湖南省城市宜居水平时空演化及其预测模拟

刘庆芳，宋金平

(北京师范大学地理科学学部，中国 北京 100875)

城市是各类资源要素和经济社会活动最集中的场域，同时也是人类重要的生产生活空间[1]。改革开放以来，我国城市化进入快速发展阶段，逐渐由重视经济发展转为重视经济发展与保障民生双向协同提升，城市的宜居性进一步得到改善；但与此同时也面临着人口密集、环境污染、交通拥挤、住房紧张、秩序混乱等“城市病”的胁迫[2]。“十四五”规划和二○三五年远景目标明确要求，推进以人为核心的新型城镇化，建设海绵城市、韧性城市和宜居城市。因此，如何创造更多更优质的宜居空间以满足居民对美好生活的向往已成为各界共同关注的话题。探索城市宜居水平的时空演化特征并预测其发展趋势对于推进城市综合治理、优化城市人居环境和提升城市宜居水平具有重要的理论价值和实践意义。

国外学者对城市宜居水平的研究起源于19世纪末，以霍华德为代表的早期学者认为未来城市的居民居住于美丽而宏大的城市之中并且享受一切优越权，这一城市规划构想推动了对城市宜居性的研究[3]。随后，国外学者对城市宜居水平进行了系统且深入的探索，其研究主要聚焦在3个方面：第一，城市宜居水平的概念内涵[4-6]；第二，城市宜居水平的综合评价[7，8]；第三，城市宜居水平的影响因子[9-11]。国内对城市宜居水平的研究起步较晚，20世纪90年代，吴良镛院士最早构建包含自然、人类、社会、居住和支撑系统的城市人居环境科学理论框架[12]，尔后国内开始兴起对城市宜居水平的研究。其研究内容主要涵盖了宜居城市理论框架[13，14]、宜居城市的指标体系[15，16]、宜居城市实证评价[17-19]、宜居城市的居民满意度[20，21]以及宜居城市提升策略[22，23]等方面；研究地域以单体城市为主[24，25]，少数学者以城市群为实证靶向，横向比较与纵向勾勒城市宜居水平的时空演化特征[17-19]；研究数据从早期的调研数据到调研数据与统计数据相结合，再到目前爬虫数据、统计数据和调研数据等多源数据的综合运用[26-28]。

综上所述，国内外学者对城市宜居水平的研究呈现出理论扎实深入、内容丰富多样、视角层级综合的特征，但也存在如下不足之处：在空间尺度上，既有研究多以单体城市为主，以省域为实证靶向，从省域整体、经济分区和不同城市进行多维尺度地探讨城市宜居水平时空演化规律的相关文献较少；在时间尺度上，既有研究多采用历史数据进行实证分析，而系统预测城市宜居水平未来发展趋势的研究仍鲜少见诸文献。鉴于此，本文以湖南省14市州为研究靶向，综合运用修正后熵值法、非参数Kernel密度估计、冷热点分析和灰色预测GM(1, 1)模型，多尺度探讨城市宜居水平的时空演化规律并预测其未来演变趋势，希冀为湖南省“十四五”时期宜居城市的建设提供科学参考，也为其他省份城市宜居水平综合提升工程提供可资借鉴的经验。

1 研究设计

1.1 研究区概况

湖南省地处长江中游地区，下辖长沙、株洲、湘潭、衡阳、邵阳、岳阳、常德、张家界、益阳、郴州、永州、怀化、娄底和湘西14个市州，是推进长江经济带跨越式发展和中部崛起的重要战略支点。近年来，湖南省各市州经济实力不断增强、生态环境明显改善、民生福祉持续提高、社会服务赓续完善，各市州的宜居水平得到显著提升。但同时湖南省各市州也面临着经济下行压力进一步增大、生态环境治理存在薄弱环节、社会保障体系仍有待进一步完善、民生保障存在明显短板等挑战，这些问题严重制约着湖南省各市州宜居水平的进一步改善。湖南省“十四五”规划提出要推进以人为核心的新型城镇化建设，着力补齐城市治理过程中的短板，建设海绵城市、韧性城市和宜居城市。因此本文以湖南省14市州为研究靶向，分析城市宜居水平的时空演变特征并预测其“十四五”规划期间的发展趋势，具有一定的典型性与代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 修正后熵值法 熵值法是基于数据内部敛散程度对指标进行赋予权重的方法，该方法不易受研究者主观偏好的影响，能较为客观地对各项指标赋予相应的权重；本文在原有模型中，增加时间变量，以使城市宜居水平的综合评价更加准确。评价的具体步骤见参考文献[29]。

1.2.2 非参数Kernel密度估计 非参数Kernel密度估计能使用连续密度曲线替代直方图，更加清晰直观地反映某一地理属性值的分布态势。将X1，X2，X3，…，Xn作为城市宜居水平预测误差x在分段后囊括N的一个类别数据；f(x)为初始概率密度函数[30]。其计算公式如下：

(1)

式中：n为城市个数；h为窗宽；K为随机核函数。

1.2.3 冷热点分析 城市宜居水平的热点区或冷点区是表征宜居水平空间分布聚集或分散的区域，本文采用冷热点分析探索湖南省城市宜居水平在空间上的集聚情况，其数学模型为[31]：

(2)

式中：xi和xj分别表示i城市和j城市的宜居性指数；wij表示空间权重矩阵，如果空间位置j在i的距离d以内，则wij=1，否则，wij=0。为区分空间上的冷点和热点地区，本文将Gi值进行标准化，其标准化公式为

(3)

式中：E(Gi)为期望值；V(Gi)为变异系数。

1.2.4 灰色预测GM(1, 1)模型 GM(1, 1)为一阶灰色预测模型，是通过灰色序列生成的方法将原始随机数据列变成有规律的灰色序列，利用生成后的数据在时间轴上建立连续的微分方程，通过微分拟合而形成的模型。本文借助灰色预测GM(1, 1)模型预测湖南省城市宜居水平的未来发展趋势。具体计算步骤如下[32]。

1)设置原始时间序列：

(4)

2)累加处理：

A1=[a1(1),a2(2),…，an(n)]。

(5)

3)计算微方程：

(6)

式中：β为发展灰度；δ为内生控制灰数。

4)生成预测模型：

(7)

最后求出灰色预测模型的预测相对误差和相对精度，以获取科学合理的预测值。

1.3 指标体系

城市宜居是对城市适宜居住程度的综合评价，宜居城市应具备经济繁荣、社会便利、生活舒服和环境优美的基本特征，能为城市居民提供舒适、便捷和优美的生活和休闲空间[15]。构建城市宜居水平的综合评价指标体系是勾勒城市宜居水平时空演变特征的关键环节，本文以《宜居城市科学评价指标体系研究》为基本遵循，充分考虑指标体系构建的系统性、科学性以及指标数据的可获取性，结合国内外城市宜居水平相关研究成果[16,18-20,26,28]和湖南省城市宜居性的现状，从经济富裕度、社会便利度、生活舒适度和环境优美度4个维度构建湖南省城市宜居水平综合评价指标体系。城市经济富裕程度越高，居民的经济条件越好，创造生活所需物质资本的环境更优；同时城市经济实力越强，城市基础设施改造和社会服务更新的投入更多[19]。社会便利度越高，居民生活所需的教育、医疗、交通、文化等设施越健全，居民生活的归属感越强[15]。生活舒适度是居民生活质量和城市宜居性的最集中表征，生活舒适度主要包括用水、用气、网络、电视等方面[33]。环境优美度是判别城市是否适合居住的重要指标，环境优美度主要囊括环境污染、污染治理和城市绿化等方面[17]。本文所构建的城市宜居水平评价指标体系包含4个维度26项指标(见表1)。

表1 湖南省城市宜居水平评价指标体系

1.4 数据来源

本文以湖南省14个市州为研究单元，参考《湖南统计年鉴》的区域划分，本文将长沙、株洲和湘潭归为长株潭城市群；益阳、常德、岳阳归为洞庭湖生态经济区；湘西、怀化、邵阳、张家界归为大湘西地区；郴州、永州、衡阳、娄底归为湘南地区。为列表方便，将其分别简称为：“长株潭、洞庭湖、大湘西和湘南”。研究数据主要来源于2009—2020年《湖南统计年鉴》和《中国城市统计年鉴》，部分数据来源于2008—2019年各市州国民经济和社会发展统计公报，少部分缺失数据使用线性插值法将其补充完善。

2 结果分析

2.1 城市宜居水平时间演化

图1 2008—2019年湖南省城市宜居水平演变趋势

图1显示：(1)湖南省城市宜居水平整体呈现波动上升态势，宜居水平的综合指数由2008年的0.139上升至2019年的0.395，年均增长率为16.75%，这说明随着经济实力的不断增强，城市产业结构的持续优化、城市服务水平的稳步提升和城市环境治理效能的持续提高，研究期内湖南省城市宜居水平得到明显提高，但值得注意的是湖南省城市整体宜居性仍处于较低水平，这意味着湖南省城市经济实力、基础设施、居民生活、生态环境的多维协同提升仍任重道远。(2)从4大经济分区来看，长株潭、洞庭湖、湘南、大湘西的城市宜居水平均呈现波动上升态势。研究期内，长株潭的城市宜居水平最高为0.566，最低为0.251；洞庭湖的城市宜居水平最高为0.355，最低为0.111；湘南的城市宜居水平最高为0.369，最低为0.111；大湘西的城市宜居水平最高为0.323，最低为0.104。总体来看，长株潭的城市宜居水平最高，因为随着城市群一体化进程的加速，其经济实力雄厚、区位优势显著、基础设施完善、社会服务优越、生态环境优美；由于大湘西地区区位条件相对较差、产业结构单一、经济发展水平相对滞后，其城市基础设施与社会服务较为薄弱，因而其城市宜居水平相对较低。

图2 湖南省城市宜居水平核密度估计

选取2008，2012，2016和2019年4个年份为观测时间点进行核密度估计，以获取不同时间节点的分布状态。图2显示：样本期内，湖南省城市宜居水平整体密度函数值表现出由左至右平移、波峰由高及低的三峰形态，左尾移动距离小于右尾表明湖南省城市宜居水平随时间演变呈现出波动增长趋势，不同城市宜居水平的空间差异敛缩，宜居低水平的城市比重逐渐减少。具体来看：相比2008年，2012年核密度曲线向右小幅迁移，3个波峰的峰度值均显著小于期初，这说明2008—2012年湖南省城市宜居水平有所提升但增幅较小，同时城市宜居水平的两极分化程度有所减缓；相比2012年，2016年核密度曲线继续向右移动且由“三峰”演化为“双峰”，这显示2012—2016年湖南省城市宜居水平持续提升，一部分较高宜居水平的城市在空间上集聚，另一部分较低宜居水平的城市在空间上收拢，较高宜居水平城市数量明显小于较低宜居水平城市的数量；相比2016年，2019年核密度曲线向右大幅移动，由“双峰”重回“三峰”且峰值均出现一定程度的增加，这说明2016—2019年湖南省城市的宜居性进一步改善，但宜居水平的提升更具分散性。

2.2 城市宜居水平空间格局

2.2.1 城市宜居水平空间分布特征 根据计算所得的城市宜居水平指数，基于ArcGIS 10.2平台，按照相等间隔分类的方法将不同年份的城市宜居水平指数分为低水平、较低水平、较高水平和高水平4个类别，囿于篇幅，本文仅绘制2008，2012，2016和2019年4个时间截面的城市宜居水平空间分布图。图3显示：2008年，湖南省除长沙城市宜居性为较低水平外，其它13个市州的城市宜居性均处于低水平状态；2012年，除长沙城市宜居性为较低水平外，株洲和湘潭也由期初的低水平跃迁至较低水平，这说明随着长株潭城市群一体化的深度推进，长沙、株洲、湘潭在交通共建、民生共享、环境共治等方面取得了良好的成效，长株潭城市群城市宜居水平整体得到较大提升，但湘西、怀化、益阳和娄底等9座城市的宜居水平仍保持低位运行；2016年，长沙城市宜居性已跃升至较高水平，除湘潭和株洲在继续保持较低水平外，湘西、张家界、常德、岳阳、衡阳和郴州6座城市的宜居性也逐渐上升至较低水平；2018年，长沙城市宜居水平继续领跑全省，城市宜居性进一步跃升至高水平，同时邵阳、益阳、永州、娄底、怀化5座城市的宜居性也由期初的低水平提升至较低水平。综上，湖南省城市宜居水平空间差异显著，在空间上形成了“东部高于西部、北部高于南部”的分布特征，其中以长沙为核心的长株潭城市群城市宜居水平较高，形成典型的“单核心”空间分布模式。

图3 2008—2019年湖南省城市宜居水平空间分布

(1)2008—2019年间，湖南省城市宜居水平的热点范围基本保持不变，2008年热点地区为长沙、株洲、湘潭、岳阳和益阳，益阳仅2016年退出热点，降至次热点，而2019年益阳重回热点区，这显示：湖南省城市宜居水平的集聚特征保持相对稳定的状态，热点范围主要集聚于长株潭城市群和洞庭湖生态经济区，形成了以长沙为核心的高值簇。次热点范围有所扩大，2008年次热点仅分布于衡阳，2012年次热点范围保持不变，2016年次热点范围拓展至益阳市，而2019年郴州市跃升至次热点，这说明湘东地区的城市社会保障体系构建、基础设施完善、人民生活品质提升、生态环境保护等工作稳步推进，宜居性较高城市的综合治理技术和管理经验不断向周边城市辐射，在一定程度上带动了周边城市宜居水平的提升。

图4 2008—2019年湖南省城市宜居水平冷热点分布

(2)研究期内，湖南省城市宜居水平的冷点范围有所扩大，2008年热点范围仅包含怀化和邵阳两市，2016年冷点范围呈现扩张的态势，常德和娄底两市也演化为冷点区，2019年常德和娄底退出冷点范围，而湘西退至冷点区，冷点范围主要集聚于大湘西地区，形成了以怀化为核心的低值族，这可能与大湘西地区长期的产业结构单一、发展方式粗放、经济实力较弱所引致的城市配套设施与服务薄弱有关。而次冷点的范围有所缩小，2008年次冷点主要分布于湘西、张家界、常德、娄底、永州和郴州6市，2016年次冷点范围仅涵盖湘西、张家界、永州和郴州，2019年娄底由冷点回升至次冷点，次冷点范围主要分布于冷点和热点交错地带。

2.3 城市宜居水平准则层下的差异

计算2008年和2019年湖南省14市州分别在经济富裕度(经济)、社会便利度(社会)、生活舒适度(生活)和环境优美度(环境)4个准则层以及目标层下的分值并对其进行排名，以探索湖南省城市宜居水平在准则层以及目标层上的空间差异情况，同时结合上述城市宜居水平排名以及现实政策，分析排名变化的重要驱动因素。

表2显示：2008年，长沙在经济、社会和生活3个准则层以及目标层下的宜居水平均排名第一，同时其环境优美度排名第二。两个省域副中心城市(衡阳和岳阳)中，岳阳的经济富裕度排名第七，社会便利度和生活舒适度均排名第六，环境优美度排名第四，宜居水平综合排名第五；衡阳的经济富裕度排名第十二，社会便利度排名第四，生活舒适度和环境优美度排名第十，宜居水平综合排名第七，这说明相对岳阳，衡阳无论是4个准则层抑或是城市综合宜居水平在省内尚未形成示范和引领作用。长株潭城市群的其他两个核心城市，株洲在经济富裕度、社会便利度和城市宜居水平的综合指数均排名第三，但其环境优美度仅排名第七；湘潭的经济富裕度排名第四，社会便利度和城市宜居水平综合指数排名第二，生活舒适度排名第三，环境优美度排名第五，这说明作为最早获批的资源节约型和环境友好型综合改革试验区，长株潭城市群在城市宜居水平上领先于省内其他城市。

表2 2008和2019年湖南省城市宜居水平准则层以及综合得分排名

2019年，长沙仍在经济富裕度、社会便利度和生活舒适度3个准则层以及目标层下的宜居水平排名第一，但其环境优美度排名下滑至第十二，这说明长沙在城市环境治理和环境保护等方面仍存在较大不足。作为省域副中心城市的衡阳，其经济富裕度、社会便利度、生活舒适度和环境优美度4个准则层相对2008年均有不同程度的改善，其城市宜居水平的综合指数取代岳阳已跃升至全省第五；岳阳的经济富裕度和环境优美度上升至第四，但其社会便利度和生活富裕度的排名均存在较大幅度的滑坡。而长株潭城市群的城市宜居水平在经济富裕度和社会便利度2个维度上始终保持领先状态，同时长沙、湘潭和株洲城市宜居水平的综合指数位列前三，但值得注意的是，长沙、株洲和湘潭的城市环境优美度的排名相较2008年均有不同程度的下滑。

自然环境是城市建设与发展的基础和前提，城市的地形、地貌、气候、资源、地理位置等自然环境条件均是影响城市宜居的重要因素，如湘西和张家界地处武陵山区，其交通接驳性与连通性较差，虽然生态环境良好，气候宜人，但其整体宜居水平排名并不靠前；又如岳阳市位于长江沿线，是国务院首批沿江开放城市，也是湖南省省域副中心城市，城市宜居水平的改善面临着长江经济带开发的多重政策利好；再如郴州市，矿产资源丰富，有着中国有色金属之乡的美称，郴州自贸区的建设为其有色金属冶炼工业提供了新的发展契机，但在生态文明建设的时代背景下，城市经济富裕度提升的同时也面临着环境优美度下降的风险。社会经济条件是宜居城市建设的重要动力，如受长株潭城市群建设的辐射与溢出，株洲与湘潭城市经济富裕度不断提升，同时公共服务与基础设施不断优化，其社会便利度与生活舒适度均排名省内前列；虽然张家界随着旅游经济的快速发展，城市经济富裕度有一定的提升，但其产业结构单一，尤其是除旅游产业以外的生活性与生产性服务业严重滞后，加之旅游经济的过度扩张，也造成了一定程度的生态环境破坏，其城市宜居水平出现了明显的下滑。

2.4 城市宜居水平前景预测

以14个市州2008—2019年城市宜居水平的综合指数为原始数据，运用DPS 9.5软件中的GM(1. 1)灰色预测模型，对湖南省“十四五”规划期间的城市宜居水平进行动态预测，同时分别计算长株潭城市群、洞庭湖生态经济区、大湘西地区、湘南地区以及湖南省整体预测样本时期的城市宜居水平(表3)。为保证模型构建的科学性与预测结果的合理性，将模拟获取的2008—2019年湖南省14市州的宜居性指数与实际值进行对比，运用残差序列，分别计算湖南省整体、四大分区以及14市州城市宜居水平模拟的平均相对误差和平均相对精度，结果表明所有相对误差均处于2.118～4.310，平均相对精度均超过95%，这说明所构建的模型可以进行未来时序的前景预测。

由表3可知，湖南省城市宜居水平的均值由2020年的0.426上升至2025年的0.657，整体上延续了2008—2019年的演化特征，呈现出持续提升态势。随着“一带一部”“长江经济带”“三高四新”等发展战略的深入实施，湖南省城市经济综合实力将会不断攀升、多层次保障体系将会不断健全、居民生活品质将会不断优化、生态环境质量将会不断提升。从4个分区层面上看，4个分区的城市宜居水平均呈现提升态势，但片区之间仍存在显著的区域差距，预测周期宜居水平均值在空间上仍呈现出“长株潭(0.720)>湘南(0.569)>洞庭湖(0.627)>大湘西(0.523)”的分布特征，这说明在“十四五”规划期间，湖南省应立足于一核两副三带四区”的区域经济发展战略，推动长株潭、洞庭湖、湘南和大湘西地区的城市宜居水平协调联动提升。从城市层面上看，长沙的城市宜居水平在14个市州中处于绝对领先状态；而作为省域副中心城市的岳阳和衡阳，其城市宜居水平并非名列前茅；而张家界、怀化和湘西的城市宜居水平在未来6年中仍处于垫底位置。

表3 湖南省城市宜居水平前景预测

3 结论与讨论

本文综合运用修正后熵值法、非参数Kernel密度估计、冷热点分析和灰色预测GM(1, 1)模型探索湖南省城市宜居水平的时空演化特征并预测其演化趋势。主要结论如下：(1)湖南省城市宜居水平整体呈现波动上升态势，长株潭城市群城市宜居水平的提升较洞庭湖生态经济区、大湘西地区和湘南地区更加显著，但整体仍处于较低水平，城市宜居水平仍存在较大提升空间；(2)湖南省城市宜居水平空间差异显著，在空间上形成了“东部高于西部、北部高于南部”的分布特征，其中以长沙为核心的长株潭城市群城市宜居水平相对较高；(3)湖南省城市宜居水平的排名不仅在经济富裕度、社会便利度、生活舒适度和环境优美度4个维度上存在较大空间差异，同时在综合排名上也存在显著的地域分异；(4)通过预测分析发现湖南省城市宜居水平整体上延续了2008—2019年的演化特征，呈现出持续提升态势。

为提升湖南省城市宜居水平，结合上述结论，本文提出如下建议：(1)长沙、株洲和湘潭应抢抓长株潭一体化建设的重要机遇，对标对表《长株潭都市圈发展规划》，着力构建公共服务与基础设施建设合作机制，积极推动医疗、教育、交通等的交流合作，进而促进长株潭城市群整体宜居水平的提升。(2)岳阳、益阳和常德应抢抓长江经济带建设的重大利好，积极推动城市生态文明建设，以供给侧结构性改革为导向，促进城市产业结构转型升级；推动常益长高速铁路建设，提高城市交通便利性，进而促进区域整体宜居水平的稳步提升。(3)郴州、永州、衡阳和娄底，以自贸区建设为契机，着力改善营商环境，促进区域经济高质量发展，着力补齐公共卫生与医疗教育等领域的短板，以城市老旧社区改造为着力点，提高城市居民生活的幸福感与归属感。(4)湘西、张家界、怀化和邵阳，一方面应扛牢区域生态环境保护的主体责任，重视生态环境保护屏障的打造，以城市生态文明建设推动城市公共服务与基础设施全面协调提升；另一方面，着力推动城市产业结构转型升级，推进城市产业结构高级化与合理化，尤其是大力发展生活性服务业，提高城市居民生活舒适感。