域經濟空間結構發生深刻變化，中心城市與城市群逐步成為承載發展要素的主要空間形態，在此背景下必須對區域協調發展的新思路進行謀劃[2].隨著經濟全球化和區域一體化進程的推進，都市圈已成為世界主要國家和地區參與國際競爭與分工合作的重要地域單元.都市圈作為介于中心城市和城市群間的空間單元，在我國城鎮化格局中具有承上啟下的關鍵作用，是大中小城鎮協調發展的有力支撐[3]，而健康的都市圈發展對緩解特大城市住房短缺、城市公共服務供給不足、環境惡化等城市病有重要作用[4].

有關都市圈的研究引入我國后，周一星在分析中國城市概念和城鎮人口統計口徑時[5]，借鑒西方城市不同尺度空間單元體系，較早提出了“都市連綿區”概念[6-9].隨后國內出現了“都市區”“大都市區”等相似提法[10-12]，雖然表述各異，但均認同都市圈的基本要素是核心城市、外圍地區及兩者間的緊密聯系.在此基礎上，國內學者將各種定性和定量的技術手段運用到都市圈空間范圍界定中，具體為：一是密度集聚分布法.綜合選用人口、GDP等都市圈核心特征指標，計算其占區域的比例，從而界定都市圈核心區域的空間范圍.二是交通通勤分析法.通過測算外圍區域與都市圈中心城市間的通勤人口占比，從而界定都市圈的空間范圍.三是城市引力測算法.基于城市場強、引力、斷裂點理論、加權Voronoi等算法或模型，結合城鎮體系理論，確定研究區都市圈中心城市在一定空間范圍內的影響區域.四是交通等時測算法.考慮都市圈中心城市的對外交通狀況，以及在不同交通方式和技術條件下，一定時間范圍內能夠到達的距離，以此明確都市圈的空間范圍.五是網絡聯系強度分析法.基于手機定位數據、高鐵客流、金融投資流、客車班次等大數據源，利用復雜網絡、流分析等技術手段得出不同區域的聯系強度.六是綜合校核法.結合都市圈所處區域的生態環境資源、重大基礎設施以及歷史文化資源等，通過定量計算或定性分析，對都市圈空間范圍進行校核[13-14].為便方法的選取，本文對以上六種方法進行了系統解析(表1).

表1 都市圈空間范圍劃定的常用方法分類與解析

2018年，《關中平原城市群發展規劃》(以下簡稱“規劃”)明確了構建“一圈一軸三帶”的總體空間格局，其中，《規劃》中提及的“一圈”為由西安、咸陽主城區及西咸新區為主組成的大西安都市圈，但隨著近年來西安城市服務輻射功能的不斷加強，周邊咸陽、渭南、銅川的相關區縣已與西安形成緊密的經濟、人口聯系.本文將基于多源數據進一步對西安都市圈空間范圍進行綜合界定.

1 研究方法與數據來源

綜上所述，都市圈是由中心城市和周邊區縣組成的一種空間形態，圈域內的市場、產業、基礎設施、社會、文化、制度等多方面存在一體化發展趨勢，并最終實現都市圈整體的經濟、社會、生態等多維度的高質量發展.在這個發展過程中，伴隨著人口越來越集聚、城市間的經濟社會聯系越來越密切、圈域內的交通網絡體系越來越完善等特征，因此交通可達、城市引力以及城鎮人口密度應該作為界定西安都市圈空間范圍的核心維度.同時，西安都市圈是中華民族和華夏文明的重要發祥地之一，承載了中華文明悠久深厚的歷史文化，與我國其他都市圈相比，歷史文化資源是西安都市圈的核心特色優勢之所在.

本文選取了交通可達、城市引力、城鎮人口密度以及歷史文化等四個維度，進行西安都市圈空間范圍界定.①公路等時交通圈劃定方法：運用手機信令和百度熱力圖數據選取出行基點，通過百度地圖、高德地圖及導航數據，畫出全樣本都市圈常規交通(小汽車為主)等時線，根據其涵蓋范圍選定區縣單元作為基于公路等時交通的西安都市圈相關圈層.②城市場強勢力圈劃定方法：運用經濟社會數據計算研究區內各區縣的綜合實力，結合城市引力模型和場強模型測算各區縣的勢力強度，并分為高強度區、較高強度區、中強度區、較低強度區、低強度區，從而得出基于城市引力場強的西安都市圈的不同圈層.③城鎮人口密度圈劃定方法：分別計算各區縣的城鎮人口密度，在GIS軟件中，運用自然斷裂點的聚類分析方法，將場強強度分為高密度區、較高密度區、中密度區、較低密度區、低密度區等五類，從而得出基于城鎮人口密度的西安都市圈的不同圈層.④城鎮歷史文化資源核密度圈劃定方法：在研究區域范圍內，選取省級及以上歷史文化資源點，運用核密度分析法測算出每個歷史文化資源點的密度分布，并對相同位置處的密度進行疊加，從而得出整個研究區域的歷史文化資源核密度分布情況，與各區縣的行政區劃進行疊加，最終得出基于城鎮歷史文化資源核密度的西安都市圈的不同圈層.

本文運用公路等時交通測算、城市場強勢力測算、城鎮人口密度測算以及城鎮歷史文化資源核密度測算等四種方法.其中，城市場強勢力測算和城鎮人口密度測算方法運用的數據是由陜西省統計局提供的2019年各區縣的相關經濟社會統計數據；公路等時交通測算方法運用了3種數據，分別是職住點數據、熱力圖數據、西安市路網數據.其中職住點數據由2019年10月的手機信令數據提取，職住點提取是按照在某人在某地有七天以上，駐留時長超過半小時，則該點被識別為職住點，其中白天識別的點是職住點，夜晚識別的點為居住點.熱力圖數據是從百度地圖APP中獲取.西安市路網數據是通過調用高德地圖開放平臺的API接口獲取.城鎮歷史文化資源核密度測算運用的數據包括全國重點文物保護單位、國家歷史文化名城、中國歷史文化名鎮、中國歷史文化名村、中國傳統村落、省級文物保護單位、省級歷史文化名城、省級歷史文化名鎮、名村、歷史文化街區、世界灌溉工程遺產等省級及以上歷史文化資源點，分別來自國家住房和城鄉建設部、文物局以及國際灌溉排水委員會等官方公布的相關名錄.

2 基于“1小時”等時圈的研究區域劃定

全國科學技術名詞鑒定委員會關于交通圈有明確的定義，即交通圈是指各種中心地的交通吸引范圍，以各條交通線路上的交通流分界點所包圍的范圍來表示，一般指以某地為中心在一定時間內的可及范圍.如北京市將利用高速鐵路建成至全國絕大部分省會城市的1～8小時交通圈，長三角很多地級和縣級城市都提出了融入上海1小時、2小時交通圈的交通發展戰略[15]，珠三角的主要城市也提出組建區域3小時通勤圈，河北省正在打造環北京的1小時交通圈，湖北省提出打造環武漢1小時交通圈等.相關學者已從時間距離和經濟成本[16]的角度對區域的可達性進行綜合評價，有學者分別對武漢、南京都市圈進行過交通分析[17-18].目前國內學術界針對1小時等時圈仍缺乏定量化分析與計算.因此本文以西安都市圈為例，利用遙感(RS)、地理信息(GIS)、導航、人口經濟統計等多源數據，采用多維度定量計算的方法，定量化地研究西安都市圈空間范圍與區域識別.

2.1 確定西安都市圈核心區

中心區是都市圈內最為核心的區域，其內部各行政單元已無明顯的城市邊界，人口和經濟高度集聚.本文以西安市及周邊區縣為研究對象，在國家地理數據云網站獲取2020年的Landsat ETM/OLI 8影像，發現西安市碑林區、雁塔區、未央區、灞橋區、蓮湖區、新城區和咸陽市的秦都區、渭城區以及西咸新區的建成區基本融為一體(圖1)，該區域國土空間面積為1 780 km2，2019年的人口和GDP已達到664.04萬人和7 545.38萬元，該區域以全省不到1%的國土面積，集聚了全省17%的人口和29%的GDP是全省人口和經濟最為密集的區域，可以作為西安都市圈的中心區.

圖1 西安市及周邊區縣Landsat ETM/OLI 8影像圖

2.2 選取出行基點

本文利用聯通手機信令數據識別西安都市圈中心區職住空間分布，明確外圍通勤集聚點，并運用百度熱力圖數據對測算出的人口空間分布進行驗證，確定現狀的通勤基點.同時，通過分析土地利用總體規劃數據，從土地利用和開發強度兩個角度，確定規劃基點位置.根據上述方法共選取10個基點(圖2).

圖2 出行基點選取圖

2.3 測算通勤范圍

歷年交通出行報告數據顯示大城市的平均通勤時間在50 min以上，通勤時間在1小時內的人群約占總人數的82%，所以本文選擇1小時通勤圈作為基本出行時長.從10個基點出發，運用網格路徑計算法，分別測算出常規交通(小汽車為主)1小時出行覆蓋范圍.除涇渭工業園外，其余基點1小時出行范圍均已覆蓋西安主城區，平均覆蓋面積為0.45萬km2，其中覆蓋范圍最大的是空港新城基點，面積為0.64萬km2，具體覆蓋范圍見表2.將各基點出行覆蓋空間范圍進行疊加形成最終通勤空間范圍，面積為2.16萬km2(圖3).

圖3 常規交通1小時出行覆蓋圖

表2 各基點工作日等時圈分布圖

2.4 明確西安都市圈研究區域

本文將凡是中心城區納入通勤圈范圍的區縣都納入西安都市圈研究范圍，經測算，西安都市圈研究范圍共涵蓋28個區縣，向西至扶風縣，向東至臨渭區，向北至耀州區、向南至長安區，其中，西安、咸陽主城區和西咸新區為研究區核心(圖4).

圖4 西安都市圈研究區域

3 基于經濟社會數據的都市圈圈層識別

綜合實力是判斷各區縣實力高低、中心性強弱、對周邊區域吸引力大小的重要依據.本小節通過構建縣都市圈區縣綜合實力評價指標體系，測算其綜合實力計算.通過對西安都市圈空間特征提取與規律挖掘，首先運用交通等時圈法劃定西安都市圈空間分析范圍，其次通過城市引力模型初步定量測算西安都市圈核心圈層和擴展圈層，用經濟社會數據計算研究區內各區縣的綜合實力，結合城市引力模型計算核心城區的吸引力范圍，最后計算各區縣的人口密度，輔助調整西安都市圈核心圈層范圍.

3.1 綜合實力計算

本文以區縣為研究單元，充分借鑒前人關于城市綜合實力評價指標體系的研究成果，考慮數據的可獲取性和完整性，選取了城市規模、經濟增長、開放創新、綠色發展等4個核心維度的19項指標，構建區縣綜合實力評價指標體系(表3)，并采用熵權法計算各區縣的綜合實力大小(表4).結果顯示，包含西安、咸陽主城區以及西咸新區的核心區域綜合實力遠高于其他區縣，其中心性與《關中平原城市群發展規劃》所給予的定位相匹配.

表3 區縣綜合實力評價指標體系表

表4 區縣綜合實力指數表

3.2 城市引力模型測算

3.2.1 經濟距離(E)測算

在模型測算中，簡單地把兩座城市之間的距離作為研究的空間距離缺乏說服力，在實際應用中還須考慮社會、經濟、交通等諸多因素的影響.因此，本文對經濟距離進行定量測算：

E=α·β·D

(1)

式中，E為經濟距離，α和β為修正權數，D為兩座城市之間的空間距離.α為通勤距離修正權數；β為經濟落差修正權數，其取值由周邊城市的人均GDP 與核心城市人均GDP的比值確定(表5).

表5 通勤距離修正權數α和經濟落差修正權數β

3.2.2 引力和場強(T、S)測算

引力模型來源于物理學的萬有引力定律，后用于分析城市間的空間結構，描述2個城市之間相互吸引的強度大小.場強模型則將城市視為一片區域的影響源，認為它對附近區域存在一個影響力“力場”，城市影響力遵循“距離衰減規律”，與距離成反比，可依據“最大聯系強度”原則劃分影響區范圍.引力模型和場強模型的表達式如下：

(2)

其中，T為城市間的引力，i指外圍區縣，j指核心區，Qi和Qj分別為i、j的綜合實力指數，D為經濟距離.

(3)

其中，Sij為兩城市間的場強，Qj為核心城市j的綜合實力，Dij為經濟距離.

本文選用2019年度數據，利用公式(1～3)求得各區縣的經濟距離、引力和場強(表6).

表6 經濟距離E、引力T、場強S計算結果表

3.3 西安都市圈圈層初步識別

各區縣經濟距離、引力和場強代表了與都市圈核心區的相互作用關系.在一定的影響范圍內，城市間經濟距離越小，區縣引力和場強越大，代表與核心區的經濟社會聯系越緊密.基于前人對經濟距離、引力、場強的劃分研究，本文結合各區縣的3個數值結果，得出區縣向量(E′、T′、S′).當經濟距離E≤40 km時，E′取值為1，經濟距離E>40 km時，E′取值為2；當引力T≥3時，T′取值為1，引力T<3時，T′取值為2；當場強S≥0.25時，S′取值為1，場強S<0.25時，S′取值為2.

為更好地闡述各區縣在西安都市圈的圈層位置，本文將西安都市圈劃定為核心圈層和擴展圈層，并從三個判斷向量的大小判定該區縣的所屬圈層(圖5、表7).

圖5 西安都市圈圈層初步識別

表7 各區縣圈層識別表

3.4 基于城鎮人口密度的范圍校核

在我國城鎮人口總體上仍然趨于空間集聚的前提下，都市圈作為我國城鎮人口未來的核心載體，起到推動我國大中小城市協同發展以及優化人口和經濟空間結構的重要作用[19].所以城鎮人口密度是研究都市圈空間范圍的重要參考指標之一.基于前人對城鎮人口密度圈的研究成果[20-22]，本文對研究區內各單元區縣的城鎮人口密度進行了測算(表8).

表8 西安都市圈各區縣城鎮人口密度表

在GIS軟件中，運用自然斷裂點的聚類分析方法，將場強強度分為高密度區、較高密度區、中密度區、較低密度區、低密度區五類(圖6)：高密度區：核心區(西安、咸陽主城區和西咸新區)、楊凌區；較高密度區：高陵區、閻良區、興平市；中密度區：長安區、臨渭區、武功縣、三原縣；較低密度區：臨潼區、富平縣、乾縣、扶風縣、鄠邑區、禮泉縣、涇陽縣、耀州區；低密度區：藍田縣、永壽縣、淳化縣、周至縣.

圖6 西安都市圈各區縣城鎮人口密度圖

根據以上城鎮人口密度數據分析可知，城鎮人口主要集中在西安、咸陽主城區和西咸新區，城鎮人口密度遠高于周邊區縣，符合西部地區省會城市為單核驅動的基本實際.楊凌區的城鎮人口密度僅次于都市圈核心區，并超過其他區縣較大距離，是西安都市圈內的人口集聚副中心.從空間分布上看，城鎮人口主要集中在沿渭河的東西走向人口集聚帶上，即從楊凌區到臨渭區，南北向區縣城鎮人口密度相對較低.綜合以上分析，本文認為應將城鎮人口密度相對較大的武功縣、三原縣遞補進入西安都市圈核心圈層.

3.5 基于歷史文化資源的范圍校核

西安都市圈是華夏文明的重要發祥地，周秦漢唐歷史遺存和文化資源多元富集，擁有西安、咸陽兩個國家歷史文化名城，秦始皇陵及兵馬俑、大雁塔等7處世界文化遺產和秦咸陽城、漢長安城等8處國家級大遺址保護區等眾多歷史文化名城、名鎮、名勝古跡、文物遺址，形成了西安都市圈獨特的歷史文化資源優勢.深厚的文化底蘊和豐富的歷史遺存為西安市以及周邊地區旅游業的發展提供了有力支撐，在政府和市場的共同作用下，已形成多條跨區域的精品歷史文化旅游線路.

因此將歷史文化資源較為密集的區縣劃入西安都市圈范圍，既能保護和傳承好關中地區的歷史文脈，又能統籌挖掘開發都市圈內的歷史文化資源，使其形成集群效應，更能助力西安都市圈承擔好中華民族文化復興和文化傳承的歷史使命.本文通過對研究區內各類歷史文化資源的梳理，得到了包括全國重點文物保護單位、國家歷史文化名城、中國歷史文化名鎮、中國歷史文化名村、中國傳統村落、省級文物保護單位、省級歷史文化名城、省級歷史文化名鎮、名村、歷史文化街區、世界灌溉工程遺產等十一類共計431個省級及以上歷史文化資源點，并以此為基礎，繪制了西安都市圈歷史文化資源分布圖(圖7).

圖7 西安都市圈歷史文化資源分布圖

為了更清晰的反映歷史文化資源在都市圈中的分布狀態，需要對不同保護身份的歷史文化資源賦予不同的權重分值進行計算.本文借鑒了清華大學《中國歷史文化空間重要性評價與保護研究》中的歷史文化資源價值位序與價值賦分表(表9)，分別對本研究區域內的783個歷史文化資源點進行了加權賦值.在此基礎上，分析得出城鎮歷史文化資源核密度(圖8).

表9 西安都市圈各類歷史文化資源的價值位序與價值得分匯總表

圖8 西安都市圈城鎮歷史文化資源核密度分布圖

根據以上分析可知，從西安都市圈歷史文化遺存空間分布角度看，主要呈現沿渭河流域帶狀布局的特征，其中西安作為十三朝古都，有長達約3100年的建城史和1150年的建都史，是都市圈內歷史文化遺存最為富集的核心區域.除此之外，寶雞扶風、渭南富平以及咸陽三原的歷史文化遺存分布也較為密集，其中，富平縣是唐代帝陵較為集聚的區域，遺址保護等級普遍較高；扶風縣是佛教圣地法門寺的所在地，歷史遺存從新石器時代到清朝時間跨度很大；三原縣文保單位數量眾多，同時還擁有諸多歷史文化名城和傳統村落.綜合以上分析，本文認為歷史文化遺存較為密集的富平縣、扶風縣和三原縣應該劃入西安都市圈的核心圈層.

3.6 西安都市圈圈層分析

綜合以上分析，本文認為西安都市圈應該包含核心區、核心圈層以及拓展圈層(圖9).其中核心區包括西安市新城區、碑林區、蓮湖區、灞橋區、未央區、雁塔區、咸陽市秦都區、渭城區以及西咸新區.該區域城鎮人口密度、經濟密度、歷史文化資源密度、交通便捷度均遠高于周邊區縣，是引領整個西安都市圈，乃至關中平原城市群發展的核心區域.核心圈層包括西安市長安區、鄠邑區、臨潼區、高陵區、閻良區，咸陽市興平市、武功縣、三原縣，渭南市臨渭區、富平縣、寶雞市扶風縣以及楊凌區.該區域與都市圈核心區的經濟人口聯系十分緊密，擁有一定的特色產業和城市功能，與核心圈具有較強的協同聯動發展基礎，是對核心圈功能的服務和補充.擴展圈層包括西安市周至縣、藍田縣，咸陽市涇陽縣、禮泉縣、乾縣、永壽縣、淳化縣以及銅川市耀州區.該區域與都市圈核心區空間距離相對較遠，自身城鎮人口和經濟實力偏弱，但普遍擁有一定的特色農產品或良好的生態環境，可為都市圈提供補充性功能服務以及基礎生活性的產品支持.

圖9 西安都市圈圈層劃定

4 結論與討論

都市圈空間范圍的客觀界定，對都市圈內城市之間是否形成合力和協同發展顯得尤為重要，既不能泛化，也不能以日常通勤圈來簡單確定.本文運用交通等時圈、城市引模型以及城鎮人口密度測算等定量計算方法，探索形成一定的邏輯測算關系，并在計算過程中，充分考慮都市圈的發展能級、內部聯系及空間集聚特征，以區縣為單元進行測算，綜合界定的西安都市圈空間范圍更加具有合理性和科學性.同時將歷史文化資源較為密集的區縣劃入西安都市圈范圍，既能保護和傳承好關中地區的歷史文脈，又能統籌挖掘開發都市圈內的歷史文化資源，使其形成集群效應，更能助力西安都市圈承擔好中華民族文化復興和文化傳承的歷史使命.結論如下：第一，本文將西安都市圈劃定為核心圈層和擴展圈層，并從三個判斷向量的大小判定該區縣的所屬圈層.第二，城鎮人口主要集中在西安、咸陽主城區和西咸新區，城鎮人口密度遠高于周邊區縣，符合西部地區省會城市為單核驅動的基本實際.第三，城鎮人口空間分布從楊凌區到臨渭區，南北向區縣城鎮人口密度相對較低.

都市圈內的城鎮具有密切的人口經濟聯系，需要發達的交通和信息網絡為依托，才能實現都市圈內部的協同發展，交通等時、人口密度、城鎮能級是測算都市圈空間范圍的部分維度，人口聯系強度、產業協同布局、歷史文化淵源等均可作為都市圈空間范圍劃定的考慮因素，受制于數據問題，本文未引入以上測算方法，未來重點從以上維度出發，繼續深入開展都市圈空間范圍劃定研究.