劉愛華,謝正觀

(中國科學院研究生院資源與環(huán)境學院,北京 100049）

加權(quán)Vo ronoi圖在城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)劃分中的應用
——以十堰市為例

劉愛華,謝正觀

(中國科學院研究生院資源與環(huán)境學院,北京 100049）

劃分城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)對于進行城鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)和公共服務設施布局、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。通過構(gòu)建評價指標體系,運用主成分分析與重力模型法,計算城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿?在此基礎上選擇了14個中心鎮(zhèn),并求得其與中心城市、特區(qū)及城關(guān)鎮(zhèn)的中心性強度。根據(jù)斷裂點理論,運用加權(quán)Vo ronoi圖,以城鎮(zhèn)中心性強度值的平方根為權(quán)重劃分各中心城鎮(zhèn)的空間影響范圍。在保持鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)完整性的前提下,對城鎮(zhèn)影響范圍進行調(diào)整,最終確定了十堰市22個城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)的覆蓋范圍。結(jié)果表明,城鎮(zhèn)影響范圍還取決于中心城鎮(zhèn)間的距離,城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)范圍通常與行政范圍不一致。在今后的研究中還需考慮自然資源、周邊城市影響等因素,不斷完善研究方法。

城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū);加權(quán)Voronoi圖;斷裂點理論;十堰市

0 引言

經(jīng)濟區(qū)是一定區(qū)域范圍內(nèi)城鎮(zhèn)、城鄉(xiāng)之間在經(jīng)濟、社會、環(huán)境等方面相互依賴、聯(lián)系緊密的區(qū)域,也是為發(fā)揮中心城市作用、協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)發(fā)展關(guān)系而組成的有一定專業(yè)化意義的經(jīng)濟地域[1]。在城市群或省級城市等宏觀尺度上劃分的“城市經(jīng)濟區(qū)”,是以大中城市為核心和與其緊密相連的廣大地區(qū)共同組成的經(jīng)濟上緊密聯(lián)系、生產(chǎn)上互相協(xié)作的城市地域綜合體[2];而在地市級、縣級經(jīng)濟區(qū)的劃分中,則借鑒“城市經(jīng)濟區(qū)”理論,提出“城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)”的概念,即以一個或幾個城鎮(zhèn)為中心劃分經(jīng)濟區(qū),形成“鎮(zhèn)帶鄉(xiāng)”的城鄉(xiāng)組團式空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)有利于最大限度地發(fā)揮各區(qū)特點和互補優(yōu)勢,最經(jīng)濟有效地布置公共服務與基礎設施,形成區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的整體合力[3]。在中微觀尺度的城鄉(xiāng)統(tǒng)籌規(guī)劃中,劃分城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)具有實際意義。

傳統(tǒng)城市經(jīng)濟區(qū)的劃分主要運用Rd鏈方法、斷裂點方法、場強分析法等[4]。近年來,不斷有學者將加權(quán)Voronoi圖應用于城市影響范圍的劃分[4-8],使之逐漸成為城市經(jīng)濟區(qū)分析的重要手段之一。本文應用該方法,以湖北省十堰市為例,探討其在中微觀的城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)劃中的應用。

1 城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)劃分的理論基礎

劃分城市經(jīng)濟區(qū)的理論依據(jù)是空間相互作用理論中的斷裂點理論。該理論認為城市的吸引范圍是由城市的規(guī)模和相鄰城市間的距離決定的,相鄰兩城市吸引力達到的平衡點即為斷裂點。根據(jù)斷裂點計算公式可知,斷裂點到相鄰兩城市的距離與這兩個城市人口的平方根呈正比[2]。

該理論雖已被廣泛應用于城市吸引范圍的劃分中,但仍存在著較大的局限性:一是僅以城市人口反映城市吸引力的大小有失科學性,而應由綜合多個指標的中心性強度決定;二是斷裂點公式僅計算相鄰兩個城市的一個斷裂點,而兩城市間吸引范圍的界線是一條線,因此在具體界定時具有很大的任意性;三是在多個城市構(gòu)成的城市體系中,計算較為復雜且難以描述[4,6]。

2 加權(quán)Voronoi圖的應用原理

空間剖分是Voronoi圖的一個重要用途,位于格網(wǎng)中的每一點到該格網(wǎng)發(fā)生元的距離都小于到其它格網(wǎng)發(fā)生元的距離,這對于空間劃分有著重要意義[6]。由行為地理學可知,人類的各種社會經(jīng)濟活動具有一定的空間行為準則,如根據(jù)最近距離、最短時間或最低費用等選擇空間行為目的地[9],因此,可將Voronoi圖中格網(wǎng)發(fā)生元理解為經(jīng)濟客體(如中心城鎮(zhèn)）,格網(wǎng)區(qū)域即可理解為其空間影響范圍。

常規(guī)的Voronoi圖沒有考慮發(fā)生元的差別,所以不太實用,而加權(quán)Voronoi圖實現(xiàn)了在各發(fā)生元差別明顯情況下的空間剖分。在應用中,以各城鎮(zhèn)中心性強度值平方根為權(quán)重生成加權(quán)Voronoi圖,能夠較為直觀地描述空間影響區(qū),這正是運用加權(quán)Vo ronoi圖劃分城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)的原理所在[5,7]。

3 中心城鎮(zhèn)的選擇與城鎮(zhèn)中心性強度計算

3.1 中心城鎮(zhèn)的選擇

十堰市域能夠發(fā)揮輻射帶動作用的中心城鎮(zhèn)有三類:一是中心城市(十堰市區(qū)、丹江口市區(qū)）;二是武當山特區(qū)及城關(guān)鎮(zhèn);三為中心鎮(zhèn)。前兩類城鎮(zhèn)已明確,而中心鎮(zhèn)則需要慎重選擇。

中心鎮(zhèn)是城鎮(zhèn)體系中介于城市與一般小城鎮(zhèn)之間,區(qū)位較優(yōu)、實力較強、潛力較大,既能承接大中城市輻射影響,又能帶動周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村發(fā)展的城鎮(zhèn)[10]?？紤]到十堰市規(guī)劃區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)受中心城市輻射,因此中心鎮(zhèn)的選擇在規(guī)劃區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)與城關(guān)鎮(zhèn)之外的48個建制鎮(zhèn)中進行,且中心鎮(zhèn)的選擇以城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Φ梅譃榛A。本文試從城鎮(zhèn)綜合實力和區(qū)位交通條件兩方面進行評價。鑒于指標可比性與可獲得性,城鎮(zhèn)綜合實力的評價從規(guī)模和經(jīng)濟質(zhì)量兩方面選取了15個指標(表1）。

表1 十堰市城鎮(zhèn)綜合實力評價指標Table 1 Indices to assess comprehensive strength of towns in Shiyan

通過構(gòu)建48×15的數(shù)據(jù)矩陣(數(shù)據(jù)來源于《2009年十堰市鄉(xiāng)鎮(zhèn)卡片數(shù)據(jù)》）,利用SPSS軟件進行主成分分析,以主成分對總方差的累計貢獻率≥85%提取了6個主成分;運用以下公式求得各城鎮(zhèn)綜合實力得分Qi:

式中:Ak為第k個主成分貢獻率;Pij為i城鎮(zhèn)第j項標準化指標;W j為j指標在主成分中的得分系數(shù)。

區(qū)位交通條件評價則通過測量各城鎮(zhèn)到中心城市、城關(guān)鎮(zhèn)、火車站、高速公路出入口、國道、省道以及縣道等各要素的最短路程,采用重力模型法計算各城鎮(zhèn)的區(qū)位交通條件得分Ti。公式為:

式中:dir為城鎮(zhèn)i與要素r的最短距離,σr為要素r的權(quán)重。權(quán)重的確定是在專家對各要素所賦權(quán)重的基礎上,根據(jù)十堰市的情況做適當調(diào)整[11](表2）。

表2 區(qū)位交通條件評價中各要素權(quán)重Table 2 The elemental weight of location/transport condition

由于十堰市是典型的山地城市,區(qū)位交通條件和城鎮(zhèn)綜合實力對城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Φ挠绊懚己苤匾?本文對二者均賦0.5的權(quán)重。將兩項得分進行“中心化”標準化處理以消除量綱影響[12],然后加權(quán)求和,得到各城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Φ梅?表3）。

表3 各縣(市）城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Φ梅諸able 3 Development potential score of towns in each county and county-level city

在此基礎上,中心鎮(zhèn)的選擇還需考慮以下內(nèi)容:1）由于城關(guān)鎮(zhèn)具有較強的影響力,所選中心鎮(zhèn)若與城關(guān)鎮(zhèn)距離較近,其本身則處于城關(guān)鎮(zhèn)的輻射范圍內(nèi)而不能發(fā)揮作用。經(jīng)研究,排除距離城關(guān)鎮(zhèn)25 km和丹江口市區(qū)30 km以內(nèi)的城鎮(zhèn),包括土關(guān)埡、涼水河、青曲、楊溪鋪、河夾、土門、觀音、溢水、田家壩、水坪、蔣家堰、中峰、縣河、軍店、化龍堰。2）若中心鎮(zhèn)之間位置接近,會因存在較大的競爭關(guān)系而不利于雙方的要素集聚,因此之間也要保持足夠的距離。選擇各縣(市）現(xiàn)排首位的城鎮(zhèn)作為中心鎮(zhèn)(浪河鎮(zhèn)、鮑峽鎮(zhèn)、夾河鎮(zhèn)、寶豐鎮(zhèn)、豐溪鎮(zhèn)、青峰鎮(zhèn)）,同時排除與它們相距25 km以內(nèi)的城鎮(zhèn)(丁家營、羊尾、胡家營、麻家渡、擂鼓、大木廠）。3）考慮中心鎮(zhèn)分布的均衡性,每個縣(市）應選擇1～3個中心鎮(zhèn)。依據(jù)排名選出習家店、南化塘、安陽、上津、得勝、官渡、青峰、門古寺。最終,全市共選出14個中心鎮(zhèn)。

3.2 城鎮(zhèn)中心性強度計算

城鎮(zhèn)影響區(qū)范圍主要受制于中心城鎮(zhèn)中心性強弱,因此評價城鎮(zhèn)中心性強度是進行城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)劃分的重要前提[13]。本文以綜合發(fā)展?jié)摿Ρ碚髦行男詮姸取閷崿F(xiàn)得分的可比性,將中心城市與全部建制鎮(zhèn)一起進行評價;一些城鎮(zhèn)得分為負,需經(jīng)“最小—最大標準化”處理,將所有城鎮(zhèn)得分轉(zhuǎn)換為[1, 10]內(nèi)的數(shù)值[8];最終得到所有中心城鎮(zhèn)的中心性強度值(表4）。

表4 十堰市中心城鎮(zhèn)中心性強度得分Table 4 Centrality strength score of each central town in Shiyan

4 城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)的劃分

4.1 城鎮(zhèn)影響區(qū)的劃分

城鎮(zhèn)影響范圍是進行城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)劃分的主要依據(jù)[14]。本文對十堰市中心城鎮(zhèn)影響區(qū)的劃分基于斷裂點理論,運用 GIS軟件中加權(quán)Voronoi圖工具,以22個中心城鎮(zhèn)為發(fā)生元,以城鎮(zhèn)政府駐地為中心點,以城鎮(zhèn)中心性強度值的平方根為權(quán)重生成加權(quán)Vo ronoi圖,每個格網(wǎng)內(nèi)的區(qū)域即為各中心城鎮(zhèn)的空間影響范圍(圖1）。

圖1 十堰市各中心城鎮(zhèn)影響范圍Fig.1 Radius of each central town in Shiyan

4.2 城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)的劃分

在城鎮(zhèn)影響范圍的基礎上,為保證鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)的完整性,對城鎮(zhèn)影響范圍界線進行了調(diào)整,有以下3種情況:1）全部行政區(qū)位于某影響區(qū)范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn),可直接劃入該中心城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)。2）對于絕大部分行政區(qū)和政府均位于某城鎮(zhèn)影響區(qū)范圍的鄉(xiāng)鎮(zhèn),可將其劃入該中心城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū);但有兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(姚坪鄉(xiāng)、中壩鄉(xiāng)）例外,因政府駐地與所在影響區(qū)中心城鎮(zhèn)間被高山阻隔、交通不便,于是將該鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃入與其交通聯(lián)系密切的中心城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)。3）對于政府駐地與鄉(xiāng)鎮(zhèn)絕大部分行政區(qū)分屬不同城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及政府所在地位于城鄉(xiāng)影響范圍分割線上的鄉(xiāng)鎮(zhèn),需要綜合考慮地形和交通聯(lián)系等因素,將鄉(xiāng)鎮(zhèn)全域劃入與政府駐地交通聯(lián)系密切的中心城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)。最終得到十堰市城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)劃分方案(圖2）和各城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)覆蓋范圍(表5）。

圖2 十堰市城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)劃分Fig.2 Division of econom ic zone in towns in Shiyan

表5 十堰市各城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)范圍Table 5 Scope of each econom ic zone of central town in Shiyan

5 結(jié)論

十堰市中心城鎮(zhèn)的中心性強度存在差異,但這種差異并不是城鎮(zhèn)影響范圍大小的唯一決定因素,其大小還取決于中心城鎮(zhèn)之間的距離。十堰南部城鎮(zhèn)中心性強度整體偏低,但是城鎮(zhèn)影響區(qū)范圍普遍大于北部地區(qū),主要受南部山大人稀、城鎮(zhèn)分散的影響。由加權(quán)Voronoi圖法確定城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū),打破了行政邊界,使得城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)范圍與行政范圍不一致,符合實際情況。十堰市城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)的劃分打破了縣級行政邊界,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為最小單元,也是出于對規(guī)劃管理操作性的考慮。與前人研究相比,本研究對象較為微觀,由于城鎮(zhèn)數(shù)量眾多,不可能全部作為中心城鎮(zhèn)。因此,本文增加了中心城鎮(zhèn)的選擇這一重要內(nèi)容;并且在構(gòu)建評價指標體系時,充分考慮到十堰的山區(qū)特點,強調(diào)了區(qū)位與交通條件對城鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿Φ挠绊?完善了研究方法,使研究結(jié)果更為客觀。

城鎮(zhèn)影響范圍的確定不僅受城鎮(zhèn)綜合實力、地形、交通因素的影響,還與自然資源、歷史因素等密切相關(guān)。在實際應用中,應結(jié)合各地具體情況深入研究,構(gòu)建較為完善的評價指標體系,還要考慮周邊城市對研究區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)的影響,這些問題都有待于進一步的研究。

[1] 吳效軍.城鎮(zhèn)經(jīng)濟區(qū)——城鎮(zhèn)密集區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效規(guī)劃手段[J].城市研究,1998(5）:27-28.

[2] 許學強,周一星,寧越敏.城市地理學[M].北京:高等教育出版社,1998.128-129.

[3] 白晨曦.創(chuàng)新編制城鄉(xiāng)統(tǒng)籌規(guī)劃,促進青海省綠色產(chǎn)業(yè)增長[A].王偉光.中國城鄉(xiāng)一體化:理論研究與規(guī)劃建設調(diào)研報告[C].北京:社會科學文獻出版社,2010.13-22.

[4] 閆衛(wèi)陽,郭慶勝,李圣權(quán).基于加權(quán)Voronoi圖的城市經(jīng)濟區(qū)劃分方法探討[J].華中師范大學學報(自然科學版）,2003,37 (4）:567-571.

[5] 趙春燕,蔣瓊星,周建平.基于加權(quán)Vo ronoi圖的湖南省城市影響范圍分析[J].測繪通報,2010(6）:59-61.

[6] 張哲,薛惠鋒.基于加權(quán)Vo ronoi圖的寶雞地區(qū)城市影響區(qū)的劃分[J].計算機仿真,2008,25(6）:261-264.

[7] 吳國璽,閻衛(wèi)陽.基于加權(quán)Voronoi圖的河南省城市影響區(qū)研究[J].城市發(fā)展研究,2009,16(1）:55-59.

[8] 龐宇,呂曹芳,羅永龍.基于加權(quán)Vo ronoi圖的安徽省城市影響范圍及經(jīng)濟區(qū)域劃分[J].安徽師范大學學報(自然科學版）, 2007,30(5）:593-598.

[9] 趙書茂,周海燕,朱劉娟.Voronoi圖在河南省城市網(wǎng)絡研究中的應用[J].測繪學院學報,2003,20(3）:206-209.

[10] 王興平,李志剛.略論縣域規(guī)劃的中心鎮(zhèn)戰(zhàn)略與選擇——以南京市江寧縣為例[J].經(jīng)濟地理,2000,20(5）:22-25.

[11] 陸鋒,陳潔.武漢圈城市區(qū)位與可達性分析[J].地理科學進展,2008,27(4）:68-74.

[12] 張衛(wèi)華,趙銘軍.指標無量綱化方法對綜合評價結(jié)果可靠性的影響及其實證分析[J].統(tǒng)計與信息論壇,2005,20(3）:33-37.

[13] 車冰清,朱傳耿,杜艷,等.淮海經(jīng)濟區(qū)城市空間影響范圍與城市經(jīng)濟區(qū)劃分[J].人文地理,2010,25(5）:86-91.

[14] 周一星,張莉.改革開放條件下的中國城市經(jīng)濟區(qū)[J].地理學報,2003,58(2）:271-284.

Division of Town Econom ic Zones Based on Weighted VoronoiDiagram:A Case Study of Shiyan

L IU Ai-hua,XIE Zheng-guan(College of Resources and Environment,Graduate University of Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100049,China）

To divide tow n economic zones is impo rtant to allocate the urban-rural industries and public services facilities,as well as to imp rove urban-rural coordinated development.By establishing the development potential index system of tow ns and using Principal Component Analysis and Gravity Model,14 center-tow ns were selected,meanw hile,all the central cities and tow ns′impactson surrounding areaswere calculated.Based on the Breaking Point Theory,the spatial impact scope of each central tow n was generated by using the Weighted Vo ronoi Diagram w ith taking the square root of each central tow n′s centrality strength sco re as weight.To maintain the integrity of village and tow n′s administrative area,the impact scope wasadjusted w ith the consideration of terrain conditions and transport links between tow nships.The total 22 economic zones′coverage of tow ns were finally determined.The results show that the spatial impact scope still dependson the distance between central tow ns,and it is always disco rdant w ith the administrative area.The facto rs of natural resources,influence from surrounding cities and so on also should be taken into consideration in the future to perfect the research methods.

tow n economic zone;weighted Vo ronoi diagram;breaking point theo ry;Shiyan City

K902

A

1672-0504(2011）04-0079-04

2011-04-13;

2011-05-10

劉愛華(1977-）,女,博士研究生,研究方向為城市地理與城市規(guī)劃。E-mail:liuah-b08@mails.gucas.ac.cn