基于地理探測器方法的湖北省人口分布與自然環境的耦合關系

摘要：以LBS網絡人口位置數據為基礎，結合不同自然環境因子，利用GIS與地理探測器軟件進行不同自然環境對人口空間格局的影響作用分析。結果表明，①湖北省人口空間格局呈明顯的東密西疏、南聚北分特征；②對人口空間格局分布的影響力強度由大到小的自然環境因素為年平均氣溫、平均高程、相對高差、地表粗糙度、河網密度、年平均降水量、相對濕度、干燥度、凈初級生產力；③不同自然環境影響因子之間，除年平均降水量與相對濕度不具有顯著性差異外，其他因子之間皆具有顯著性差異；④任意兩類自然環境因素疊加對人口空間格局的影響方式為雙因子增強或非線性增強。

關鍵詞：自然環境；LBS；人口分布；人地關系；地理探測器

中圖分類號：C922" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）03-0194-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.030 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Coupling relationship between population distribution and natural environment in Hubei Province based on the geo-detector method

WANG Jiang-hui， ZHOU Peng， QIN Zhao， LIU Ya-ting， WANG Run-ze

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan Institute of Technology， Wuhan" 430074， China）

Abstract： Based on the population location data of the LBS network， combined with different natural environment factors， the influence of different natural environments on the spatial pattern of the population was analyzed using GIS and geodetector software. The results showed that： ①The population spatial pattern of Hubei Province was characterized by dense in the east and sparse in the west， and concentrated in the south and dispersed in the north； ②The intensity of the influence of natural environmental factors on the spatial distribution of the population from large to small was annual average temperature， average elevation， relative height difference， surface roughness， river network density， annual average precipitation， relative humidity， dryness， and net primary productivity；" " "③Between different natural environmental factors， except for annual average precipitation and relative humidity， there were no significant differences between and other factors. ④The superposition of any two types of natural environmental factors affected the spatial pattern of population in two-factor enhancement or non-linear enhancement.

Key words：natural environment； LBS； population distribution； human-land relationship； geographic detector

人口研究是中國歷史中永恒的熱點議題，人口科技格局及其與不同影響因素之間的關系研究更是其中的熱點之一。改革開放以來，湖北省城鎮化建設越發迅速，西部地區人口東遷現象越發明顯，從而導致湖北省人口空間格局發生巨大而深刻的變化，同時騰訊位置大數據（LBS）為人口研究提供新的數據基礎和微觀視角，因此，湖北省人口分布規律挖掘再次成為研究熱點。然而，影響人口空間分異的不僅包括城鎮化，還有自然環境因素。自然環境是人類生存與發展的基礎，決定人口分布的基礎格局。由于湖北省氣候環境與地理環境的空間多樣性，科學刻畫人口空間分異特征，揭示自然環境對人口布局的影響作用，有助于深入了解湖北省人口分布規律與人地關系、協調區域發展與生態環境保護之間的矛盾。

傳統人口空間格局研究主要基于統計數據的定量研究，而統計數據具有周期長、效率低、速度慢、種類受限等局限性，而大數據時代背景下的位置數據則具有明顯的系統性、時效性、精細化和動態監測等優勢。人口研究數據主要利用人口普查與統計年鑒等國家調查數據，受到時間尺度的制約，并研究時使用的數據大多為過去1年甚至多年前的人口統計數據，因此對于研究數據的時效性持有一定的懷疑態度。同時，人口普查數據與統計年鑒數據皆為靜態人口數據，缺乏人的動態性，結合數據統計方式等問題，使用數據的精度相對較低。

國內人口空間分布研究由來已久，以1935年胡煥庸先生劃定的中國人口密度分布的“黑河-騰沖”線最為聞名。人口空間分布格局的研究方法主要包括洛倫茲區線法［1］、半變異函數法［2］、樣帶分析法、空間統計分析法［3］、人口密度等值線［4］等。隨著大數據時代的快速發展，網絡互聯網的迅速普及，人口定位技術逐漸成熟。基于遙感RS、全球定位系統GPS、位置服務LBS、位置分享服務LSS等技術進行地理位置、出行路徑、活動軌跡與社交網絡等信息的提取，從而得到大量的人口日常活動信息數據。網絡定位信息數據主要分為3類：網絡數據挖掘獲得帶有位置信息的社交數據、通過GPS或移動通信設備得到的空間位置數據及政府等公共平臺得到的數據。這些數據具有來源多樣性、實時性、客觀性、大量性等優勢，彌補了常規人口調查數據的缺陷，從而為人口空間特征相關研究提供充足的、高精度的實時數據。并已有大量學者基于網絡人口大數據進行了相關研究，如劉望保等［5］運用百度遷徙數據進行中國城市間人口流動的強度研究，解析不同地區城市之間的等級強度；楊冕等［6］基于百度地圖遷徙大數據進行中國城市人口流動強度分析，發現疫情期間人口流動強度減弱效益十分明顯。人口空間分布的自然影響因素研究，主要考慮地形影響因子。如鐘靜等［7］研究地形起伏度與區域人口增減以及集疏格局演化的關系；敬博等［8］從地形要素定量揭示其與人口、經濟空間的相互關系和影響程度。目前，對人口空間特征的自然影響因素中氣候因子的影響作用研究較為少見，而氣候、地形、地貌等因素是影響區域人口空間異質性的顯著性因素。傳統研究方法主要運用Voronoi圖［9］、景觀指數法［10］與Ripley’s K函數［11］等方法，具有一定的主觀性與不確定性。地理探測器模型是一種解釋某地理屬性與其解釋因子關系的新型空間分析模型，是結合GIS技術有效識別結果變量與因子變量之間相關性的新方式［12］。該方式優勢在于其普適性，能有效克服傳統方式過多的假設條件與數據類別的局限性，可以快速、客觀、有效地探測要素之間的相關關系，并已廣泛運用于地理學［13］、考古學［14］、經濟學［15］等學科。

目前，國內人口空間數據主要為普查數據，缺乏時效性。自然環境影響因素主要為地形因子，缺乏氣候因子的相關研究［16，17］。然而，自然環境中的氣候因子與地形因子對人口空間異質性具有顯著性影響，且實時人口大數據是空間差異探析及其形成機制研究，進一步挖掘微觀人口的空間異質性，有利于實現人口變化的時空動態監測，對未來預測人口空間分布與科學編制規劃具有重大意義［18-20］。

本研究基于湖北省LBS定位數據進行現狀人口空間格局分析，以不同自然環境因子作為影響因子，利用地理探測器進行人口空間格局與自然環境因子之間的空間相關性分析，解析不同影響因子對人口空間分布的影響力及不同因子之間的相互影響作用，從而科學認識不同自然環境因子對人口空間分布的影響機制，為未來城鎮規劃發展提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 湖北省概況

湖北省，簡稱“鄂”，中華人民共和國省級行政區，省會武漢市。地處中國中部地區，總面積18.59 萬km2，占中國總面積的1.94%。其中，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區占20%，屬長江水系。湖北省地處亞熱帶，全省除高山地區屬高山氣候外，大部分地區屬亞熱帶季風性濕潤氣候。截至2019年末，湖北省共轄13個地級行政區，常住人口5 927萬人，實現地區生產總值（GDP）45 828.31億元。湖北省擁有長江三峽、武當山、神農架、黃鶴樓、葛洲壩等" " " 1 500處省級旅游景點。

1.2 研究方法

1.2.1 數據源 利用騰訊位置定位大數據，騰訊數據網站發布的高時空分辨率的定位請求數據是根據手機用戶使用騰訊地圖位置服務時公開的位置信息，在1 km×1 km的網格單元逐小時聚合而得到的定位請求總量，不含用戶隱私信息。湖北省年平均氣溫柵格數據、濕潤指數柵格數據、植被柵格數據等均來源于中國科學院資源環境科學數據中心。

1.2.2 核密度分析法 核密度估計法（Kernel density estimation，KDE）是一種廣泛應用在分析空間點模式中的非參數估計方法。該方法能夠利用研究區中點的空間變化來研究點的分布特征，因而能夠直觀地反映地理要素分布的空間聚集區域。

核密度分析法以指定點或線要素的位置為中心，以指定閾值范圍搜索（半徑為h的圓或曲面），中心位置處的密度最大，密度隨距離衰減，直至衰減為0。整個閾值距離內密度的積分之和便是中央點的屬性值或中心線屬性值與尺寸的乘積。點屬性值為1，線則為其本身的尺寸。采用同樣方法計算區域內所有要素，疊加同一位置的密度值，獲得要素在研究范圍內的分布密度，計算公式如下：

式中，[fnx]為點或線的核密度，x為點或線的值；[xi]為閾值范圍內任一要素（點或線的值；[Kx-xi?]為核密度方程；n為閾值范圍內要素數量；h為閾值（hgt;0）；d為數據維數；[x-xi]為估計要素到閾值范圍內任意要素的距離。

1.2.3 地理探測器分析法 地理探測器是用以檢驗地理現象與其潛在驅動因素之間關系的空間分析模型。其基本思想是假設研究區分為若干子區域，如果子區域的方差之和小于區域總方差，則存在空間分異性； 如果兩變量的空間分布趨于一致，則兩者存在統計關聯性。地理探測器的PD，U值統計量，可用于度量變量之間的關聯性程度，如度量空間分異性、探測驅動因子、分析變量之間交互關系。地理探測器分為風險探測器、因子探測器、生態探測器和交互作用探測器4個部分，分別用來探測變量之間可能存在的關聯。借助因子探測器對研究區時序數據進行探測，通過PD，U值分析變量之間關聯性程度的變化。與常規的空間回歸分析方法相比，地理探測器優勢在于既可以探測數值型數據，也可以探測定性數據，并且具有探測兩因子間的交互作用及其程度、類型的獨特優勢。地理探測器的PD，U值具有明確物理含義，沒有線性假設和條件限制的優勢，能客觀地探測出自變量解釋100×PD，U%的因變量。地理探測器現在疾病地理學、土地利用變化、環境污染、人口、社會經濟發展、城鎮化等領域有廣泛應用。

式中，[PD，U]為驅動因子對因變量的解釋力或決定力，n為整個區域的樣本數；m為次級區域的個數；整個區域[σ2U]為因變量變化動態度的方差；[σ2UD，i]為次一級區域的方差，假設[σ2UD，i≠0]，模型成立。[PD，U]的取值區間為［0，1］，[PD，U= 0]時，表明因變量呈隨機分布，影響因子對因變量沒有解釋力或決定力；[PD，U=1]時，則完全相關，影響因子完全決定因變量；[PD，U]值越大，說明驅動因子對因變量的影響越大，解釋力或決定力也越強。

2 湖北省人口空間格局特征分析

2.1 湖北省人口空間分布散點分析

基于湖北省人口網絡定位數據，對人口定位數據進行處理得到日平均人口定位數據，并運用GIS軟件進行空間可視化得到湖北省人口空間分布散點圖。從圖1可以看出，湖北省人口空間特征為東密、西疏。湖北省人口空間分異特征為以武漢市為人口絕對中心，逐漸向外圍擴散的現象；西部地區除主要行政城市中心具有一定的人口中心外，皆為人口稀疏地區。從東部地區總體人口分布來看，武漢市中心城區人口聚集度最高，其次為孝感市中部、荊州市西北部、咸寧市中北部、仙桃市中北部、黃石市北部、鄂州市北部地區，具有人口次集聚中心。從西部地區來看，除十堰市、襄樊市、宜昌市、隨州市、荊門市與恩施土家族苗族自治州等地區的行政城市為人口集聚次中心外，其他地區人口分布較少，并均勻分布于全域地區。結合湖北省城市經濟發展現狀，發現湖北省除武漢市為國家經濟發展重點城市外，其他地區城市仍處于城市發展的初步階段，屬于典型的人口稀疏地區。

2.2 湖北省人口空間分布核密度分析

基于湖北省日平均人口定位數據進行核密度分析得到湖北省人口空間分布核密度分析圖（圖2）。從核密度分析圖中，清晰地發現湖北省人口空間分布呈東南密、西北疏的特征。人口聚集高地區主要分布于東南地區，主要分布于武漢市中心、黃岡市西部、黃石市北部、孝感市東部、天門市中部、荊州市西部與宜昌市東南部等地區。而西北部地區除襄陽市中部與恩施土家族苗族自治區中北部地區具有中等人口集聚中心外，其他地區皆為人口低密度的均勻分布狀態。湖北省東南部地區的城市發展狀況更好，因此更多人口進入東南部地區，而西北部更多地區為未開發利用地，地區經濟相對較弱，因此人口吸引力較低，人口聚集程度亦較低。

3 自然環境對湖北省人口空間分布格局的影響分析

3.1 自然環境影響因子選擇

人口空間分布的影響因素最開始是自然環境因子。隨著科學技術的發展與城鎮建設的加速，社會環境與經濟環境的影響力逐漸提升，但自然環境因子對人口空間格局的影響力依然存在，人們對生活的質量逐漸提高，使得自然環境對現狀人口空間分布的影響力越發增加。因此，研究自然環境的不同因子對人口空間格局的影響機制具有重要的意義。

本研究把自然環境因素分為3類：氣候影響因子（年平均氣溫、年平均降水量、干燥度、相對濕度）、地形影響因子（凈初級生產力、平均高程、相對高差、地表粗糙度）與水系影響因子（河網密度）。氣候影響因子是以國家統一收集數據作為基礎，運用GIS軟件進行提取后進行相關數據處理。地形影響因子中凈初級生產力是以國家數據作為基礎進行相關處理，植被覆蓋指數、高程、地形起伏度與坡度是基于DEM數據，運用GIS與ENVI軟件進行相關處理得到的數據。水系影響因子是基于湖北省水網數據，運用GIS軟件進行的相關處理。

3.2 湖北省自然環境影響因素分析

3.2.1 氣候影響因子分析 合適的氣候環境更加適合人類的生活與發展，才能吸引人口的聚集。年平均氣溫、年平均降水量、干燥度與相對濕度作為人類最直接的體感要素，是影響人類選擇生活場所的直接因素。并且要素之間因水而結合于相互聯系，因此各要素對人口空間分異擁有不同的影響作用，但又擁有一定的內部相關性。

由圖3氣候影響因子分析可知，年平均降水量、干燥度、相對濕度具有相同的趨勢分布，為東側和西南側地區具有相同的氣候特征，與中北部地區形成明顯的對比；并且西南部地區比東側地區具有更高的氣候條件，不論是高還是低。而年平均氣溫分布趨勢呈西部地區與中東部地區劃分的現象，東部地區越靠近邊界，氣候條件等級越高，而西部地區氣候條件等級較為均衡。

3.2.2 地形影響因子分析 地形環境是承載人類生存與發展的基礎條件，極大程度上決定了人類生存條件的適宜程度，因此對地形環境的解析是探討人口空間分異現狀的必經過程。由圖4可以看出，平均高程、凈初級生產力、地表粗糙度和相對高差具有相似的趨勢，皆為中部地區等級偏低，而周圍環繞著高等級環境，其中以西部地區等級最高。主要原因是西部地區為湖北省高山地區，因此平均高程、地表粗糙度與相對高差相對較高；而凈初級生產力指生物通過光合作用所吸收的碳減去植物自身呼吸的碳損耗所剩的部分，因此與植被具有直接性關系，與地形因子具有間接關系，但又不僅僅由地形因子決定，與氣候環境因子和人口分級分布具有一定的關系，因此其趨勢與地形因子相似，也具有一定的自我特征。

3.2.3 水系影響因子分析 水是人類生存的必需條件，人類的生存發展離不開水。在人類發展的歷史中，人類生存活動體現出明顯的親水性特征，因此發現河流水系是人口空間分異特征的重要影響因素，是研究人口空間分布特征的必要因子。由圖5a湖北省河流水系現狀可以發現，湖北省由長江貫穿中間偏下地區，漢江通過湖北省中間偏上地區，并擁有大大小小的支流遍布湖北省全域。湖北省水資源條件良好，基本全域皆具有一定的水源條件，滿足當地居民日常生活需要。

以湖北省河流水系現狀數據作為基礎，結合GIS的核密度分析工具，以人類日常生活半徑結合水資源運輸成本等相關性因素來選定搜索半徑為" 1 km，進行河流水系的核密度分析。從圖5中可以發現，水資源良好地區與長江脈絡基本吻合，并于武漢市與孝感市、宜昌市與荊州市的中間地區為水資源最集中地區。對比湖北省人口分布，發現水資源集中地區與人口密集地區呈現高度的一致性，因此可以證明河流水系對人口空間分布具有重要的影響作用，說明河流水系是人口空間分布特征研究中必要的因素之一。

3.3 自然環境影響因子與人口空間分布的相關性關系

選取自然環境影響因素中的年平均氣溫、年平均降水量、干燥度、相對濕度、凈初級生產力、平均高程、相對高差、地表粗糙度與河網密度作為基礎影響因子，運用地理探測器進行湖北省人口空間格局與自然環境因子之間的相關性影響分析，解析不同自然環境影響因子對人口空間格局的影響作用。本研究運用GIS軟件于湖北省行政范圍內進行5 km′5 km漁網的創建，選取范圍內合適的點進行裁剪，共選取7 028個點要素。按自然間斷法等方法對9類基礎要素進行重分類，并提取至點，以此進行人口空間分布與自然環境之間的相關性分析。

地理探測器因子探測結果如表1所示，不同自然環境因子相對映q值排序為年平均氣溫gt;平均高程gt;相對高差gt;地表粗糙度gt;河網密度gt;年平均降水量gt;相對濕度gt;干燥度gt;凈初級生產力。年平均氣溫、平均高程、相對高差、地表粗糙度和河網密度的解釋力大于35%，而解釋力越高，則說明對人口空間格局的影響力越大，因此這5種因子對湖北省人口空間格局的影響力最大，是主要的影響因子。而剩下的4類因子解釋力遠小于35%，因此對人口空間格局的影響作用力較小，是次要的影響因子。

通過地理探測器生態探測結果發現，除年平均降水量與相對濕度之間無顯著性差異外，其他自然環境影響因子之間皆存在顯著性差異，從而反向證明9類自然環境影響因子之間的獨立性，因子選擇覆蓋范圍較完整，正面證明該研究自然環境因子選擇的正確性。生態探測結果再次證明了因子探測結果的正確性，進一步證實了各因子對人口空間格局的影響力排序（表2）。

交互探測研究的目的在于解析兩種影響因子之間的相互作用力，對人口空間格局分布是具有正面還是反面的效果分析。依據交互探測結果的不同，主要分為5類：非線性減弱｛q（X1∩X2）lt;Min（q（X1），q（X2））｝；單因子非線性減弱｛Min（q（X1），q（X2））lt; q（X1∩X2）lt;Max（q（X1），q（X2））｝；雙因子增強" " " "｛q（X1∩X2）gt;Max（q（X1），q（X2））｝；獨立｛q（X1∩X2）=q（X1）+q（X2）｝；非線性增強｛q（X1∩X2）gt;q（X1）+" " "q（X2）｝。通過表3交互探測結果分析發現，任意兩種因子之間的交互作用皆為增強作用，其中凈初級生產力與年平均降水量、干燥度、相對濕度和河網密度與干燥度、相對濕度之間的相互作用為非線性增強，其他因子之間的交互作用為雙因子增強。從交互影響具體數據來看，年平均氣溫∩年平均降水量（q值0.669）、年平均氣溫∩相對濕度（q值0.669）、年平均降水量∩平均高程（q值0.675）、相對濕度∩平均高程（q值0.665）。結合生態探測結果發現，年平均氣溫與平均高程為主導影響因素，年平均降水量與相對濕度為次要影響因素。

凈初級生產力與年平均降水量、干燥度、相對濕度的交互作用產生了非線性增強的結果，而凈初級生產力主要產生于植物，說明在合適的降水量、干燥度與濕度的地區，植物生長情況越好，對植物產生直接的作用力，使得人居聚集情況相對更好。河網密度與干燥度、相對濕度之間也為非線性增強，從河網密度屬性來看，干燥度和相對濕度不是直接對河網密度產生影響，而是在人口往河網密集地區聚集的同時，干燥度與相對濕度相對較好的地區更容易吸引人群生活，因此是輔助作用。凈初級生產力與年平均降水量、干燥度、相對濕度產生的解釋力小于30%，河網密度與干燥度、相對濕度產生的解釋力大于50%，但小于60%。說明凈初級生產力對人口空間格局分布影響力較小，河網密度的影響力較大，但仍不是對人口空間格局分布的主要影響因素。

因此，不同自然環境因子單獨對人口空間分異的解釋力大小，同時深入解析兩兩自然環境因子相互作用的情況下對人口空間分布的解釋力，從而更清晰地了解自然環境與人口空間分布之間的相關性，并在地理探測器結果相互驗證的情況下，增強其結果的正確性。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究基于LBS網絡定位大數據，運用GIS軟件進行空間可視化分析，解析湖北省人口空間格局，并利用自然環境9種不同影響因子，結合地理探測器進行人口空間格局與自然環境因子之間的相關性探討，解析單個影響因子或不同影響因子交互作用對人口空間格局的影響機制，得出以下結論：

1）湖北省人口空間格局呈明顯的東密西疏、南聚北分特征。湖北省東側人口空間布局呈明顯的以武漢市為絕對核心，逐漸帶動外圍地區人口集聚的空間擴散效益；而西側地區除中心行政城市具有人口次集聚中心外，大部分地區為初步開發利用地區，人口分布較為稀疏。

2）據地理探測器因子探測分析結果，發現自然環境因子對人口空間格局的影響力排序為年平均氣溫gt;平均高程gt;相對高差gt;地表粗糙度gt;河網密度gt;年平均降水量gt;相對濕度gt;干燥度gt;凈初級生產力。其中以年平均氣溫與平均高程作為主要影響因子，相對高差與地表粗糙度其次，其他自然環境因子影響作用相對較低。

3）在9種自然環境影響因子中，除年平均降水量與相對濕度不具有顯著性差異外，其他因子之間皆具有顯著性差異。表明選擇的9 種影響因子之間不具明顯的重復性，覆蓋面之間無交叉，正面增加了因子探測結果的可信度。

4）從交互探測結果中發現，年平均氣溫∩年平均降水量（q值0.669）、年平均氣溫∩相對濕度（q值0.669）、年平均降水量∩平均高程（q值0.675）、相對濕度∩平均高程（q值0.665）。結合因子探測與生態探測結果，表明年平均氣溫與平均高程為人口空間格局的主要影響因素，而年平均氣溫與相對濕度為輔助影響因素。

4.2 討論

人口空間格局及其影響因素研究一直是國內人口研究的熱點主題。對人口空間格局的主要影響因素可以分為自然環境影響因素與社會經濟影響因素。自然環境因素是人口生存與發展的基礎條件，良好的自然環境是人口聚集的初始條件；社會經濟是人口空間發展到一定程度后，再次進行人口聚集的后續條件。本研究以自然環境作為人口空間格局的主要影響因素，而社會經濟因素對人口空間格局具有何種影響，并對自然環境具有何種反饋作用，是下一步的主要研究問題。

本研究采用了LBS網絡大數據中一周的日平均人口空間分布數據，人口空間格局于一定時間段內不會有巨大的變化，因此本研究仍可以很好地解釋自然環境對人口空間格局的影響作用。然而，不同時期人口對自然環境與社會環境的依賴程度不同，不同時期的自然環境與社會環境狀況也不盡相同。本研究重點探討了近年的自然環境對人口空間格局的影響作用，需考慮多年人口空間格局與自然環境和社會環境之間的影響機制。

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