基于GIS的城市人口密度分布方向性研究——以石家庄市为例

陈红娟,彭立芹,冯文钊

(石家庄经济学院资源学院,石家庄050031)

基于GIS的城市人口密度分布方向性研究
——以石家庄市为例

陈红娟,彭立芹,冯文钊

(石家庄经济学院资源学院,石家庄050031)

以石家庄市2005年和2008年的城市人口数据为基础,在GIS和SPSS软件的支持下,分别从人口集中指数和人口密度等方面运用缓冲区扇形分析法研究城市东北、北东、北西、西北、西南、南西、南东、东南八个方向人口密度分布特征,并对不同方向的人口密度分布进行拟合,结果表明石家庄市人口密度存在如下方向性特征:(1)人口空间分布东部较西部均匀,局部地区集聚现象明显。(2)内密外疏,东密西疏,县际人口密度变化差异大。(3)城市南东方向郊区化现象较明显。

人口;人口密度;人口集中指数;GIS;石家庄市

0 引言

城市人口是城市空间的重要组成部分,也是城市发展中的活跃因素之一。城市人口的分布及其迁移变化直接影响着城市内部经济、社会、产业等各要素结构和布局的变化[1]。城市地理学和人口生态学也表明,人口的空间分布能够改变城市的土地利用状况和局部功能分区。因此研究人口分布状况对研究和规划城市人口布局具有重要意义。人口密度是人口分布研究中最为常用的指标之一,与城市土地使用、交通状况、环境和生活质量等因素都密切相关[2],因而被越来越多的学者引入城市空间研究。Wang and Zhou(1999)对北京市人口分布及人口密度变化趋势进行了实证分析,指出北京市的人口分布符合负指数模型[3];冯健(2002)以杭州市为例,探讨了城市人口密度的空间分布及演化规律,发现杭州市的人口分布服从Clark模型的修正形式——加幂指数模型,为演化模型的研究提供了新的思路与方法[4];叶明(2002)以宁波市为例探讨了人口GIS应用模型的特性及其在城市人口空间分析中的应用[5];谢守红与宁越敏(2006)对广州市的人口密度分布进行了拟合与比较,指出广州市人口密度经历了由Clack模型逐步向Newling模型演变的过程[6];张岸等(2007)借助于GIS技术,从人口密度、人口重心迁移和人口集聚等方面对深圳市区内人口空间结构进行了深入研究,并总结和发展了城市人口密度的研究方法,使人口密度分布分析方法得以在城市空间研究中成功应用[1];廖邦固与徐建刚等(2008)采用土地利用密度法对1990年和2000年的上海市人口普查数据进行了格网化分析,进而模拟了上海中心城区人口密度的分布及其变化特征[7]。

以往基于GIS的城市人口空间分布变动研究侧重于城市密度模型的建立和人口发展趋势的预测,而从城市不同发展方向入手揭示人口密度分布方向性特征的研究极少,以石家庄市为例的人口密度研究也尚属首次。石家庄市自2001年开始户籍制度改革,不断降低落户门槛,引导大量人口向城市转移与集聚,至2005年,石家庄市人口已达到了相当大的规模,城市化水平和城市经济稳步上升。为了进一步推进城市化进程,提升城市品位和改善城市面貌,2008年石家庄市提出“一年一大步,三年大变样”的城市建设规划,城市空间布局也将进一步得到优化配置。基于此,本研究采用2005年和2008年石家庄市人口数据资料,利用GIS和SPSS软件从城市发展的八个方向对城市人口密度分布特征进行定量分析,研究结果可望与业已出现的北京、上海等城市人口密度研究结果相互印证,并为指导石家庄市人口布局、合理配置城市资源和协调发展经济提供有益参考。

1 数据来源与研究思路

1.1 数据来源与研究范围

本研究数据资料主要包含2005,2008年的石家庄市行政区划图(1∶50 000),分街道以及各区县、县辖镇的人口数据及土地资料[8-9]。以石家庄市域范围内的所有街道、乡镇作为研究区域,该区域包括6个区、12个县、5个县级市和1个国家级高新技术开发区,总面积1.58万km2。

1.2 研究思路与方法

首先对所收集的石家庄市人口数据资料和图件资料在ArcGIS9.2软件下进行处理,建立人口等空间属性数据库,然后将空间数据和人口数据相匹配得到明确地域范围内的人口数量。

本研究以石家庄市北国商城所在区域为城市中心,分别以r=10i(i=1,2,3,…10)km为半径建立缓冲区;用不同半径的缓冲区切割2005,2008年石家庄市数字化地图,并且对切割出的不同范围地图的属性表进行计算,确定切割后各斑块面积。用斑块面积乘以斑块内街道(镇)人口密度,以确定各斑块人口数量;同时以东、西、南、北四个方位为标尺将城市划分为0°～45°(东北)、45°～90°(北东)、90°～135°(北西)、135°～180° (西北)、180°～225°(西南)、225°～270°(南西)、270°～315°(南东)、315°～360°(东南)8个方向(图1)。最后计算切割后扇形区域内各个斑块的人口集中指数和人口密度,并对人口密度进行拟合,以探讨人口密度分布的方向性特征。

图1 石家庄市行政区划图Fig.1 Adm in istrative map of Shijiazhuang C ity

2 实证研究

2.1 理论模型

2.1.1 人口集中指数。人口集中指数[10](index of population concentration)是分析城市密集区人口分布的集中与分散化变动趋势的重要指标之一,其计算公式

式中:C为人口集中指数;Pi,Si分别为第i个区域的人口数量和土地面积,P和S分别为整个区域的总人口和总面积。C的值在0和1之间,C值越小,说明人口向某一地域集中的偏向越小,人口分布越分散;C值越大,说明人口向某些地域集中的程度越大,人口分布越不均匀。人口集中指数表达了人口和土地面积的关系,很好地反映了人口分布相对于土地面积的集中和分散情况,可以作为人口空间分布特征的检测指标。

2.1.2 人口密度。人口密度指单位面积土地上居住的人口数,是表示区域内人口密集程度的指标,用区域人口数量与土地面积的比值表示。依据前述计算各个斑块人口密度

式中:Dim表示第i圈层、第m个方向上的平均人口密度; Sjm代表第i圈层第m方向上穿越的j街区或镇的面积; Djm表示m方向上j街区或镇的人口密度;n为每个圈层穿越和包含的街区或镇的总数。

2.2 计算结果与人口密度方向性特征的分析

2.2.1 城市人口集中指数分析。依据所述研究思路,将2005,2008年石家庄市域内8个方向上各个斑块的土地面积和人口数量带入公式(1)中,分别计算人口集中指数(C),结果如表1。

表1 石家庄市2005,2008年人口集中指数表Tab.1 I ndex of population concentration of Shiji azhuang C ity in 2005 and 2008

可以看出,2个年度的C值位于0.03～0.11之间,说明8个方向上的人口分布集中程度并不是很明显。具体分析8个方向C值的变动情况,我们可划分出3个梯度:①第一梯度:北西方向(90°～135°)和西北方向(135°～180°)。这2个方向C值较高,说明人口向某一区域集中的程度较大。究其原因,这2个方向人口分布受地形影响较大,外围圈层的平山和灵寿西部是山区,因而人口分布有向东部和内部圈层中心城区集中的趋势。此外2个方向的C值均有上升的趋势,分别从0.098增至0.110,0.090增至0.094。这说明在此段时间内人口的分布趋向于不均衡,即人口有进一步向正定、鹿泉和市区集中的趋势。②第二梯度:西南方向(180°～225°)和南西方向(225°～270°),人口集中指数位于0. 03～0.05之间,人口集中趋势也较明显,且C值在2005—2008年间基本没有发生变动。③第三梯度:东北(0°～45°)、北东(45°～90°)、南东(270°～315°)和东南(315°～360°)方向,C值相对较小,数值在0.016～0.036之间,表明这几个区域的人口集中程度较小。这4个方向位于石家庄东部平原区,地势平坦、海拔较低,人口分布相对均匀。

2.2.2 人口密度特征分析。对切割出的各斑块属性表依据公式(2)进行计算,可以得到各斑块的人口密度和8个方向人口平均密度(表2)。利用ArcGIS软件绘制2005年和2008年的人口密度图(图2),并比较两年间的密度变化(图3)。

表2 2005,5008年石家庄市不同方向上的平均人口密度人·km-2Tab.2 The average population densities of Shijiazhuang C ity in different directions i n 2005,2008

图2 石家庄市2005,2008年人口密度分布图Fig.2 Population density distribution of Shijiazhuang C ity i n 2005 and 2008

图3 2005—2008年人口密度变化图Fig.3 Changes in population density from 2005 to 2008

从图2和表2中可以看出,市区(含矿区)人口密度最高,正定、鹿泉、栾城等县人口密度相对较大。从圈层上看,人口密度分布有从内部圈层向外部圈层渐次稀疏的特点;从方向上看,人口密度较大区域集中在东北、北东、南东、东南、西南等方向,其中南东方向人口密度最高,分别达到1377.55人/km2(2005年)和1 444.75人/ km2(2008年);北西、西北、南西等方向人口密度相对较小,其中北西方向平均人口密度最小,2005年和2008年分别为795.07人/km2和785.65人/km2。人口密度整体分布具有明显的东密西疏特征。

从图3发现,人口密度变化主要集中于市区(含矿区)和高邑、栾城、晋州、无极、行唐等部分县市。从方向上看,人口密度变化区域主要集中于城市东北、南东和东南方向,北东和北西方向的部分区域出现了变化,其他方向人口密度变化趋势并不明显。

2.2.3 人口密度空间分布模型拟合。Clark[11]发现,城市土地利用的集约程度随土地离开城市中心的距离增加呈现出递减的梯度变化特征,可以用负指数函数曲线模型描述

该模型是城市空间结构研究的传统模型,可反映出城市人口密度由距离城市中心的远近决定、并随距离的增大而呈现递减的趋势。

依据上述不同圈层、不同方向的各个斑块人口密度计算结果,可以得到石家庄市人口密度与距离的数据矩阵如表3、表4。

表3 2005年石家庄市8个方向的人口密度与距离的关系Tab.3 The relationship between the urban population density and distance in eight directions of Shijiazhuang C ity in 2005

表4 2008年石家庄市八个方向的人口密度与距离的关系Tab.4 The relationship between the urban population density and distance in eight directions of Shiji azhuang C ity in 2008

运用SPSS软件对以上8个方向上人口密度和距离进行拟合,结果显示2005年和2008年8个方向上拟合程度较好的函数主要有三次函数和S型曲线函数,相关系数均能达到0.90以上。将拟合情况不好的函数消除,最终得到结果如表5、表6,其中:R2代表相关系数,F代表置信区间。

表5 2005年8个方向人口密度模型回归分析和拟合结果Tab.5 Eight direction regression for population density models and their goodness of fit in Shijiazhuang C ity in 2005

表6 2008年8个方向人口密度模型回归分析和拟合结果Tab.6 Eight direction regression for population density models and their goodness of fit in Shijiazhuang C ity in 2008

进一步分析上述数据发现:无论2005年还是2008年,在城市除南东方向外的7个方向上拟合程度最好的函数均为S型曲线函数。S型曲线如图4中所示实线,其趋势表明在以上所述城市的7个方向,人口密度随着距离城市中心的增大出现快速下降趋势。而在南东方向上三次函数的相关系数(R2)分别达到0.959和0.960,但置信区间(F)值远远小于S型曲线中的F值。说明此方向三次函数曲线和S型函数曲线均不能较好地描述该方向的人口密度分布趋势,因此构建曲线函数如下

图4 S型曲线与三次曲线拟合效果示意图Fig.4 Schematic diagram showing the goodness of fit of S-shaped and cubic curves

如图5所示,此曲线2005年和2008年相关系数均达到0.99以上,较好地拟合了南东方向的城市人口密度分布状况。

图5 石家庄市南东方向人口密度拟合图Fig.5 The goodness of fit of population density in South to the East of Shijiazhuang C ity in 2005 and 2008

此曲线总体趋势为人口密度随距离城市中心的增大出现下降趋势,但与S型曲线略有不同的是此曲线在下降过程中出现波动。即在石家庄市南东方向栾城、赵县、高邑等部分区域人口密度首先随着距离城市中心的增大出现快速减小趋势;而后在某一区域内人口密度增大;最后随着距城市中心距离的进一步增大,人口密度又出现下降趋势。这一曲线形式同时表明,石家庄市在城市的南东方向存在人口密度的波动,人口密度在距离城市中心50km左右出现小高峰,城市郊区化现象在城市南东方向较为显著。

3 结论

结合上述分析,得到石家庄市人口密度分布的方向性特征如下。

(1)人口空间分布东部较西部均匀,局部地区集聚现象明显。石家庄市人口分布总体上有向市区集中的趋势。从人口集中指数上看,西部地区偏大,尤其在北西和西北方向最大,也就是说,人口从城市西部地区向市中心集中程度较为明显;东部地区人口集中指数偏小,人口分布较为均匀。石家庄地势西高东低,人口密度自西向东随着地势降低出现增大趋势,这一现象受地形地貌因素的影响,也符合人口地域分布规律。

(2)内密外疏,东密西疏,县际人口密度变化差异大。总体来看城市人口平均密度由中心向外围单调递减,内部圈层人口密度最大,环内部城市人口密度次之,外围地带较稀疏,且内部人口密度有进一步增大的趋势。从具体方向上看,人口东密西疏特征较明显。西部为山地丘陵区,地形地貌致使这一区域交通不便,经济发展缓慢,人口分布较稀疏。

此外,县际间人口密度变化差异较大,2005和2008年人口密度变化只出现在市区和高邑、栾城、晋州、无极、行唐等部分县市,其他地区变化趋势不明显。

(3)城市南东方向(270°～315°)郊区化现象明显。拟合结果显示城市南东方向符合(4)式所示函数模型,即人口密度随城市中心距离的增大先迅速降低,后又出现缓慢上升现象。这表明在城市南东方向部分区域内人口有向郊区转移的趋势。这意味着城市南东方向在今后几年人口数量会进一步增加并可能形成新的城市副中心。

4 讨论

人口的聚集是人口城市化前期的主要地理特征。大城市发展到一定程度才会出现人口郊区化现象。郊区化是集中城市化发展的延续,也是城市化过程发展到更高层次的表现[12]。以上结果表明,石家庄市目前主要处于集聚发展阶段,中心城区仍然是城市的核心,具有极大的向心力。在近几年的城市规划中,尤其是实现“三年大变样”规划建设以来,石家庄市投入大量资金进行旧城改造,加快中心城区建设,这在一定程度上使人口进一步向中心城区集聚;同时,规划中又着力打造“1 +3”组团式发展模式(1为市区,3代表栾城、藁城、鹿泉),城市用地实行“退二进三”,将市内工业企业大批量向外搬迁,城市外围郊区的实力和水平会不断提高,从而为人口郊区化奠定了基础。因此,石家庄的城市化集聚效应与郊区化扩散效应在今后会同时出现,在此过程中城市可望实现人口郊区化与中心城区繁荣并存。

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A GIS-based Study on the D irectional Property of Urban Population Density D istribution:A Case Study with Shijiazhuang asW orking Example

Chen Hongjuan,Peng Liqin,FengWenzhao
(College of Resources,Shijiazhuang University of Econom ics,Shijiazhuang050031,China)

Based on the urban population data of Shijiazhuang City in 2005 and 2008,the distributions of the index of population concentration and population density in eight directions(NE,EN,NW,WN,S W,WS,SE and ES)were analyzed with sector analysismethod under the support of GIS and SPSS.According to the fitting results of the distribution of the population densities in different directions,the following conclusions can be drawn: (1)The spatial distribution of population in east ismore unifor m than that in west;(2)The spatial distribution of population is denser in interior and east,and sparser in exterior and west;(3)The changes in population density in different counties differ significantly from each other;(4)There is clear suburbanization in the south to east.

population;population density;index of population concentration;GIS;Shijiazhuang City

book=110,ebook=104

F127.41

:A

:1003-2363(2010)05-0132-06

2009-04-09;

:2010-07-08

石家庄经济学院科研计划项目(42/XN0909)

陈红娟(1981-),女,河北邢台人,讲师,硕士,主要从事区域分析与城市规划研究,(E-mail)chhj2008@126.com。